冠军方程式赛车分析.doc
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1、冠军方程式赛车分析本文包括:1.引言 2.底盘 3.悬架和轮胎 4.电子设备 5.无线电装置 6.集成式千斤顶和发动机 7.变速器、燃料和调整 8.驾驶冠军方程式赛车 9.车队和比赛 10.了解更多信息 11.阅读所有引擎盖下类文章 引言冠军方程式比赛是当今全球范围内技术含量最高的运动之一。并且,除了航天飞机和喷气战斗机之外,冠军方程式赛车是我们在日常使用中所能见到的最复杂的车辆。 冠军方程式赛车探秘它们的碳纤维车身、强劲的发动机、高级的空气动力学和智能电子装置,使每辆赛车都成为一个高速研究实验室。由于冠军方程式赛车要以高达380公里/小时的速度行驶,因此车手需要经受重力,并且要非常迅速地处理
2、各种传入数据,这也使得冠军方程式赛车驾驶成为运动领域最具专业性的运动之一。 您是否曾经想过走进幕后去了解真实的冠军方程式比赛。这些不可思议的赛车和发动机来自哪里?车手是如何成为车手的,以及他们是如何为每场比赛进行训练的?车队中都有那些成员,以及在每次比赛之前和比赛期间都由谁来操作这些赛车?比赛当天加油站又会发生什么情况? 为了回答类似的这些问题,并真正了解一个完整的冠军方程式车队是如何工作的,我们将介绍赛车、车手以及摩托罗拉PacWest车队的组成成员。本文中,您将以摩托罗拉PacWest车队的视角去了解使冠军方程式赛车工作的所有方面。特别感谢摩托罗拉车队为本文所提供的所有帮助和信息。 另外,
3、还要特别感谢PacWest车队、CART和联邦快递的协助。 冠军方程式比赛是一项独特的运动。它是在美国和全球范围内举行的新奇、高速并采用开放式车轮的赛车比赛。CART计划融合了一级方程式比赛风格和椭圆赛道的特点,在四种迥异的赛道上进行比赛: 短椭圆赛道总长度不足3.2公里的椭圆赛道 超级赛场总长度不低于3.2公里的椭圆赛道 街道赛道在城市街道设置的赛道 公路赛道有街道赛道的感觉(许多急转弯和短直道),但在专门封闭的赛道而非城市街道上行驶 赛道类型随每场比赛变化冠军方程式比赛是一项非常复杂多变的运动。 赛道的多变性使得冠军方程式比赛的整个赛季都异常激动人心。参赛车队必须制造出足够灵活、能在所有不
4、同条件下驾驶的赛车。此外,车队还必须针对每场比赛彻底更改空气动力学组件、悬架设置和赛车上的其他参数,而车手必须能够极其迅速地处理所面临的所有不同情况。在冠军方程式比赛中,所有比赛都各不相同。 约25辆赛车及其车手如摩托罗拉PacWest车队的18号赛车,由马克布朗戴尔驾驶完成赛季中的20场冠军方程式比赛。 冠军方程式比赛批准机构为CART或冠军方程式赛车公司。CART是比赛的主管机构,负责制定车队必须遵守的规则(有关完整的规则手册,请参见CART网站),并在每次赛事中指派比赛监督官员。 有关详细信息,请参见CART网站,其中包括电视转播计划和赛事日程。 摩托罗拉PacWest车队赛场18号赛车
