赛车中的空气动力学

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1、赛车中的空气动力学更新时间：2013-12-5F1赛车中的空气动力学 F1赛车是世界上最昂贵、科技含量最高的运动,通过产生大量的 空气动力学下压力达到非常高的过弯速度，乃是世界上最快 的赛道赛车。在引擎的研发相对稳定的下，空气动力学几乎 主宰着一辆赛车的全部性能。 让我们一起来感受一下F1赛车 的速度与激情！资讯：F1赛车中的空气动力学（一）F1赛车中的空气动力学（二）F1赛车中的空气动力学（三）F1赛车中的空气动力学（四）F1赛事中的高科技(一)神奇的橡胶F1赛事中的高科技(二)制动技术的实用化F1赛事中的高科技(三)无线通讯的交响乐F1赛事中的高科技(四)分秒之争问答： F1赛车的悬挂设计

2、流程是什么？ http:/ 一般说来，当工程师在设计一辆F1赛车时，通常需要考虑赛车在飞驰过程中 的4个动模态特征（赛车的头部和尾部连线为X轴，赛车左侧与右侧连线 为Y轴，垂直于地面为Z轴）： 1）俯仰：赛车有绕着Y轴旋转的趋势。 2）侧倾：赛车有绕着X轴旋转的趋势。 3）弹跳：轮胎与地面接触面沿Z轴做上下直线运动。 4）翘曲：轮胎与地面接触面沿Z轴做上下非匀速直线运动。 上述动模态特征主要由赛车前、后两轴的悬挂刚度和侧倾刚度决定。赛车行 驶过程中，当簧下质量与赛道路面间相对运动为零时，可以获得理想化 最大的赛车抓地力；换句话说，赛车簧下质量的几何重心的运动轨迹与 赛道表面轮廓形状完全平行。很

3、明显，在现实世界的工程应用中，这是 无法达成的理想目标，那么尽可能地减小簧下质量与地面间的相对运动 就是悬挂设计的主要目标之一，通常设计工程师会在满足所有性能要求 的前提下选择最小的弹簧刚度。但同时，设计者为了控制簧上质量与赛 道表面间的相对运动需要选择较大的弹簧以及减震器刚度。所以，为了分别控制簧上质量与簧下质量，关于弹簧和减震器性能选择存在 一对无法避免的矛盾，无论是悬挂设计工程师还是赛场调教工程师都需 要靠车队多年积累的数据和经验来对两个参数进行优化选择，并根据现 场赛道和气候条件做出最终抉择。讲解到此处，还需要引出一个参数名 词弹跳频率（bounce frequency），随着赛车质量

4、而发生变化，从公 路民用车到赛车，弹跳频率约为0.8到1.5Hz之间，然而F1赛车的弹跳频率 大约为2.0Hz。在 设计F1赛车悬挂时，后轮轴的设计弹跳频率都会比前轮 轴高一些，这主要是为了在起伏赛道上消除赛车的俯仰趋势。 悬挂设计的第二个考虑因素就是赛车的重量转移，这由赛车的质量、加（减 ）速度、重心高度、赛道宽度或轴距长度等参数多方面联动决定的。重 量转移与侧倾趋势有着密不可分的联系。尽管消除赛车侧倾的最好方法 就是穿过赛车重心点增加一根防侧倾杆，但这样做也有很大的副作用 带来瞬时重量转移。赛车设计工程发展到如今，通过多年的实 验与数 据积累，与其采取上述方法完全消除侧倾，还不如保留一定数

5、值的可控 侧倾趋势，但同时可以最大化地减小赛车的重量转移。其实，也就是在 20世纪70年 代以后，F1赛车工程师才开始逐渐考虑降低车体的侧倾趋势 以提高赛车的平衡性和操控性，较软的悬挂侧倾刚度会降低赛车的抓地 力水平。翘曲主要用来描述悬挂抗路面畸变性的能力。选择较硬的悬挂可以有效地降 低赛车的俯仰、侧倾和震荡趋势，同时也可以有效减小悬挂上、下叉形 架上拱或下凹变形，但这样的设置却牺牲了悬挂的抗翘曲性能。随着抗 翘曲能力降低，赛车的动载荷变化量以及不可控制动载荷都有相应增加 ，而且赛车的过弯性能也会所有削弱。 当赛道路面不平或赛车颠簸时，轮胎悬挂推杆传递的振动由安装在底盘 （或变速箱）上的弹簧来

