フォーミュラ1カー
以前はダンパーを車体の外に露出して配置するアウトボードタイプだったが、空気流を乱し抗力を増やすなど欠点が多いとしてインボード化され、その後にスプリングもコイルスプリングからトーションスプリングに変わった。インボードタイプにも、ダンパーを作動させるロッドの配置から、ロッキングアーム形式、プッシュロッド形式、プルロッド形式に大別される。
ロッキングアーム形式は1961のロータス・21で初めて採用された。アッパーアームとダンパーを作動させるアームを共用した形式である。これが1970年代まで主流であった。
しかし、グラウンドエフェクトが開発された1970年代後半から、ダウンフォースの発生量が急激に増加する。そして、ロッキングアームの欠点である、アッパーアームの歪みによるサスペンションの働きの低下が顕著になってきた。
ロッキングアーム形式に変わって、サスペンションの作動に専用のロッドを使用するプッシュロッド形式とプルロッド形式が新たに採用された。ダンパーの連結されているロッドの配置方法から、分けられている。現代のF1マシンでは、床下の空力を重視するためにシャーシ側のロッドの位置が高くなるプッシュロッド形式を採用しているマシンがほとんどである。しかし1990年以降においても、低重心化や空力デザインの優先のためにプルロッドを採用するチームも少数派ながら存在する。2010年代前半には「フロントはプッシュロッド、リアはプルロッド」という構成を取るマシンも一部に見られるようになり、2017年現在ほとんどのチームに採用されている。
1990年代には、左右の車輪から延びるロッド2本で1本のダンパーを共有するモノショックと呼ばれる形式が採用されたこともあった。これは、コーナリング中の車体のロールをなくすことによって安定したダウンフォースを発生させる意図をもって採用されたものである。しかし、採用するチームは少なく、普及することはなかった。
1990年代までコイルばねが主流であったが、モノコックのスリム化や内部スペースの拡大に伴い、より小型なトーションバースプリングが現在の主流である。
後述するグラウンドエフェクトの導入によって、マシンの姿勢変化によるダウンフォース発生量の変化が嫌われるようになったため、徐々にスプリングは硬くなり、ストローク量もきわめて小さくなっている。
部品の抵抗を利用したフリクションダンパーもごく初期に使用されていたが、オイルの粘性を利用したオイルダンパーが主流である。ダンパーのストロークが小さいため、少しの動きで減衰力が発生するような工夫がなされている。
Jダンパー、イナーシャルダンパーとも俗称され、ケンブリッジ大学のマルコム・スミス教授が1997年に発明した。ちなみに、JダンパーのJは特に意味を持っているわけではない。
ダンパーという名称を持つが、見かけ上のばね上質量=イナーシャを増加させて、路面のバンプによるばね上の姿勢変化を抑制する装置である。ダンパーに外力が加わってある方向にシャフトが移動すると、そのシャフトに刻まれた溝に沿って内部のフライホイールが回転する。次に、逆方向にシャフトが動こうとすると、その回転している錘がシャフトの動きを妨げる。通常のダンパーでは、速度に比例して力が発生するが、イナーシャルダンパーでは加速度に比例して力が発生する点が大きな違いである。
2005年サンマリノグランプリでマクラーレンがマクラーレン・MP4-20に搭載してデビューさせた。
1980年代に各チームで開発がなされていたが、1994年に使用が禁止された。
1950年代は、ワイヤースポークタイプのホイールが使用されていた。しかし、ホイールの軽量化はばね下重量の軽減、そして運動性能の向上につながる。そのため、1960年代以来マグネシウム合金(比重がアルミニウムの約3分の2と軽量)がホイールの材料として使用される。ただし、マグネシウム合金は耐蝕性や反応性に難があるため、マンガンなどを混ぜて耐熱・耐食性を向上させたり、表面に耐熱性のある塗料を塗るなどの方法がとられている。取り付けはセンターロック式。
1990年代までは鋳造のマグネシウムホイールがほとんどであったが、BBSホイール(ワシマイヤー社が製造)は、鋳造に比べて20 %も軽量である鍛造のマグネシウムホイールを持ち込んだ。現在は鍛造品が主流となっている。
一時期、カーボンファイバーホイールが開発されていたが、現在はコスト削減などの点でレギュレーションではホイールは均等な金属材質で作られなければならないと定められているため、使用することができなくなっている。
