从一个业余赛车爱好者角度谈谈近30年运动车的设计思路变革

鉴于虎扑上某版主已经丧心病狂,特把此贴发于这里,希望大家支持

第一先声明本人不是赛车专业人士或流体力学专家,很多东西是主观臆断,不实之处难以避免,撰写此文目的在于抛砖引玉与大家探讨一下近三十年运动车的发展历程与他们设计思路的变化。
第一篇:先说说古老的过去
虽然本文主要谈得是近30年原型车的发展,不过还是简单谈谈50年代-70年代的发展以作为铺垫。50年代赛车的设计思路很简单就是三个:速度,速度还是速度。那时的赛道不流行什么连续弯和减速弯,经常是一个大直道接着一个大直道。在这样的背景下,速度就是第一要考虑的事,什么?下压力?那会降低速度,不要不要。在整个50年代,典型的运动原型赛车的特点是车体小,重量轻,前置引擎,光滑富有流线型的车身。由于缺乏相强大的马力,赛车的设计者力求使赛车看起来气动设计尽可能圆润和流线型以降低空气阻力。
50年代最成功的赛车之一,捷豹D-Type,车身是典型的流线型设计
设计者没有意识到的是,过于流线型的车身,在为他们提供了增加赛车极速的同时。由车底气流会产生类似于飞机机翼的升力,使得赛车在高速行驶时变得极不稳定,使得赛车具有不可预知的潜在危险。

其中还有一个插曲,1956年一位叫做米夏埃尔梅的工程师认识这种不稳定性带来的危险,所以他想了一个办法,很简单,就是把一个类似机翼结构的翼片翻转过来安装在他的保时捷550赛车后方以产生下压力。也许是他的创新太过成功了,赛事组织者迫于保时捷的压力禁止他的新装备出现在赛道上。于是大家并没能在当时认识到下压力的重要性,赛车仍然沿着原有的轨道发展。


楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:26:00 +0800 CST  

60年代的转机:1963年在著名的勒芒24小时比赛中中置引擎赛车首次在这里获得了胜利。事实证明,中置发动机布局,发动机被安装在后轴前面,为原型车今后的发展提供了实质性的改进,在处理空气动力学方面提供了许多便利。 60年代我们也看到了翼片的发展。吉姆·霍尔Jim Hall(一个真正的赛车天才,比查普曼更加天才的设计师)在1966年到他的Chaparral 2E上安装后尾翼。赛车在美加挑战赛的竞争力证明了理念的价值。明年勒芒,吉姆·霍尔于是带来装有后尾翼的Chaparral 2F,重新把翼片的概念带给欧洲人。到了1968年,尾翼开始出现在一级方程式赛车上,并把赛车空气动力学发展的引向一个新的时代。

出现在1967年勒芒比赛中的Chaparral 2F,可见其后部高耸的尾翼。

尽管人们对下压力有了一定的认识,不过在勒芒赛场上主宰比赛的仍然是以低阻力流线型车身配以大马力发动机的福特GT40
萨特赛道上让法拉利徒呼奈何的GT40
事情在一代神车保时捷917的发展历程中出现了变化。保时捷在设计917时的指导思想依旧是低阻力加上大马力,比福特GT40更加流线的车身,4.5L水平对置12缸的引擎,在保时捷看来这就是胜利的道路。但新车刚开始投入比赛中时就一直被不稳定的气动性质所困扰,赛车极其难以驾驭,580马力配上低风阻低下压力的车身这一极其火辣的组合在驾驭他的车手中获得了“溃疡”的绰号。

1969年参加纽博格林1000km比赛的早期型917,高度的不稳定性让车手大伤脑筋。


保时捷于是把车推进了风洞,经过一系列的风洞和赛道测试,保时捷修改了车身设计,改善了赛车高速下的空力稳定性,于是一部传奇赛车真正登上了历史舞台。
短尾的917K,上翘截断的尾部减缓了车体上方的气流流速,增加了下压力。

