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一级方程赛车车辆

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艾尔顿·塞纳驾驶的迈凯伦MP4/4英语McLaren MP4/4统治了整个1988年英语1988 Formula One World Championship
威廉姆斯FW15C英语Williams FW15C,它被许多人认为是有史以来技术最先进的一级方程赛车之一。
科林·查普曼设计的路特斯78英语Lotus 78及其进化版路特斯79英语Lotus 79利用了后来被国际汽车联合会在1983年禁止使用的地面效应文丘里效应)。
布朗BGP 001使用了“双重扩散器”以增加下压力,这种类型的扩散器被几支车队使用了两个赛季,后来在2011年被国际汽车联合会禁止使用。

一级方程赛车车辆(俗称一级方程赛车F1赛车)是一种使用单座、开放式驾驶舱、用于参加一级方程赛车比赛的开轮式方程赛车。赛车拥有相当坚固的前后翼,发动机位于车手身后。设计赛车的规则是一级方程赛车独有的,规定赛车必须由车队自己组装及保养,但零件设计和制造可以外包。[1]由于赛车能够产生大量下压力,因此它拥有非常高的转弯速度;一级方程赛车是世界上围绕赛道行驶速度最快的赛车。[2]由于强大的制动力英语Brake force加上一级方程赛车转弯时制造的拉力[a](total cornering envelope),[3][4]因此一级方程车手经常需要承受超过5 g的横向离心力[5]和在进弯时承受最高达7 g的离心力。[6]

车体设计

现代一级方程赛车由碳纤维和类似的超轻质材料复合材料制成。[7]2022年,规则规定赛车最低重量为798千克(1,759磅)[8](包括车手但不包括燃料),赛车在量度重量时会装上干地轮胎。[9]2014年之前,赛车的重量通常低于限制,因此车队会装上压载物(ballest)以增加赛车的重量。[10]使用压载物的优点是它可以放置在赛车任何地方上,方便管理赛车的重量分布。[11]使用压载物也有助于降低赛车的重心以提高稳定性,还允许车队通过微调赛车的重量分布以适应各个赛道。[12]

发动机

2006年世界一级方程锦标赛国际汽车联合会 (FIA) 引入了当时一种新的发动机规则,要求赛车使用2.4 L自然进气V8发动机提供动力,并且每个气缸不超过四个气门。[13]FIA还对2.4L V8发动机引入了进一步的技术限制,例如禁止可变进气阀门,以防止车队过快达到更高的转速和马力。 2009年赛季将发动机转限速制在18,000rpm,以提高发动机可靠性并降低研发成本。[13]

有一段时间,一级方程赛车一直使用3.0 L自然吸气V10发动机;持续研发导致这些发动机能产生730至750千瓦特(980至1,000匹马力)。[14]蒙扎国家赛车场上,赛车能达到375 km/h(233 mph)(由雅克·维伦纽夫索伯-法拉利创造)的最高速度。[15]车队在1990年代后期开始在发动机制造时使用特殊合金,导致国际汽联禁止发动机制造商在发动机制造中使用特殊材料;只允许使用和铁合金来制造活塞、气缸、连杆和曲轴。[13]FIA不断实施材料和设计限制以限制发动机功率。即使有这些限制,在2005年世界一级方程锦标赛中的V10发动机仍然能够产生730千瓦特(980匹马力),这是在1989年禁止涡轮增压发动机之前从未见过的发动机功率水平。[14]资金较少的车队可以选择保留V10发动机,但需要装上转限速制器英语rev limiter以保持公平。[16]唯一选择此选项的车队是红牛第二车队[17]

在2012年当转限速制为18,000rpm时,发动机每秒消耗大约450升(16立方英尺)空气;[18]比赛燃料消耗率通常在75升每100千米(3.8英里每英制加仑;3.1英里每美制加仑)左右。[18]