6、吸收并传递到底盘上。那为什么非要选择弹簧 来吸收并传递震动，何不直接用具有一定柔度的底盘直接吸收震动呢？ 其实原因很简单，即使设计具有一定柔度的底盘，但最多这只能看作是 一个“无阻尼弹簧”，其储能量十分有限， 无法有效消除赛车连续的上 下振荡运动；而且如果采用这样的设计，底盘需要同时吸收前、后悬挂 的冲击和振动，不可避免地产生共振，这对车手舒适度和赛车操控性都 带来新的挑战因素。悬挂的冲击和振动由弹簧吸收后，弹簧自然而然存 储了能量，那么此时需要减震器来释放存储在弹簧中的能量，以确保整 个悬挂总成系统能 够连续工作（减震器同时还提供颠簸振荡阻尼和防侧 倾阻尼）。如果减震器不能够很好地控制或释放

7、弹簧所吸收的冲击能量 ，那么弹簧的简谐运动将处于失控状态，弹簧的能量释放也将处于不可 预测状态。结果，赛车的簧上质量和簧下质量都开始振荡，这种振荡或 跳动会对车身的稳定性和赛车操控性带来极大的负效应。车手在 颠簸路 段会感觉到底盘剧烈而无规律的振动；在大脚制动时，赛车有向前栽头 的趋势；在赛车过弯时，整车的平衡性非常难以控制，当横向加速度较 大时，还会有敏感的侧倾趋势。目前为止，在所有零件中，F1赛车的减震器的公开发行数据和资料是最少的 。不仅是赛车界，就算是民用车或高校教育中也很少有现成的公式能够 清楚地计算出确保某种减震特性的减震器所有参数。在20世纪90年代， F1围场出现了主动悬挂系统

8、（active suspension），有了主动悬挂，设计师 可以有效地消除上述4个模态特征之间的耦合作用，大大提高赛车的整体 性能。知道1993年，FIA禁止各车 队使用主动悬挂，外界才对F1悬挂系统 和减震器有所了解。毫无意外，各车队工程师当然不愿意放弃主动悬挂 系统，但迫于规则，即使非常无奈也必须放弃此优异性能。也就是从这 时开始，各车队开始大力研发赛车减震器以获得同主动悬挂同样的性能 效果，即便如此，由于F1赛车界各车队的竞争异常激烈，圈外仍旧难以 获得赛车悬挂设计和减震器设计的最新有效资料。民用车和所有赛车的 回弹率/压缩率（rebound/compressionratio）处于1.

9、5:1到4:1之间，设计者 们通常用60:40和80:20来表示这个比率值。多年实践表明，通常设计者会 选用3:1来作为设计的起 点，即使到了现在这个设计起点数值仍然是首选 。在计算分析上，通常用临界阻尼的某个百分比数值来作为赛车悬挂的 阻尼率，但涉及到应用时，很不幸，理想的设计阻尼里数值必须根据各 条赛道的不同特性来具体分析。即使工程师的考虑已经面面俱到，但仍 旧难以在实验室里模拟出赛道的真实情况和环境状态，车队通常靠多 年 比赛经验和赛道搜集的数据来克服此困难。作为开轮式赛车的典型代表，F1赛车选用上、下双叉形架（叉臂或三角架 悬挂，叉形架横梁通常设计为倒机翼形，一方面可以减少阻力，另一方

10、面 可以提供小小下压力。悬挂的弹簧和减震器安装在底盘上，通过拉杆或推进 与悬挂总成连接。整个悬挂系统 的重量非常小，结构布局紧凑，完全符合 现代F1赛车的设计需求。下面简单介绍一下F1悬挂的设计过程： 1. 现代F1赛车都采用从外到内的设计过程，所以首先要确定赛车主要框架参数 ，包括：外形尺寸、重量、发动机马力等等。 2. 确定悬挂系统类型，一般都会选用双叉架，主要是决定选用拉杆还是推杆 3. 确定赛车的偏频和赛车前后偏频比 4. 估计簧上质量和簧下质量的四个车轮独立负重。 5. 根据上面几个参数推算出赛车的悬挂刚度和弹簧的弹性系数 6. 推算出赛车在没有安装防侧倾杆之前的悬挂刚度初值，并计算

11、车轮在最大负 重情况下的轮胎变形 7. 计算没安装防侧倾杆时赛车的横向负载转移分布（LLTD Lateral Load TransferDistribution）。 8. 根据上面计算数值，选择防侧倾杆以获得预想的侧倾刚度和LLTD。 9. 最后确定减震器阻尼率。 10. 上面计算和选型完成后，在重新对初值进行校核。 现代F1赛车都是采用由外到内的设计理念，首先要计好赛车的空气动力学外壳 套件，再根据FIA技术规范规定设计赛车尺寸、重量、动力传动链、轮胎/轮 毂，然后再设计赛车的立式导架、转向控制臂以及一些其他附件。为什么雨滴形状的风阻系数最小？ http:/ 因为水滴可以自由变形，如果风阻大