2006年にフェラーリが248F1で採用したホイールの外側に装着するホイールカバーは、車輪が回転してもカバーは回転せず乱流を減らす効果があったいう。そのため、各チームに徐々に普及していった。ホイールのスポーク部分を覆う単純な円形ではなく、タイヤの部分まで拡大されたホイールカバーもあるが、空力やタイヤ交換作業の簡略化などの関係で2010年以降レギュレーションで使用が禁止された。2010年シーズンにおいて、少しでもホイールカバーに近い効果を出すため、スポーク部分にリング状のパーツを取り付けたり、リム部分を太くするなどの工夫がみられる。
2022年シーズンからは、タイヤの18インチ化に伴う形で、全車がBBS製の鍛造ホイールを使用(ワンメイク化)する。
F1カーのタイヤの特徴は、スリックタイヤを含めた何タイプかの異なるタイヤセットをピットに用意しておき、レース中であっても天候変化や磨耗度合いに応じてタイヤを交換することである。雨天と好天では溝の有無で違いが顕著であり、雨量に応じて異なるパターンのタイヤを用意しており、また、路面の温度などによっても最適なタイヤは異なる。各タイヤは基本的に一度切りのレース走行を前提に設計・製造されていることから耐久性はあまりなく、トレッド面は磨耗と粘着によって急速に失われてゆくため、ほとんどの場合レース途中でのタイヤ交換が前提とされている。走行中のタイヤの発熱により内圧が変化することを防ぐため、内部には通常の空気ではなく、水分を含まない窒素を充填することが多い。
レースに使用されるタイヤはタイヤメーカーがそれぞれのチームへ独占的に供給しており、これらのメーカーによってチームが使用するホイールに装着され、ホイールバランサーによってバランスを整えた後に戻される。F1カーは4輪すべてのホイールの脱着が同時に迅速に行えるように設計されており、レーシングチームはその作業手順に習熟するよう訓練が重ねられる。タイヤは使用後にチームから回収され、たとえ未使用であってもホイールに一度装着されたタイヤは廃棄される。
1960年代までは、トレッドパターンが刻まれたタイヤが使用されていたが、1971年以降、スリックタイヤが主流となった。その後、1998 - 2008年の間のみであるが、速度低減を目的としてタイヤに4本(1998年の前輪のみ3本)の溝が掘られたグルーブドタイヤの使用が義務付けられた。
通史的な全体的な傾向としては、1960年代以前は時代が古くなるほど断面が円に近く、一般車両のタイヤに近いものとなる。これはタイヤ(ホイール)を厳しく垂直に立てなくても良いことを意味し、たとえばサスペンションの設計に自由度を与えていた。1970年代以降は前述のスリックタイヤ化とともに、ロープロファイル化・ワイド化が進行し、現代に至ってはかなりの低偏平率タイヤである。サスペンションには常にホイールを垂直に保つことが求められるようになり、他の要素ともあいまってサスペンションは極端に堅くなっている。
タイヤの軽量化は車速の向上に直結するため、タイヤメーカーではタイヤ各層の薄型化や軽量素材の開発・利用を追求している。一般車用タイヤでは縁石にぶつけたり乗り上げたりした時にもすぐにはパンクしないようにサイドウォールを強靭に作っているが、F1においては、サーキットで縁石に当てる恐れが少ないために極限まで薄く作られている。また、一般タイヤではスチールベルトを用いるところをカーボンファイバーやグラスファイバーが採用されることがある。
通常のタイヤは路面と乾いた状態で接して単純な摩擦によってグリップ力を発生させるが、F1タイヤはそれに加えてタイヤのトレッド面(路面と接する部分)のゴム素材に特殊な高分子素材などを混ぜて高温で容易に半流動化するようにしておき、この粘弾性によるグリップ力の向上を利用している。
2008年シーズンからは、タイヤコンパウンドの違いがはっきりとわかるように色で区別がなされている。2008年から2010年シーズンまでは、レースに持ち込んだ2種類のタイヤの内、柔らかいほうに白色のマーキングがなされていた。2011年シーズンからピレリが供給するタイヤは、サイドウォールのロゴの色によって区別できるようになっている。。
バイアスタイヤとラジアルタイヤの違いは、カーカス(タイヤ表面〈コンパウンド〉の下側にある、タイヤの骨格となる部分)の繊維方向が斜め(バイアス)か直角(ラジアル)かによって分けられる。
かつてはバイアスタイヤが主流であった。1977年からF1に参戦したミシュランはラジアルタイヤをF1に初めて持ち込んだ。ラジアルタイヤは、その構造からタイヤ構造の強度が高かった。そのため唐突にグリップを失ったりコントロールしにくいなどといわれたが、ターボエンジンによる大出力化や、グラウンドエフェクトによる車高の変化を嫌う考え、変形の小ささによる発熱の少なさによって、よりやわらかいコンパウンドを採用できるなどのメリットから次第に浸透していき、1984年からグッドイヤーもラジアルタイヤに切り替えた。