长尾的917LH,通过尾翼增加下压力。

在1972年和1979年赛车运动走向没落,原因是不确定的世界经济和由国际汽联相关规则的频繁变动。这段时间的跑车典型的开放式驾驶舱和低下压力车身和一只尾翼。这些车称为Spyders。这段时间内缺乏一些过去年代的创新,但是,20世纪70年代后期,以涡轮增压发动机为代表的发动机技术和空气动力学取得了革命性的进步。保时捷和雷诺是这方面的先驱,936和A442B为代表的新一代赛车开始崛起,效率开始为赛车设计者所重视,涡轮机的小体积大马力的特性也为赛车空气动力学设计流出了更大的空间。

1976年保时捷936首次用涡轮引擎在勒芒取得了胜利,宣告涡轮时代到来了。

1978年的勒芒冠军,同样使用涡轮增压引擎的雷诺A442B

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:27:00 +0800 CST  
在1977年,F1赛场上具有划时代意义被称为翼之车的莲花78诞生了,如同倒置机翼的侧箱结构,运用地面效应的底盘设计。该车在具有相当下压力的同时并没有增加过大的阻力,于是这一设计思路马上在赛车界流行开来,运动车领域自然不可避免的受到影响。

莲花78赛车
169MCN347Y提供下图特此感谢

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:31:00 +0800 CST  
接下来就是运动车最辉煌的C组时代了,古老的故事也就讲完了,下面进入本文的主题,接来我不再用编年体的方式叙事,而是通过某个部位在这些年设计的变化来阐述赛场设计思路的变化。

我们先不谈空气动力学方面的问题,先从简单易懂的开始谈,那就是赛车发动机。发动机是赛车的心脏,一切都是围绕着它来设计,所以就从发动机开始说起。1982年,C组元年,C组规则的一个最大的特点就是油耗限定,所以如何尽可能的提高发动机效率成为了重中之重。自然而然,涡轮发动机成为当时人们的首选,保时捷956选用了原本用于Indy赛车的935型2.65L水平对置6缸涡轮增压引擎,可以爆发出635马力的功率,之后一台956赛车还被用作新的F1涡轮引擎的测试车。

保时捷956所搭载的引擎,涡轮远离引擎本体的设计在当时C组中比较常见,目的是便于中冷器发挥作用。
当时保时捷最大的竞争对手蓝旗亚也采用了涡轮引擎,他们的引擎来自同门的法拉利,把308上的3.0L V8自然进气引擎缩小排量至2.6L再加上两个KKK涡轮而成。1984年之后为了提高马力与可靠性又把引擎扩回了3.0L,不过依然不是保时捷涡轮引擎的对手。

蓝旗亚LC2所搭载的法拉利引擎涡轮增压版。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:35:00 +0800 CST  

不过生活中总是有些异类,就在保时捷春风得意横扫千军的时候,50年代在勒芒叱咤风云的捷豹要回来了。他们带来的是大排量的V12自然进气引擎,捷豹的引擎由原来装载于XJS上的5.3L V12引擎发展而来,到了1987年装备7.0L V12引擎的XJR8终于打破了保时捷在世界运动车锦标赛中多年的垄断一举拿下总冠军,次年XJR9终于拿下勒芒的冠军结束了保时捷的7连冠也成为了英国最知名的赛车之一。用看似效率不高的自然进气引擎打败了保时捷的涡轮引擎在赛车界一时传为美谈。


700匹以上的输出让XJR9在动力上不致落于下风,不过从透视图中也可以看出7.0L V12引擎的巨大体积。捷豹也意识到自然进气引擎终究难以比拟涡轮引擎,89年捷豹就在XJR11上换上了新设计的3.5L V6双涡轮引擎,但是比赛结果不尽如人意。

这台3.5L V6涡轮引擎虽然在赛场上没有取得辉煌的成绩,不过它后来因为被搭载于捷豹的超级跑车XJ220上而被大家所知。注意它的涡轮的位置与保时捷如出一辙。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:36:00 +0800 CST  

