フォーミュラ1カー
フォーミュラ1カー (Formula One car) は、フォーミュラカーの一種でF1世界選手権の規則に沿ったレーシングカーである。
現代のフォーミュラ1カーが、他のフォーミュラカー(レースカテゴリ用マシン)と大きく異なる点として、参戦する各チームが独自にマシンを作ることにある。生産性やコストパフォーマンスが重視される量産車やこれをベースにするプロトタイプカーレース、共通シャーシを用いる他のフォーミュラカーレースとは全く異なる「1品モノ」ないし、多くて数台しか製作されない車両である。また材質はその素材の特性(重量、強度など)を第一に選択され、早くからクロモリ鋼など比較的高価な材料が使われていたが、近年は更に高コストな素材(チタン合金、カーボンファイバー (C-FRP))が多用され、高価な素材の使用に拍車がかかっていた。しかし開発・製作費の高騰から、安全性のための部材以外についてはF1レギュレーションにより規制が年々強められている傾向にある。
カーボンファイバー製のモノコックが全てのチームで採用されている。カーボンファイバーは強固だが柔軟性に欠けるため、カーボンファイバーの間にアルミニウム製のハニカムを挟んでいる。レギュレーションではシャーシの材料については特に言及されていない。しかし、シャーシの各部についてFIAが強度を確認する「クラッシュテスト」が毎年実施され、これをクリアするにはカーボンファイバー製以外では困難になってきていることが、カーボンファイバー製のシャーシしか存在しない一因となっている。レギュレーションでは「サバイバルセル」と表現される。
シャーシは各チームが独自の物を製造し、カーボンファイバー製品の製造に必須なオートクレーブはチームが所有していることがほとんどだが外注しているチームもある。
構造については、最初期はラダーフレームといった簡素な構造にシンプルなデザインのものが多数を占めていたが、エンジンパワーやマシンの速度が向上するにつれて、ラダーフレーム → バスタブ構造 → モノコック構造というように、より動的車体剛性が高い構造に切り替わっていった。さらに、空力が追求されることで形状も複雑なものへと変化していった。
素材としては1980年代半ばまで、ほとんどアルミニウムが使用されてきたが、1980年代の大出力のターボエンジンの強大なパワーを支えることや、速度上昇によるシャーシの強度アップが求められた結果、カーボンファイバー製以外のシャーシは駆逐された。同様に、エンジンカバーなどの空力パーツやサスペンションアームなどは軽量化や強度アップの面からシャーシと同じくカーボンファイバー製のものが多数使用されている。
2014に1.6 Lシングルターボ / V6、最高回転数15,000 rpmが規定となり、細かい規定変更を繰り返しながらも現在までの基本形となっている。
過去には自然吸気エンジン搭載車とターボエンジン搭載車の混走や、V8 - V12エンジンの混走、1.5 Lツインターボ / V6で最高出力が1,500馬力以上のものや、2005まで使用されていた3 L自然吸気 / V10で最高出力が900馬力以上・最高回転数が20,000 rpm以上、などバラエティに富む時代もあったが、エンジン開発競争による開発費の高騰を抑制する等の目的から規制が次第に厳しくなり、現在ではエンジンの吸気系統や排気量が統一されるとともに、各部の寸法も厳密に規定されており、2014年は開発凍結、2015から2016まで「トークン制」を採用しエンジンのアップデートが厳しく制限された。トークン制は2017に廃止されたが、年間使用数がより厳しく制限されたため頻繁なアップデートは難しくなっている。
エンジンコントロールユニット(ECU)は、2008年からマクラーレン・エレクトロニック・システムズ(現:マクラーレン・アプライド・テクノロジーズ)が供給する共通ECUに統一されている。また2018年からは、エンジンに取り付けられる圧力・温度センサーも同社製のものに統一された。
現在の設計では、シリンダーブロックをシャーシのストレスメンバーとして使用するためエンジン単体での応力以外も考慮されている。(ストレスマウント方式)
軽量化のため、エンジンブロックはアルミニウムで製造される場合が多い。しかし、アルミニウムの強度が低いことから鉄製のシリンダーライナー(ピストンと接触する部分)を挿入することが多かった。現在では、アルミニウム表面にニカジルメッキ(ニッケル/シリコン・カーバイド)を施すことでライナーを省略することが多い。