所有赛车的发动机都位于车手和后轴之间。[19]在大多数赛车中,发动机是受力部件,意味着发动机是赛车结构支撑框架(structural support framework)的一部分,发动机前端用螺栓固定在驾驶舱上,后端用螺栓固定在变速器和后悬架上。[20]

2004年,车队不能在一个完整的比赛周末更换发动机。[21]2005年,发动机至少需要持续在两个完整的比赛周末中使用;如果车队在两场比赛之间更换发动机,他们将受到十个发车位的处罚。[22]2007年,这条规则略有改变,车队不能在周六排位赛和周日的正赛更换发动机,但可以在周五的练习中更换发动机。规则变更的目的是为了鼓励车队参加周五的练习赛。[23]2008年,规则与2005年和2006年的相同,发动机至少需要持续在两个完整的比赛周末中使用。[24]然而,在2009年赛季,车手在整个赛季中最多使用八台发动机,这意味着有几台发动机必须持续在三个比赛周末中使用。因为车队必须选择哪些比赛使用新的或使用旧的发动机,所以这种限制发动机使用的规则,也增加了战术的重要性。[25]

来到2014年,所有一级方程赛车都配备了1.6 L V6涡轮增压发动机。涡轮增压器早在1989年就被禁止使用,重新使用涡轮增压器会提高高达29%的燃油效率。[26]梅赛德斯AMG车队早早在赛季中占据主导地位的众多原因之一是因为梅赛德斯涡轮增压器的压缩机位于发动机的一侧,而涡轮则位于另一侧,两者都通过一根穿过发动机的V形轴连接起来。这种设计的好处是空气不会通过太多的管道,从而减少涡轮延迟(turbo lag)并提高赛车的速度。此外,因为压缩机里程热涡轮更远,所以通过压缩机的空气更冷。[27]

传动系统

路特斯T127英语Lotus T127赛车后悬挂元件中的变速器,摄于2010年

一级方程赛车由后轮驱动,并使用高度自动化、带有换挡拨片、包含8个前进档(2014赛季前,一级方程赛车的变速器只有7个前进档[29])和1个倒后档的半自动顺序变速器[30][31]因为散热是一个关键问题,所以变速器由碳钛合金制成,并用螺栓固定在发动机后部。[32]为了维持车手实力、加强车手参与控制赛车的比重,[33]并确保没有车队非法使用这些系统来获得竞争优势和保持成本下降,[32][34]全自动变速器[35]以及牵引力控制英语Traction control system[36]等系统分别在2004年[37][38]2008年开始被禁止使用。[39][40]车手使用安装在方向盘背面的拨片换档,赛车使用先进的电磁阀液压执行器传感器执行实际换档。除了从静止(即静止、空档)启动到一档时,车手使用安装在方向盘背面的杠杆手动操作离合器,离合器控制英语Clutch control在大部分时间都是由电动液压系统执行。[41]最后一辆一级方程赛车配备传统手动变速器是参加1995赛季的富通FG01英语Forti FG01[42]

现代一级方程离合器采用多片碳纤维设计,离合器直径小于100 mm(3.9英寸),[41]重量小于1千克(2.2磅)并处理大约540千瓦特(720匹马力)。[14]2009年赛季开始,所有车队都使用“无缝换档变速器”。这种变速器能够接近实现即时换档,同时将马力损失降至最低,现代一级方程赛车的换档延迟时间在2-3毫秒内。[43]为了降低成本,变速器必须连续使用五场比赛,在五场比赛的下限之前更换变速器将会被罚退5位。[44]

空气动力学

空气动力学已经成为在一级方程中取得成功的关键,各车队每年为空气动力学的研发投入数千万美元。[45]

赛车设计师有两个主要目标:产生下压力,帮助将赛车的轮胎推到赛道上以改善转弯力;并最大限度地减少由湍流引起,减慢赛车速度的阻力。[46]

