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1、第 章F1赛车气动特性初探6. F1赛车空气动力学研究概况6。1国外F 赛车气动性能研究的演化空气动力学在赛车设计应用的研究工作是近 30 年才兴起的.随着空气动力学理论体系的发展,计算机数值技术的应用,巨资建设的风洞为车队深入研究赛车空气动力学提供了便捷的途径。一般而言主要有运动车和赛车（尤其是 F1 赛车)两类车型的设计受到空气动力学的影响,但是二者受到的气动影响是不相同的。空气动力学在1 赛车上面的研究与应用有一个漫长历程。研究深奥的空气动力学并获得理想的负升力是F1 成功的首要因素。100年在法国的默伦，首次在赛车场举行了比赛，此时的赛车没有具体的标准，参赛者可以驾驶各式各样的 赛车比
2、赛。世纪40年代末,汽车比赛中第一次出现了特别制造的单座位的赛车。为了安全和汽车运动发展方向的需要,国际汽车联合会对车体结构、长度和宽度、最低重量,发动机、汽缸容量及型式、油箱容积、电子设备、轴距和轮距的尺寸等部件必须依照规定的程式制造，即“一级方程式赛车，并创办了相应的世界锦标赛。20 世纪 50 年代F1 赛车的设计类似于二战前的汽车，前置发动机、大梁式车架、“雪茄”状流线型车身、窄轮子、车手坐得笔直。957 年,英国谷巴车队推出的中置式发动机赛车，降低了风阻系数,加快了车速，使车身重量更均衡,提高了赛车的转弯性能。图61 所示为14年推出的奔驰W196流线形车是当时追求降低空气阻力的典型
3、代表。2世纪6 年代车手开始戴头盔和穿防火套装，坐姿向后倾斜.发动机移至后部并采用承载式车身，一级方程式赛车开始进入现代化时期，出于安全的原因赛车的重量提高到500千克,此时赛车首度使用尾翼产生的气动效果如图 6。1b,图示是168年推出的著名车型 Matra M。0 世纪70年代，前部的散热器被移到两边后，一级方程式赛车外观呈楔形状，此时负升力翼颇为流行,如图 6。 c所示在翼板的作用下的赛车获得的负升力。虽然 F1 赛车工程师认识到了在车身不同地方加装翼板等扰流部件可以有效提高赛车在弯道行驶速度，如 197年的莲花 78 赛车，以降低的侧裙开创了“地面效应”时代，这种吸附效果制造了巨大的车
4、轮附着力和很高的圈速,但因为安全的因素赛车底部产生低压区的裙状结构在80 年代初期被禁用。3 / 理想车身气动造型研究与F1 赛车气动特性初探由于7年代赛车空气动力学理论发展不够完善,风翼的设计也缺少理论指导，如对翼板的安装位置、翼板的面积大小、角度大小等并没有一个成形的概念，而且当时加工工艺的不成熟，造成翼板在比赛中脱落，车毁人亡的事故也较多。此时除了各汽车公司对 F1运动进行赞助外,商业广告也开始源源不断地注入F1赛事,均促进了 F 赛事的发展.20 世纪 80 年代涡轮增压发动机的应用使得赛车功率增加许多,在 1982 年法拉利车队因此击败所有使用自然吸气式发动机的车队，1987年FIS
5、A(国际汽车运动委员会）规定禁止使用涡轮发动机速度而改为配备自然吸气式发动机参赛.21世纪初,随着科研人员与工程师对赛车空气动力学不断的深入研究，更多气动理论被应用于F1 赛车的设计.例如威廉姆斯车队的空气动力学设计师所开发的 F1 赛车代表当今的空气动力学的研究特点，使赛车几乎每一个表面都在产生负升力，如图。1 d。红色向下箭头表示负升力、红色向上箭头表示赛车所受的升力、蓝色箭头表示气流走向、黄色表示制造负升力的表面 5图 。1 F1 赛车气动特性研究演化图F1 赛车集成了多个领域的尖端技术，是百年 F1 赛车发展凝结的精品,更体54硕士学位论文现着工业制造能力、空气动力学研究的顶尖水平。虽