为什么87.88年如此强势的捷豹到了89年就突然不行了?因为更历害的角色来,索伯C9带上了全新的奔驰M119 5.0L V8涡轮增压引擎和奔驰厂队的身份。铝合金的缸体,5.0L的大排量为C9
提供了强大的动力,在萨特大直道无减速弯的最后一年达成了尾速400km/h的结果,要知道这可不是去年标致为了冲400而专门设计的WM P88。强大的实力让人惊呼银箭回归。



涡轮引擎在自然进气引擎夺冠的第二年表示,涡轮引擎依然无比强大。它在勒芒24小时正赛中可以输出720匹以上的马力。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:37:00 +0800 CST  

于是C组变成各大厂家涡轮引擎秀肌肉的舞台,这时日产拿出了VRH35引擎,它的马力更惊人(不过可靠性就一般般了)

R90CK所搭载的VRH35引擎 3.5L V8双涡轮增压,正赛时可输出800匹马力以上,90年勒芒拿下杆位因可靠性不佳,冠军落到了回归V12自然进气引擎的捷豹XJR12手上。这台引擎在1992年日本原型车锦标赛时在排位赛可以输出1200匹的惊人马力。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:39:00 +0800 CST  

终于在1990年,FIA对于这种无休止的马力竞赛看不下去了,一项对今后运动车发展具有极深远影响的决定做出来,C组也因这项决定走向了终点。新C组,也就C1组诞生,其本质就是加了顶的F1赛车,引擎不再有油耗限制,而是规定使用排量不得大于3.5L自然进气的活塞式引擎。于是1991年勒芒成为老C组赛车的一个告别,而这年的勒芒却成就了转子引擎的最辉煌一页。马自达787B依靠良好的机械稳定性和逆天的RP拿下了冠军。代号R26B的2.6L四转子引擎成为了赛车史上的一代名机。

该引擎在9000rpm时输出最大功率700匹马力以上。

勒芒永远是展示新技术的最佳舞台。


楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:40:00 +0800 CST  

新C组的引擎规则说白了就是F1引擎的耐力版,新C组中第一个玩出名堂的捷豹XJR14很自然的就借用了其母公司福特其下考斯沃斯的F1引擎。cosworth HB V8由于技术相对成熟所以捷豹玩起来得心应手,650匹的输出在当时也是十分不错的,重要的是稳定性也行(不过捷豹还是没敢把他投入1991年的勒芒比赛中去)。

之后标致,奔驰和丰田相继开发了自己的新引擎,它们都没有采用XJR14上的V8设计而是选择的10汽缸或12汽缸。

标致905 Evo1上装备的SA35-A2引擎可以输出将近700匹的马力,后来标致为迈凯轮提供F1引擎,表现就远不如勒芒时出彩了。

丰田为TS010研发的RV10引擎,3.5L排量,72°汽缸夹角,每缸5气门,输出60匹马力以上,略逊于标致引擎。

而奔驰则为新车设计了一台180°夹角的V12引擎M291,该引擎在1991年的比赛中边比赛边改进直到赛季末达到了680匹以上的最大输出。



BTW:1991的世界运动车竞标赛的三大车队中各有一人后来组成了法拉利全盛时期的铁三角,他们就是来自捷豹车队的技术总监罗斯布朗,来自标致车队的车队经理让托德和来自奔驰车队的车手舒马赫。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:42:00 +0800 CST  

然后C组在93年就完蛋了,之后进入了GT1的时代,这个时代的引擎没什么好说的,保时捷把那台935型引擎扩缸接着用到了911GT1上和WSC95上,日产把VRH35稍作改进用到了R390GT1上,丰田把R36V用到了GT-one上,奔驰把当年M119的涡轮拆了变成M118用到了CLK-LM上,基本上出名的GT1赛车全部沿用了以前的C组引擎,可以说GT1的引擎就是当年C组引擎的延续也不为过。只有迈凯轮F1例外,他所搭载的宝马S70/2引擎可谓自然进气引擎中经典中的经典,为何这么说呢,从强制自然进气引擎的新C组挂掉后,从1994年到今年也就是2013年共20年里涡轮增压引擎拿了18座勒芒冠军,自然进气引擎仅有两次,而这仅有的两次全部是宝马S70/2引擎及其衍生引擎P75所获得,可以说这台引擎代表了90年代中后期运动车的引擎技术,良好的稳定性,不俗的马力输出,优秀的燃油经济性就是这台引擎的特点。




楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:43:00 +0800 CST  
上回说到了GT1时代的引擎,其实GT1从某种意义上来讲很像是老C组时代的再现,区别就是GT1要会伪装自己的原型车身份。1999年GT1时代结束,LMP时代正式到来,也是在这一年的勒芒比赛中一只未来十年运动车最重要的势力登场了,就是可爱的奥迪。99年初阵时虽然靠着TS020轮胎三连爆,CLR飞天退赛和17号宝马撞墙混了个第3名,不过此时的奥迪并未引起太多的注意,而1999年保时捷决定无限期退出勒芒LMP组别改变了很多,大量保时捷赛车部的人员转投奥迪,让奥迪有了突飞猛进的发展。还是说回到引擎部分,1999-2000年奥迪R8R和R8用的是3.6L V8双涡轮增压引擎,此时这台引擎除了稳定性和输出不错也没太多亮点,直到2001年奥迪宣布为该引擎装配缸内直喷系统成为了TFSI,并宣称可以减少8%的燃油消耗,从此运动车引擎技术革新在沉寂了多年后再度发展。奥迪这台引擎可谓赛车引擎的典范,可靠性高,易于维护,输出强大(02规则下大于670匹的输出),突出的燃油经济性,勒芒的多次夺冠成为奥迪TFSI技术的最佳广告。
这时的引擎,它的涡轮不再过于远离发动机本体,排气歧管也包上了隔热膜,进气谐振箱开始采用分体式(进气口在车体两侧故采用此种设计),引擎还是标准的90°汽缸夹角,可以看出这时的引擎比之C组时期有了不少变化了。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:44:00 +0800 CST  
这台引擎还有个小兄弟,就是宾利Speed8上那台4.0L V8涡轮增压引擎,那台引擎说白了就奥迪的引擎扩缸变来的,输出要比03年被功率被调小的奥迪R8上的引擎大了约50匹,这50匹就是03年宾利能夺冠的关键之一。
从该图中不难看出其于奥迪引擎是多么的相似,除了谐振箱上的宾利logo,外观上基本没什么差别。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:45:00 +0800 CST  
到了03年,鉴于奥迪R8过于强大的实力,ACO开始从规则上削弱其性能,此时一只私人车队的崛起使得当时的勒芒比赛不至于太没悬念,他就是佩斯卡罗洛车队,此车队虽然说是私人车队,不过PSA集团也在其背后提供一些支持,这些经验也转移到了之后的标致车队上了。03年佩斯卡罗洛的C60 EVO 03赛车用的就是来自标致的3.2L V6涡轮增压引擎。

这是一台60°汽缸夹角的V6引擎,输出只有510匹出头。很明显这台引擎显然不会是奥迪引擎的对手,输出少了40匹,油耗还更高,于是04年佩斯卡罗洛就换成了Judd的GV5引擎,输出到了600+bhp,竞争力力一下子就上来了,不过功率虽高,可靠性依然远不如奥迪,05年在包揽前排发车的情况下只拿到了一个亚军,R8依然笑到了最后。
Judd GV5引擎(S1) 5.0L排量 72°汽缸夹角 05年时可以输出640匹马力以上,比奥迪大了近100匹,这当然是拜ACO的限制性规则所赐。
单从外形上该引擎就比奥迪引擎显得落后。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:46:00 +0800 CST  
继续感谢169MCN347Y
1954