5、马克布朗戴尔的摩托罗拉/梅赛德斯-奔驰赛车,马克布朗戴尔是车手,摩托罗拉公司是该车的冠名赞助商,梅赛德斯-奔驰提供发动机。底盘和轮胎的供应商分别为雷纳德公司和费尔斯通公司。底盘现代冠军方程式赛车都是根据其底盘定义的, 所有冠军方程式赛车都具有以下特征: 它们都是单座位赛车。 都有一个开放式驾驶舱。 它们都有开放式车轮车轮上没有覆盖挡泥板。 在车辆前部和后部都有翼板,可提供下压力。 发动机位于车手身后。 冠军方程式赛车底盘非常惹人注目,它们几乎完全由碳纤维和铝蜂窝结构构成,冠军方程式赛车底盘非常结实轻巧。 PacWest摩托罗拉赛车的整个底盘出厂时仅重约455千克。之后,车队再开始将诸如发动机和
6、电子装置等部件安装到底盘上。 摩托罗拉PacWest赛车的底盘均由英国雷纳德公司生产。雷纳德公司为多支车队提供底盘,而其他车队则使用罗拉公司生产的底盘。这些制造商每年都推出新型底盘,所有车队都从最初开始,积极参与测试工作,以期待从他们的新底盘中获得竞争性优势。制造商每年都推出新底盘的一个原因是每个赛季的规则都在变化。例如,1999年,CART规则将允许的空气动力学下压力减小了226.8千克,因此所有底盘制造商在它们的设计中都将此规则更改考虑进去。(有关冠军方程式赛车的完整规则手册,请参见CART网站的信息部分。) 从工厂运达时,底盘与车身、悬架、转向系统和变速器一起供应,因此此时的底盘被称为滚
7、动底盘。车队的工作就是往滚动底盘上增加一些部件,如发动机和电子装置,并对其进行调整以符合车手的驾驶风格,从而获得最佳性能。 所有冠军方程式赛车都有类似的部件: 鼻锥包括前翼、前悬架、转向机构和前胎。 根据赛道的类别、天气以及其他变化情况,前翼总成是完全可以互换的。 “槽座”(单体壳)或车辆中部是车手就坐的位置。车手两侧的两块侧外壳覆盖了赛车的电子装置和往散热器中输送空气的通道。在此图片中,还可以看到加油口部位,它连至车手身后的空气箱。后悬架、后轮胎和后翼一组4个盖板:1)前悬架盖;2)和3)两个侧外壳盖;4)发动机盖摩托罗拉PacWest车队使用由梅赛德斯-奔驰提供的发动机。福特、本田和丰田公
8、司也向其他车队提供发动机。 底盘存在一个非常有趣的特征:发动机和变速器实际上是底盘的一部分,它们称为受力部件。 您可以看到,发动机是将槽座连接到变速器和后车轮的唯一部件,并且后翼螺栓直接连接到变速器。 此处所描述的冠军方程式赛车底盘重约500千克。 加上发动机和其他部件后,其重量就能达到冠军方程式比赛官方规定的驾驶重量,即700千克。比赛时,车手和燃料使车辆总重达到860910千克。 空气动力学冠军方程式赛车最重要的特征之一是它的空气动力学组件。 此组件最显著的体现就是前后翼板,但还有一些执行不同功能的其他特征。冠军方程式赛车以三种不同的方式来利用空气: 冠军方程式赛车的翼板与飞机翼板的工作方
9、式刚好相反(有关飞机翼板的详细信息,请参见飞机如何飞上蓝天)。在飞机上,翼板用于进行举升。而在冠军方程式赛车上,翼板是上下倒置安装的,以提供下压力。 前后翼板和车身自身提供的下压力能使赛车紧贴在赛道上。 下压力是非常惊人的,一旦赛车车速达到321.8公里/小时,就能够产生非常大的下压力,足以能将赛车自身粘附在通道的顶板上,从而倒置行驶!在街道赛道比赛中,下压力空气动力学能够产生足够的吸力,可以完全抬起检修孔盖,在比赛之前,所有检修孔盖都必须朝下焊接,以防止发生这种情况。 冠军方程式赛车发动机会产生大量的热。 赛车约每30秒就可燃烧3.8升的甲醇燃料,而此过程中赛车必须通过散热器每分钟散发约10
