賽車中的空氣動(dòng)力學(xué)更新時(shí)間：2013-12-5F1賽車中的空氣動(dòng)力學(xué)F1賽車是世界上最昂貴、科技含量最高的運(yùn)動(dòng),通過(guò)產(chǎn)生大量的空氣動(dòng)力學(xué)下壓力達(dá)到非常高的過(guò)彎速度，乃是世界上最快的賽道賽車。在引擎的研發(fā)相對(duì)穩(wěn)定的下，空氣動(dòng)力學(xué)幾乎主宰著一輛賽車的全部性能。讓我們一起來(lái)感受一下F1賽車的速度與激情！資訊：F1賽車中的空氣動(dòng)力學(xué)（一）F1賽車中的空氣動(dòng)力學(xué)（二）F1賽車中的空氣動(dòng)力學(xué)（三）F1賽車中的空氣動(dòng)力學(xué)（四）F1賽事中的高科技(一)神奇的橡膠F1賽事中的高科技(二)制動(dòng)技術(shù)的實(shí)用化F1賽事中的高科技(三)無(wú)線通訊的交響樂(lè)F1賽事中的高科技(四)分秒之爭(zhēng)所以，為了分別控制簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量，關(guān)于彈簧和減震器性能選擇存在一對(duì)無(wú)法避免的矛盾，無(wú)論是懸掛設(shè)計(jì)工程師還是賽場(chǎng)調(diào)教工程師都需要靠車隊(duì)多年積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)賽道和氣候條件做出最終抉擇。講解到此處，還需要引出一個(gè)參數(shù)名詞——彈跳頻率（bouncefrequency），隨著賽車質(zhì)量而發(fā)生變化，從公路民用車到賽車，彈跳頻率約為0.8到1.5Hz之間，然而F1賽車的彈跳頻率大約為2.0Hz。在設(shè)計(jì)F1賽車懸掛時(shí)，后輪軸的設(shè)計(jì)彈跳頻率都會(huì)比前輪軸高一些，這主要是為了在起伏賽道上消除賽車的俯仰趨勢(shì)。懸掛設(shè)計(jì)的第二個(gè)考慮因素就是賽車的重量轉(zhuǎn)移，這由賽車的質(zhì)量、加（減）速度、重心高度、賽道寬度或軸距長(zhǎng)度等參數(shù)多方面聯(lián)動(dòng)決定的。重量轉(zhuǎn)移與側(cè)傾趨勢(shì)有著密不可分的聯(lián)系。盡管消除賽車側(cè)傾的最好方法就是穿過(guò)賽車重心點(diǎn)增加一根防側(cè)傾桿，但這樣做也有很大的副作用——帶來(lái)瞬時(shí)重量轉(zhuǎn)移。賽車設(shè)計(jì)工程發(fā)展到如今，通過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)積累，與其采取上述方法完全消除側(cè)傾，還不如保留一定數(shù)值的可控側(cè)傾趨勢(shì)，但同時(shí)可以最大化地減小賽車的重量轉(zhuǎn)移。其實(shí)，也就是在20世紀(jì)70年代以后，F(xiàn)1賽車工程師才開(kāi)始逐漸考慮降低車體的側(cè)傾趨勢(shì)以提高賽車的平衡性和操控性，較軟的懸掛側(cè)傾剛度會(huì)降低賽車的抓地力水平。翹曲主要用來(lái)描述懸掛抗路面畸變性的能力。選擇較硬的懸掛可以有效地降低賽車的俯仰、側(cè)傾和震蕩趨勢(shì)，同時(shí)也可以有效減小懸掛上、下叉形架上拱或下凹變形，但這樣的設(shè)置卻犧牲了懸掛的抗翹曲性能。隨著抗翹曲能力降低，賽車的動(dòng)載荷變化量以及不可控制動(dòng)載荷都有相應(yīng)增加，而且賽車的過(guò)彎性能也會(huì)所有削弱。當(dāng)賽道路面不平或賽車顛簸時(shí)，輪胎—懸掛—推桿傳遞的振動(dòng)由安裝在底盤（或變速箱）上的彈簧來(lái)吸收并傳遞到底盤上。那為什么非要選擇彈簧來(lái)吸收并傳遞震動(dòng)，何不直接用具有一定柔度的底盤直接吸收震動(dòng)呢？