賽車中的空氣動力學(xué).ppt

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賽車中的空氣動力學(xué) 更新時間 2013 12 5 F1賽車中的空氣動力學(xué)F1賽車是世界上最昂貴 科技含量最高的運動 通過產(chǎn)生大量的空氣動力學(xué)下壓力達到非常高的過彎速度 乃是世界上最快的賽道賽車 在引擎的研發(fā)相對穩(wěn)定的下 空氣動力學(xué)幾乎主宰著一輛賽車的全部性能 讓我們一起來感受一下F1賽車的速度與激情 資訊 F1賽車中的空氣動力學(xué) 一 F1賽車中的空氣動力學(xué) 二 F1賽車中的空氣動力學(xué) 三 F1賽車中的空氣動力學(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 制動技術(shù)的實用化F1賽事中的高科技 三 無線通訊的交響樂F1賽事中的高科技 四 分秒之爭 問答 F1賽車的懸掛設(shè)計流程是什么 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無法避免的矛盾 無論是懸掛設(shè)計工程師還是賽場調(diào)教工程師都需要靠車隊多年積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗來對兩個參數(shù)進行優(yōu)化選擇 并根據(jù)現(xiàn)場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F1賽車懸掛時 后輪軸的設(shè)計彈跳頻率都會比前輪軸高一些 這主要是為了在起伏賽道上消除賽車的俯仰趨勢 懸掛設(shè)計的第二個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 賽道寬度或軸距長度等參數(shù)多方面聯(lián)動決定的 重量轉(zhuǎn)移與側(cè)傾趨勢有著密不可分的聯(lián)系 盡管消除賽車側(cè)傾的最好方法就是穿過賽車重心點增加一根防側(cè)傾桿 但這樣做也有很大的副作用 帶來瞬時重量轉(zhuǎn)移 賽車設(shè)計工程發(fā)展到如今 通過多年的實驗與數(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 但同時可以最大化地減小賽車的重量轉(zhuǎn)移 其實 也就是在20世紀70年代以后 F1賽車工程師才開始逐漸考慮降低車體的側(cè)傾趨勢以提高賽車的平衡性和操控性 較軟的懸掛側(cè)傾剛度會降低賽車的抓地力水平 翹曲主要用來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 同時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 賽車的動載荷變化量以及不可控制動載荷都有相應(yīng)增加 而且賽車的過彎性能也會所有削弱 當(dāng)賽道路面不平或賽車顛簸時 輪胎 懸掛 推桿傳遞的振動由安裝在底盤 或變速箱 上的彈簧來吸收并傳遞到底盤上 那為什么非要選擇彈簧來吸收并傳遞震動 何不直接用具有一定柔度的底盤直接吸收震動呢 其實原因很簡單 即使設(shè)計具有一定柔度的底盤 但最多這只能看作是一個 無阻尼彈簧 其儲能量十分有限 無法有效消除賽車連續(xù)的上下振蕩運動 而且如果采用這樣的設(shè)計 底盤需要同時吸收前 后懸掛的沖擊和振動 不可避免地產(chǎn)生共振 這對車手舒適度和賽車操控性都帶來新的挑戰(zhàn)因素 懸掛的沖擊和振動由彈簧吸收后 彈簧自然而然存儲了能量 那么此時需要減震器來釋放存儲在彈簧中的能量 以確保整個懸掛總成系統(tǒng)能夠連續(xù)工作 減震器同時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 那么彈簧的簡諧運動將處于失控狀態(tài) 彈簧的能量釋放也將處于不可預(yù)測狀態(tài) 結(jié)果 賽車的簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量都開始振蕩 這種振蕩或跳動會對車身的穩(wěn)定性和賽車操控性帶來極大的負效應(yīng) 車手在顛簸路段會感覺到底盤劇烈而無規(guī)律的振動 在大腳制動時 賽車有向前栽頭的趨勢 在賽車過彎時 整車的平衡性非常難以控制 當(dāng)橫向加速度較大時 還會有敏感的側(cè)傾趨勢 目前為止 在所有零件中 F1賽車的減震器的公開發(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算出確保某種減震特性的減震器所有參數(shù) 