10、0,000BTU(BTU,英国热量单位) 的热量(一辆冠军方程式赛车在10小时中产生的热量足以供185.8平方米大的房子整个冬天的取暖!)。侧外壳设计成将大量空气带经散热器,以帮助散热。 在此图片中,您可以看到散热器及其管道是如何安装到车手身旁的风洞的。比赛时,此风洞每分钟使约283立方米的空气流经各个散热器每分钟流经的空气量足以填充222.9平方米的房间! 发动机也需要通过类似您在下图中看到的小进气口进行局部冷却。 在公路和街道赛道中,制动器使用特殊的冷却风管将更多的空气带入转子。 发动机需要空气进行呼吸。 赛车后部的进气口能将气流直接输送到涡轮增压器。筛网可以防止碎片进入进气口一旦车速达到
11、380公里/小时,碎片可能会成为一个真正的问题! 通过观察您会发现,冠军方程式赛车绝不是流线型的、拥有完美空气动力学特征的车辆。您已经知道,车轮和悬架系统采用开放式安装,巨大的翼板能够捕获空气并将它转换成下压力,车身上具有通风孔和凸起部分,甚至连车手的头盔也暴露在滑流中!因此也就需要巨大的功率来克服所有这些阻力,这也是冠军方程式赛车为何需要如此强劲发动机的一个原因。空气动力学组件中有一部分是不可见的,它们位于赛车的下方。赛车的整个下方由一个碳纤维面板覆盖,其表面完全平滑以供空气顺利通过。此面板上存在两个风洞,它们分别位于两个侧外壳下方。通道逐渐变小,使得伯努利效应在车辆下方产生吸气,翼板和这些
12、风洞均能产生下压力。悬架和轮胎冠军方程式赛车的前后悬架是双A形控制臂式悬架,这种类型的悬架具有重量轻、强度高和易控制驾驶的优点。比赛路面可能非常颠簸例如,在克里弗兰赛道上,路面会随着赛道而变化几次,每次转换都会出现颠簸。冠军方程式赛车悬架的作用是保持所有4个车轮都与赛道紧贴,即使道路中出现一些不平的现象。 轮毂双A形控制臂可以固定轮毂,并可以使其在平面中上下移动。 对角件连接减振器和弹簧(位于车手前部面板的下方)。水平横拉杆提供转向输入,以旋转轮毂。冠军方程式赛车悬架还必须轻巧、紧凑。 前悬架由安装到前轮毂的三角架(A形控制臂)、弹簧和减振器组成。弹簧、减振器以及防侧倾杆的同等物都安装在车手前
13、部的赛车顶部。 后悬架与前悬架类似。主要区别在于它没有转向机构,而是增加了传动轴,并且后悬架必须承受更大的重量。弹簧和减振器的分布与前悬架类似,但它们更大些,并且向变速器侧折叠。 为了使赛车获得最大性能,对悬架进行调整是整个赛车调整过程中比较重要的部分。 车队需要控制轮胎的前束和后束,以及轮胎的正负外倾角和后倾角。这些设置有助于调整转向不足和转向过度。车队甚至可以更换A形控制臂从而缩短或延长轴距! 因为悬架组件对于赛车的可靠性及其直线行驶的功能如此重要,因此CART规则明确规定了它们的制造方法。 例如: 9.8.2一节指出:所有高应力转向组件和悬架组件应该由SAE 4130钢或合金制成,这些材
14、料由其制造商指定,具有相同的物理属性。前后支柱可由镁合金或铝合金构成。按所用合金制造商的建议制成和焊接所有这些部件后,在应用时必须对它们进行热处理,包括应力消除、正火、退火和淬水。所有这些电镀部件都必须以190.6摄氏度进行炉烘至少3小时。对于电镀已剥落的部件必须进行类似的烘烤,除非3小时以内对它们进行重新处理,部件不应以铜焊、锡焊或与不同的金属进行连接。对于高应力部件,推荐进行喷丸处理。 与普通车辆不同的是,冠军方程式赛车行驶时非常贴近地面,而普通车辆与地面有约10-15厘米的间隙。正如您所见,该赛车的中心离地约2-3厘米,因此悬架系统不需要大幅度上下移动。即使上下移动不到2.5厘米,行驶也