其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，即使設(shè)計(jì)具有一定柔度的底盤，但最多這只能看作是一個(gè)“無(wú)阻尼彈簧”，其儲(chǔ)能量十分有限，無(wú)法有效消除賽車連續(xù)的上下振蕩運(yùn)動(dòng)；而且如果采用這樣的設(shè)計(jì)，底盤需要同時(shí)吸收前、后懸掛的沖擊和振動(dòng)，不可避免地產(chǎn)生共振，這對(duì)車手舒適度和賽車操控性都帶來(lái)新的挑戰(zhàn)因素。懸掛的沖擊和振動(dòng)由彈簧吸收后，彈簧自然而然存儲(chǔ)了能量，那么此時(shí)需要減震器來(lái)釋放存儲(chǔ)在彈簧中的能量，以確保整個(gè)懸掛總成系統(tǒng)能夠連續(xù)工作（減震器同時(shí)還提供顛簸振蕩阻尼和防側(cè)傾阻尼）。如果減震器不能夠很好地控制或釋放彈簧所吸收的沖擊能量，那么彈簧的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)將處于失控狀態(tài)，彈簧的能量釋放也將處于不可預(yù)測(cè)狀態(tài)。結(jié)果，賽車的簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量都開(kāi)始振蕩，這種振蕩或跳動(dòng)會(huì)對(duì)車身的穩(wěn)定性和賽車操控性帶來(lái)極大的負(fù)效應(yīng)。車手在顛簸路段會(huì)感覺(jué)到底盤劇烈而無(wú)規(guī)律的振動(dòng)；在大腳制動(dòng)時(shí)，賽車有向前栽頭的趨勢(shì)；在賽車過(guò)彎時(shí)，整車的平衡性非常難以控制，當(dāng)橫向加速度較大時(shí)，還會(huì)有敏感的側(cè)傾趨勢(shì)。目前為止，在所有零件中，F(xiàn)1賽車的減震器的公開(kāi)發(fā)行數(shù)據(jù)和資料是最少的。不僅是賽車界，就算是民用車或高校教育中也很少有現(xiàn)成的公式能夠清楚地計(jì)算出確保某種減震特性的減震器所有參數(shù)。在20世紀(jì)90年代，F(xiàn)1圍場(chǎng)出現(xiàn)了主動(dòng)懸掛系統(tǒng)（activesuspension），有了主動(dòng)懸掛，設(shè)計(jì)師可以有效地消除上述4個(gè)模態(tài)特征之間的耦合作用，大大提高賽車的整體性能。知道1993年，F(xiàn)IA禁止各車隊(duì)使用主動(dòng)懸掛，外界才對(duì)F1懸掛系統(tǒng)和減震器有所了解。毫無(wú)意外，各車隊(duì)工程師當(dāng)然不愿意放棄主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，但迫于規(guī)則，即使非常無(wú)奈也必須放棄此優(yōu)異性能。也就是從這時(shí)開(kāi)始，各車隊(duì)開(kāi)始大力研發(fā)賽車減震器以獲得同主動(dòng)懸掛同樣的性能效果，即便如此，由于F1賽車界各車隊(duì)的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，圈外仍舊難以獲得賽車懸掛設(shè)計(jì)和減震器設(shè)計(jì)的最新有效資料。民用車和所有賽車的回彈率/壓縮率（rebound/compressionratio）處于1.5:1到4:1之間，設(shè)計(jì)者們通常用60:40和80:20來(lái)表示這個(gè)比率值。多年實(shí)踐表明，通常設(shè)計(jì)者會(huì)選用3:1來(lái)作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，即使到了現(xiàn)在這個(gè)設(shè)計(jì)起點(diǎn)數(shù)值仍然是首選。在計(jì)算分析上，通常用臨界阻尼的某個(gè)百分比數(shù)值來(lái)作為賽車懸掛的阻尼率，但涉及到應(yīng)用時(shí)，很不幸，理想的設(shè)計(jì)阻尼里數(shù)值必須根據(jù)各條賽道的不同特性來(lái)具體分析。即使工程師的考慮已經(jīng)面面俱到，但仍舊難以在實(shí)驗(yàn)室里模擬出賽道的真實(shí)情況和環(huán)境狀態(tài)，車隊(duì)通?？