ピストンは軽量化を図るために鍛造アルミニウム合金を使用し、摩擦を低減するために極端にスカートが短い。ピストン1個当たりの重量は200 g強である。
高強度・軽量な性質を持つベリリウム合金が1990年代後半にマクラーレンによって使用されたとの噂もあるが、現在は使用が禁止されている。また、2000年代に入ってから、メタル・マテリアル・コンポジット(MMC)と呼ばれる複合材料が使用されたが、2006年以降使用が禁止されている。
乗用車は通常3本のリング(オイルリング1本とコンプレッションリング2本)がピストン側面に装着されているが、摩擦損失低減のためにこれが2本(オイルリングとコンプレッションリングを1本ずつ)しか装着されていない。
コンロッドはチタン合金を使用する。断面形状はI型やH型が一般的ではあるが、断面を中空とした中空コンロッドを使用するチームもあった。I型やH型に比べると強度が高くなる。
バルブの材質はチタンが主流である。閉じる方法として金属ばねが長く用いられたが、1990年代のエンジンの高回転化の進展に伴い、圧縮空気をばねの代わりに用いたニューマチック式が現在の主流である。このニューマチック方式は、1986年にルノーが初めて採用した。金属ばねでは、回転数が上昇すると共にサージングと呼ばれる共振現象が発生し、回転数の上昇の妨げになるからである。
エンジンの吸気効率や排気効率を高めるため、最初期に2本(吸気1本・排気1本)だったバルブの数は、4本(吸気2本・排気2本)が主流となった。1990年代前半、エンジンのバルブを1気筒あたり5本(吸気3本・排気2本)としたエンジンをヤマハやフェラーリが実戦に投入したが、普及することはなかった。
こちらの出典も参照。
最初期にはスーパーチャージャーを搭載したエンジンがあったが、燃費の悪さなどから自然吸気エンジンに取って代わられた。1950年代後半には、コヴェントリー・クライマックスがエンジン供給を開始。FPFエンジン、FWMVエンジンなどが多くのチームに供給された。しかし、1966に排気量が1.5 Lから3.0 Lに倍増されたのを機にF1から撤退してしまう。
クライマックスがF1から撤退した後、フォード・コスワース・DFVエンジンが1967にデビューした。この年はロータスに独占供給されていたが、翌年以降はロータス以外にも市販され、1970年代まで自然吸気エンジン(またはDFVエンジン)の独擅場となった。
DFVエンジンのデビューに前後して、エンジンのストレスメンバー化が進行していった。ホンダが初めてF1に持ち込んだ設計である。従来では、後車軸付近まで伸びたモノコックにリヤサスペンションを取り付けていたが、それを直接エンジンのシリンダーブロックやギヤボックスに取り付ける方法が考案された。そうすることで、余分なモノコック構造を削減することで軽量化ができるようになった。その分、エンジンのシリンダーブロックに負担がかかることになったので、シリンダーブロックの強度がより求められるようになった。
1977、ルノーがターボエンジンを携えて参戦を開始した。参戦初期はトラブルが多発し、黄色の車体とエンジンブローの様子から「イエローティーポット」と揶揄されたが、1979に初優勝を獲得する。これ以降、ターボエンジンの優位性に気づいた他陣営も挙ってターボエンジンを開発する(フェラーリ:1981、BMW:1982、ポルシェ:1983、ホンダ:1983年など)。1980年代後半にはほとんどのマシンで搭載されていた。わずか1.5 Lの排気量で1,000〜1,500馬力オーバーの出力まで発生させたが、1988いっぱいでターボエンジンは一度禁止される。
1989以降は自然吸気エンジンのみとなり、排気量は3.5 L以下であった。シリンダー配置には、シャーシとのマッチングを考慮したV8(フォード、ジャッド)、エンジンの出力を優先したV12(フェラーリ、ランボルギーニ)、双方の中間であるV10(ルノー、ホンダ)が出現する。1994年サンマリノグランプリで起こったドライバーの死傷事故を受けて翌1995からは3 Lに縮小され、この年限りでV12エンジンはF1から姿を消した。1998には、前年までV8エンジンを供給していたフォードとハートもV10エンジンの供給に切り替えたため、F1に出走する全車がV10エンジンを搭載することとなった(後述のとおり、最終的には2000年のレギュレーションでエンジン形式がV10に統一された)。2006には、最速速度の向上、ラップタイムの短縮に歯止めをかけるため、排気量が2.4 L以下で8気筒に制限された。2007以降、資金負担の軽減を目的にエンジン開発が凍結された。
