法拉利和迈凯轮之间的技术对抗

法拉利和迈凯轮之间的技术对抗 2007赛季的F1世锦赛，在技术上最大的变化是统一使用普利司通轮胎。这一因素，对于本赛季的竞争格局造成了深远的影响。过去两个赛季的双料冠军——雷诺，因为这一原因，竟跌出前三的行列。法拉利VS迈凯轮，成为了本赛季的F1世锦赛的新主题。 下面，是一篇由前乔丹F1车队工程师加里-安德森(Gary Anderson)撰写的技术，他以最全面的视角，对这一变化背后的原因进行了专业的分析。文章总共分为三部分:第一部分，讲解普利司通轮胎与米其林轮胎的差别，以及伴随而来的新技术挑战;第二部分，讲解当前F1赛车的核心技术发展领域:前翼和底盘;第三，分析冠军争夺主角——法拉利和迈凯轮之间的技术对抗。 对于热衷技术的F1车迷而言，这将是一篇不可错过的文章。下面进入全文的第一部分:轮胎的变化及其引发的新挑战: 1，轮胎的变化 对于F1工程师而言，今年最大的挑战是适应普利司通轮胎。赛季开始前，许多车队认为，法拉利将拥有一定的优势，因为他们之前有过今年这种轮胎的使用经验。关于这种轮胎的来历，可能大家早已知晓。它不同于普利司通2006年的轮胎版本，而是源自于日本厂商2005年的产品体系。 米其林和普利司通，在轮胎的结构上存在截然不同的区别。米其林拥有非常坚固的胎面和柔软的胎壁。普利司通的轮胎则类似于混织结构，其特征是胎体和胎面都非常强。2006年使用米其林轮胎的车队有6支，今年改用普利司通轮胎之后，他们需要根据收集的数据与米其林进行比较，进而在赛车的设计上作出调整。只是这其中有些车队的路走对了，有的则一开始就步入了“歧途”。 最显著、也最让人惊讶的例子是:迈凯轮几乎立即就全盘掌握了日本轮胎的特性，而雷诺则完全失去了方向。 2，轮胎变化对空气动力学的影响 改用普利司通轮胎后，有两个与轮胎有关的技术领域需要得到正确处理:空气动力学和重量分配。下面首先讲第一个问题——空气动力学。 更换轮胎供应商之所以影响到赛车的空气动力学，是因为轮胎的外形变了。米其林拥有和普利司通不同的正面外形。这种区别，当轮胎在承受负载的情况下会变得更大。而这，将严重的影响到赛车的空气动力学性能。话听起来有点不可思议，请看这组数字:“轮胎升高20毫米，赛车很轻易就可能损失5%的下压力。”加里-安德森说道。 使用现在的风洞测试技术，要在滚动钢带上模拟轮胎在负载情况下的外形是非常困难。没错，工程师可以在风洞中改变轮胎的外形，并据此调整赛车的空气动力学设计。但是你仍然无法确定:你假设的轮胎外形，就是轮胎驶上赛道后呈现的实际形状。因此，要解决这个问题，并非易事。 3，轮胎变化对重量分配的影响 增加或者减少5%的下压力，好车仍然是好车，但是有些车队却因为更换轮胎，失去了赛车设计方向，这主要指赛车的重量分配问题。加里-安德森示:当不考虑空气动力学因素时，正确的重量分配，是最大限度的发挥轮胎性能的关键因素。但是有很多车队，在这个问题上迷失了方向。下面，将对换用轮胎与重量分配之间的关系展开分析。 除了外形，普利司通轮胎的工作特性和米其林也不一样:其运行方式截然不同，特别是在弯道中央表现的尤为明显。那么这和重量分配有什么关系呢, 让我们将问题深入:与普利司通相比，米其林运行特性不同，主要指米其林的后胎能更好的吸收纵向负荷。所以当你接通后桥的动力传输时，轮胎拥有更强的承受能力。而为了让后胎的这种能力得到全盘发挥，工程师会将赛车的重量分配靠后。雷诺去年的R26赛车，便是采用的这种设计方向。 但是，普利司通的后胎却不具备米其林那么好的纵向负荷承受能力。它的特点是:在横向和纵向两个方面的表现更加均衡。所以比起米其林，需要将重量分配靠前一些(这样将带 走后胎的一些负荷，让后胎的外径好像增大了。同时，将增加前胎的负荷)。 对F1的技术有所了解的的人都知道，F1赛车的设计必须遵循空气动力学压力中心(the aerodynamic centre of pressure，英文缩写为CofP，也叫下压力中心)和重心(the centre of gravity，英文缩写为CofG)之间匹配的。