几支车队在1960年代后期开始尝​​试在赛车上加上头翼和尾翼。赛车头翼和尾翼的原理与飞机机翼相同,但一级方程赛车的翼产生下压力而不是升力。由于赛车产生巨大的下压力,现代一级方程赛车能够产生6 G的横向转弯力。[47]由赛车空气动力设计所产生的下压力通常大于赛车的重量。理论上当赛车高速行驶时,它可以在倒置的表面上行驶:例如在天花板上。[48]

路特斯英语Team Lotus、法拉利和布拉汉姆在1968年率先使用空气动力学来增加一级方程赛车的抓地力。[49]起初,路特斯为诺曼·格雷厄姆·希尔路特斯 49B英语Lotus 49B1968年摩纳哥大奖赛上安装前翼和扰流板,然后布拉汉姆和法拉利在1968年比利时大奖赛上把车翼安装在车手上方的支柱上。[50]

早期的活动户外车翼和试验发生了一些严重的事故,因此在1970年,国际汽车联合会引入了限制车翼尺寸和位置的规则。[51]随着时间的推移,类似的规则至今仍在使用。[52]

迈凯伦MP4-21英语McLaren MP4-21的后发动机罩设计将气流引导至尾翼

在1960年代后期,Chaparral 的 Jim Hall 首次把“地面效应”引入一级方程。[53]在1970年代中期,路特斯车队的工程师发现赛车可以通过在底部创建一个翼型结构来制造成一个巨大的机翼,促使气流移动,从而增加下压力。[54]Gordon Murray 从他的 Chaparral 2J 赛车中应用了 Jim Hall 的另一个想法(直接利用风扇强行加速流经车底的空气,空气流速越高压力就越低),设计了布拉汉姆BT46B英语Brabham BT46B[55]赛车有一个散热器风扇,它还可以从赛车下方的裙边区域抽出空气,从而产生巨大的下压力。[56]在受到其他车队的投诉后,车队在一场比赛后就没有再次使用BT46B。[57]随后规则的变化限制了地面效应,首先是禁止使用用于保持低压区的裙边,然后封禁了“阶梯式底板”。[58]

尽管大多数车队的空气动力学部门使用了风洞和计算流体力学(CFD),[59]但一级方程空气动力学的基本原则仍然适用:以最小的阻力产生最大的下压力。[46]安装在前部和后部的主翼根据不同的下压力要求而配备不同的轮廓。[47]在摩纳哥这样狭窄、缓慢的赛道,赛车需要非常激进的机翼,车队在后翼上安装两个独立的“小翼”(规则允许每辆赛车最多只能安装两个小翼)。相比之下,在蒙扎这样的高速赛道,车队会把头翼和尾翼的角度降低,并去除赛车上的小翼,以减少阻力并提高在直道上的速度。[60]

现代一级方程赛车的尾翼具有三个空气动力学部件(1、2、3)。在尾翼的端板上可看到一排用于调整攻角(4)和安装另一个元件(5)的孔。

现代一级方程赛车的每一个表面,从悬架连杆的形状到车手头盔的形状,都加入了空气动力学的元素。[61]当气流碰到车身,气流便会中断,并产生湍流,从而产生阻力,这会使赛车减速。[62]减少阻力所需要的工作与增加下压力所需要的一样多。从安装在车翼上以防止涡流形成的垂直端板到安装在尾翼低处的扩散板,他们都有助重新平衡已经从赛车下方通过,流动更快的空气压力,否则会在赛车尾部产生一个低压“气球”。[63]同时,赛车必须确保良好的气流供应以帮助发动机和制动散热。[64]

近年来,大多数一级方程车队都试图效仿法拉利的车体设计,将车尾放低和收窄,这种设计减少了赛车的阻力。安装在赛车侧面的引流板也有助于塑造空气流动并尽量减少湍流。[65]