慷嗄瓯荣惤?jīng)驗(yàn)和賽道搜集的數(shù)據(jù)來(lái)克服此困難。為什么雨滴形狀的風(fēng)阻系數(shù)最??？因?yàn)樗慰梢宰杂勺冃危绻L(fēng)阻大的話，受力的部位會(huì)變形，最終變到風(fēng)阻最小的形狀就不再變形了。F1賽車輪胎和普通民用車輪胎有什么區(qū)別？每個(gè)賽車輪胎，從開(kāi)工到成品，要經(jīng)過(guò)多道復(fù)雜的工藝。有人說(shuō)，F(xiàn)1是科技的比拼,從輪胎的制造上就可見(jiàn)一斑。

F1輪胎主要由三種物料組成：橡膠、鋼鐵和編織物。但是，如果算上配方包含的材料，恐怕就要超過(guò)150種。設(shè)計(jì)輪胎的工程師如同廚師，除了要選擇適當(dāng)?shù)牟牧贤?，還需要掌握火候和調(diào)味?；鸷蚣摧喬ピ谥圃鞎r(shí)需經(jīng)300℃的高熱處理，調(diào)味是指利用不同的成分比例和添加劑改變橡膠的特性，以應(yīng)付實(shí)際需要。例如在比賽期間，干胎的溫度可上升至80℃～110℃，故設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮它在溫度變化時(shí)仍需維持的正常彈性和摩擦系數(shù)。只有“精心烹調(diào)”出的合格輪胎，才能被車隊(duì)選中使用。輪胎橡膠是選“硬”還是選“軟”在每條賽道都會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)賽道特性，輪胎制造商會(huì)做配方的調(diào)整。比賽時(shí)，輪胎制造商會(huì)向車隊(duì)提供兩套不同配方的輪胎，車隊(duì)可以自行選擇偏硬還是偏軟的輪胎，選定。后不能更改。輪胎的柔軟度會(huì)根據(jù)選用的化合物配方不同而發(fā)生變化，最主要的三種成分包括碳、硫磺和油。通俗地說(shuō)，輪胎中多用一些油，輪胎就會(huì)偏軟。中性胎（半雨胎）和全雨胎的花紋格式有所不同，這些輪胎表面的花紋格式有利于排除濕滑賽道上的積水。對(duì)于車手而言，沒(méi)有什么情況比賽車“滑水游戲”更糟的了，這使賽車幾乎處于完全的漂浮狀態(tài)。顯然這時(shí)賽車已經(jīng)喪失了大部分的抓地力，現(xiàn)代F1輪胎的花紋格式設(shè)計(jì)可以在最短的時(shí)間內(nèi)排出最多的水，從而確保輪胎表面同賽道的最大接觸面積。整個(gè)周末的比賽，每個(gè)車隊(duì)會(huì)為每部賽車準(zhǔn)備干、雨輪胎各兩種，每種干胎10套，雨胎7套。按照每套4個(gè)來(lái)算的話，每部賽車就要準(zhǔn)備136個(gè)輪胎。一般來(lái)說(shuō)，干胎在極速比賽情況下只能行駛80～200Km。為了確保輪胎處于最佳狀態(tài)，車隊(duì)會(huì)在它們性能下降之前更換，也就是說(shuō)，它們?cè)诤偷孛妗坝H密接觸”不足半個(gè)小時(shí)的時(shí)候，也就“壽終正寢”了。那么，完成比賽任務(wù)后的輪胎去向何處呢？就此舍棄未免奢侈了點(diǎn)。其實(shí)，就算完成了比賽，這些輪胎還不能就此“卸任”。經(jīng)過(guò)專業(yè)人士審核之后，它們會(huì)再次回到生產(chǎn)商手中，進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，為工程師提供信息，讓他們?cè)谶M(jìn)行下一次設(shè)計(jì)時(shí)有所改進(jìn)，設(shè)計(jì)出品質(zhì)更為優(yōu)良的輪胎。除了作為“標(biāo)本”使用，這些用過(guò)的輪胎還會(huì)視其情況進(jìn)行循環(huán)再造，變成其他產(chǎn)品的原材料，或供火力發(fā)電之用在F1賽車中，什么是康達(dá)效應(yīng)排氣？就是利用康達(dá)效應(yīng)制造的廢氣排氣系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)單介紹一下不同車隊(duì)的設(shè)計(jì)。