详细介绍Ｆ１赛车的结构

以法拉利为例子，介绍Ｆ１赛车的结构

2024-11-05 02:00:22

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新浪体育讯 2007赛季的F1世锦赛，在技术上最大的变化是统一使用普利司通轮胎。这一因素，对于本赛季的竞争格局造成了深远的影响。过去两个赛季的双料冠军——雷诺，因为这一原因，竟跌出前三的行列。法拉利VS迈凯轮，成为了本赛季的F1世锦赛的新主题。下面，是一篇由前乔丹F1车队工程师加里-安德森(Gary Anderson)撰写的技术分析，他以最全面的视角，对这一变化背后的原因进行了专业的分析。文章总共分为三部分：第一部分，讲解普利司通轮胎与米其林轮胎的差别，以及伴随而来的新技术挑战；第二部分，讲解当前F1赛车的核心技术发展领域：前翼和底盘；第三，分析冠军争夺主角——法拉利和迈凯轮之间的技术对抗。为了方便读者阅读，我们将按照文章的结构，将其拆分为三部分呈现给大家。以下是的第二部分：核心技术发展区域分析：前翼和龙骨。一，前翼方案 1，三种前翼方案在前翼的设计上，存在多种不同的概念。即便避开位于上方的附加翼不谈，只看主翼板。仍可划分为：两片式、两片半和三片式，这三种前翼方案。在这里关于两片半这个概念大家可能有些不解，别急，我们将在下文中对其进行讲解。不管前翼采用何种方案，它们的目的只有一个：控制气流的分离。为什么控制气流分离呢？因为在前翼的中央位置存在非常低的点，而这总会导致一定程度的气流分离。换言之，现在的前翼形状总是存在气流出现分离的滋生土壤。特别是在制动和高速弯道，前翼要得到足够的气流以保证气流贴着翼片流动是非常困难的。工程师将副翼塑造成非常具有攻击性的形状(以获得最大的前部下压力)。他们不想发生的事情是：在翼片的中央出现严重的气流分离问题，因此在翼片间开凿了狭长的开口。这些开口，能让气流附着在翼片上，保持气流不断的输送向副翼表面。当然，它同时会降低翼片的峰值下压力。但是前翼气流出现分离的问题，并未彻底得到解决。在整个前翼下面是低压区，流经鼻锥下方——这个被称为咽喉区域的气流，会因为其极高的速度导致附近的气流发生分离。因此工程师再次想到了开口的方法，也就有了雷诺和宝马那样的设计。几年前，威廉姆斯采用过一个主翼很小，副翼很大的前翼方案，这是一个灾难性的组合。因为这使得气流过早的抵达副翼，此时要让气流附着在翼片上是相当困难的。单副翼意味着前翼有一个开口，双副翼则有两个开口。图2中雷诺在主翼上开凿了长度约为前翼一半长度的开口，这意味着他的前翼的开口为一个半(即上文提到的“两片半”式前翼)。当然，开口为一个半还有宝马，只不过西威尔的工程师时将口子开在副翼上。 F1技术分析专家加里-安德森表示，使用现代化的计算机流体力学技术(computational fluid dynamics)——CFD，可以让工程师轻松知道气流会在什么地方出现分离、在什么地方开口最好，让气流更加可控！ 2，前翼附加翼各队安装在前翼上方的附加翼片，只有两侧50～60%的部分用于创造下压力。延长至鼻锥的链接部分，其横断面是普通的外形，而非倒机翼状，因此不创造下压力。在所有的前翼附加方案中，迈凯轮的设计尤为特殊。其上方的翼片没有和鼻锥相连，而是从上方跨过。之所以采用这样的设计，原因很简单：因为迈凯轮的鼻锥下探的非常厉害(见图4)，只有这样才能让翼片处于正确的位置——加里-安德森如是说。尽管它看起来不同于其他任何车队的设计，但是其效能是一样的：本身创造一定的下压力，并不破坏流向侧箱导流板的气流。在有些车上，额外的前部下压力并非真的需要。那么为什么还要添加副翼呢？主要是因为这样做允许工程师将主翼板后移，让它不用处于临界状态。让前翼处于自己的工作区间内，以确保整个赛车的总体下压力最大化，而不是仅仅让前翼的下压力达到最大化。这样，能保持气流附着在翼面上，更好的向后面的下压力制造设备输送气流。如果将前翼的角度调的过大，就会导致前翼越过其自己的工作区间，就会破坏气流进一步向后流动。此时，赛车的下压力中心的确前移了，但是却严重的损害了车尾的下压力。换言之：这样做是通过减少了赛车后方的下压力，来实现下压力中心前移的。加里-安德森表示：F1工程师很容易便会被这种现象蒙骗。总而言之，这些附加的翼片的最终目的在于保持前翼位于其自身的工作区间内，防止被迫采用过大的前翼角度，进而损坏车尾的性能。