2017までのデータを下記に記す。太字は2018に使用されるタイヤ会社。
フォーミュラ1カーの大半は4輪であり、前輪が操舵輪、後輪が駆動輪である。これはレギュレーションで「車輪は4つまで」、「四輪駆動(4WD)の禁止」、「四輪操舵(4WS)の禁止」と定められているためである。6輪車はタイヤの回転で発生する乱気流を減らす、四輪駆動はウェットコンディションでの走行安定性を向上させる、四輪操舵は横滑りしにくく内輪差を小さくできるというメリットがあるが、設計や空力などの面で前輪操舵、後輪駆動の方が有利であると考えられている。
ダウンフォースの考えが生まれたばかりの1960年代末は、四輪駆動車が複数台参戦した。ティレル・P34は実戦投入された唯一の6輪車であり、1970年代後半には複数のチームが6輪車の開発に着手した。ベネトンは1993年日本グランプリに四輪操舵システムを搭載したB193Bを投入した。
マシンにはレギュレーションに基づき最低重量と車両全体の重量配分が設定されている(2017年はドライバーを含めて728 kg、前後配分328:387+自由設置分7 kg、左右配分50:50。2018年は6 kg増の734 kg)。しかし実際はそれより軽く作られるため、バラストを配置して規定を満たす。マシンは軽いほどバラストを設置する際の自由度が高くなり、レース毎に細部の重量配分を調整できるメリットがある。
マシンの底に取り付けられるスキッドブロック(本来はダウンフォースを制限する目的の摺り板。1994年途中より装着が義務付けられた)に重金属を使用することでマシンの重心を下げる手法も一時期広く使われたが、2015年よりスキッドブロックにはチタン等の軽金属を使用することが義務付けられたため、この手法は使えなくなった。
1960年代以前は、空気抵抗の低減が求められ、マシンは葉巻型が大半を占めた。また、ドライビングポジションを寝かすことや、シャーシのスリム化による前面投影面積の減少も図られた。ウイングといった空力パーツを使用しているチームは皆無であった。
1960年代に入ると、軽量化による車重の減少やエンジンの高出力化によって、駆動輪であるリヤタイヤが簡単にホイールスピンをおこしてしまい、動力を確実に伝達することが困難になってきた。それを防ぐためには、駆動輪を路面に押し付ける力が必要となる。一番簡単な方法は、質量を増やすということである。しかし、同時に慣性も大きくなってしまい運動性が落ちてしまう。そこで考えられたのが、空力による抗力成分と揚力成分のうち「逆向きの揚力」であるダウンフォースの積極利用である。
1968年にフェラーリやロータスがウイングを実戦に投入した。このウイングは、飛行機の翼を上下逆さまにしたような形状と働きをする。それが各チームに急速に広がっていった。一旦ウイングの効果が明らかになると、効率をよくするため、空気流の乱れが少ない、つまりマシンから離れたどんどん高い位置に装着されるようになった。また、サスペンションの理論上明白なことだが、ウイングが発生するダウンフォースにより車体を下に押さえつけるのではなく、いわゆる「ばね下」となるサスペンションのホイールに近い側に直接ウイングを取り付け、直接ホイールを押さえつけたほうが良い。さらに、ダウンフォースによる効果が大きい高速コーナーではウイングを立て、抗力を減らしたい長い直線ではウイングを寝かす、あるいはコーナーにおいて左右で角度を変えるなどといったことも考えられ、そういった方式を実践したチームも多かった。しかし、強度に難があったりでレース中の脱落が発生するなどし、危険とFIAが判断、1969年のシーズン中には規制が入り、1970年以降現在まで「(ばね上の)車体に固定しなければならない」「走行中に可変であってはならない」という原則と、取り付け高さや最大寸法の制限がルール化されている。
1970年代以後、マシンの形状は葉巻型からウエッジシェイプ型と呼ばれる車体全体で空気を上に押し上げ、ダウンフォースを得る方向に変わっていき、現代の車体前後にウイングが装着されるスタイルに落ち着いた。しかし、空気の流れの分力でもってダウンフォースを発生させることは、空気抵抗の増加にもつながった。そこで、空気抵抗を増やさずに大きなダウンフォースを発生させる方法としてグラウンドエフェクトが導入された。
ダウンフォースを得るため、マシンにはウイングがどんどんつけられていった。しかしウイングはダウンフォースと同時に空気抵抗を発生させてしまう。そこでより大きなダウンフォースを効率よく発生させるためにシャーシ下の空気の流れが研究された。