その後、2009年にはブレーキング時のエネルギーを回収・蓄積し、再利用するKERSが導入され、2014のレギュレーション改定に伴い、運動エネルギー回生に加えて排気ガスから熱エネルギーを回生することもできるERSに発展、前者はMGU-K(MGUはMotor Generator Unitの略、KはKinetic(運動)の略)、後者はMGU-H(HはHeat(熱=排熱エネルギー)の略)と称される。これに加えてバッテリー (Energy Store, ES)、電子制御装置(Control Electronic, CE)、ターボ(Turbo Charger, TC)、排気量1.6 LのV6エンジン(Internal Combustion Engine, ICE)の各コンポーネントで構成された「パワーユニット」(Power Unit, PU)が供給されるようになった。これにより、1988年以来途絶えていたF1におけるターボエンジンが復活した。
エンジンの使用基数に関しては特に制限が設けられていなかったことから、トップチームの中には、予選だけにパフォーマンスや耐久性の的を絞った「予選用エンジン」を使用するチームもあった。しかし、2003のエンジン交換の制限を皮切りにエンジンの使用についての制限が設けられるようになった。まず、2003年についてはフリー走行の制限はなかったが「予選と決勝を同一エンジンで走行すること」という規定が導入され、2004にはフリー走行から決勝終了までの1レースを1エンジンのみでの運用、2005から2008の間は、2レースを1台のエンジンのみで運用する規定が導入された。2009から2013まで、テストを含めた1年間に使用できるエンジンの台数がテストを含めて1チーム20台に規制され、その内容はドライバー1人あたりレース用に8台、残り4台はテスト用として割り当てられた。ただし、レース用のエンジンは2008年までの使用義務が廃止されており、交換のタイミングはチーム側にゆだねられている。
しかし、2014年のPUの型式となってからは、使用制限はより厳しくなり、テストは例外となったが、シーズンに使えるPUに関しては、2014年は年間5基、それ以降は年間4基となった(ただし、2015はその年復帰したホンダのみシーズン途中から特例で2015年に限り5基使用することが許可された。また、2016は21戦に増えたため全車5基となっている)。2018以降はさらにICE、TC、MGU-Hが年間3基、ES、CE、MGU-Kが年間2基まで削減される。また、1つのPUの最低限の使用義務はないものの、ペナルティの回避を目指す場合、事実上1つのエンジンで複数のレースを走ることが事実上義務化された。
当初は降格グリッド数に応じて決勝スタート順位が決まる仕組みとなっていたが、同一GPにてフリー走行と予選でそれぞれ交換した場合、降格グリッド数の合計値が100を超えるケースが発生したうえ、グリッド数が膨大な数字となるうえ、PUの交換を申請したタイミングで順位の変動もあり、決勝スタート時の順位に混乱が生じた。
それを受け、2018年以降は各コンポーネントが使用制限を超えた場合、1つ目のコンポーネントは予選順位から10グリッド降格、2つ目以降は5グリッドずつ降格だが、降格グリッド数が15を超えた場合は予選順位に関わらず最後尾からのスタートになるという規定に変更された。ところが、2018年に関してはこの規定の不備が発生することとなった。この年は2人以上のドライバーが最後尾スタートの条件に該当した場合、該当者がコースインした順番に応じて最後尾スタートが指示される仕組みであったため、先にコースインできれば最後尾を回避できる仕組みとなってしまったため、少しでも前のグリッドを手にするべく、フリー走行1回目開始の数十分前からピットレーン出口にマシンが並ぶという異様な光景が複数回発生した。そのため、2019年以降は最後尾スタートが指示されても予選の結果で決定されることになった。
当初、MGU-Hについては故障が最も多く発生し、多数のドライバーがグリッドペナルティを受ける大きな原因となっていた他、構造が複雑過ぎることで開発の困難さやコストが問題視されていたため、2017年ごろに2020年をもって廃止される計画が建てられたが、時のエンジンメーカーが反対したため、計画は撤廃され、2024年までは2014年のエンジン形式が存続される形となった。
燃料はガソリンが主流であるが、1950年代には過給時のノックを防ぐためメタノールを使用するチームがあった。しかし、メタノールは発熱量が小さく、燃費が(1 km/L程度にまで)悪化する欠点を持っていた。その後、1980年代後半には耐ノック性が良く比重の大きいトルエンに、ノルマルヘプタンを混合したものが使用された例もある。