1、紅牛紅牛在2012年的總體設(shè)計(jì)思路沒(méi)有變，這點(diǎn)從車尾就能看出來(lái)，依然是傾斜的底盤搭配“墊高”的擴(kuò)散器（詳細(xì)情況請(qǐng)查閱上一期的分析），所以紅牛依然需要把廢氣引到擴(kuò)散器來(lái)解決這種設(shè)計(jì)引發(fā)的一系列問(wèn)題，所以對(duì)于紅牛來(lái)說(shuō)，確保廢氣能夠擁有最高的傳輸效率是解決問(wèn)題的最關(guān)鍵因素，而且要不惜一切代價(jià)。紅牛在發(fā)布會(huì)上RB8采用了符合規(guī)則的傳統(tǒng)排氣管，當(dāng)然，這是蒙人的。隨后的冬測(cè)中，他們推出了完全不同的升級(jí)方案（圖1）。\"1.jpg\"在紅牛冬測(cè)的設(shè)計(jì)方案中，排氣管被隔熱材料包裹，而且在排氣口之后的位置全部覆蓋了隔熱材料，這也就意味著廢氣一旦從排氣口吹出就被工程師通過(guò)運(yùn)用康達(dá)效應(yīng)而緊緊地依附在車體表面，直到到達(dá)指定位置。這種設(shè)計(jì)廢氣的傳輸效率高，然而也有缺陷，那就是這種布局不利于可樂(lè)瓶區(qū)域氣流的流動(dòng)（針對(duì)這種情況，紐維在側(cè)箱底部安裝了進(jìn)氣口，引導(dǎo)氣流通過(guò)，這也是后來(lái)雙底板的雛形），這其實(shí)是整個(gè)賽季最危險(xiǎn)的時(shí)期，紅牛團(tuán)隊(duì)對(duì)于自己的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了不自信，此時(shí)是孤注一擲，鋌而走險(xiǎn)還是借鑒他人，另辟蹊徑？越是這種左右為難的關(guān)鍵時(shí)刻，越需要一位敢作敢為的領(lǐng)導(dǎo)者帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)走出困境，恰巧，紅牛不缺這樣的領(lǐng)袖，紐維對(duì)自己以及對(duì)手的排氣方案經(jīng)過(guò)再三評(píng)估，做出決定，堅(jiān)持原有設(shè)計(jì)思路，因?yàn)楦S對(duì)手不僅會(huì)陷于被動(dòng)，而且還可能慢慢喪失自己獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此紐維選擇順著自己的思路走下去，而對(duì)于目前排氣管工作不理想的現(xiàn)狀，紐維只有一個(gè)字——改！在2012賽季中，紅牛為其排氣管進(jìn)行了N次升級(jí)，而且在賽季末段，紅牛的排氣幾乎一站一改，印度、阿布扎比、美國(guó)，三個(gè)分站，三個(gè)版本的排氣，可以說(shuō)，瓦特爾能獲得第三個(gè)世界冠軍，不僅是因?yàn)樗钠床?，更有紐維的執(zhí)著和紅牛技術(shù)團(tuán)隊(duì)夜以繼日的付出和支持。在紅牛的這N次升級(jí)中，歐洲站（瓦倫西亞）的升級(jí)最為有效也最為重要。它是紅牛后期研發(fā)的基礎(chǔ)，同時(shí)又帶來(lái)了新的理念——雙層底板。這套的新的排氣是基于之前的舊版送氣效率低的缺點(diǎn)所做出的改進(jìn)，原理很簡(jiǎn)單：不是廢氣吹得位置有點(diǎn)高嗎？那我就先把能用的氣流都送到擴(kuò)散器去，先讓這些氣流發(fā)揮作用彌補(bǔ)下暫時(shí)的損失，然后再逐步修改側(cè)箱，最終讓廢氣吹到底盤上。針對(duì)這個(gè)思路，紐維開(kāi)始落實(shí)。其實(shí)之前我們提到過(guò)紐維已經(jīng)在RB8的側(cè)箱底部開(kāi)了引導(dǎo)氣流的開(kāi)口，但是這次紐維的改革更加激進(jìn)。之前每個(gè)側(cè)箱底部只有一個(gè)開(kāi)口，但是現(xiàn)在每個(gè)側(cè)箱的底部都有兩個(gè)并排的開(kāi)口，而且每個(gè)開(kāi)口都對(duì)應(yīng)著一條氣流隧道。