6、然是属于 F1赛车的范畴,但用到了研究飞机的理论去研究它。欧美日各国著名 F1 赛车队均拥有自己的F1赛车研发中心，如雷诺、迈凯伦、法拉利、丰田、威廉姆斯、本田、宝马索伯等著名车队均具有自己高水平的研发中心.虽然中国的部分科研人员对汽车，尤其是轿车气动特性的分析取得了一定的成果，尽管中国吉利集团以厂家身份赞助亚洲吉利方程式国际公开赛，并拥有自己的赛车研发队伍和自己核心成果,尽管中国在上海国际赛车场拥有可以举办 F1赛事的资格、上海国际赛车研究中心也于 20 年在上海体育学院已经建立,但是中国对赛车空气动力学的研究与应用仍然落后于国际水平。之所以落后于美国、德国、日本、英国等国家，是因为F1赛事
7、是一种资金高投入的远动，需要坚强经济后盾作支撑。为了改变现状，F1 赛车空气动力学的研究值得投入更多的努力。6。21 赛车空气动力学研究的意义空气动力学在赛车领域的应用，尤其是在F1方程式赛车方面的应用是异常广泛的。这里所言空气动力并不是要把空气变成赛车的动力,而是让空气在赛车高速行驶过程中气体的高速相对流动而产生的气压变成对赛车有利的力量.F1 赛车的性能受多种因素的制约，例如受到F1赛车专用发动机、轮胎、梭形悬架、路面、空气以及车手的影响.然而，近年来运用负升力原理而改善赛车性能措施被证明是极其有效的,气动负升力在不增加赛车质量的情况下改善了轮胎与路面的附着状况,提高了赛车的动力性及操纵稳
8、定性，由此赛车空气动力学也日益受到设计师的关注。1 赛车在高速行驶的过程是通过发动机的动力推动空气离开赛道的过程,此时赛车也会受到多种外力的作用，如本身的重力、驱动力、附着力、空气阻力及由附加装置所产生的负升力，其中负升力是F空气动力工程师主要研究的的对象,也是本章节所阐述的对象。赛车车身及各种附加装置产生的负升力作用于整车而增加了轮胎的载荷,在路面一定的条件下，轮胎的附着力会得到增加，从而改善了 F1赛车的驱动力，提高了F1 赛车在平直赛道高速行驶时的动力性及紧急刹车时的制动性能,也改善了赛车的操纵稳定性能。如图 6. 所示的轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关系.同时，负升力、赛车自重及车手体
9、重是四个轮胎所受的垂直载荷，赛车附加装置的优化设计会使得该载荷有所增加，也增加了赛车的附着力设定值，从而提高了赛车的过弯能力,如图 。2-6. 所示。但同时会增加空气阻力，降低直线行驶的最高车速，例如在曲折的匈牙利布达佩斯赛道上，赛车仍很难达到 300km.由于楔形状的赛车车身外形趋于扁平，受到的气动阻力减小，负升力成为了赛车空气动力学研究的首要对象。使赛车受到足够的负升力、减少赛车高速行驶55理想车身气动造型研究与F 赛车气动特性初探时的空气阻力是F空气动力学设计师最为关心的两个基本问题，减小气动阻力可以提高赛车的燃油经济性，而赛车的空气动力附加装置是解决这些问题的重要手段。赛车空气力学效果
10、的好坏会直接影响着车手的单圈成绩，研究的核心是在减小阻力和增大负升力中间找到一个平衡点。在赛车空气动力学研究的过程中,赛车风洞实验、赛车气动性能的数值模拟及实车的道路实验是重要的手段。图62轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关系图 3有无负升力作用的赛车侧向加速度56硕士学位论文.2 负升力与空气动力学附加装置。2.1 负升力产生原理早在138年，伯努利就已经暗示了压强与流速之间有直接的关系,1755年欧拉建立了完整的伯努利方程,这个方程的表述为：P+0.5v2=常数其中P是压强, 是流体密度，v 是流体速度)（ 61）在F1赛车上所使用的负升力翼的基本原理与飞机的机翼是相同的,但是飞机的机翼是产