出力の向上を目的に、かつてF1マシン専用に各チームごとに調合された燃料が使用された。しかし、この燃料は悪臭などを撒き散らし、ピットレーンは異様な臭いや刺激にさらされていたが、環境問題の高まりを受けて、1992年途中から「特殊燃料」の使用が禁じられた。
2007年からはバイオエタノールが5 %混合されている。
慣性モーメントの減少や燃料の増減による挙動変化の減少を狙い、コクピットとエンジンの間に設置される。最小容量は特に定められていないが、2010からレース中での燃料補給は禁止され、さらに2014年から1時間当たりの燃料流量が100 kgに規制されていることから、容量は100〜150 Lと推測される。
かつては、金属製タンクに燃料を入れていたが、クラッシュなどの衝撃で破損し火災につながりやすかった。それを防止するため、1970年からは簡単には破れない積層ゴムの使用が義務付けられ、現在ではその周りを防弾チョッキ素材であるケブラーで包み鋭い破片から保護している。さらに導入時期は不明であるが、タンク1個当たりの容量上限を定め、タンクが破損した際の燃料漏れを抑えることとした。しかし、1978年からは燃料タンクを一つにまとめること(シングルセル化)が規定されるようになった。2020年現在はケブラー繊維とゴムを編み込んだ「818-D」と呼ばれる構造体の使用が義務付けられており、一説には「鋼鉄の5倍の強度を持つ」という。
1983年から1993年、および2010年以降はレース中の給油が禁止されているが、それ以外の年において、レース中にピットインし、再給油作業を行うことが認められていた。特に1994年以降、レースの戦略を立てる上で燃料補給のタイミングや補給量が重要なものとなった。ピットで給油ホースと燃料タンクを接続すると、毎秒12 Lの割合で補給できた。ホースは二重構造になっており、外側のチューブから燃料が供給され、内側のチューブからタンク内の空気を排出していた。
元F1チャンピオンのデイモン・ヒルは「現在では燃費の向上と燃料タンク容量制限により、以前よりは再給油の重要性は薄れている」とコメントしている。
なお燃料供給系についても使用パーツのワンメイク化が進められており、2022年シーズンより燃料プライマーポンプはマニエッティ・マレリ、高圧燃料ポンプと配管はボッシュ製に統一される。
(フルオートの)オートマチックトランスミッションや無段変速機(CVT)は禁止されている。CVTは1993年にウイリアムズがFW15Cにてテストを行ったことがあるが実戦投入には至らず、後にレギュレーションで明示的に禁止となった。
ギアボックス・ギヤボックスの呼び名が一般的で、基本的にトランスミッションとは呼ばない。
現代では完全マニュアルトランスミッションというわけでもなく、パドルシフト操作でクラッチ操作の不要なセミオートマチックトランスミッションを全チームが採用し、変速時の駆動力の抜けが極限まで短くなる方向で開発が進んでいる。また、レギュレーションで、前進8速と後進1速となっている。
パドルシフト導入以前は、3ペダル、Hパターンのオーソドックスなマニュアルトランスミッション車で、前進5速か6速であった。パドルシフトは、1989にフェラーリがF1初のパドルシフト車640を導入後一気に広まった。
1970年代まで、ギアボックスメーカーとして有名なヒューランドからギアボックスを購入し、そのままマシンに搭載しているチームが多数を占めていた。1970年代後半のグラウンドエフェクトの開発により、マシン後端に位置するギヤボックスがディフューザーの設計を妨げてしまうことが判明した。そのため、ギアボックスの外装(ケーシング)をチーム独自で開発し、ギアなどの内部部品を購入するパターンが増加した。
ケーシングの材質は、アルミニウムやマグネシウムが主流であったが、軽量化の観点から、カーボンファイバーやチタンを採用するチームもある。
配置に関して、横置きと縦置きがあるが、1998年に車体幅の縮小がレギュレーションで実施されて以来、もっぱらどの車も幅の狭さ的に有利な縦置き配置を採用している。
2003年途中から、ホンダがクラッチを介さずシフトチェンジをするシームレスシフト機構を導入した。
2014年からのパワーユニット規定下では8速シームレスシフト・基本的に各PUとセットで使用する複雑な構造なので、以前は自チームで開発していたザウバーなどはPU供給側などのギアボックス購入に頼らざるを得ない状態となっている。