2005年引入的规则变更迫使空气动力学家需要变得更有创意。为了降低速度,国际汽联通过抬高前翼、将后翼向前移动和修改扩散器轮廓来减少赛车的下压力。[66]设计师们很快通过各种复杂而新颖的解决方案弥补了损失的下压力,例如在迈凯伦MP4-20英语McLaren MP4-20上出现的“喇叭”小翼。[67]根据国际汽联在2009年实施更严格的空气动力学规则,大部分的解决方案都被封禁了。[68] 规则变化旨在降低跟车以及超车难度,使比赛更加精彩。[69]新规则将一级方程赛车带入了另一个新时代,赛车的前翼更低更宽,尾翼更高更窄。然而,也许最有趣的变化是赛车新增了“可调节的空气动力学部件”,车手能够在比赛期间从驾驶舱对前翼进行有限的调整。[70]

2009年雷诺R29英语Renault R29上的扩散器。扩散器是安装在赛车尾部的空气动力学部件,带有垂直叶片。自1980年代后期以来,扩散器一直是一级方程赛车必要的空气动力学部件。

前翼和尾翼在1960年代后期出现。到1960年代末,前翼和尾翼已成为所有方程赛车的标准配置。图为1969年的马特拉-考斯沃斯MS80。

早期的设计将前翼和尾翼直接连接到悬架上,但因几起事故而导致规则规定前翼和尾翼必须牢固地固定在车架上。[71]一级方程赛车空气动力学设计的宗旨是以最小的阻力提供最大的下压力;赛车每一个部分的设计都考虑到了这点。像大多数开轮式赛车一样,一级方程赛车具有大的前翼和尾翼,但它们比美国的开轮式赛车要先进得多,后者较依赖于悬挂调校。[72]一级方程赛车前翼和后翼经过极其精细的调整,车身的其他部分,例如鼻头下方的转向叶片、引流板、侧箱、车身底部和尾部扩散器,它还具有引导气流的空气动力学部件。[73]如此顶尖的空气动力学发展水平使一级方程赛车产生的下压力比任何其他开轮式赛车都要大。[74]例如印地赛车在190 km/h(118 mph)时产生与赛车重量相等的下压力(即下压力与重量比例为1:1),而一级方程赛车在125至130 km/h(78至81 mph)和190 km/h(118 mph)比例大约为2:1。[75]

雷诺R30英语Renault R30上的低下压力规格前翼。前翼对赛车的转弯速度和操控性有很大影响,车队会根据赛道的下压力要求而更换不同规格前翼。

引流板的设计、形状、配置、调整和定位不是像传统的翼或车身底部文丘里管那样直接产生下压力,而是通过赛车边缘溢出的空气产生涡流。[76]使用涡流是一级方程赛车的一个重要特征。[77]由于涡流是一种旋转流体,会在中心产生一个低压区,因此产生涡流会降低空气的整体局部压力。[78]因为低压区允许正常的大气压力将赛车向下压,所以赛车需要低压区;[79]产生涡流可以增加下压力,同时仍遵守禁止地面效应的规则内。[80]

威廉姆斯丰田布朗车队赛车上使用,被称为“双重扩散器”的独特扩散器设计让2009赛季的一级方程赛车受到了很多质疑。[81]布朗车队老板罗斯·布朗称双重扩散器设计是“一个创新的发明”。[82]2009年中国大奖赛之前,国际汽车联合会巴黎开会,听取了许多车队的上诉,并宣布使用双重扩散器是合法的,[83]但随后在2011赛季,双重扩散器被禁止使用。[84]2010和2011赛季的另一个争议点是红牛赛车的前翼。几支球队抗议声称该翼违反了规定。[85]在赛道上拍摄的短片显示,红牛赛车的前翼在高速行驶时外侧弯曲,随后产生了更大的下压力。[86]国际汽联对红牛赛车的前翼进行调试,没有发现前翼违反了任何规定。[87]