車体と地面の間に空気を流し、それを車体後方からスムーズに引き抜くことでダウンフォースが発生する地面効果(グラウンドエフェクト)が発見された。具体的には、車体下面をベンチュリ管形状に整形させ、車体側面にサイドスカートを設置して外部と遮断することによって車体下面を負圧にし、ダウンフォースを発生させる。
1978年のロータス・79で本格的に使用され、各チームにも広まっていった。しかし、サイドスカートが路面に引っかかってダウンフォースが急に抜けたり、 ポーパシング(ダウンフォースの増減が短い時間で繰り返されることによる車体姿勢の変化)が発生したりするなどのトラブルもあり、1983年以降はフラットボトム規制(前輪後端から後輪前端までのシャーシ裏は平らであること)が導入された。さらに1995年以降は、ステップドボトム規制が導入された(シャーシ裏に段差を設けることでさらにシャーシと地面の距離を大きくすること)。
1990年代からは上記の技術の熟成と、乱気流の削減によって多くのダウンフォースを発生させる時代になった。また、CFDや風洞によるシミュレーションにより、マシンの形状が複雑化していくようになった。2000年代中盤にかけて、マシンには小型の空力パーツが多数取り付けられるようになり、マシンの空力的な性質が敏感になることで、乱気流内を走行しているマシンの挙動が変化し、前方のマシンを追い抜くことが困難となることが問題となった。そこで2009年には大幅なレギュレーション改定が行われ、空力パーツの一部禁止が行われた。規制が厳しくなる中、以下の技術や機構が開発、研究された。
ディフューザー:
マシン後端下部に装着されている、後ろ上がりに傾斜した板状の部品。これにより車体底面の空気を引き抜き、ダウンフォースをより多く発生させる。2層構造にすることによって開口部を拡大したマルチディフューザー、排気を吹きつけて内部を流れる空気の量を増加させたブロウンディフューザーなど、より多くのダウンフォースを発生させる方法が試されたがいずれもレギュレーションで禁止された。
ハイノーズ・コンセプト:
前述の通り、ウェッジシェイプ型のボディは空気を上に押し上げることでダウンフォースを発生させるために採用され普及した。しかし空力が研究されるにつれ、車体の底面や後方でより多くの空気を利用できる方がより多くのダウンフォースを発生させることが可能であり、そのためにはノーズの下に空気を流すことが有効であることが分かった。ティレル・019やベネトン・B191が先駆けて採用すると、1990年代後半からほとんどのコンストラクターが採用した。さらにノーズ下により広い空間を確保するために、サスペンションの位置は引き上げられノーズは薄型化していった。現在ではクラッシュ時のドライバーの安全性を確保するために、ノーズ先端部の高さは規制されている。
空力操作デバイス:
ウイングなどの空力的付加物は一部の例外を除き走行中に動いてはいけないことが規定されているが、各チームは抜け道を探し続け、2000年代後半から2010年代にかけて、走行中に空力的特性を変化させるデバイスが開発された。代表的なものには、
ドライバーの操作によってリアウィングのダウンフォースを調節するFダクト(マクラーレンが開発するも、禁止される)
高速走行時の高い風圧によってたわませ、抵抗を低減するフレキシブルウィング(2008年のレギュレーション厳格化に伴い消滅)
リアウィングの角度を変化させ空気抵抗を減らすドラッグリダクションシステム(通称DRS,2011年よりレギュレーションの範囲内での使用が認められている)
がある。
F1カーは、タイヤが剥き出しになっていることやウイングなどが発生する空気抵抗の多さに加え、レースごとにそのコースでの最速タイムを出すようなセッティングにするため、最高速度をあえて落とすことも多々ある。
レース中に記録された最高速度の中で最速の記録は、372.6 km/hである(2005年イタリアグランプリ決勝 マクラーレン・MP4-20/ファン・パブロ・モントーヤ)。予選を含めると2016年ヨーロッパグランプリでバルテリ・ボッタスが378 km/hを記録している。
サーキット以外の場で、あえて最高速度を狙うなら400 km/hを超えることも可能である。2005年にはホンダ(旧B・A・R)が、最高速度を競う大会(ボンネビル・スピードウェイ)に向けた走行をアメリカ合衆国カリフォルニア州モハーヴェ空港で行い、そこでホンダはB・A・R 007をF1レギュレーションに適合している範囲で改造し、最高速度415 km/hを記録した。