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赛车中的空气动力学 更新时间 2013 12 5 F1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赛车的悬挂设计流程是什么 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 bouncefrequency 随着赛车质量而发生变化 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 activesuspension 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 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 LLTDLateralLoadTransferDistribution 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 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 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 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也是十分可观的 我们都知道 RB8和现在的RB9在极速上一直落后于对手 这一方面与工程师更改调校设定增加负升力有一定的关系 另一方面就是受这种排气的影响 而且这种 低尾速 是在赛车设计时就已经决定了的 换言之 如果红牛不更改排气的模式 那么尾速的劣势就会一直延续下去 除非采取其他手段来进行缓解 比如DDRS 但是有一点是肯定的 既然你选择了在弯道中积累优势 那么就必须在极速上付出代价 图2 2 jpg 这可以为一种极端的路线 甚至是一种冒险 3 jpg 4 jpg 红牛在澳洲站使用的改良排气 图3 4 但是这一次红牛遇到了麻烦 那就是RB8的初始版排气效果并不理想 废气虽然能够到达扩散器 但是这次废气几乎是从扩散器的上表面吹出去的 这对于RB7利用废气填补扩散器底部的松散空间的理念几乎无法带来多大帮助 使得纽维预想的效果难以实现 当然这是针对红牛自身说的 只是纽维的设计没有达到自己的预定目标 简单说 就是一句话 如果你无法最大限度地发挥你的优势 那你拿什么去抵消自己的劣势呢 于是 在赛季的前两站红牛没能延续去年的强势 在竞争力上暂时逊于强势回归的迈凯伦 这使得红牛的设计师一度质疑过自己的排气方案 瓦特尔还曾在上海站使用过发布会版本的传统排气 这其实是整个赛季最危险的时期 红牛团队对于自己的设计表现出了不自信 此时是孤注一掷 铤而走险还是借鉴他人 另辟蹊径 越是这种左右为难的关键时刻 越需要一位敢作敢为的领导者带领技术团队走出困境 恰巧 红牛不缺这样的领袖 纽维对自己以及对手的排气方案经过再三评估 做出决定 坚持原有设计思路 因为跟随对手不仅会陷于被动 而且还可能慢慢丧失自己独有的技术优势 因此纽维选择顺着自己的思路走下去 而对于目前排气管工作不理想的现状 纽维只有一个字 改 在2012赛季中 红牛为其排气管进行了N次升级 而且在赛季末段 红牛的排气几乎一站一改 印度 阿布扎比 美国 三个分站 三个版本的排气 可以说 瓦特尔能获得第三个世界冠军 不仅是因为他的拼搏 更有纽维的执著和红牛技术团队夜以继日的付出和支持 在红牛的这N次升级中 欧洲站 瓦伦西亚 的升级最为有效也最为重要 它是红牛后期研发的基础 同时又带来了新的理念 双层底板 这套的新的排气是基于之前的旧版送气效率低的缺点所做出的改进 原理很简单 不是废气吹得位置有点高吗 那我就先把能用的气流都送到扩散器去 先让这些气流发挥作用弥补下暂时的损失 然后再逐步修改侧箱 最终让废气吹到底盘上 针对这个思路 纽维开始落实 其实之前我们提到过纽维已经在RB8的侧箱底部开了引导气流的开口 但是这次纽维的改革更加激进 之前每个侧箱底部只有一个开口 但是现在每个侧箱的底部都有两个并排的开口 而且每个开口都对应着一条气流隧道 纽维通过这些气流遂道 将侧箱底部的气流送到扩散器中央区域 从点火马达的探入口吹出 这样就增加了扩散器的进气量 改善旧版设计的诸多不足 由于这些复杂的气流隧道覆盖了原来的底盘 因此被戏称为 双层底板 落实这套新的系统需要在车身结构上进行大量的改进 在这种思路下 变速箱等组件需要安装在气流遂道上 而不是直接安装在底盘上 图5 5 jpg 红牛在瓦伦西亚的排气升级对于之后的分站赛具有指导意义 纽维在这套上开始进行进一步的改进 改进的方向极为明确 尽可能地减少气流的散失 尽可能让废气从更低的位置吹出 