11、生向上抬升的力量，而赛车的负升力翼是要产生向下压制的力量。图.4 表示飞机机翼的剖面,当空气流经机翼时，一部分气体从翼板上方流过,一部分气体则从下方,而最后这两部分空气在翼板后方重新会聚。飞机的机翼设计是机翼的上表面比下表面更长,从而使得机翼上面的空气流速要比机翼下方流速增加，空气流速增加，则其密度减小，气压相应减小,而且速度越大压力差也就越大。因此，飞机机翼上方的气压就比下方的气压小,从而产生了升力.所以如果把机翼倒过来,就是简单的赛车负升力翼,气动效果也就相反,产生向下压制的力量，即负升力 （natvelft)。图 .4机翼受升力原理图图 6。5负升力翼不同的截面F1 赛车负升力翼截面在不
12、同时代呈现不同的形式，如图 6.5 。一辆 1 赛车升力面的设计虽然运用了类似飞机机翼设计的伯努利方程,但二者还是有区别的。主要有四个原因:F1 赛车前负升力翼的周围环境受到了强烈地面效应的影响;相比于飞机机翼的展弦比而言，四轮暴露于空气中的赛车后负升力翼的展弦比具有较小；负升力翼与赛车的其他部件，例如车身、车轮及其他附加装置等，有着相互作用,从而改变了F 赛车的外部流态,外流场的参数也发生了改变。6.2。2 空气动力学附加装置F1 赛车能在 5 秒之内瞬间加速到 200m/h 以上,最大过弯侧向加速可达,极速最高可超过350k/h，这样高的速度与过弯能力，除了需要优异的悬吊设定来让轮胎尽可能
13、的保持与跑道路面接触之外，更要有足够的负升力来使轮胎产生足够的附着力，否则动力再强大，在过弯时也将无从发挥。楔形赛车底盘的设计是气动负升力和气动阻力的平衡为基础,车身外形趋于扁平，使得赛车气动阻力减小,质心位置降低,车身本身可以作为产生负升力的理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探部件,提高了赛车的操纵稳定性，然而最值得关注的是各种空气动力学附加装置。产生负升力的区域主要集中于赛车的三个具体的区域，即前负升力翼装置、底盘、后负升力翼装置,如图 6.6。这些区域也是车队工程师不断精细化的对象。图6负升力产生的主要区域62。2。 鼻锥影响F1赛车稳定性的最重要因素是修长而扁平的鼻锥,它是赛
14、车车身的前半部分，决定着通过车身上下方、散热器、后负升力翼气流比例和方向的关键性部件.导流有效、承载前负升力翼、加快更换负升力翼的速度及撞车时保护车手的安全是鼻锥的基本要求.例如迈凯伦车队的 空气动力学工程师在 001年设计使得鼻锥的下垂角度比较大，更低的鼻锥使前部气流的阻碍可能性降低到很小的程度，气流在流过鼻锥之后直接经过悬挂两侧及单龙骨下沿抵达扩散器，可以产生较好的气动效果，如图 6. 所示。图6迈凯轮车队试验赛车的新型前鼻锥。2前负升力翼图 6 Tyrrel 引入的高前鼻翼设计前负升力翼产生较大的负升力可以抵消一部分气动升力，增加车轮的地面附着力，改善高速F1赛车的轮胎转向性能，从而使赛车加速或减速时提高发动机功率的利用率,同时还可部分平衡由后负升力翼引起的车头上仰力矩的影响。前负升力翼可以提供给赛车 30%的下压力，对F1 赛车起着至关重要的作用。前负升力翼影响赛车转向性能.因为后置的F赛车引擎使得赛车的质心相对后移,赛车前部比较容易上扬，而且前轮是转向轮。若后轮附着力很小，则使得赛车可能放生转向过度，如图6。9；若前轮不能与地面充分接触,赛车的转向则不能完全按照车手实际的操控来实现，最常见的就是转向不足（比如同样打0o方向，正常的赛车可以转 0o，而转向不足的赛车可能只能转 80，如图 6。10）,两种状况均降低了赛车的操纵稳定性。图 6.9赛车转向过