通常情况下，下压力中心(CofP)位于重心(CofG)后面百分之几的位置。如果重心(CofG)前移，那么赛车的下压力中心(CofP)也必须跟着前移。 因此，新的普利司通轮胎，不仅要求赛车的重量分配前移，还必须将赛车的下压力中心前移。但是，如果一辆赛车的原始设计概念就不允许将重量前移的话，这会使得要将下压力中心前移变得更加困难。因为这与赛车组件背后的整套理论是完全相悖的——即设计概念。 对于设计概念的重要性，加里-安德森以雷诺为例进行了说明:“为了让前翼发挥最大效能，而要让包括底板、侧箱导流板、前翼和底盘前端在内的这些部件全负荷的工作，是一项非常艰巨的任务。除非你开始的设计概念就允许你最大限度的发挥他们的效能。两届世界冠军雷诺，便表现出了这样的问题。他们前不久对此进行了公开承认，但是解决起来却非常困难，因为他们一开始的方向就错了。” 今年7月27日，雷诺领队布里亚托利在针对“法拉利/迈凯轮间谍案”的裁决结果时曾说过这样一番话:““如果某支车队因为拥有这些资料获得了某种优势，他为此付出代价是公平 的。话说回来，我也希望知道法拉利赛车的重量分配„„。”意大利人的此言除了反映他对FIA世界汽车运动理事会裁决结果的不满外，也从侧面暗示了雷诺现在面临的技术问题。 回到技术分析:普利司通的纵向负荷承受能力稍弱，意味着使用普利司通轮胎时，需要在加速和制动的过程中，将赛车的重量转移降至最低。但是使用米其林却不用考虑这个问题，因为它拥有很强的纵向负荷承受能力。当车手在刹车或者制动时，轮胎可以应付这些重量转移。总而言之:普利司通轮胎对重量的分配更加敏感，而米其林允许较大的变化空间。 加里-安德森表示，根据新版普利司通轮胎的特性判断，今年大多数赛车车头的重量分配大约处在这样一个区间:在摩纳哥和匈牙利这样的超低速赛道车头大约占46%，而在高速度、高负载的赛道譬如斯帕和银石，大概在48%,49%左右。 要拥有比这更大的调整空间是很困难的，因为没有位置移动压舱物。这再次说明了赛车初始设计概念的重要性。加里-安德森还认为:各队的压舱物质量应该在80KG左右。赛车底板前端名为tea tray的位置，是放置压舱物的关键区域，在这里，可以携带重达35KG的质量。 如图1所示，雷诺最新版的前翼拥有一个放置压舱物的地方(红色箭头所指)。加里-安德森认为，这个位置顶多能放5公斤(但是他可能低估了这个位置的承受能力，世爵B版的F8-VII在这里放置了重达9.5KG的质量)。从理论上讲，这不是理想的位置，因为它处于赛车的前后车轴之外，而且高于赛车的底板区域，因此升高车身的重心。 雷诺的这一举措，是赛车设计概念错误后采取的补救措施。把压舱物放在两轴之外，将使赛车在转向时变得迟钝，当然，在这里谈论的只是一个很小的度——只是关于搭载5公斤的压舱物带来的负面影响，加里-安德森表示，虽然有些人认为这样做带来一定的惯量是有益的，因为有助于防止赛车发生旋转，但是他仍相信弊大于利。 第二部分:核心技术发展区域分析:前翼和龙骨 一，前翼方案 1， 三种前翼方案 2， 在前翼的设计上，存在多种不同的概念。即便避开位于上方的附加翼不谈，只 看主翼板，仍可划分为:两片式、两片半和三片式这三种前翼方案。在这里关于两 片半这个概念大家可能有些不解，别急，我们将在下文中对其进行阐述。 不管前翼采用何种方案，它们的目的只有一个:控制气流的分离。为什么控制 气流分离呢,因为在前翼的中央位置存在非常低的点，而这总会导致一定程度的气 流分离。换言之，现在的前翼形状总是存在气流出现分离的滋生土壤。特别是在制 动和高速弯道，前翼要得到足够的气流以保证气流贴着翼片流动是非常困难的。 工程师将副翼塑造成非常具有攻击性的形状(以获得最大的前部下压力)。他们不想发生的事情是:在翼片的中央出现严重的气流分离问题，因此在翼片间开凿了狭长的开口。这些开口，能让气流附着在翼片上，保持气流不断的输送向副翼表面。当然，它同时会降低翼片的峰值下压力。 但是前翼气流出现分离的问题，并未彻底得到解决。