F1赛车车身制作设计理念 上海赛车场订票中

发布日期:2013-01-07 09:43 | 观赛指南

    说到F1赛车车身,最值得大书特书的便是各种空气动力学组件。由碳纤维打造的车身和底盘固然是一个亮点,但由于空气动力学原理在F1赛车车身和底盘设计上的广泛应用,使F1车队对于空气动力学的研究和相应的组件设计到达了其他任何赛车都无法比拟的水平和规模,这正是F1卓尔不群的原因之一。

    对空气动力学在赛车设计上应用的研究工作是近20年才兴起的。上世 纪60年代,F1车队认识到在车身不同地方加装翼板等扰流部件能够有效提高赛车在弯道上的速度。但由于当时缺乏理论体系指导,对这些翼板该加装在什么地方,翼板的面积应该多大,角度如何,车队并没有一个成形的概念,大家都在不断摸索和尝试中。再加上当时的加工工艺并不成熟,翼板在比赛中脱落造成伤亡的例子比比皆是,于是,在赛车上加装空气动力学部件一度被禁止。然而,随着空气动力学理论体系的发展,加上计算机科技的兴起,使车队深入研究空气动力学对赛车影响的想法变为可能。

影响赛车速度的几种阻力

    空气动力学看起来是一个很让人伤脑筋的名字:空气也能产生动力?其实,这里说的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的高速流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。首先我们来分析一下,在赛车的运动过程中,哪些力量构成对赛车的阻力。

    首先,所有的液体和气体都是由可滑动的粒子组成的。当液体或气体通过一个表面时,最靠近表面的粒子层会附着在表面上。而这一层之上的粒子运动会因为物体表面相对静止不动的粒子层而减慢。同样,这一层以上的粒子的运动也会受到影响,导致滑动速度的减慢,只是减少量减小了。离物体表面越远,粒子层受的影响越小,直到它们以自由粒子移动。那一段导致粒子滑行速度减慢的层,称之为临界层。它出现在物体的表面,形成表面摩擦力。学过中学物理对分子力学有初步认识的读者应该很容易理解这一点。

    力需要改变分子的运动方向,于是形成了第二种力,称之为形状应力。在空气动力学中,尺寸也是因素。赛车的前鼻(当你正面看到赛车的那一部分)越小,分子改变方向的面积越小,也越容易通过。少量的引擎动力被流动的空气所吸收,绝大多数都转化为在赛道上疾驶的动力。在规定的引擎作用下,赛车就能跑得更快。

    然而事情并不是那么简单——物体的形状也很重要,它决定了分子移动的难易。空气习惯附着于物体表面,所以在气流中拉动一个光滑表面的盘子要比拉一个类似前鼻的弧线状碗困难得多。气流会在碗状表面上翻转,但是却会黏着在光滑的盘子表面。空气动力学的研究发现,'泪珠'状形体最易于通过气流。圆头在前,尖端在后,大多数人可能觉得很奇怪。

    当气流沿着曲线运动(或是改变方向),只要是薄薄的,它的运动不会发生改变。然而,当曲线有一定的形状,或者方向突然变化(就像遇到尖的物体),气流会在物体表面一分为二,而没有足够的能量来通过表面。这种情况是需要避免的,因为临界层是很厚的,前面的气流就会减慢,并像固体表面一样阻挡了后面的气流。所以尖的物体通过气流只能产生更大的阻力。

    那么是不是圆形物体在空气中运动最为理想呢?错了!当一个球在空气中运动,一开始气流会随着球的弧线而变化,然而,当它通过球体半径最大处后,气流仍会追寻球的弧线,但这时球面已急剧趋向减少。对于气流运动来说这是最困难的,所以当气流通过半径点后,就不再依附于球体表面,而变得散乱无章。散乱的气流会无序地旋转,比起自由运动的气流产生的压力较小,所以会产生吸引力来阻碍球体的运动,减慢其运动速度。而前面所提及的泪珠状物体,当气流通过类似球体的弧线后到达临界破坏点时,泪珠状形体会有一个倾斜面来支撑气流的运动。物体得以干净利落地以最小的阻力从气流中通过。举个简单的例子:一个自由下落的悬垂液滴必定是泪珠状,因为这样的空气阻力最小,如果只是简单的球面,只会造成更大的阻力。