ドライバーの安全確保や、強度的・空力的な観点からコックピット開口部が過度に小さくなることを防ぐために、1972年から開口部の最低寸法が定められている。ドライバーがレース用の装備で外部から助けを得ずに5秒以内にコックピットから脱出できるように規定されている。
衝突時に頭が振られてコックピットの縁に強打することを防ぐため、1995年から後方部分に、1996年からは側面部分にエネルギー吸収パッドが装着されている。1994年モナコグランプリにおいて、ザウバーのカール・ヴェンドリンガーがクラッシュで頭部を強打し、一時意識不明に陥ったことが設置のきっかけである。2018年現在は特殊保護材がコクピット開口部及び両足部分に装着されるが、気温によって性能が変化するため、気温30℃以上用(Confor CF45、青色)とそれ以下用(Confor CF42、桃色)の2種類の保護材が使い分けられている。
また部品等が側面を貫通してドライバーを傷つけることを防止する目的で、2007年からは側面にザイロンとカーボンの積層構造によるパネルを設けることが義務付けられている。さらに2018年からはコックピット保護システムとして「Halo」の搭載が義務付けられる。
加速・旋回・減速時に4 G(重力の4倍もの力)程度の力を受け止める必要があるため、シートは各ドライバーに合わせて作られる。ドライバーが運転姿勢の状態でウレタンフォームによって型取りをする。そして、それを基にカーボンファイバーなどで製作される。軽量化のためシートは極端に薄くできているので、気温が高い場合にシート裏に耐熱性のシートを貼り付ける場合もある。
また、運転中にドライバーの姿勢が変わらないように、6点式シートベルトで固定される。シートベルト装着にはメカニックの手助けが必要になるが、脱出時には容易に取り外せるようになっている。シートベルトはHANSの固定にも利用される。
モノコックには2本のボルトで固定される。さらに、ドライバーをシートに固定したままマシンから引き出せるように、シート側部にはストラップが取り付けられている。
1980年代後半までは、ステアリングは非常にシンプルなものであり、ボタンが数個あるだけだった。1990年代以降、多くのチームにおいて、コクピットにつけられていた計器やボタンなどがステアリング上に移された。これは、ドライバーが操作する際にステアリングから手を離さなくて済むためや、視認性を向上させるためであると言われている。2014年以降はマクラーレン・アプライド・テクノロジーズがステアリングホイール搭載用の液晶ディスプレイを開発し、各チームに供給している。これによりドライバーは、ドライブ中でもボタン操作によりマシンの様々なデータを参照できるようになった。
ステアリングに機能が集中していることから、非常に高価なものになっているが、機能が集中しているためにトラブルの際にはステアリング自体を交換して解決する場合もある。
舵角をそれほど大きくとる必要がないので握りは環状ではなく、大半のチームでは円形板(中央に液晶ディスプレイがある)に指穴が開けられ、握りが付けられたような形になっている。ただ2022年現在、ウィリアムズのみ液晶ディスプレイをステアリング上ではなくコクピット側に取り付けており、ディスプレイ視認のためステアリングはバタフライ型になっている。
コックピット開口部が狭いため、ステアリングは着脱が容易となっており、乗降時には取り外される。
通常の車で1つのマスターシリンダーにある2系統のブレーキで4輪を制動しているのと同様にF1でも2系統のブレーキが搭載することが義務づけられている。これを利用して、前後の制動力配分の調節を行っている。
最初期はドラムブレーキが主流であったが、ドラムブレーキの構造上、熱がこもりやすいなどの問題があり、その後鋳鉄製のディスクブレーキに取って代わられ、1980年代まで主流であった。
現在はカーボンファイバーと炭素の複合材料であるC/Cコンポジット(炭素繊維強化炭素複合材料)という材質が使われている。その製法が複雑なこともあり、高価である。これは摩擦係数が大きく(0.5程度。鋳鉄製のブレーキの場合、0.2 - 0.3程度)制動距離を短縮することができ、また鋳鉄ブレーキよりも軽量なので、ばね下重量を軽減できるという利点がある。900度程度まで耐えることができる耐熱性も有している。
欠点としては、高価で温度管理が難しく寿命が短い点である。カーボンファイバー製のディスクブレーキの寿命は約400 kmとなっており、1レースごとに交換する必要がある。また、1セット(1台分)で60万円と高価である。温度管理に関しては、作動領域まで温度を上げないと本来の性能を発揮できず、温度が上がりすぎると急激に磨耗し、性能が低下してしまうため、ブレーキダクトの設置などといったセッティングはシビアである。