在整个前翼下面是低压区，流经鼻锥下方——这个被称为咽喉区域的气流，会因为其极高的速度导致附近的气流发生分离。因此工程师再次想到了开口的方法，也就有了雷诺和宝马那样的设计。 几年前，威廉姆斯采用过一个主翼很小，副翼很大的前翼方案，这是一个灾难性的组合。因为这使得气流过早的抵达副翼，此时要让气流附着在翼片上是相当困难的。单副翼意味着前翼有一个开口，双副翼则有两个开口。图2中雷诺在主翼上开凿了长度约为前翼一半长度的开口，这意味着他的前翼的开口为一个半(即上文提到的“两片半”式前翼)。当然，开口为一个半还有宝马，只不过西威尔的工程师时将口子开在副翼上。 F1技术分析专家加里-安德森表示，使用现代化的计算机流体力学技术(computational fluid dynamics)——CFD，可以让工程师轻松知道气流会在什么地方出现分离、在什么地方开口最好，让气流更加可控～ 2，前翼附加翼 各队安装在前翼上方的附加翼片，只有两侧50,60%的部分用于创造下压力。延长至鼻锥的链接部分，其横断面是普通的外形，而非倒机翼状，因此不创造下压力。 在所有的前翼附加方案中，迈凯轮的设计尤为特殊。其上方的翼片没有和鼻锥相连，而是从上方跨过。之所以采用这样的设计，原因很简单:因为迈凯轮的鼻锥下探的非常厉害(见图4)，只有这样才能让翼片处于正确的位置——加里-安德森如是说。 尽管它看起来不同于其他任何车队的设计，但是其效能是一样的:本身创造一定的下压力，并不破坏流向侧箱导流板的气流。在有些车上，额外的前部下压力并非真的需要。那么为什么还要添加副翼呢,主要是因为这样做允许工程师将主翼板后移，让它不用处于临界状态。让前翼处于自己的工作区间内，以确保整个赛车的总体下压力最大化，而不是仅仅让前翼的下压力达到最大化。 这样，能保持气流附着在翼面上，更好的向后面的下压力制造设备输送气流。如果将前翼的角度调的过大，就会导致前翼越过其自己的工作区间，就会破坏气流进一步向后流动。此时，赛车的下压力中心的确前移了，但是却严重的损害了车尾的下压力。换言之:这样做是通过减少了赛车后方的下压力，来实现下压力中心前移的。加里-安德森表示:F1工程师很容易便会被这种现象蒙骗。 总而言之，这些附加的翼片的最终目的在于保持前翼位于其自身的工作区间内，防止被迫采用过大的前翼角度，进而损坏车尾的性能。使用这些附加翼片，将让左右侧箱导流板之间送向车底的气流遭到最小的破坏，让气流以最佳状态输入车底，进而流向车尾的扩散器。 3，端板方案 在端板的设计上，这几年我们看到最明显的变化是将其加宽，而这其中最突出的当数迈凯轮(见图五)和红牛。下面，将为大家讲述背后的技术原因。 一般来讲，为了让前翼效能得到最大限度的发挥，工程师通常将端板设计的很小(让主翼宽度最大化)，只要它能提供所需的前端需求即可。但是，当赛车在转向的时候，前轮就会与前翼工作强度最大的区域形成一个交叉角。 此时，问题出来了，而且将进入一个恶性循环。众所周知:赛车在低速弯道通常会倾向于转向不足;同时在低速弯，也是需要更大转向角度的地方，所以需要将前轮的角度转的更大。但是轮胎转动的角度越大，意味着对前端空气动力学造成的破坏就越大，接着便会出现更加严重的转向不足～ 但是，如果使用大尺寸的端板设计，便将这种影响降至最低。当然，这需要在前翼的峰值下压力上作出妥协，因为这样占用了前翼翼板的有效设计长度。单侧用于增加端板的部分，可能占用翼板6,7厘米的长度，其结果必然会导致前翼性能的下降。但是:当赛车在弯道上、当车手转动方向时，前翼的性能仍能保持稳定。迈凯轮的端板设计，就是走的这条路，这可能占用了其前翼15厘米的长度。 二，底盘结构 1，龙骨的 现在，F1工程师在单龙骨、双龙骨和零龙骨这三种设计方案之间，到底哪种更好上仍然存在分歧。与此同时，在单体壳的安装高度上，也存在不同的选择。下面，我们将先“绕一个弯子”——从空气动力学入手来讲解该领域的技术问题。 在F1现行的技术规则中，国际汽联规定了底盘的横切面积。虽然各队可以按照自己的想法设计高度，但是它必须以赛车的中心线为轴左右对称。