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标题: F1赛车中的双层扩散器是如何设计出来的？ [打印本页]

作者: 刘晓强 时间: 2013-9-12 13:26
标题: F1赛车中的双层扩散器是如何设计出来的？

作者: 李倩 时间: 2013-9-12 13:36
08年表现不佳的三支车队——本田、丰田、威廉姆斯，都不约而同地找到了新规则的漏洞，并拿出了他们的解决方案——双层扩散器（图1）。[img][/img]威廉姆斯的双层扩散器对于扩散器的限制，2009版的F1技术规则第3章第12条第7款中规定“从底部观察，任何位于后轮中心线和其后350毫米之间的部件均不得高于基准面175ｍｍ，在这个区域内由横向或纵向垂直形成的交叉面需形成一条连续的直线，并且从车底可以看到。”[img][/img]如图2，我们观察威廉姆斯车队的扩散器处理方案，为了便于说明，我们把扩散器拆分为两部分：两边的气流通道和中央气流通道，两边的气流通道完全符合规则，然而中央气流通道的高度却要低于175mm，虽然这也是符合规则的，但是问题不在这里，而是在于威廉姆斯在中央气流通道与其顶部的尾椎之间又增加了一处扩散结构，（红色箭头所指处），这就使得威队的扩散器在工作时能够利用到更多的气流，变相地增大了扩散器的容积，但是问题出现了，这样设计不会违规吗？一切都还要回归到规则上（注意开始玩文字游戏了）我们回顾刚才提到的第3章12条第7款，“从底部观察任何位于后轮中心线和其后350mm之间的部件均不得高于基准面175ｍｍ，在这个区域内由横向或纵向垂直面形成的交叉面需要形成一条连续的直线，并且从车底可以看到”，你就会发现，FIA没有把话说死，如果一支车队把其想要安装的部件安装在了从车底看不到的位置，而从车底看到的部分由横向或纵向垂直面形成的交叉面能够形成一条连续的直线，那么这个部件就有了设计的立足点，事实上，威廉姆斯的双层扩散结构正是这样钻漏洞的。同时，为了避免对手的质疑，威廉姆斯车队又列出了规则第3章第5条第2款：“位于后轮中心线之后，且高度大于基准面200mm的部件，其宽度不得大于750mm”这就意味着，威廉姆斯安装扩散结构的位置同样是受到规则规定的，而不是所谓的规则盲区，因此，威廉姆斯对外的说法是，扩散结构的位置在基准面上方200mm的区域内（且从车底看不到），而且其宽度小于750mm，因此属于合法设计。丰田的双层扩散器[img][/img]图3中可以看到丰田的设计要比威廉姆斯更为夸张。我们注意到，丰田TF109扩散器的中央气流通道更为低矮，几乎已经退化为一个小翼片，但同样问题不在这里，而是在于丰田把尾椎抬高，从而在中央气流通道的上方构成了一条巨大的排气长槽。这条长槽近乎替代了扩散器中央气流通道的作用，使得扩散器拥有更大的纵向高度，从而发挥出更大的效能。同样，丰田也有对规则的解释，首先，FIA提出的“任何部件不得高于基准面175mm”是针对后轮中心线之后的350mm范围内说话的，而丰田的车尾处理得很长，因此这个排气长槽不在0－350mm的范围内，而是在350mm以外。此外，丰田的排气槽位于车身中央150mm的范围内，FIA对此区域是开放的，这是因为赛车要在这一区域安装尾锥的溃缩吸能机构，有的车队还要在此区域安装尾翼的中央支柱（例如法拉利Ｆ60）。FIA对此区域的规定是第3章第10条的第6款“任何位于车身中心线0－75mm之间，且位于后轮中心线之后350mm部件，不得高于基准面400mm”，同时，第3章第10条第5款规定“任何位于车身中心线0－75mm之间且位于后轮中心线之后500mm的部件，都必须安装在距离基准面200mm到400mm的范围内”。将这三条规则合并，我们就会构造出一个宽150mm长150mm(350mm-500mm)、高225mm(大于基准面175mm且小于400mm)的自由区域。而丰田的排气槽，也正是处于在这个区域。针对威廉姆斯和丰田的“争议设计”，自身意识到设计落后的法拉利等队选择了投诉。但是威廉姆斯和丰田的扩散器在时任国际汽联主席莫斯利那里获得了通过。在“双层扩散器”获得了FIA的许可之后，威廉姆斯和丰田迅速开始和改进，丰田更是变本加厉，将原本的双层结构变成了三层。（注意到尾椎的两侧又添加了一组排气槽）[img][/img]然而此时，就在法拉利、迈凯伦等队陷入理念落后的恐慌之中，而丰田、威廉姆斯为自己的超前设计暗自庆幸之时，一个强大的对手让2009赛季的一切都变得毫无悬念——布朗BGP001问世了（图4）。BGP001之所以能在09赛季的前半段所向披靡，（当然后半赛季赞助问题研发跟不上去了），很大程度上是双层扩散器帮了布朗的忙，而且BGP001的扩散器比丰田和威廉姆斯更为超前（图5）。[img][/img]首先，BGP001将尾锥抬高，毫无疑问这可以为扩散器提供更多的空间，其次，BGP001的中央气流通道被设计成了一个Ｖ形槽，Ｖ槽与底盘的上表面相连，气流可以从这里被送出，然后再从Ｖ槽上面的引导结构扩散，这点与威廉姆斯和丰田是差不多的。然而布朗真正的过人之处是在Ｖ槽的两端添加了两个开口，这使得可乐瓶区域的闲置气流可以经侧箱底部通过这两个开口流入底盘的下表面，与来自底盘下表面的气流混合后再一同扩散，极大地增加了扩散器内气体的体积，压榨出了更多的负升力。[img][/img]布朗通过扩散器的开口使可乐瓶区域（红色部分）的气流重新得到了利用（图6）。[img][/img]需要说明的是，08年之前的赛车通过在后轮前端加装卷边小翼来开发可乐瓶区域的资源，然而09年车身不能加装气动翼片的规则使可乐瓶区域的气流重新处于一种待开发状态，而布朗最独到的眼光使得BGP001能先于对手将这一区域的气流加以利用，这正是BGP001真正领先对手的地方。此外，Ｖ形槽的设计还可以使得部分气流直接从其中流出，这股气流可以有效防止扩散器失速，对于赛车适应不同的赛道很有帮助（图7）。双层扩散器一经推出，立刻在围场中引起轰动，各队更是争相效仿，2010年，双层扩散器几乎已经成为各支车队的标准配置，部分车队（比如法拉利）更是拿出夸张的设计挑战规则的底线，但是好景不长，由于双层扩散器引发的效果与FIA增加超车的目的背道而驰，2011年，双层扩散器被判为非法。[img][/img]法拉利F10使用的超大号双层扩散器（图8）

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