15、可能变得非常困难。冠军方程式赛车的轮胎也极其重要。它们将车辆保持在赛道上,并将车手从方向盘、制动器和油门的输入转换成实际的操作。尤其是以街道作为赛道的赛事中,车手一直检验着轮胎附着力的界限这种对驾驶员能够以多快的速度进行加速、制动或转弯的限制最终是由轮胎决定的。为了应付施加于轮胎的惊人压力,冠军方程式赛车的轮胎与普通汽车的轮胎有很大的区别。 其中三个最大的区别是: 1. 冠军方程式赛车的轮胎更宽前胎约30.5厘米,后胎约40.6厘米。 而普通车辆的轮胎仅20.3厘米宽。 2. 冠军方程式赛车的轮胎是完全平滑的,以尽量增加橡胶与赛道表面的接触面积。 3. 轮胎表面的橡胶非常柔软。它更像柔软的橡皮
16、擦,并且与普通汽车轮胎上的硬橡胶有着很大的区别。 由于冠军方程式赛车轮胎的接地面积很大并且橡胶具有很强的柔软性,因此这些轮胎具有超强的附着力。客车上的轮胎预计可行驶64,373-96,560公里,而冠军方程式赛车的轮胎设计成可行驶97-113公里!CART规则允许参赛车队在805公里的比赛中最多使用60个轮胎。除了轮胎表面使用了异常柔软的橡胶之外,导致冠军方程式赛车轮胎使用时间如此之短的另一个原因是它们非常薄。橡胶的导热性非常好,并且能保存热量,因此轮胎上的橡胶使用量非常小,以防止热量聚积。如果车手在紧急制动时锁住了一个轮胎,哪怕只是一次这样的操作,都将在轮胎上形成一个显著的轮胎平点,并且会露
17、出轮胎帘线,从而严重影响轮胎性能。此限制在排位赛中非常重要,因为各车队在排位赛中只能使用两组轮胎。轮胎安装在镁制轮辋上,并通过一个锁止螺栓连接在赛车轮毂上。在每场比赛和试车期间,费尔斯通公司都会向各车队提供所有的轮胎。 车队将它们的轮辋拿到赛前停车场中的费尔斯通公司区域,技师在此安装并检查轮胎。 轮胎经过认证后,将在其上压印黄色的CART图章假如有25辆赛车,并且每支车队每次比赛用60个轮胎,则费尔斯通公司每次赛事中需要安装多达1,500个轮胎! 因为轮胎对于车队的获胜至关重要,所以每个轮胎的压力都是由其自身的无线传感器监控的。安装在与气门杆相对的轮辋上的小气缸中包含一个0.25瓦特、900兆
18、赫的无线电发射器和一个离心开关。一旦轮胎开始旋转,则将启动此无线电装置,并开始将轮胎压力传输到车手头部后方的天线上: 所有4个轮胎都单独进行传输。如果车手辗过某些东西(例如事故产生的碎片),他可以与加油站人员通话,并且他们能够使用车辆的遥测数据流立即对轮胎进行检查,以查看是否有轮胎泄漏。 车队投入了大笔资金来消除此后顾之忧每个轮胎的无线电装置就花费数千美元,更何况每个车队有60个轮辋,每个都需要一个无线电装置!这也许能让您认识到轮胎是多么的重要!CART规则中说明了关于轮胎和轮辋的所有事项。以下是其中一些规格: 后轮辋直径38.1厘米 后轮辋宽度35.6厘米 后轮辋最小重量6.7千克 后胎直径
19、68.6厘米 后胎宽度40.6厘米 前轮辋直径38.1厘米 前轮辋宽度25.4厘米 前轮辋最小重量6.1千克 前胎直径64.8厘米 前胎宽度30.5厘米 压力椭圆赛道241.3千帕;公路赛道137.9千帕 在允许进入赛道之前,轮辋都要经过X射线和动态测试的检测。 电子设备冠军方程式赛车本质上是一台行驶的计算机。在散热器的两个风洞上,您可以看到各种各样不同的电子子系统。 例如,从下图(车手左侧)可以看到: 数据记录计算机 发动机控制单元(ECU),这又是一台计算机 交流发电机控制电子设备 所有车载电子设备的蓄电池(沿着纵槽安装的长盒子) 车手右侧的电子设备车手左侧的电子设备在过去数十年中,计算机
