理想车身气动造型研究与f1赛车空气动力学

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1、第6章F1赛车气动特性初探6.1F1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

2、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6.1a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

3、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6.1b，图示是1968年推出的著名车型—MatraMS2。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6.1c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

4、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

5、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6.1d。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6.1F1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

6、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

7、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。6.1.2F1赛车空气动力学研究的意义空气动力学在赛车领域的应用，尤其是在F1方程式赛车方面的应用是异常广泛的。这里所言空气动力并不是要把空气变成赛车的动力，而是让空气在赛车高速行驶过程中气体的高速相对流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。F1赛车的性能受多种因素的制约，例如受到F1赛车专用发动机、轮胎、梭形悬架、路面、空气以及车手的