赛车为什么跑得快

赛车为什么跑得快——赛车常见技术简介一、赛车关注的问题•1.1核心问题•1.2G-G图•1.3极限的提高1.1核心问题•赛车希望每个时刻都能获得最大的加速度；•不仅是纵向的加速度，而且包括横向的加速度1.2G-G图根据加速度矢量的方向和大小的变化，可以获得g-g图；在车上安装加速度测量仪，记录纵向和横向的加速度；不同驾驶员的驾驶习惯和特点不同，但都在尽力让赛车发挥加速度的极限值g-g图像的边界，即为赛车的极限状态。1.3极限的提高提高并充分发挥轮胎的附着能力；通过空气动力学装置提供下压力；一定范围内的轻量化设计。二、赛车的形式与布置•2.1重心的高度•2.2轴荷的分配•2.3驱动形式的影响2.1重心的高度重心的高度直接影响赛车在加减速和转向时的俯仰和侧倾程度；重心越低，俯仰和侧倾越小，轴荷和轮荷的转移也越小，对操控性更有利；过低的重心不利于悬架的轻量化、亦不利于后轮驱动赛车的动力性。2.2轴荷的分配重心距离前后轴间的距离，决定了轴荷的分配；轴荷偏前，汽车的不足转向趋势增大；轴荷偏后，汽车的过度转向趋势增大。2.3驱动形式前置前驱（FF）：轴荷分配65:35~60：40加速性能受到轴荷转移的制约；不足转向的趋势较大；多见于初、中级的场地赛车和拉力赛车。2.3驱动形式前置后驱（FR）及前中置后驱：轴荷分配60:40~55:45转向特性较为中性；较为适合大扭矩输出；整备质量较大；多见于场地赛车、拉力赛车、漂移赛车和直线加速赛车。2.3驱动形式后中置后驱（MR）：轴荷分配50:50~40:60；转向特性中性偏于过度；适合大扭矩输出，同时有利于轻量化；多见于方程式赛车、耐力赛车及超级跑车。2.3驱动形式后置后驱（RR）：轴荷分配40:60~35：65；转向过度趋势明显；适合大扭矩输出；少见的布置形式，只见于一些特定的场地赛车和跑车。2.3驱动形式全轮驱动（AWD）：轴荷分配45:55~55:45转向特性趋于中性；最有利于扭矩的输出，也最有利于提高操纵稳定性能；多见于拉力赛车、较高级别的场地赛车、以及超级跑车。三、轮胎•3.1驱动力、制动力与滑移率•3.2侧偏力与侧偏角•3.3轮胎附着椭圆•3.4高性能民用胎•3.5赛车轮胎•3.6温度、压力和载荷三、轮胎•轮胎是决定赛车性能最关键的因素；•赛车的一切设计，都是从轮胎开始的；•任何一本赛车工程的经典著作，轮胎都是开篇的章节。3.1驱动力、制动力与滑移率•车轮运动中，滑动成分所占的比例；•滑移率在8~15%范围内，所产生的驱动力或制动力最大；•防抱死系统和牵引力控制系统可以有效地控制滑移率。•滑移率SlipRatio–SAEJ670定义了纵向滑移速度，s–s是被驱动或被制动的车轮的角速度Ω与自由滚动车轮角速度Ω0的差值0s1000SR•峰值之前，牵引力和制动力主要取决于轮胎胎面和胎体的弹性属性•达到峰值后，取决于多种因素，比如胎面材料、路面材质、表面水分、速度、轮胎温度等等3.2侧偏力与侧偏角•车轮在地面上产生地面侧向反力，称为侧偏力；•车轮与地面的接触迹线，和车轮平面的夹角，称为侧偏角；•二者构成直线的斜率，称为侧偏刚度。3.3轮胎附着椭圆•表示轮胎在各个方向上所能产生最大附着力；•也表明赛车在各个方向上所能达到的最大加速度。3.3轮胎附着椭圆无论是牵引情况还是制动情况，同一侧偏角下，滑移率增大时，侧向力迅速减小、3.4高性能民用胎•一般具备较大的断面宽度、高宽比偏小，形状扁平；•常具备较大的侧偏刚度；•使用寿命在5000~10000公里；•附着系数接近1，失控前会响胎.3.5赛车轮胎•赛车轮胎大多具备热熔特性；•依据赛况不同，其胎面硬度、有无花纹、花纹深度有所不同；•干胎多为光头胎，中性胎和雨胎具备排水沟槽；•干胎一般具有磨损提示孔；3.5赛车轮胎•使用胎压极低、宽高比偏大；•使用寿命多在500公里以下；•干胎工作温度下附着系数1.4~2.0；•雨胎工作温度下附着系数1.0~1.5；•非工作温度附着系数1.0~1.23.6胎压、温度与载荷•高胎压有利于提高侧偏刚度，但是不利于提高附着系数；•过低的胎压存在“扒胎”风险；•赛车轮胎对温度非常敏感；•轮胎各点的温度，是调校赛车的最直接参照。