20、的作用在日益增长。如今,发动机已完全由计算机控制(如果计算机出现故障,发动机也将无法运转)。其中,ECU控制: 点火 燃料混合 正时 SWOL(“不抬右脚即可换挡”使车手不松开油门就可以换挡) 速度控制(例如,在加油站) 每支车队都配备了复杂的数据记录系统和遥测系统,以实时将赛车数据传输至加油站。每支车队至少有一名成员是公认的DAG(数据分析家)他的具体任务就是关注赛车在试车或比赛时产生的大量数据,并帮助车队使用这些数据最大限度提升赛车的性能。一般的数据记录计算机能够测量车辆在行驶过程中的200个不同参数。数据记录系统还能够将72个频道的数据实时传回加油站。所有200个参数也都进行车载存储,供
21、日后下载。车队能够将笔记本计算机连接到翻车保护杆下方的插座上,以将车辆存储数据下载到笔记本计算机上:记录系统记录的一些信号包括: 挡位选择 发动机转速 所有4个车轮的转速 风速(使用安装在赛车头部的空速管) 节气门设置 发动机温度 机油温度 所有4个轮胎的胎压 制动钳压力 制动钳温度 排气系统中不同点的温度 所有振动的位置 转向负荷 转向角 直线加速度、纵向加速度和横向加速度 赛道位置 赛道4个位置处的车辆高度 车辆高度是通过激光器测量的,精度可达0.1毫米。 测试期间,车队将激光器安装在赛车上(在真正的比赛中车队不能使用激光器)。在此图片中,可以看到安装在前悬架后面的小激光器外壳。沿着赛道的
22、4个位置处有红外线发送器。每辆赛车都有红外传感器,用于检测信号。在图片中的天线下方,可以看到传感器金属箔片。赛道位置可通过两种方式测量。沿着赛道的4个位置处布有红外线发送器。每辆赛车都有红外传感器,用于检测信号。当赛车经过发送器时,赛车向加油站发送信号,使车队能够记录在赛道每一段行驶的准确时间间隔。此外,车队还能将赛车加速计用作惯性导航系统,以绘制赛车沿着赛道的位置。 无线电装置冠军方程式系列赛中有一个隐藏的部分,即在赛车中和赛道四周都使用了无线电系统。在一般的比赛中,通常存在几千种单向和双向无线电共享广播频率!它们可以传送来自赛车和车手的数据,使车队成员能够互相交流,甚至能使轮胎将其压力值发
23、送到车载数据计算机上!标准赛车在任何时候都会有8个无线电系统同时工作: 车手双向无线电系统 遥测系统无线电装置 车载电视摄像机无线电系统 轮胎无线电系统 赛车上伸出的天线将处理所有这些无线通信: 在CART系列赛中,赛车无线电组织为CART官员、营销和管理人员、医护人员、安保人员以及支持人员提供了无线电系统。他们只需使用摩托罗拉设备,并将这些设备安装在各种系统中。车队负责其自己的设备,并且许多车队还会请赛车无线电组织帮助购买设备、服务和附件。典型示例如下: 赛车中安装了一个2瓦的摩托罗拉无线电装置,它可以以800兆赫频段发射和接收数据(有关无线电通信的详细内容,请参见无线电频谱工作原理和手机工
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