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“悬”机——如何设计F1赛车悬架|技术

如何设计F1赛车悬架

也许你会认为调校F1赛车有一套既定的公式,但实际上,正如Pat Symonds科普的一样,压榨轮胎的潜力其实需要做出很妥协。

如何设计F1赛车悬架
评价一部高性能跑车时,测试车手经常会提及舒适性和操控之间的取舍。严格说来,其实应该加上机械抓地力,因为一辆车,无论是操控好但缺乏抓地力——抑或抓地力不错但车身姿态不好,都无法最大限度地利用抓地力。

很多人臆测舒适性是街车独有,F1设计师不会考虑劳斯莱斯的舒适度,但不能说他们忽视了这个。

显而易见,轮胎要和地面接触才能有抓地力,但不易察觉事实是,只有和地面接触良好,才会有好的纵向和横向抓地力。

概括起来,这需要相对较软的悬架——但光是软,又缺乏F1车手需要的及时响应和反馈,也无法承受F1赛车高速行驶所需的动态负载。大直道末端车速到322公里/时,负载接近3.5吨,相当于六头北极熊坐在车里。

妥协是必然的选择。工程师需要找到一个平衡点,即让轮胎接触地面,又能给车手需要的反馈,还不能让车速过快。

因此,底盘弹簧需要得到很好的控制,以便赛车在颠簸路面或者压倒路肩时,车身姿态稳定。

如何设计F1赛车悬架

第一个需要妥协的地方由计算机模拟提出。描述轮胎在颠簸路面、车身姿态以及典型情况下动态负载的方程会被录入计算机。

模拟器会决定悬架功能转换,这个会影响悬架把来自地面的力和加速以不同的频率传递给电控单元和底盘。

F1悬架设计中的一大挑战是,轮胎的垂直硬度与悬架硬度类似。换言之,如果负载迫使赛车与地面距离缩小20毫米,那么大约10毫米的压缩在轮胎,另一个10毫米是悬架的弹簧。

问题是,其实轮胎扮演的角色是不易被压缩的弹簧——你看看赛车压到路肩弹起来,然后落到里面的慢镜头就知道了。悬架中能真正物理压缩的其实就是弹簧本身。

在F1赛车中,这种压缩有两种形式。第一种,液压避震,和街车上的类似,不同车速下,弹簧压缩,产生相应的缓冲。第二种,惯质,根据弹簧两端对加速的感应,释放弹簧复原的力。

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惯质相较而言是个新设备。一般都是机械形式,它的力来自于一个带有铅制螺丝的飞轮旋转,很像孩子玩的陀螺。或者,内部安装一个由悬架驱动的液压装置。

很多设计师放弃了金属弹簧,改用空气弹簧。这带来很多优势。首先,安装位置灵活,甚至能安装在侧箱,考虑到F1赛车的紧凑布局,这无疑是个优势。

其次,由于安装位置灵活,它既是一个空力部件,又是一个惯质——一个部件,两个功能。

最后,从它的物理原理来看,空气弹簧是一个非线性的装置。就是说,负载初期的100牛对弹簧的压缩远远高于负载最后的100牛。

这说明,弹簧在低速和低负载时能保持相对较软的状态,高速时又能有足够的硬度来承受高负载。

缺点也是不可避免。空气悬架对温度很敏感,温度升高,弹簧的变化比率随之改变。这点可以弥补,但是维持原样比较容易。物理学可以预测弹簧的变化。

如何设计F1赛车悬架
悬架设计还要考虑负载的转变问题。很多方法都可以解决这个问题,包括弹簧,但主要手段是防倾杆。

顾名思义,它主要作用就是防止赛车在弯中倾斜,但也许更重要的是,攻弯时,它负责如何把负载分配到赛车头部和尾部。正因为轮胎对垂直负载非常敏感,防倾杆的硬度直接影响赛车是转向不足还是转向过度。

悬架设计对赛车的空气动力学影响也是实质性的:叉臂自身的位置和形状在赛车整体气流管理中扮演了重要的角色。

前后悬架的硬度将影响赛车的空气动力学性能。

也许比其他的任何因素都更为重要是,保持一个稳定的空力平台,为悬架设计和赛车调校奠定一个坚实的基础。

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