使用这些附加翼片，将让左右侧箱导流板之间送向车底的气流遭到最小的破坏，让气流以最佳状态输入车底，进而流向车尾的扩散器。 3，端板方案在端板的设计上，这几年我们看到最明显的变化是将其加宽，而这其中最突出的当数迈凯轮(见图五)和红牛。下面，将为大家讲述背后的技术原因。一般来讲，为了让前翼效能得到最大限度的发挥，工程师通常将端板设计的很小(让主翼宽度最大化)，只要它能提供所需的前端需求即可。但是，当赛车在转向的时候，前轮就会与前翼工作强度最大的区域形成一个交叉角。此时，问题出来了，而且将进入一个恶性循环。众所周知：赛车在低速弯道通常会倾向于转向不足；同时在低速弯，也是需要更大转向角度的地方，所以需要将前轮的角度转的更大。但是轮胎转动的角度越大，意味着对前端空气动力学造成的破坏就越大，接着便会出现更加严重的转向不足！但是，如果使用大尺寸的端板设计，便将这种影响降至最低。当然，这需要在前翼的峰值下压力上作出妥协，因为这样占用了前翼翼板的有效设计长度。单侧用于增加端板的部分，可能占用翼板6～7厘米的长度，其结果必然会导致前翼性能的下降。但是：当赛车在弯道上、当车手转动方向时，前翼的性能仍能保持稳定。迈凯轮的端板设计，就是走的这条路，这可能占用了其前翼15厘米的长度。二，底盘结构 1，龙骨的设计方案现在，F1工程师在单龙骨、双龙骨和零龙骨这三种设计方案之间，到底哪种更好上仍然存在分歧。与此同时，在单体壳的安装高度上，也存在不同的选择。下面，我们将先“绕一个弯子”——从空气动力学入手来讲解该领域的技术问题。在F1现行的技术规则中，国际汽联规定了底盘的横切面积。虽然各队可以按照自己的想法设计高度，但是它必须以赛车的中心线为轴左右对称。在底盘的横断面上增加任何东西，都会对气流造成一定的阻碍。从两个前轮之间向后流动的气流是工程师在设计赛车时，可以利用的。利用这部分气流，工程师有三件事情需要处理：1)冷却制动系统，2)冷却引擎，3)制造下压力。用于冷却制动系统的气流越多，意味着在其他两个方面可用的气流就会越少。上面已经提到，在底盘的横断面上增加任何东西都会对气流造成阻碍，也就意味着可利用的气流会减少。所以F1工程师希望，将这种阻挡降至最低。因此就诞生了双龙骨和零龙骨方案。但是，工程师需要在强度和几何结构间作出妥协！且听加里-安德森的分析：“最初的风洞研究让双龙骨看起来非常好，但是当你做出它的结构，让整个结构组合能够承受起实际负荷时，其优势便会在你面前丧失一部分。”下面讲一个这方面的特例——丰田的零龙骨。 2，关于丰田的零龙骨设计在龙骨设计上，丰田选择了最激进的道路。日本车队不仅采用了零龙骨方案(见图6右侧，左侧为2006年的初期采用的单龙骨方案)，而且赛车底盘的前部比任何对手都高。日本人最大限度的举升底盘是为了让导入车底的气流最大化。但是将底盘的这个位置升高40到50毫米，意味着赛车的重心将上升大约5个百分点。同时，悬挂的几何结构也会出现瑕疵。在赛道上观察丰田的赛车可以发现，车头的动向与车手的操控输入是不一致的。当车手对其有信心时可以很快，但如果没有，其结果会非常糟糕。对此，加里安德森这样说道：“我认为这来自悬挂结构的妥协，丰田为了满足零龙骨的要求，不得不将前悬挂的下叉臂尽可能的抬高。” 接着，他指出了丰田这种设计的缺陷：“使用条纹轮胎，与使用光头胎存在巨大的差异。使用条纹轮胎，你不可能再有持续的负载/抓地力关系，此时胎面的每一块都是独立工作。使用像丰田这样的悬挂结构，轮胎将发生更多的滚动运动，而且会出现更多的轮胎接触面横向运动。虽然所有的赛车都存在这样的问题，但是将叉臂安装的如此高，出现这种情况的频率就会更高。” CC>3，推杆的安装方式在前悬挂的结构上，法拉利是唯一一支将推杆安装在下叉臂之下的车队(见图7红色箭头所指，圈中展示的是雷诺R27的推杆安装位置)，但是从法国站开始，本田几乎采用了一个完全相同的结构。从理论上讲，不论是将推杆安装在下叉臂上方还是下方，对于整个悬挂系统而言，其起到的作用几乎是一样的。但是，使用法拉利这样的结构，意味着工程师可以改变赛车转向特征。这对于低速弯道是有利的，能减少转向不足的出现。 “它能改变车手的驾驶感受，所以必须非常谨慎。但是你能用它做很多事情。有时，它能给车手带来更少转向不足的驾驶感受，即使情况没变。”加里-安德森在谈到该设计的优势时说道。

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