紐維通過(guò)這些氣流遂道，將側(cè)箱底部的氣流送到擴(kuò)散器中央?yún)^(qū)域，從點(diǎn)火馬達(dá)的探入口吹出，這樣就增加了擴(kuò)散器的進(jìn)氣量，改善舊版設(shè)計(jì)的諸多不足，由于這些復(fù)雜的氣流隧道覆蓋了原來(lái)的底盤，因此被戲稱為“雙層底板”。落實(shí)這套新的系統(tǒng)需要在車身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行大量的改進(jìn)，在這種思路下，變速箱等組件需要安裝在氣流遂道上，而不是直接安裝在底盤上（圖5）。\"5.jpg\"紅牛在瓦倫西亞的排氣升級(jí)對(duì)于之后的分站賽具有指導(dǎo)意義，紐維在這套上開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，改進(jìn)的方向極為明確：盡可能地減少氣流的散失，盡可能讓廢氣從更低的位置吹出。因此，在RB8之后的升級(jí)中，排氣的變化趨勢(shì)為：排氣管末端的溝槽不斷加深，溝槽的外側(cè)被不斷墊高，而側(cè)箱末端被處理得越發(fā)低深。\"6.jpg\"紅牛在阿布扎比使用的排氣，可以看見(jiàn)此時(shí)側(cè)箱末端已經(jīng)有了相當(dāng)大的下洗坡度（圖6）\"7.jpg\"從這張圖可以看到，排氣溝槽的外側(cè)被刻意地墊高，防止氣流外溢（圖7）2、邁凱倫邁凱倫在上個(gè)賽季的“扇子”流產(chǎn)之后，終于在2012年的新規(guī)則下取得了巨大的成功（圖8）。\"1.jpg\"MP4－27的“立交橋”式康達(dá)排氣布局是圍場(chǎng)內(nèi)公認(rèn)的最成功同時(shí)也是最主流的設(shè)計(jì)，這種布局直到本賽季仍然被廣泛使用。這種“立交橋”結(jié)構(gòu)最突出的一個(gè)特點(diǎn)就是，帶有溝槽的排氣管部分從側(cè)箱向外凸出形成一個(gè)腫塊，而在腫塊的底部，側(cè)箱依然呈現(xiàn)傳統(tǒng)的收縮形狀，氣流可以沿著這部分側(cè)箱內(nèi)壁完成在可樂(lè)瓶區(qū)域的匯聚，進(jìn)而向后傳送，而廢氣則在長(zhǎng)長(zhǎng)的溝槽內(nèi)流動(dòng)，直到腫塊的末端才利用康達(dá)效應(yīng)順著腫塊邊緣的曲率最終降落到底盤上，最終從擴(kuò)散器的邊緣送出，腫塊的作用在于，它給廢氣和由側(cè)箱前部吹來(lái)的氣流提供了各自的流動(dòng)空間，使得這兩股氣流能夠在互不干擾的條件下流動(dòng)到不販區(qū)域發(fā)揮不同的作用，類似于生活中起樞紐作用的“立交橋”，“立交橋”結(jié)構(gòu)也由此得名（圖9）。\"2.jpg\"邁凱倫的“立交橋”與紅牛的“雙底板”在工作目的上幾乎是相同的，但是兩套裝置還是有著很大的區(qū)別。由于法拉利很快就否定了這套設(shè)計(jì)，因此我們針對(duì)這套排氣沒(méi)有太多的資料，不過(guò)有一點(diǎn)是肯定的：廢氣在脫離了排氣管和整流罩之后流向一直難以把控，可能連法拉利自己的工程師都不知道廢氣到底吹響了哪里，特別是在彎道中，這種排氣幾乎不能為車尾帶來(lái)任何效益。也許這套系統(tǒng)只有在直道上才能像工程師樣預(yù)想地工作，但不要忘了直道上恰恰是不需要負(fù)升力的。很明顯，法拉利的acer管道成為了累贅，影響了賽車的正常表現(xiàn)。法拉利在西班牙（更準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是再穆杰羅測(cè)試）給F2012裝上了過(guò)渡的傳統(tǒng)排氣管，沒(méi)有太多考慮，只希望那套失敗的設(shè)計(jì)能少惹一些麻煩。\"4.jpg\"但是“acer管”還是做了貢獻(xiàn)的，至少在理念上揭示了創(chuàng)新（圖11），此外這種結(jié)構(gòu)也給日后的升級(jí)帶來(lái)了便利。法拉利的工程師在acer管的基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)，就把它變成了類似邁凱輪的立交橋。這種新的排氣確保了F201