理想车身气动造型研究与F赛车空气动力学.doc

第 6 章 F1 赛车气动特性初探 6.1 F1 赛车空气动力学研究概况 6.1.1 国外 F1 赛车气动性能研究的演化 空气动力学在赛车设计应用的研究工作是近 30 年才兴起的。随着空气动力学 理论体系的发展，计算机数值技术的应用，巨资建设的风洞为车队深入研究赛车 空气动力学提供了便捷的途径。一般而言主要有运动车和赛车(尤其是 F1 赛车) 两类车型的设计受到空气动力学的影响，但是二者受到的气动影响是不相同的。 空气动力学在 F1 赛车上面的研究与应用有一个漫长历程。研究深奥的空气动 力学并获得理想的负升力是 F1 成功的首要因素。 1900 年在法国的默伦，首次在赛车场举行了比赛，此时的赛车没有具体的标 准，参赛者可以驾驶各式各样的 F1 赛车比赛。 20 世纪 40 年代末，汽车比赛中第一次出现了特别制造的单座位的赛车。为 了安全和汽车运动发展方向的需要，国际汽车联合会对车体结构、长度和宽度、 最低重量，发动机、汽缸容量及型式、油箱容积、电子设备、轴距和轮距的尺寸 等部件必须依照规定的程式制造，即 “一级方程式赛车”，并创办了相应的世界 锦标赛。 20 世纪 50 年代 F1 赛车的设计类似于二战前的汽车，前置发动机、大梁式车 架、“雪茄”状流线型车身、窄轮子、车手坐得笔直。1957 年，英国谷巴车队推 出的中置式发动机赛车，降低了风阻系数，加快了车速，使车身重量更均衡，提 高了赛车的转弯性能。图 6.1 a 所示为 1954 年推出的奔驰 W196 流线形车是当 时追求降低空气阻力的典型代表。 20 世纪 60 年代车手开始戴头盔和穿防火套装，坐姿向后倾斜。发动机移至 后部并采用承载式车身，一级方程式赛车开始进入现代化时期，出于安全的原因 赛车的重量提高到 500 千克，此时赛车首度使用尾翼产生的气动效果如图 6.1 b， 图示是 1968 年推出的著名车型— Matra MS2。 20 世纪 70 年代，前部的散热器被移到两边后，一级方程式赛车外观呈楔形 状，此时负升力翼颇为流行，如图 6.1 c 所示在翼板的作用下的赛车获得的负升 力。虽然 F1 赛车工程师认识到了在车身不同地方加装翼板等扰流部件可以有效提 高赛车在弯道行驶速度，如 1978 年的莲花 78 赛车，以降低的侧裙开创了“地面 效应”时代，这种吸附效果制造了巨大的车轮附着力和很高的圈速，但因为安全 的因素赛车底部产生低压区的裙状结构在 80 年代初期被禁用。 53 理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探 由于 70 年代赛车空气动力学理论发展不够完善，风翼的设计也缺少理论指 导，如对翼板的安装位置、翼板的面积大小、角度大小等并没有一个成形的概念， 而且当时加工工艺的不成熟，造成翼板在比赛中脱落，车毁人亡的事故也较多。 此时除了各汽车公司对 F1 运动进行赞助外，商业广告也开始源源不断地注入 F1 赛事，均促进了 F1 赛事的发展。 20 世纪 80 年代涡轮增压发动机的应用使得赛车功率增加许多，在 1982 年法 拉利车队因此击败所有使用自然吸气式发动机的车队，1987 年 FISA（国际汽车 运动委员会）规定禁止使用涡轮发动机速度而改为配备自然吸气式发动机参赛。 21 世纪初，随着科研人员与工程师对赛车空气动力学不断的深入研究，更多 气动理论被应用于 F1 赛车的设计。例如威廉姆斯车队的空气动力学设计师所开发 的 F1 赛车代表当今的空气动力学的研究特点，使赛车几乎每一个表面都在产生负 升力，如图 6.1 d。 红色向下箭头表示负升力、红色向上箭头表示赛车所受的升力、蓝色箭头表 示气流走向、黄色表示制造负升力的表面 [35] 图 6.1 F1 赛车气动特性研究演化图 F1 赛车集成了多个领域的尖端技术，是百年 F1 赛车发展凝结的精品，更体 54 硕士学位论文 现着工业制造能力、空气动力学研究的顶尖水平。虽然是属于 F1 赛车的范畴， 但用到了研究飞机的理论去研究它。欧美日各国著名 F1 赛车队均拥有自己的 F1 赛车研发中心，如雷诺、迈凯伦、法拉利、丰田、威廉姆斯、本田、宝马—索伯 等著名车队均具有自己高水平的研发中心。 虽然中国的部分科研人员对汽车，尤其是轿车气动特性的分析取得了一定的 成果，尽管中国吉利集团以厂家身份赞助亚洲吉利方程式国际公开赛，并拥有自 己的赛车研发队伍和自己核心成果，尽管中国在上海国际赛车场拥有可以举办 F1 赛事的资格、上海国际赛车研究中心也于 2004 年在上海体育学院已经建立，但是 中国对赛车空气动力学的研究与应用仍然落后于国际水平。之所以落后于美国、 德国、日本、英国等国家，是因为 F1 赛事是一种资金高投入的远动，需要坚强 经济后盾作支撑。为了改变现状，F1 赛车空气动力学的研究值得投入更多的努力。