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

11年标致跑路以后,丰田宣布回归,由于14年就要执行全新的规则,所以丰田也不愿意在现有规则下投入太多研发引擎,于是他们拿来了丰田在Super GT和Super Formula上使用的RV8K引擎,3.4L排量自然进气引擎。





楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 22:06:00 +0800 CST  
混合动力系统这里不提,目前还处于初步发展阶段。
好了讲到这里我们把近30年来运动车引擎做了一个大致的回顾。我们来看看一些统计数字:1982-2013年22年里除开92年和93年强制使用自然进气引擎以外共30年时间里,涡轮引擎拿到了25个冠军,自然进气引擎拿到了5个,从这里可以看出自从涡轮引擎出现在勒芒赛场其就一直处于支配地位对自然进气引擎具有相当大的优势;再来数数汽缸数,1982-2013共32年里,6缸引擎拿到了13个冠军,其中十个是那台经典的保时捷F6涡轮增压引擎所获得,另外三个来自最新的奥迪R18,8缸引擎拿到了7个冠军,那台奥迪3.6L涡轮增压引擎就拿了其中的6个,10缸引擎拿了3个,905两个R15plus一个,12缸引擎拿了8个冠军,四个自然进气四个柴油涡轮增压。还剩1个被转子引擎所得。缸数并不决定冠军数。接着我们看看排量4L以下含4L的拿了21个,大于4L小于等于6L的拿了8个,大于6L的拿了2个(转子引擎较为特殊不计入此列),可见中小排量的引擎占据了很大的优势。2014年马上就要执行全新的规则了,车队可以再次如同当年C组开始时那样放开手脚去设计自己需要的引擎,可以看出中小排量也就是2.6-4.0L会是主要的选择范围,涡轮增压是优秀考虑的,汽缸数非6即8,一水的V型引擎。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 22:37:00 +0800 CST  
引擎这块就说到这,接下来就来说说空气动力学的事。
前面的铺垫部分已经大致讲明50年代-70年代赛车空力设计的思路。这部分我们赛车分割成几个部分,每个部分单独来说。首先讲讲空气动力学在赛车中的作用,这里不谈复杂的理论,说点简单易懂的。赛车要处理的空力问题就是两个:阻力和下压力。先说阻力,这个好说,就是空气对行驶汽车产生的与其运动方向相反的力,汽车要跑得更快更省油就要减小阻力;然后是下压力,汽车的外形从侧面看是机翼横截面的类似物,同样在气流流过车体时也会产生一个向上的升力,这个升力会减少车轮与地面间的摩擦力使得车子稳定性和过弯时的抓地力,所以要增加下压力。而这两者往往是一对矛盾综合体。所以空力部件的设计就是要调和这两者的矛盾。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 22:54:00 +0800 CST  
汽车诞生不就人们就开始想着减少阻力了,而真正认识到下压力的作用则是比较后面的事了,那么汽车的下压力从何而来呢,简单的说从两个地方来,一个是通过气体以不同的速度流经物体上下表面产生压力差,另一个就是迎面阻力产生的向下的分力。
第一个我要说的部件就是尾翼,它是最早被用来专门制造下压力的空力部件,既然说汽车车体像一个正放的机翼,那我把机翼翻转180°安装在车子上不就可以产生下压力了。没错原理就是这样。好的,我们来看看尾翼在运动车历史上的发展轨迹。我们先来谈第一个问题,尾翼安哪里?现在的F1赛车既有前翼也有尾翼,很多车只有尾翼,哪里需要下压力你就能把它安在哪里,为什么要安在两端呢,最开始是因为只有后面有地方,然后是后轮往往需要更多的下压力。
高与低:尾翼是装得高点好还低点好?我们先来看两幅图


这两部车都是C组时代的开山鼻祖保时捷956,大家看看两张图里的956有什么不同?很明显上图的尾翼安放位置比较低,而下图的尾翼安放位置比较高。有什么区别呢?不考虑附加作用(后文会专门提到)尾翼的作用通过气流来实现,自然气流的大小与速度和其能产生的下压力息息相关,尾翼位置较低时即靠近车体上表面时,由于车体突出部分如座舱的阻拦在其背后会形成低气压区也就意味着流经尾翼的气流会少其能产生的下压力就小,同时产生的风阻也会小,所以上图那辆车把尾翼调低是为了跑类似萨特赛道这样的高速赛道而设置的;反之,尾翼远离车体上表面,吹过尾翼的气流更多,其产生的下压力就大,产生的风阻也就更多,所以下图的设置是为了跑类似铃鹿那样比较考验弯道速度的赛道。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-20 23:27:00 +0800 CST  
说完了高与低,我们来看看远和近,所谓远和近就是指尾翼与赛车车体后缘的水平距离。同样,我们先来看几张图