在20世紀90年代 F1圍場出現(xiàn)了主動懸掛系統(tǒng) activesuspension 有了主動懸掛 設(shè)計師可以有效地消除上述4個模態(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 FIA禁止各車隊使用主動懸掛 外界才對F1懸掛系統(tǒng)和減震器有所了解 毫無意外 各車隊工程師當(dāng)然不愿意放棄主動懸掛系統(tǒng) 但迫于規(guī)則 即使非常無奈也必須放棄此優(yōu)異性能 也就是從這時開始 各車隊開始大力研發(fā)賽車減震器以獲得同主動懸掛同樣的性能效果 即便如此 由于F1賽車界各車隊的競爭異常激烈 圈外仍舊難以獲得賽車懸掛設(shè)計和減震器設(shè)計的最新有效資料 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)計者們通常用60 40和80 20來表示這個比率值 多年實踐表明 通常設(shè)計者會選用3 1來作為設(shè)計的起點 即使到了現(xiàn)在這個設(shè)計起點數(shù)值仍然是首選 在計算分析上 通常用臨界阻尼的某個百分比數(shù)值來作為賽車懸掛的阻尼率 但涉及到應(yīng)用時 很不幸 理想的設(shè)計阻尼里數(shù)值必須根據(jù)各條賽道的不同特性來具體分析 即使工程師的考慮已經(jīng)面面俱到 但仍舊難以在實驗室里模擬出賽道的真實情況和環(huán)境狀態(tài) 車隊通?？慷嗄瓯荣惤?jīng)驗和賽道搜集的數(shù)據(jù)來克服此困難 作為開輪式賽車的典型代表 F1賽車選用上 下雙叉形架 叉臂或三角架懸掛 叉形架橫梁通常設(shè)計為倒機翼形 一方面可以減少阻力 另一方面可以提供小小下壓力 懸掛的彈簧和減震器安裝在底盤上 通過拉桿或推進與懸掛總成連接 整個懸掛系統(tǒng)的重量非常小 結(jié)構(gòu)布局緊湊 完全符合現(xiàn)代F1賽車的設(shè)計需求 下面簡單介紹一下F1懸掛的設(shè)計過程 1 現(xiàn)代F1賽車都采用從外到內(nèi)的設(shè)計過程 所以首先要確定賽車主要框架參數(shù) 包括 外形尺寸 重量 發(fā)動機馬力等等 2 確定懸掛系統(tǒng)類型 一般都會選用雙叉架 主要是決定選用拉桿還是推桿3 確定賽車的偏頻和賽車前后偏頻比4 估計簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量的四個車輪獨立負重 5 根據(jù)上面幾個參數(shù)推算出賽車的懸掛剛度和彈簧的彈性系數(shù)6 推算出賽車在沒有安裝防側(cè)傾桿之前的懸掛剛度初值 并計算車輪在最大負重情況下的輪胎變形7 計算沒安裝防側(cè)傾桿時賽車的橫向負載轉(zhuǎn)移分布 LLTDLateralLoadTransferDistribution 8 根據(jù)上面計算數(shù)值 選擇防側(cè)傾桿以獲得預(yù)想的側(cè)傾剛度和LLTD 9 最后確定減震器阻尼率 10 上面計算和選型完成后 在重新對初值進行校核 現(xiàn)代F1賽車都是采用由外到內(nèi)的設(shè)計理念 首先要計好賽車的空氣動力學(xué)外殼套件 再根據(jù)FIA技術(shù)規(guī)范規(guī)定設(shè)計賽車尺寸 重量 動力傳動鏈 輪胎 輪轂 然后再設(shè)計賽車的立式導(dǎo)架 轉(zhuǎn)向控制臂以及一些其他附件 為什么雨滴形狀的風(fēng)阻系數(shù)最小 后不能更改 輪胎的柔軟度會根據(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 輪胎中多用一些油 輪胎就會偏軟 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 對于車手而言 沒有什么情況比賽車 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)計可以在最短的時間內(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 整個周末的比賽 每個車隊會為每部賽車準備干 雨輪胎各兩種 每種干胎10套 雨胎7套 按照每套4個來算的話 每部賽車就要準備136個輪胎 一般來說 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) 車隊會在它們性能下降之前更換 也就是說 它們在和地面 親密接觸 不足半個小時的時候 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 其實 就算完成了比賽 這些輪胎還不能就此 卸任 經(jīng)過專業(yè)人士審核之后 