•不同轮胎对载荷的反应不同，既有正相关也有负相关。四、空气动力学•4.1空气动力学的意义•4.2负升力的来源•4.3主翼与襟翼•4.4扩散器•4.5Air-Brake和DRS4.1空气动力学的意义•空气动力学性能，是高速赛车最重要的性能之一；•赛车空气动力学较多地关注负升力的产生和利用(Cd一般很大)；•平均速度高于80km/h、最高车速高于150km/h的赛事，均需要对空气动力学性能充分重视。4.2负升力•利用负升力可以大大提高赛车的极限；•速度导致的压力差，是负升力的来源；•负升力翼、扩散器、侧气箱、导流片、悬架杆系；•负升力与阻力的权衡。4.3主翼与襟翼•主翼是产生负升力的主体；•襟翼可以抑制气流分离和失速；•合理的襟翼是提高翼型低速性能的首要途径。4.3主翼与襟翼•襟翼分为前缘襟翼和后缘襟翼；•主要目的是提高低速下的Cl；•可以有效抑制低速下的失速（Stall）；•会带来较大的阻力。4.3主翼与襟翼•GurneyFlaps：低速翼型兼顾体积和负升力的方法。4.4扩散器•扩散器安装在赛车底部，具有渐扩的通道，起到加速气流作用，实现负升力；•扩散器所产生的负升力是非常显著的，而且它不产生额外的空气阻力；•不只是方程式赛车才有扩散器。4.4扩散器•双层扩散器——中央扩散槽采用了形状特殊的双层结构设计；4.4扩散器•热吹扩散器——车手在松开油门踏板的同时，也能保证排气管向扩散器输入足够的废气，进而保证“吹气扩散器”在弯道上的下压力制造能力也可以处于高值。4.5Air-Brake&DRS•利用空气阻力的典型技术；•Air-Brake源自于航空，后被一些时速250km以上的超跑和房车型赛车采用；•DRS技术通过调整襟翼狭缝，降低尾翼阻力。五、发动机•5.1如何提高动力性•5.2理想的赛车发动机•5.3高性能自然吸气发动机•5.4增压发动机•5.5干式油底壳•5.6电控系统•5.7混合动力系统5.1如何提高动力性•空气决定动力——提高动力的核心问题就在于提高发动机单位时间内的进气质量。化学能•空气和燃油；•按照一定比例配合；内能•压缩；•做功；机械能•压力势能；•动能。5.1如何提高动力性•功率——由单位时间内进气质量流量决定。•转矩——由发动机每循环进气质量决定。提高进气量增大进气压力提高进气密度改善充气效率提高转速5.2理想的赛车发动机•足够高的功率；•足够宽广的可用转速范围；•良好的转矩控制特性；•良好的响应特性；•较小的体积与质量；•可以承受赛车所需工况。缸径与行程决定发动机秉性的关键高转速、大功率、快速响应特性。低转速、大扭矩、高燃油经济性。大缸径长行程赛车发动机的特征RAV42.4LF12.4LCBR600RR缸径88.5mm98mm67mm行程96mm39.7mm42.5mm功率123KW@6000rpm600KW@18000rpm78KW@12000rpm扭矩224Nm@4000rpm250Nm@16000rpm69Nm@10500rpm•短行程的根本优势在于：降低了活塞运转的线速度；•高转速的根本优势在于：宏观充气总量的提高。赛车配气系统配气系统较大的早开晚关角；较大的气门升程；较大的气门直径5.3高性能自然吸气•提高转速以提升功率；•大缸径短行程设计；•高升程大角度凸轮轴；•并联式节气门；•低惯量飞轮；•进排气几何优化。F12.4LV8发动机项目参数最大功率/kW500~550最大转矩/Nm240~260最高转速/rpm19000缸径X行程/mm98X39气缸夹角/deg90最小质量/kg95燃油压力限值/bar100F12.4LV8发动机Formula32.0L发动机项目参数最大功率/kW100~150最大转矩/Nm200~220汽缸数L4最高转速/rpm8000进气限制器口径/mm26Formula32.0L发动机•类似于民用车发动机的特征；•并联多节气门；•独具特色的稳压箱结构；•干式油底壳。