[F1专栏] F1赛车尾部的「方寸之争」

2020-06-09
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第二阶段冬季车辆测试刚开始,F1赛坛就因为Toyota与Williams赛车后方的Rear Diffuser游走于「灰色地带」的设计是否违规而引起众议。看起来不起眼的Rear Diffuser实则是F1赛车设计上寸土必争的重要关键,唯有从空气动力学原理、F1赛车科技演进历史的角度出发才能够窥得全貌!

F1车手接受记者访问时,最常提及的就是抱怨赛车Downforce (下压力) 不足、有时候也会统称为Grip (抓地力) ,这个名词为什幺那幺重要呢?中学的基础物理 (希望你还没有忘记、或者曾经学过) 告诉我们「物体进行圆週运动时需提供必要的向心力」,这个向心力在赛车运动上就是我们称的Grip (抓地力) 。车辆的抓地力越大、则通过弯道的速度上限就可以越快 (我们也可说「抓地力的大小决定了过弯的速度」) ,如果车辆的抓地力不够却硬是要以较高的速度过弯时会发生什幺情况?这就是我们说的Spin (打滑) ,指整辆赛车失去控制并偏离过弯时应循的正常轨迹。

如何增大Grip?它有两个主要来源:第一是Mechanic Grip,这种抓地力来自于轮胎、车辆配重与悬吊系统适当的配合 (这也是为什幺乾胎、雨胎、半雨胎的单圈成绩不同) 。第二种则称为Aerodynamic Grip,此类抓地力则来自空力套件产生的Downforce所提供。对于F1车队来说提升Mechanic Grip需靠他人 (取决于Bridgestone轮胎厂) ,唯一可以操之在己的就剩下Aerodynamic Grip。

与前翼、尾翼相比,黑嘛嘛的Rear Diffuser很少吸引众人的目光。它是装置于赛车尾翼的下方、F1赛车底盘尾部採用逐渐向上倾斜的设计,能够产生「抽离底盘空气」并造成真空效果。不要小看Rear Diffuser、它製造的下降力佔了F1赛车总下降力超过三分之一以上,甚至远远超过了最容易被车迷识别的前翼。

[F1专栏] F1赛车尾部的「方寸之争」在今年开始实施的新版空力套件规定中,尾翼的造型有了显着改变,包括翼片宽度从之前的1000mm压缩到750mm。上层翼片升高150mm与引擎盖同高,这将大幅减少车辆后半部的下降力。
Diffuser是提供F1赛车所需下降力的无名英雄,这项装置的设计经常被车队视为是最高机密 (新车发表会时经常用布幔覆盖此处) 。车队会利用垂直的隔板将Diffuser分成许多小部分,这可以增加Diffuser真空吸引的效率!此部分设计最头疼的地方在于此处也是后悬吊及排气管配置的部分。如果设计失当、排气管产生的高热废气会严重影响Diffuser的效果 (车手就会发现踩油门及收油的时候车辆操控会不平衡) ,最近两年的解决方案就是像Ferrari车队一样使用「潜望镜式」的排气管、将高温废气从Diffuser的上方排出。不只是F1赛车才有Diffuser、Ferrari的道路版赛车F50也有相同的设计。

在今年开始实施的新版空力套件规定中,尾翼的造型有了显着改变,包括翼片宽度从之前的1000mm压缩到750mm。上层翼片升高150mm与引擎盖同高,这将大幅减少车辆后半部的下降力,因此车队寻找其他方式改善车辆尾部的空力效率并不让人讶异。这次Toyota TF109和Williams FW31赛车的争议在于其Rear Diffuser巧妙的利用了车尾防撞结构,使其作用有效空间超过了规则规定的最大高度175mm。

[F1专栏] F1赛车尾部的「方寸之争」FW31赛车的Rear Diffuser中央部分使用双层结构,下层顶部与尾椎之间的另外一层隔间也高于最大高度限制。
其中TF109赛车的Rear Diffuser中央部分后方形成了一个更高 (超过175 mm) 的隔间,FW31赛车的Rear Diffuser中央部分使用双层结构,下层顶部与尾椎之间的另外一层隔间也高于最大高度限制。过去这种设计曾出现在Ferrari F2008赛车上,但在新的空力规则之下属于合法与不合法之间的灰色地带。

[F1专栏] F1赛车尾部的「方寸之争」   
Rear Diffuser逐渐向上延伸的结构所应用的原理则是流体力学的基本定律:白弩利定理。当车身下方的空气流过Diffuser时、因为通过的截面积增大而使流速变慢,此时会造成压力增大的情形 (白弩利定理是一个能量守恆定理,意即流速增大则压力变小、流速变小则压力称大) 。这种现象可以加快车身下方的空气造成「暂时真空」效果 (其实也就是也就是另一种形式的Ground Effect) 。此空力套件的尺寸大小对其空力效率有决定性的影响,因此不难理解Toyota TF109和Williams FW31赛车的设计会引起如此轩然大波。

[F1专栏] F1赛车尾部的「方寸之争」TF109赛车的Rear Diffuser中央部分后方形成了一个更高 (超过175 mm) 的隔间。
事实上这也不是第一次Rear Diffuser成为争议焦点,1990年代初期可谓Rear Diffuser发展的全盛时期时,当时它甚至负责製造F1赛车70%以上的下降力!一直到1994年FIA政策急转弯,强制缩短Diffuser的长度之后它的重要性才「稍微降低」 (但之后也仍然佔了约40%的车辆下降力分布) 、FIA的新规定也让赛车设计师不得不继续朝车身其他部分动脑筋。

以Renault为首的其他F1车队已经要求FIA科技小组澄清此部分的科技规则细节。有了过去几个赛季在弹性前翼、3D尾翼以及质量减震系统的种种教训,F1工程团队在研发过程中就与FIA科技小组沟通,以确保最后的研发成果不会付诸东流。据传FIA科技小组对两支队伍其中的一个设计很早就知晓并表示默许,此传言在澳洲站时就可真相大白。

[F1专栏] F1赛车尾部的「方寸之争」有了过去几个赛季在弹性前翼、3D尾翼以及质量减震系统的种种教训,F1工程团队在研发过程中就与FIA科技小组沟通,以确保最后的研发成果不会付诸东流。
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