它們會再次回到生產(chǎn)商手中 進行詳細的研究和分析 為工程師提供信息 讓他們在進行下一次設(shè)計時有所改進 設(shè)計出品質(zhì)更為優(yōu)良的輪胎 除了作為 標本 使用 這些用過的輪胎還會視其情況進行循環(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 什么是康達效應(yīng)排氣 此外由于廢氣氣流的路徑很長 且炙熱的廢氣具有較大的黏滯系數(shù) 因此這種排氣在工作時帶來的阻力也是十分可觀的 我們都知道 RB8和現(xiàn)在的RB9在極速上一直落后于對手 這一方面與工程師更改調(diào)校設(shè)定增加負升力有一定的關(guān)系 另一方面就是受這種排氣的影響 而且這種 低尾速 是在賽車設(shè)計時就已經(jīng)決定了的 換言之 如果紅牛不更改排氣的模式 那么尾速的劣勢就會一直延續(xù)下去 除非采取其他手段來進行緩解 比如DDRS 但是有一點是肯定的 既然你選擇了在彎道中積累優(yōu)勢 那么就必須在極速上付出代價 圖2 2 jpg 這可以為一種極端的路線 甚至是一種冒險 3 jpg 4 jpg 紅牛在澳洲站使用的改良排氣 圖3 4 但是這一次紅牛遇到了麻煩 那就是RB8的初始版排氣效果并不理想 廢氣雖然能夠到達擴散器 但是這次廢氣幾乎是從擴散器的上表面吹出去的 這對于RB7利用廢氣填補擴散器底部的松散空間的理念幾乎無法帶來多大幫助 使得紐維預(yù)想的效果難以實現(xiàn) 當(dāng)然這是針對紅牛自身說的 只是紐維的設(shè)計沒有達到自己的預(yù)定目標 簡單說 就是一句話 如果你無法最大限度地發(fā)揮你的優(yōu)勢 那你拿什么去抵消自己的劣勢呢 于是 在賽季的前兩站紅牛沒能延續(xù)去年的強勢 在競爭力上暫時遜于強勢回歸的邁凱倫 這使得紅牛的設(shè)計師一度質(zhì)疑過自己的排氣方案 瓦特爾還曾在上海站使用過發(fā)布會版本的傳統(tǒng)排氣 這其實是整個賽季最危險的時期 紅牛團隊對于自己的設(shè)計表現(xiàn)出了不自信 此時是孤注一擲 鋌而走險還是借鑒他人 另辟蹊徑 越是這種左右為難的關(guān)鍵時刻 越需要一位敢作敢為的領(lǐng)導(dǎo)者帶領(lǐng)技術(shù)團隊走出困境 恰巧 紅牛不缺這樣的領(lǐng)袖 紐維對自己以及對手的排氣方案經(jīng)過再三評估 做出決定 堅持原有設(shè)計思路 因為跟隨對手不僅會陷于被動 而且還可能慢慢喪失自己獨有的技術(shù)優(yōu)勢 因此紐維選擇順著自己的思路走下去 而對于目前排氣管工作不理想的現(xiàn)狀 紐維只有一個字 改 在2012賽季中 紅牛為其排氣管進行了N次升級 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 三個分站 三個版本的排氣 可以說 瓦特爾能獲得第三個世界冠軍 不僅是因為他的拼搏 更有紐維的執(zhí)著和紅牛技術(shù)團隊夜以繼日的付出和支持 在紅牛的這N次升級中 歐洲站 瓦倫西亞 的升級最為有效也最為重要 它是紅牛后期研發(fā)的基礎(chǔ) 同時又帶來了新的理念 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所做出的改進 原理很簡單 不是廢氣吹得位置有點高嗎 那我就先把能用的氣流都送到擴散器去 先讓這些氣流發(fā)揮作用彌補下暫時的損失 然后再逐步修改側(cè)箱 最終讓廢氣吹到底盤上 針對這個思路 紐維開始落實 其實之前我們提到過紐維已經(jīng)在RB8的側(cè)箱底部開了引導(dǎo)氣流的開口 但是這次紐維的改革更加激進 之前每個側(cè)箱底部只有一個開口 但是現(xiàn)在每個側(cè)箱的底部都有兩個并排的開口 而且每個開口都對應(yīng)著一條氣流隧道 紐維通過這些氣流遂道 將側(cè)箱底部的氣流送到擴散器中央?yún)^(qū)域 從點火馬達的探入口吹出 這樣就增加了擴散器的進氣量 改善舊版設(shè)計的諸多不足 由于這些復(fù)雜的氣流隧道覆蓋了原來的底盤 因此被戲稱為 雙層底板 落實這套新的系統(tǒng)需要在車身結(jié)構(gòu)上進行大量的改進 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對于之后的分站賽具有指導(dǎo)意義 紐維在這套上開始進行進一步的改進 改進的方向極為明確 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之后的升級中 排氣的變化趨勢為 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 