1955

1957




楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:48:00 +0800 CST  
到了2006年,奥迪本着勒芒鼓励新技术的原则(就是打广告的原则)决定推出使用柴油直喷引擎(TDI)的奥迪R10,其实柴油引擎早就出现在勒芒赛场上了,只是由于其特性,没人相信它能被用到赛车之上,因为柴油机是压缩点火对汽缸强度要求高,通常采用铸铁制造,导致发动机重量太大,奥迪的工作人员通过努力用铝合金打造这台V12涡轮增压柴油发动机,这一举措大大减轻了重量,不过即便如此,发动机的重量依然可观,重量达到了275kg,要知道这可是赛车的引擎,过重的质量使得奥迪难以在900kg限重的范围里做出合理的配重,于是奥迪干了个不太地道的事就是让ACO把LMP1的最低质量提高到了930kg。后来的事情大家都知道了。柴油引擎首次勒芒夺冠,然后标致就来了。这台引擎的排量为5.5L 90°夹角V12 输出大于650马力,最惊人的是其扭矩超过1200nm,奥迪于是采用5前速变速箱来利用这些扭矩。


上图可以看出为何奥迪要用两个谐振箱,因为R8和R10都是由车体两侧的进气口为引擎供气。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:49:00 +0800 CST  
随后标致宣布回归勒芒,他们同样肩负着打广告的重任,所以他们同样使用了柴油引擎,而且目标简单明确就是打败奥迪。他们同样采用了5.5L V12涡轮增压柴油引擎,不过有别于奥迪,他们把汽缸夹角定为了100°,目的是降低发动机的重心。输出也要比奥迪大出几十匹,10年是标致使用这台引擎的最后一年,其输出也在这一年调到了最大,也因此导致了勒芒比赛十几年都未曾见的集体退赛场面,据当时标致车手伍尔兹的说法,那年标致引擎的最大输出达到了惊人的860匹。
以上这几张图是标致发布的发动机样机,真正装在赛车上的引擎与之有些许差别。
不知你们看出来差别没有,其实不难找到,就是进气谐振箱的结构不同,下面这张图就看得更清楚了。
没错,就是这种类似螺纹的结构,他的好处是让气体在涡管内旋转270°之后再进入发动机,可以把谐振箱做得更小以节约空间。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:50:00 +0800 CST  
2008年奥迪在看到标致巨大的速度优势后决定推出新车R15并研发新的柴油引擎,他们的首要目的就是减小又大又重的V12引擎的体积与重量,于是他们决定减少两个汽缸让结构更加紧凑质量更轻,全新的V10TDI引擎就是在这样的背景下诞生的。新引擎在不减少功率输出的前提下适当减小了一些扭矩到1050nm让赛车的发动机响应更灵敏。不过通过比赛看出奥迪的新引擎从马力上看依然不是标致的对手,直到2011年新规则出现。



楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:52:00 +0800 CST  
2011年ACO的新规则的指导精神就是节能减排,柴油引擎的最大排量由原来的5.5L大幅缩小至3.7L,最低车重从930kg减到900kg。于是无论奥迪还是标致都需要研发新的引擎。两家也做了不同的选择。先来看标致,标致的方法很简单-等比例缩小,直接把原来的V12变为V8,依然采用双涡轮增压。由于进气量的减少,两家都把引擎进气口由车体两侧移到了车顶上方。总体来说从布局上来看变化不大,马力为550匹以上。

发动机体积明显比V12的小多了。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:56:00 +0800 CST  
而奥迪的改变就大多了,他们选择了V6布局,由于采用可变涡轮截面技术,奥迪决定使用效率更高的单涡轮增压,并且将排气歧管放在汽缸之间,所以为了容纳排气歧管并抵消排气歧管至于内侧带来重心的提高,汽缸间夹角改为了120°。11年的输出为540匹以上(官方数字都是缩水版),13年达到了至少600匹以上。




楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 21:59:00 +0800 CST  
贴一张奥迪柴油赛车引擎的全家福
越来越紧凑,越来越轻是其趋势。柴油引擎最大的好处就是观众去赛车场看比赛不用戴耳塞。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 22:01:00 +0800 CST  

楼主:Frederick2nd

字数:10817

发表时间:2013-07-21 05:26:00 +0800 CST

更新时间:2021-03-31 04:58:05 +0800 CST

评论数:290条评论

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