在底盘的横断面上增加任何东西，都会对气流造成一定的阻碍。从两个前轮之间向后流动的气流是工程师在设计赛车时，可以利用的。利用这部分气流，工程师有三件事情需要处理:1)冷却制动系统，2)冷却引擎，3)制造下压力。 用于冷却制动系统的气流越多，意味着在其他两个方面可用的气流就会越少。上面已经提到，在底盘的横断面上增加任何东西都会对气流造成阻碍，也就意味着可利用的气流会减少。所以F1工程师希望，将这种阻挡降至最低。因此就诞生了双龙骨和零龙骨方案。 但是，工程师需要在强度和几何结构间作出妥协～且听加里-安德森的分析:“最初的风洞研究让双龙骨看起来非常好，但是当你做出它的结构，让整个结构组合能够承受起实际负荷时，其优势便会在你面前丧失一部分。”下面讲一个这方面的特例——丰田的零龙骨。 2，关于丰田的零龙骨设计 在龙骨设计上，丰田选择了最激进的道路。日本车队不仅采用了零龙骨方案(见图6右侧，左侧为2006年的初期采用的单龙骨方案)，而且赛车底盘的前部比任何对手都高。日本人最大限度的举升底盘是为了让导入车底的气流最大化。但是将底盘的这个位置升高40到50毫米，意味着赛车的重心将上升大约5个百分点。同时，悬挂的几何结构也会出现瑕疵。 在赛道上观察丰田的赛车可以发现，车头的动向与车手的操控输入是不一致的。当车手对其有信心时可以很快，但如果没有，其结果会非常糟糕。对此，加里安德森这样说道:“我认为这来自悬挂结构的妥协，丰田为了满足零龙骨的要求，不得不将前悬挂的下叉臂尽可能的抬高。” 接着，他指出了丰田这种设计的缺陷:“使用条纹轮胎，与使用光头胎存在巨大的差异。使用条纹轮胎，你不可能再有持续的负载/抓地力关系，此时胎面的每一块都是独立工作。使用像丰田这样的悬挂结构，轮胎将发生更多的滚动运动，而且会出现更多的轮胎接触面横向运动。虽然所有的赛车都存在这样的问题，但是将叉臂安装的如此高，出现这种情况的频率就会更高。” 3，推杆的安装方式 在前悬挂的结构上，法拉利是唯一一支将推杆安装在下叉臂之下的车队(见图7红色箭头所指，圈中展示的是雷诺R27的推杆安装位置)，但是从法国站开始，本田几乎采用了一个完全相同的结构。 从理论上讲，不论是将推杆安装在下叉臂上方还是下方，对于整个悬挂系统而言，其起到的作用几乎是一样的。但是，使用法拉利这样的结构，意味着工程师可以改变赛车转向特征。这对于低速弯道是有利的，能减少转向不足的出现。 “它能改变车手的驾驶感受，所以必须非常谨慎。但是你能用它做很多事情。有时，它能给车手带来更少转向不足的驾驶感受，即使情况没变。”加里-安德森在谈到该设计的优势时说道。 第三部分:法拉利VS迈凯轮 1，法拉利F2007与迈凯轮MP4-22赛车特性简析 迈凯轮的赛车，比对手法拉利的F2007适应能力更强。MP4-22排位速度出色，对路肩不敏感。法拉利的特点是:拥有更合理的抓地力，车身强度高、比赛性能非常稳定。 法拉利的赛车，在一些排位表现不佳的比赛中，通常在正赛拥有不错的速度。而一旦在排位赛中表现出色，往往在正赛中处于统治地位。这反映了一个事实:法拉利无法在排位赛的一圈中，让前胎达到最佳工作状态。而迈凯轮则不存在这一问题～ 迈凯轮使用轮胎更快，能够更快的让轮胎升温，这使得他们能够更快的将轮胎的性能发挥出来。在这里必须提到一位他们的车手——刘易斯-汉密尔顿，黑小伙由于能够驾驭转向过度相当明显的赛车，这使得他的赛车在快速弯道拥有更大的抓地力。 加里-安德森分析认为:如果一辆赛车的强度非常高，它通常会倾向于转向不足。在这样的赛车上，可能出现最糟糕的情况是:当车手试图让前胎升温时，轮胎会出现滑动。一般来讲话，车手是依靠增加轮胎承受的负荷，让轮胎的结构升温。但是如果在该过程中导致轮胎滑动，那么车手所做的一切只是让轮胎的胎面温度升高了，并没有让任何的横向负荷进入轮胎结构当中，此时，轮胎的性能自然也就无法得到最佳的发挥。法拉利就存在这方面的问题。 而迈凯轮的赛车拥有更好的适应能力，MP4-22能实现更多的重量转移、让重量转移至车头、增加前轮的负荷，进而让前胎实现更快的升温。