磨耗が鋳鉄製ブレーキよりも早いことから、1980年代後半までコースによっては鋳鉄製ブレーキと使い分ける場合もあった。しかし、1990年代以降では一時期の例外を除いて現在はカーボンブレーキのみが使用されている。
ブレーキキャリパーは、軽量化のためにアルミニウムで製作され、制動時のキャリパーのゆがみをなくすために左右一体成型され高い剛性を確保している。
ブレーキの配置は大きく分けてインボード(シャーシ側にブレーキを設置し、車軸のない前輪はトルクロッドと呼ばれる部品によって車輪と結合させる)とアウトボードの2種類に分けることができる。
当初はアウトボードタイプが主流であったものの、一時はばね下重量軽減のためにインボード化が進んだ。しかし、インボードタイプはブレーキと車輪の間に存在するドライブシャフトに負荷がかかりやすく、F1マシンでは、極限まで軽量化されていたために破断した例がある。1970年イタリアグランプリで発生したヨッヘン・リント死亡事故は、このロッドの破損が原因であるといわれている。また、1970年代後半からグラウンドエフェクトという考えが広まり、インボードのディスクが車体下部に設けられたディフューザーと干渉して空力的に障害となることから、再びアウトボード化された。
ディスクブレーキの径が大きいほど放熱性に優れ、厚みが大きいほど耐熱性に優れる。現在は、厚み:28 mm以下、直径:278 mm以下に制限されている。
前後ともダブルウィッシュボーン式サスペンションを全車が採用している。
クラッシュ時のサスペンション部品などの飛散を防ぐため、1999年からはモノコックとサスペンションやアップライトはテザーと呼ばれるひも状のもので結ばれている。以下のようにレギュレーションでも装着が定められている。10.3.6
In order to help prevent a wheel becoming separated in the event of all suspension members connecting it to the car failing provision must be made to accommodate flexible cables, each with a cross sectional area greater than 110 mm2, the purpose of which is to connect each wheel/upright assembly to the main structure of the car. The cables and their attachments must also be designed in order to help prevent a wheel making contact with the driver's head during an accident.
(ホイールがレース中に車のサスペンション部分から外れないように柔軟性のあるケーブルを、断面積が110平方ミリメートル以上のものを用いて車の主構造部分にホイールとアップライトの双方をつなぎとめる目的で、装着しなければならない。そのケーブルおよび付属品は、アクシデントの際にホイールがドライバーの頭部に接触しないようにデザインされなければならない。)2011年からは、2009年のFIA F2選手権におけるヘンリー・サーティースの死亡事故や2010年のF1世界選手権におけるクラッシュ時のタイヤ飛散による危険性に対する懸念から、テザーの本数が増やされる。
1990年代に入って、空力の観点からフロントノーズを持ち上げたほうがより良いということがわかり、各チームに広まっていった。しかし、モノコックの下部に接続されていたサスペンションのロアアームの行き場がなくなってしまった。そのため、モノコック下端から板状の部品(キール)を伸ばしてそこにロアアームを接続する方法をとった。
フロントサスペンションアームの配置から、「ゼロキール(キールレス)」、「シングルキール」、「Vキール」、「ツインキール」などが存在する。
現在はゼロキールと呼ばれる、モノコック側面に(キールなどを介さず)直接サスペンションアームを取り付ける方法が主流である。
また、サスペンションアームは、扁平な形状となっている。アームが気流中に露出するので、できるだけ周りの空気の流れを乱さないように細長いカバーが装着されている。さらに、ステアリングタイロッドをサスペンションアームのカバー内におさめるマシンもある。