12、的话，受力的部位会变形，最终变到风 阻最小的形状就不再变形了。F1赛车轮胎和普通民用车轮胎有什么区别？ http:/ 每个赛车轮胎，从开工到成品，要经过多道复杂的工艺。有人说，F1是科技 的比拼,从轮胎的制造上就可见一斑。F1轮胎主要由三种物料组成：橡胶、钢铁和编织物。但是，如果算上配方 包含的材料，恐怕就要超过150种。设计轮胎的工程师如同厨师，除了要 选择适当的材料外，还需要掌握火候和调味。火候即轮胎在制造时需经 300的高热处理，调味是指利用不同的成分比例和添加剂改变橡胶的特 性，以应付实际需要。例如在比赛期间，干胎的温度可上升至80 110，故设计时必须考虑它在温度变化时仍需维持的正常

13、弹性和摩擦系 数。只有“精心烹调”出的合格轮胎，才能被车队选中使用。 轮 胎橡胶是选“硬”还是选“软”在每条赛道都会发生变化，根据赛道特 性，轮胎制造商会做配方的调整。比赛时，轮胎制造商会向车队提供两 套不同配方的轮胎，车 队可以自行选择偏硬还是偏软的轮胎，选定。后不能更改。轮胎的柔软度会根据选用的化合物配方不同而发生变化，最主 要的三种成分包括碳、硫磺和油。通俗地说， 轮胎中多用一些油，轮胎 就会偏软。中性胎（半雨胎）和全雨胎的花纹格式有所不同，这些轮胎 表面的花纹格式有利于排除湿滑赛道上的积水。对于车手而言，没有 什 么情况比赛车“滑水游戏”更糟的了，这使赛车几乎处于完全的漂浮状 态。显然

14、这时赛车已经丧失了大部分的抓地力，现代F1轮胎的花纹格式 设计可以在最短的时间内排出最多的水，从而确保轮胎表面同赛道的最 大接触面积。整个周末的比赛，每个车队会为每部赛车准备干、雨轮胎 各两种，每种干胎10套，雨胎7套。按照每套4个来算的话，每部赛车就 要准备136个轮胎。一般来说，干胎在极速比赛情况下只能行驶80 200Km。为了确保轮胎处于最佳状态，车队会在它们性能下降之前更换 ，也就是说，它们在和地面“亲密接触”不足半个小时的时候，也就“ 寿终正寝”了。那么，完成比赛任务后的轮胎去向何处呢？就此舍弃未免奢侈了点。其实 ，就算完成了比赛，这些轮胎还不能就此“卸任”。经过专业人士审核 之后，

15、它们会再次回到生产商手中，进行详细的研究和分析，为工程师 提供信息，让他们在进行下一次设计时有所改进，设计出品质更为优良 的轮胎。除了作为“标本”使用，这些用过的轮胎还会视其情况进行循 环再造，变成其他产品的原材料，或供火力发电之用在F1赛车中，什么是康达效应排气？ http:/ 就是利用康达效应制造的废气排气系统。 下面简单介绍一下不同车队的设计。 1、红牛 红牛在2012年 的总体设计思路没有变，这点从车尾就能看出来，依然是倾斜 的底盘搭配“垫高”的扩散器（详细情况请查阅上一期的分析），所以 红牛依然需要把废气引到扩散器来解决这种设计引发的一系列问题，所 以对于红牛来说，确保废气能够拥有最

16、高的传输效率是解决问题的最关 键因素，而且要不惜一切代价。 红牛在发布会上RB8采用了符合规则的传统排气管，当然，这是蒙人的。随 后的冬测中，他们推出了完全不同的升级方案（图1）。 “1.jpg“ 在红牛冬测的设计方案中，排气管被隔热材料包裹，而且在排气口之后的位置全部 覆盖了隔热材料，这也就意味着废气一旦从排气口吹出就被工程师通过运用康达 效应而紧紧地依附在车体表面，直到到达指定位置。这种设计废气的传输效率高 ，然而也有缺陷，那就是这种布局不利于可乐瓶区域气流的流动（针对这种情况 ，纽维在 侧箱底部安装了进气口，引导气流通过，这也是后来双底板的雏形），此外由于废气气流的路径很长，且炙热的废气具有较大的黏滞系数，因此这种 排气在工作时带来的阻力