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[F1专栏]2010年F1赛车设计大趋势

2020-06-09

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时间进入了一月下旬,从本週开始、F1车队将陆续发表2010年的比赛车辆并立刻进行第二阶段的冬季测试。在新赛车发表前,我们整理了今年比赛车辆的设计几大趋势,并预测这些改变对比赛车辆甚至比赛本身所造成的影响。

[F1专栏]2010年F1赛车设计大趋势2010年F1赛车的改变多数在车壳之下。
油箱容量因规则改变而加大

本月初《米兰体育报》特别邀请F1科技评论家Giorgio Piola透露2010年Ferrari赛车的设计改变,其中被列为影响最大的改变就是油箱设计及其连锁影响。从2010年赛季开始,F1将禁止车辆在比赛中加油。对各队科技总监与工程团队来说,这象徵着车辆设计方向上的大幅改变,新规则也将影响各队比赛战术拟定、甚至未来的排位赛规则走向。

取消比赛过程中进站加油是2010年F1比赛规则最大的改变,这意味着赛车在出发时必须载满可跑完全程的油料。2005年赛季曾经一度禁止F1赛车在比赛过程中换胎 (爆胎意外发生时除外)、但允许车辆在比赛过程中进站加油。由于「禁止比赛中途加油」规则已将近20年没有实施,规则的改变对于新赛车的设计是一大挑战。

截至2009年赛季为止,一站比赛所需的油料通常分为2至4次添加,因此车内油箱不需太大。21世纪初的F1赛车油箱容量大约是130到140公升上下,随着长寿引擎与汽缸减少到8缸,F1赛车的耗油量也显着降低、油箱重量容量也因此缩小至80到100公升左右。从今年开始,由于车内必须装载能够跑完整场比赛全程的燃料,预估油箱容量将大幅上升至240至260公升!一般市售车的油箱在50至80公升左右,F1赛车仅600-700公斤,车内油箱容量却是市售车的3倍以上,可想而知比赛中油料重量的改变对车辆操控将有不小的影响。

[F1专栏]2010年F1赛车设计大趋势今年在比赛过程中将看不到进站加油的镜头。
加大油箱所导致的问题

为了容纳加大两倍左右的油箱,可说从车手驾驶座之后、赛车中部的油箱、引擎、变速箱、冷排系统及后悬吊系统都需要重新设计。第一个显着的外观影响将是车辆轴距不可避免的加长,即使尽可能前移车手驾驶座并更动变速箱的排列方式,Piola仍披露Ferrari工程团队为了在驾驶座后方塞入容量翻倍的油箱,将2010年Ferrari赛车的轴距增加了足足15公分之多。这将不可避免的降低了车辆在弯道中的操控性能。

第二个被迫改变的设计是润滑油室的位置。F1引擎为了追求更低的车辆重心和高效的润滑效果而採用乾式油盘设计 (即曲轴并不是浸泡在机油中,而通过一套进、出油泵加一个专门的润滑油对引擎进行润滑)。1998年之前润滑油室位于引擎和变速箱之间,之后着名F1工程师Alan Jenkins为了减少车室内空间首次将润滑油室移至引擎前方。随着油箱容量的加大,润滑油室今年将再次被移回引擎与变速箱之间。

[F1专栏]2010年F1赛车设计大趋势   
车重增加的连锁影响

一般房车大约在1000到2000公斤左右,相较之下F1赛车就轻的多。过去一辆加满油 (及比赛车手) 的F1赛车大约670公斤上下、FIA的规定是赛车加上车手的重量不得低于600公斤。由于今年F1赛车在出发时必须搭载能驶完全程的油料,加之本赛季F1赛车的重量下限从之前的605公斤增加到620公斤,这使得2010年比赛赛车在起步重量比2009年的赛车重了185公斤之多,增加的重量高达30%。这将给F1车内的碳纤煞车系统带来更沈重的工作负荷。除了煞车系统外,车辆的调校困难度也将大幅提高。

车手对煞车系统最大的要求是在煞车的过程中仍然可保持车身的稳定,通常对于煞车力量的分布是前轮煞车负责60%、后轮煞车负责40%,这是因为在煞车的过程中车身重量分布与重心会因为加速度的影响而从后方移到前方 (这也是为什幺你觉得煞车时车身会前倾的原因),如果採用50/50的煞车力量分布、后方轮胎的摩擦力会比较小 (因位车身后方的重量较轻) 这样会造成后轮煞车锁死的情况。比赛过程中禁止加油意外赛车重量的高低差距可能多达150公斤之多,赛车在比赛开始与比赛结束时的物理特性与重心转移程度差距将比本赛季更大,这也会增加车手驾驶及车队调整最佳车辆设定的难度。

缩小的前轮宽度造成的影响

相对于机械结构的改变,2010年规则在空气动力学领域的改变幅度较小。除了取消比赛过程中进站加油之外,另一个显着的重要改变是缩小前轮的宽度并禁用轮圈罩。「如何提升煞车系统的冷却效能」就成为F1赛车设计的重要课题。「轮圈罩」 (Wheel fairings) 的工作原理是利用外罩形成一个封闭空间,如此在高速旋转过程可透过压力差而加速轮圈内的热气流向外流出。这带来了两个好处:首先是间接提升煞车性能,也可以防止轮圈的热量向轮胎传递造成轮胎性能衰退,甚至能吸收轮胎在工作时生的热量。相比于重新导入光头胎,降低轮胎宽度的影响较不显着,缩小的前轮也有助于空气流经车辆前方时更为流畅并减小前方可视风面积。

[F1专栏]2010年F1赛车设计大趋势由于去年的佳绩,RB5赛车的空力设计理念被许多车队所採用。
空气动力学造型改变不显着

由于新赛季关于空力套件规定的更改不若去年那般激进,因此2010年F1赛车外观上仍以去年的空力设计为蓝本进行改进。根据空力设计师的估计,2009年配备双层Diffuser的赛车下降力其实已经超过了2008年的水準,这意味着FIA苦心移除的车辆附加小翼,减小尾翼面积等措施以让赛车空气下降力减少30%的规则设计实际上没有效果。在更成熟着掌握车身后半部及双层Diffuser的设计后,预料今年赛车的下降力有望比去年更加提高。

[F1专栏]2010年F1赛车设计大趋势双层Diffuser今年仍可沿用。
由于空力规则的改变不大,效法去年的成功设计就相对有意义的多。外界透露今年的Ferrari新赛车儘管是基于F60进行改良,但由于去年由于误判FIA对双层Diffuser的态度而在赛车设计上有重大失误,Ferrari新赛车在空气动力学上也大量借鑒了Red Bull RB5赛车的过人设计。包括类似RB5赛车採用高度更高、顶部呈角状的车辆鼻椎设计,这可让更多的气流从车首下方流入车底。随着新赛车的逐渐发表,我们可发现更多F1工程师的巧思。

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