分别贴了从早期C组的956,中后期的索伯C9,C11和LMP初期的宝马V12 LMR以及比较靠近现在的标致908.可以看到尾翼的位置都是在规则允许的范围内尽量靠后,要么是尾翼后缘与车体后缘平齐,要么就是尾翼前缘与车体后缘平齐。原因很简单就是利用杠杆作用放大尾翼产生的下压力。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 00:29:00 +0800 CST  
OK,今就先写到这里,谢谢各位捧场,Good Night

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 00:33:00 +0800 CST  
下面我们来说说尾翼的附加作用,这里就要提到一样东西叫扩散器其本质就是文氏效应管,扩散器的作用大小与其横截面大小和长度息息相关,所以赛车设计者一般都会在规则范围内尽量增加扩散器的长度,这时尾翼就发挥作用了。继续看图说话


这是捷豹XJR14的车体后部,可以比较清楚的看到尾翼离扩散器十分的近,说白了就是把尾翼下部作为扩散器上部的一个延伸从而达到间接延长扩散器的作用,这一现象在C组中期一直到C组结束都是很普遍的做法,之后尾翼的高度有了严格的限制。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 11:23:00 +0800 CST  
用一系列图来看看尾翼的发展轨迹


60年代Chaprral2E和2F,特点高置,无垂直翼(下面我会说下垂直翼的作用)

917LH有了垂直翼,高度比较正常了,作用主要是稍微增加下压力,远没有之后的赛车极端。


保时捷936,可以看到此时尾翼已经基本与车身同宽了,而且尾翼中间有了开槽(具体作用我后面会说)

前文中提到的保时捷956上可以看出早期的C组赛车尾翼和936区别很小,到了C组时代中后期,尾翼开始被作为一个单独的部件来设计而不是车体的一部分如此图的索伯C9,两端由垂直翼包裹,尾翼中部开片也就成了直到今天尾翼的基本模式。

标致905 新C组时期是运动车尾翼最为疯狂的时期,如同一战时期战斗机般的上下双层大尾翼,其中下尾翼还可以充当扩散器的作用。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 12:07:00 +0800 CST  

保时捷911GT1 98

奔驰CLK-LM
GT1时代尾翼有了严格的限制,最主要的限制就是尾翼中部不能开槽。


宝马V12 LMR 又可以看到开槽了
进入LMP1时代,尾翼的限制开始不再那么严厉


R8早期版,尾翼还是相对简单,可以清楚的看到开槽部分。


奥迪R8发展到中后期,尾翼已经比较复杂,花样很多了。
之后就基本没什么特别的变化了,也就是10年把尾翼缩窄了40cm,然后12年丰田钻空子搞了个假轮拱真尾翼。

标致908

丰田TS030 可以看到外侧两个垂直翼中间那个很短的水平翼就是所谓的假轮拱真尾翼。
14年尾翼重新加宽,至于又会有什么有趣的变化,让我们拭目以待。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 12:29:00 +0800 CST  
关于尾翼我前面提到了有两个东西要说明,一个是两端的垂直翼,一个是尾翼中部的开槽,先来说第一个。不知道吧里有几个人看过哈蒙德主持过的一个介绍空客A380的纪录片其中就谈到了这个垂直翼的作用,我们都知道无论飞机机翼还是赛车的尾翼都是靠翼上下表面空气的压力不同来制造升力或下压力,空气上下压力差的力道会施加在翼面上,但是在翼面末端,气体的压力会因为超出翼面的范围而向上冲,造成翼尖上方的真空,气体便往回流,形成涡流。而涡流是一种不稳定的气流,它的出现会降低尾翼的效率,而垂直翼的作用就是防止或是减小涡流的产生从而提高尾翼的效果。机翼上的翼尖小翼发挥的是同样的作用。


楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 19:12:00 +0800 CST  
然后要说的是尾翼中部的开槽。在尾翼其他条件固定的情况下要增强尾翼提高下压力的作用无非是增大尾翼的迎角以及增加尾翼的长度。然而气体的动能是有限的,尾翼要发挥作用就必须尽量让气体能贴着翼面流动也就是我们所说的康达效应,但尾翼表面是有黏滞阻力的,阻力就会使得气体的动能降低,到了一定的程度就会发生所谓的气体剥离也就是气体离开翼面,尤其是在翼片的下表面由于此处的气压更低更容易发生剥离,气流分离会增加翼片阻力,降低空气动力学效率,继续发展就会产生失速现象,失速现象的具体理论这里不讲,只需要知道其结果是尾翼产生的下压力骤降同时阻力降低〔F1中DRS(Drag Reduction System-阻力减低系统)的基本原理就是人为的制造失速从而降低阻力提高速度)。尾翼的开口就是让尾翼上表面高压气体为尾翼下表面的低压气体补充动能从而避免气体从尾翼下表面剥离,这样就能把尾翼的迎角做的更大尾翼更长来制造更多的下压力。


楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 20:08:00 +0800 CST  
好了,尾翼的故事就告一段落了,下面我们来看看扩散器的发展。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 20:28:00 +0800 CST  
这里我们只谈车体后部的扩散器。扩散器的大发展就比尾翼要晚不少。所谓之扩散器就是文氏管(文邱里管),车底的气流从扩散器入口进入,扩散器入口背面形成低压区降低车体底部空气的升力以达到增加下压力的作用。扩散器的作用大小无非就是和扩散器的横截面积,长度这些东西相关其本身并不算复杂,但在它上面也可以玩一些花样,我们简单的来看看吧。

高速气流通过扩散器入口后沿扩散器壁流动形成真空区

这张图就比较明白了,车体前部是迎风面,阻力的一部分转化为下压力所以车体前方首先是一个下压力的峰,然后气体进入车体下部流动由于车体上部的气体流速快于下部所以产生升力,下压力开始下降,再到扩散器入口附近由于文邱里效应产生低压区再次形成下压力的峰,然后压力逐渐升高到离开扩散器时基本回到下压力最低点。理想的扩散器就是第二个下压力峰尽量提前,回升曲线尽量平缓。

这是一张流体力学软件的模拟图,标蓝色的部位气压最低,红色部位气压最高。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 23:27:00 +0800 CST  
从C组元年开始,保时捷就为956配备了一个硕大的扩散器,有多大呢,大到要把车体后部翘起来。


透视图我们大致可以看出扩散器是多么的夸张,1983年800kg的956配上如此夸张的扩散器,能在北环跑出6分11秒也就不那么奇怪了。


楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-21 23:46:00 +0800 CST  


到了962时代,规则就不再允许那么夸张的扩散器了,高度被明显降低,注意上图里那个排气管,在956上是位于扩散器里面,962则到了外面。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-22 00:19:00 +0800 CST  


捷豹XJR9的扩散器相对保时捷962来说并不大,为什么?因为那台硕大的V12引擎太占地方了,所以89年捷豹换了体积更小的3.5L涡轮增压的V6引擎。


索伯C9的扩散器也不大

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-22 00:29:00 +0800 CST  
在80年代中期一些赛车把排气口放在扩散器内部,用排气管喷出的高速气体加速扩散器内部气体流速以增强扩散器效果,就是早期的吹气扩散器。


我以前介绍过的日产GTP ZX-T就采用了这样的设计。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-22 20:12:00 +0800 CST  
接下来我们来谈一个比较少听到的东西就是涡流发生器(其实主要是国内谈得少)。OK,先来说说涡流发生器有什么作用以便了解它为什么会和扩散器扯上关系。涡流发生器来自于航空设计,实际上是以某一安装角垂直地安装在机翼表面上的小展弦比(U2的机翼属于大展弦比,幻影2000的机翼属于小展弦比)小翼片,所以它在迎面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡,但是由于其展弦比小,因此翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后,就把能量传递给了边界层,使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。这就是涡流发生器的基本工作原理。一句话就是一种防止气体从其流动的物体的表面剥离的技术,这样大家就明白了,它的要实现的作用其实和吹气扩散器是一样的(同理尾翼上也有此设计)。


楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-22 20:33:00 +0800 CST  
90年代初期统治IMSA GTP(美国版C组赛车)的丰田Eagle MKIII就在其扩散器中安装了涡流发生器。看图说话



扩散器内部这种类似楔子形状的小翼片就是涡流发生器。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-22 20:38:00 +0800 CST  
到了新C组时代最后一台车标致905Evo2,此时扩散器的设计比C组早期就成熟多了。


后轮内侧完全被扩散器遮盖,悬挂支架的外形也充分考虑空力性能,涡流发生器也有了。

楼主 Frederick2nd  发布于 2013-07-22 21:01:00 +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

帖子来源:百度贴吧  访问原帖

 

热门帖子

随机列表

大家在看