因此 在RB8之后的升级中 排气的变化趋势为 排气管末端的沟槽不断加深 沟槽的外侧被不断垫高 而侧箱末端被处理得越发低深 6 jpg 红牛在阿布扎比使用的排气 可以看见此时侧箱末端已经有了相当大的下洗坡度 图6 7 jpg 从这张图可以看到 排气沟槽的外侧被刻意地垫高 防止气流外溢 图7 2 迈凯伦迈凯伦在上个赛季的 扇子 流产之后 终于在2012年的新规则下取得了巨大的成功 图8 1 jpg MP4 27的 立交桥 式康达排气布局是围场内公认的最成功同时也是最主流的设计 这种布局直到本赛季仍然被广泛使用 这种 立交桥 结构最突出的一个特点就是 带有沟槽的排气管部分从侧箱向外凸出形成一个肿块 而在肿块的底部 侧箱依然呈现传统的收缩形状 气流可以沿着这部分侧箱内壁完成在可乐瓶区域的汇聚 进而向后传送 而废气则在长长的沟槽内流动 直到肿块的末端才利用康达效应顺着肿块边缘的曲率最终降落到底盘上 最终从扩散器的边缘送出 肿块的作用在于 它给废气和由侧箱前部吹来的气流提供了各自的流动空间 使得这两股气流能够在互不干扰的条件下流动到不贩区域发挥不同的作用 类似于生活中起枢纽作用的 立交桥 立交桥 结构也由此得名 图9 2 jpg 迈凯伦的 立交桥 与红牛的 双底板 在工作目的上几乎是相同的 但是两套装置还是有着很大的区别 首先 红牛 双底板 的气流隧道是完全封闭的 而 立交桥 结构肿块下方的区域则是开放的 当气流通过时 会形成 半裸露 的气流通道 其次 红牛的排气装置在工作过程中废气并未发生与车体的分离 但立交桥工作时废气在与肿块分离后是自行下洗到底盘上的 最后 除了肿块部分 迈凯伦的侧箱依然是传统的气动布局 气流在流动过程中并不会阻碍 但红牛的双底板布局则不利于瓶区域气流的流动 对于这两套工作目标相似但处理方法不同的排气布局 它们的特点分别为 红牛的双底板气流传输效率高 但工作时伴随的阻力大 迈凯伦立交桥传输效率略低 但工作时不会伴随巨大的阻力 这种差异是两队在设计思路上的差异造成的 但是毫无疑问 它们都是成功的系统 3 法拉利刚才介绍了新规则下的两种成功设计 现在我们要来分析一种 反面教科书 般的失败设计 法拉利F2012装配的初始版排气管 图10 3 png 这套排气最显著的特点就是 acer管道 F2012的排气管被管道形的整流罩所包裹 废气在从排气管吹出后在整流罩内被加工和整理 最张吹到指定的工作区域 法拉利当初的构想是让这股气流发挥双层扩散器的功效 这在理念上还是值得肯定的 最起码和法拉利多年的保守比起来还是令人眼前一亮 但是在细节的处理上差的就太多了 红牛和迈凯伦的优势在于 它们都能精准地把控废气的走向 而法拉利不能 acer管 的敏感程度太高 由于法拉利很快就否定了这套设计 因此我们针对这套排气没有太多的资料 不过有一点是肯定的 废气在脱离了排气管和整流罩之后流向一直难以把控 可能连法拉利自己的工程师都不知道废气到底吹响了哪里 特别是在弯道中 这种排气几乎不能为车尾带来任何效益 也许这套系统只有在直道上才能像工程师样预想地工作 但不要忘了直道上恰恰是不需要负升力的 很明显 法拉利的acer管道成为了累赘 影响了赛车的正常表现 法拉利在西班牙 更准确地说应该是再穆杰罗测试 给F2012装上了过渡的传统排气管 没有太多考虑 只希望那套失败的设计能少惹一些麻烦 4 jpg 但是 acer管 还是做了贡献的 至少在理念上揭示了创新 图11 此外这种结构也给日后的升级带来了便利 法拉利的工程师在acer管的基础上稍作改动 就把它变成了类似迈凯轮的立交桥 这种新的排气确保了F2012在风洞坏掉之前的一段时间中曾拥有不容忽视的竞争力 5 jpg 6 gif 法拉利在安装了迈凯轮的立交桥后竞争力陡增 一个重要原因就是废气和成侧箱底部的气流可以互不干扰发挥作用 图12 13 文库 F1赛车底盘下的空气动力学F1赛车气动特性的CFD仿真和试验研究F1赛车弯道技术的力学分析运用于法拉利F1赛车的新型可旋转减振器2s和100kmF1赛车的碳纤维制动盘AerodynamicsofroadvehiclesF1赛事中的规章和规则一F1赛事中的规章和规则二F1赛事中的英文专用名词一F1赛事中的英文专用名词二FundamentalsofAerodynamicsChapter 1ChallengesinModelingtheUnsteadyAerodynamicsofWindMehta1985AerodynamicsofsportsballsModelofRotorcraftAerodynamicsandDynamicsPart1AnalysisDevelopment超低风阻系数是怎样炼成的倍耐力公司和米兰理工大学合作研究轮胎风力涡轮机中的空气动力学 EN 汽车外流场CFD模拟赛车为什么这样造型 视频 CFD模拟F1车身外部流场 TED F1赛车怎样帮助婴儿们