    最后一种应力是诱导应力,它是下压力不可避免的产物,表现形式是气流漩涡,这种漩涡可以在下雨天流经赛车尾翼的水汽中看的清清楚楚。

翼板等关键性空气动力学部件的设计灵感:从流动的空气中获得下压力

    很多人会立刻发问:既然存在形状应力,为什么F1赛车的外形不做成完全的泪滴形状?这样不是阻力最小么?对,但也不全对。F1赛车车身的设计师最先考虑的问题是获得足够的下压力从而使轮胎有足够的抓着力紧贴地面,其次才是阻力。这是由于:一、赛车经常需要急促地加速、减速,这时候必须保证足够的地面抓着力;二、赛车在行驶中变换方向的时候很容易受到离心力的作用,这时候单凭车身的重量很难维持赛车轮胎对地面的抓着力,容易造成失控,而抓着力越高,赛车在过弯时的速度就可以提高;三、F1赛车引擎能够输出足够的马力,让赛车在相当大的阻力下依然能获得高速度。在这三点因素共同作用下,抓着力成为了第一要素。那么,怎样从流动的空气中获得下压力呢?

    答案其实很简单,只要看看飞机的机翼就会明白。在空气动力学中,机翼的作用是在空气流动的时候产生升力,其原理是这样的:当空气流过机翼的时候,一部分从翼板上方流过,一部分则从下方,而最后这两部分空气在翼板后方重新结合起来。飞机的机翼设计让机翼的上表面比下表面更长,从而使机翼上面的空气流速要比机翼下方流速快。一个名叫贝努利的聪明人发现,空气流速一快,则其密度减小,气压相应减小,这样,飞机机翼上方的气压就比下方的气压小,从而产生升力。

    那么在赛车上又如何呢?——只要我们把机翼的形状倒过来,就可产生下压力,如图所示(注意翼板等关键性空气动力学部件的截面是什么形状的——泪滴形)。

    看似简单的原理,但是一直到了上世纪七十年代末才有人想到这一点,这个人便是现任麦克拉伦车队首席设计师——艾得安·纽维。他从南安普顿大学毕业时的毕业论文便是以此为题,其时他尚是一个初出茅庐的小子,但是这一石破天惊的想法让他成为了F1赛车设计和空气动力学结合的开山鼻祖。

    在赛车和地面的距离如此之贴近的情况下,类似的原理越靠近地面越能得到充分发挥,八十年代初的莲花赛车便拥有这个形状的底盘,这样的底盘当时被称为“地面效应”底盘,成绩斐然,后来由于赛会禁止才没有进一步发展下去。

赛车车身设计师的探索

    赛车车身设计师们必须将影响空气动力表现的各种因素都分析得清清楚楚。所幸的是,经过多年的经验积累,影响赛车空气动力学表现的不外乎以下几个因素:空气密度、空气速率、受力面截面面积、升力系数(或称为拖曳力系数)。

    其中作用最大的莫过于速率,因为受力和速度的平方成正比,也就是说速度增加到原来的三倍的话,受力大小会增加到原来的九倍!空气密度和气温、湿度和海拔高度都有关系,这也是为什么赛车的空气动力学调校要参考赛道当时的气温、空气湿度和海拔高度的原因。

    升力系数反映受力表面制造升力(拖曳力)的能力,通常由材料的平滑度和形状决定。看上去很简单的几个数字,但是代表的内涵绝不简单,对完美的空气动力学设置(带来最大下压力的同时阻力最小)的探索从来就没有停止过,有时候即使是纽维这样的大师,也不见得能够找到最切合赛车和当时赛道情况的最佳方案。

    这次我讲了赛车车身各种扰流部件所应用的空气动力学原理。下次,我们将从原理出发,深入浅出地介绍如何设计、应用和调校车身的这些空气动力学部件。

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