可以看見此時側(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 式康達排氣布局是圍場內(nèi)公認的最成功同時也是最主流的設(shè)計 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)最突出的一個特點就是 帶有溝槽的排氣管部分從側(cè)箱向外凸出形成一個腫塊 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)壁完成在可樂瓶區(qū)域的匯聚 進而向后傳送 而廢氣則在長長的溝槽內(nèi)流動 直到腫塊的末端才利用康達效應(yīng)順著腫塊邊緣的曲率最終降落到底盤上 最終從擴散器的邊緣送出 腫塊的作用在于 它給廢氣和由側(cè)箱前部吹來的氣流提供了各自的流動空間 使得這兩股氣流能夠在互不干擾的條件下流動到不販區(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 首先 紅牛 雙底板 的氣流隧道是完全封閉的 而 立交橋 結(jié)構(gòu)腫塊下方的區(qū)域則是開放的 當(dāng)氣流通過時 會形成 半裸露 的氣流通道 其次 紅牛的排氣裝置在工作過程中廢氣并未發(fā)生與車體的分離 但立交橋工作時廢氣在與腫塊分離后是自行下洗到底盤上的 最后 除了腫塊部分 邁凱倫的側(cè)箱依然是傳統(tǒng)的氣動布局 氣流在流動過程中并不會阻礙 但紅牛的雙底板布局則不利于瓶區(qū)域氣流的流動 對于這兩套工作目標相似但處理方法不同的排氣布局 它們的特點分別為 紅牛的雙底板氣流傳輸效率高 但工作時伴隨的阻力大 邁凱倫立交橋傳輸效率略低 但工作時不會伴隨巨大的阻力 這種差異是兩隊在設(shè)計思路上的差異造成的 但是毫無疑問 它們都是成功的系統(tǒng) 3 法拉利剛才介紹了新規(guī)則下的兩種成功設(shè)計 現(xiàn)在我們要來分析一種 反面教科書 般的失敗設(shè)計 法拉利F2012裝配的初始版排氣管 圖10 3 png 這套排氣最顯著的特點就是 acer管道 F2012的排氣管被管道形的整流罩所包裹 廢氣在從排氣管吹出后在整流罩內(nèi)被加工和整理 最張吹到指定的工作區(qū)域 法拉利當(dāng)初的構(gòu)想是讓這股氣流發(fā)揮雙層擴散器的功效 這在理念上還是值得肯定的 最起碼和法拉利多年的保守比起來還是令人眼前一亮 但是在細節(jié)的處理上差的就太多了 紅牛和邁凱倫的優(yōu)勢在于 它們都能精準地把控廢氣的走向 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這套設(shè)計 因此我們針對這套排氣沒有太多的資料 不過有一點是肯定的 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 更準確地說應(yīng)該是再穆杰羅測試 給F2012裝上了過渡的傳統(tǒng)排氣管 沒有太多考慮 只希望那套失敗的設(shè)計能少惹一些麻煩 4 jpg 但是 acer管 還是做了貢獻的 至少在理念上揭示了創(chuàng)新 圖11 此外這種結(jié)構(gòu)也給日后的升級帶來了便利 法拉利的工程師在acer管的基礎(chǔ)上稍作改動 就把它變成了類似邁凱輪的立交橋 這種新的排氣確保了F2012在風(fēng)洞壞掉之前的一段時間中曾擁有不容忽視的競爭力 5 jpg 6 gif 法拉利在安裝了邁凱輪的立交橋后競爭力陡增 一個重要原因就是廢氣和成側(cè)箱底部的氣流可以互不干擾發(fā)揮作用 圖12 13 文庫 F1賽車底盤下的空氣動力學(xué)F1賽車氣動特性的CFD仿真和試驗研究F1賽車彎道技術(shù)的力學(xué)分析運用于法拉利F1賽車的新型可旋轉(zhuǎn)減振器2s和100kmF1賽車的碳纖維制動盤AerodynamicsofroadvehiclesF1賽事中的規(guī)章和規(guī)則一F1賽事中的規(guī)章和規(guī)則二F1賽事中的英文專用名詞一F1賽事中的英文專用名詞二FundamentalsofAerodynamicsChapter 1ChallengesinModelingtheUnsteadyAerodynamicsofWindMehta1985AerodynamicsofsportsballsModelofRotorcraftAerodynamicsandDynamicsPart1AnalysisDevelopment超低風(fēng)阻系數(shù)是怎樣煉成的倍耐力公司和米蘭理工大學(xué)合作研究輪胎風(fēng)力渦輪機中的空氣動力學(xué) EN 汽車外流場CFD模擬賽車為什么這樣造型 視頻 CFD模擬F1車身外部流場 TED F1賽車怎樣幫助嬰兒們