Formula32.0L发动机NascarV8发动机项目参数排量/L5.5~7.0最大功率/kW300~500最大转矩/Nm500~700最高转速/rpm9000平均质量/kg200供给形式化油器NascarV8发动机•其原型以道奇HEMI系列发动机和通用LS/LT系列发动机居多；•侧置凸轮轴，每缸2气门。5.5干式油底壳5.4增压发动机•增压值一般比较高；•重视中转速的扭矩；•常采用定制涡轮或改装涡轮；•通过偏时点火技术改善响应；•特殊的空燃比和点火角；•多采用外置式排气泄压阀。密度——增压的核心•克拉伯龙方程（理想气体方程）：•增压：通过提高进气压力，增大空气密度，同时提高充气效率和质量流量；•增压比：增压后与增压前的压力比。揭秘机械增压•最初的增压方式；•曲轴带动的气泵；•经典中的经典——罗茨式压气机（Roots）。机械增压的起源•1929年，宾利机械增压的荣誉•0-400加速赛是机械增压的舞台：机械增压的特点利好•匹配方便，计算简单，宅男腐女最爱；•不提高排气背压，不影响充气效率，性价比超过限量阿迪王；•响应迅捷，毫无延迟，不卡的才是健康的。利空•先天受限，增压值小，心有余而力不足（50kpa）；•曲轴出力，消耗功率，吃里扒外老家贼(10%功率)；•转速不高（万转以下），难以用于高速发动机。涡轮增压器原理•使用排气驱动涡轮机（动能+膨胀做功）；•涡轮轴带动压气机高速转动（十万转的数量级）；•压气机向进气道内压气，实现增压。涡轮增压器的构成增压控制——排气•使用压气机增压后气体推动活塞实现泄压.增压控制——进气•并非控制压力，而是防止气压突增；•节气门后负压控制。WRC1.6T发动机（大众&雪铁龙）项目参数最大功率/kW220~250最大转矩/Nm400~500最高转速/rpm7000增压压力/kPa250进气限制器直径/mm33~34WRC1.6T发动机（大众&雪铁龙）WRC1.6T发动机（大众&雪铁龙）勒芒1.5T发动机（日产）项目参数最大功率/kW290最大转矩/Nm380最高转速/rpm8000增压压力/kPa250干重/kg40勒芒双涡轮柴油机（奥迪&标致）项目参数排量/L3.7~5.5最大功率/kW350~500最大转矩/Nm1000最高转速/rpm~5000汽缸数V6~V12汽缸夹角/deg90~120F11.6TV6发动机项目参数最大功率/kW400~450最大转矩/Nm350~400最高转速/rpm15000缸径X行程/mm80X53气缸夹角/deg90最小质量/kg145燃油流量限值/kg/h100F11.6TV6发动机•缸内直喷•热能回收系统（MGU-H，90kW）•涡轮最高转速125000rpm•禁止使用VNT•MGU-K提供120kWF11.6TV6发动机六、传动系统•6.1普通变速器•6.2序列式变速器•6.3各种自动变速器•6.4限滑差速器•6.5电控扭矩分配6.1普通变速器•最常见的手动挡；•具有同步器装置；•升挡时间0.3~0.5s；•快速降挡需跟趾动作；•可以跳跃换挡。6.2序列式变速器•通过推拉动作换挡；•无同步器；•换挡无需离合器，也无需跟趾动作；•可使用拨片换挡；•配合升挡断火，升挡时间0.1s左右；•不能跳跃换挡。6.2序列式变速器•序列式——区别于H挡•Dog-ring——区别于同步器•直齿——区别于斜齿轮6.3各种自动变速器•AT——使用液力变矩器的自动变速器；•AMT——自动机械式变速器；•DCT——双离合变速器（预选挡位变速器）•CVT——无级变速器6.4限滑差速器•普通的开放式差速器，左右两轮输出力矩相同；•限滑差速器可以使慢速车轮获得更大的扭矩；•有摩擦片式、螺旋齿轮式、凸轮滑块式、粘滞式等不同形式。6.4限滑差速器