2011年,新的减阻系统DRS推出。[88]DRS允许车手调节尾翼的角度以减少空气阻力,从而使赛车获得更快的速度,以达到超车的目的,亦使比赛的观赏性大大增强。[89]系统由电子控制,DRS可以在练习和排位赛中在DRS区域内使用(除非车手使用湿地轮胎),但在比赛期间,后车只能在赛道的规定的超车区域(DRS区域)及后车和前车的时间差为一秒以内时,后车才可以启用DRS。一旦车手刹车,系统就会被停用。然而,车手、车迷和专家对DRS系统的接受程度却有所不同。引用一级方程车手罗伯特·库比卡的话:“两年来都没有在一级方程看到任何超车动作。”[90]因为实际上DRS并没有需要车手技能才能成功超车,所以表明了DRS是在赛道上一种不自然的超车方式。[91]

鼻筒

鼻筒有三个主要用途:[92]

  1. 把前翼和车体连结的结构。
  2. 将气流引导到赛车底部的扩散器。
  3. 在发生事故时充当赛车的减震器。
梅赛德斯-AMG F1 W12 E Performance驾驶舱后面的气箱,表面印上赞助商英力士的标志。

鼻筒是由碳纤维制成的中空结构,它们吸收碰撞时的冲击力,防止冲击力对车手造成伤害。[93]

气箱

在驾驶舱后面有一个叫做气箱的结构。气箱用作接收高速流动的空气并将它供应到发动机的进气歧管,冲压效应将高速气流压缩并加压,高压气流会增强发动机动力。[94]另外,因为高压气流经过车手的头盔上方,所以供给气箱的气流全都是湍流。气箱接收这些湍流,防止它与其他部件一起扰乱层流[95] 气箱的第二个优点是它的表面面积很大,车队能在上面印上很多赞助商的标志,增加额外的广告收入。[96]

地面效应

夏尔·勒克莱尔驾驶使用了地面效应的法拉利F1-75阿尔伯特公园赛道进行2022年澳大利亚大奖赛的第三节自由练习。

一级方程的规则严重限制赛车使用地面效应。地面效应是一种能同时产生巨大下压力且不会制造很多阻力的方法。[97]规则列明,车架与车轴之间必须是水平的。一块10毫米厚的木板或防滑块英语skid block放在车底下,以防止赛车跑得太低而接触到赛道表面。[98]在比赛前后,裁判会测量防滑块的厚度;[99]如果比赛结束后防滑块的厚度小于9毫米,赛车将被取消资格。[100]

一级方程赛车通过扩散器制造大量下压力。地面效应有坏处,例如头翼和尾翼尺寸的限制(地面效应需要在高攻角赛车才能产生足够的下压力)[101]以及由开放式车轮产生的涡流导致赛车的阻力系数很高(根据米纳尔迪车队技术总监加布里埃尔·特雷多齐英语Gabriele Tredozi所说,阻力系数约为1,现代汽车的阻力系数约为0.25至0.35之间[102])。因为阻力而失去的时间可以通过极高速度转弯能力而得到补偿。[103]车队在每条赛道都会有不同的空气动力学配置:低阻力配置适用于高速赛道,如蒙扎国家赛车场;高下压力配置适用于较低速和多弯的赛道,如摩纳哥赛道[104]

规则

根据2009年的规则,国际汽联禁止赛车使用用于操纵赛车气流以减少阻力并增加下压力的小型翼梢和其他空气动力学部件(除了前翼和尾翼)。[68]目前,前翼的特殊形状是为了将空气导向所有小翼和引流板,使气流顺畅。当前翼无法导流经过车身的空气时,赛车的各个部分都会产生很大的阻力。[105]2009年,尾翼的宽度减少了25厘米,前翼的中心部分被标准化,以阻止车队开发前翼。[68]赛车在2017年改变了很多,规则允许前后翼和轮胎变得更宽。[106]

在混动时代,车手们都注意到,由于来自领先赛车所制造的的大量湍流或“肮脏空气(Dirty Air)”减少了紧随其后赛车的空气动力学性能,所以赛车难以紧跟在其他赛车后面,特别是在试图超车时。[107]因此在2022年,国际汽联对赛车的空气动力学特性进行改造,以减少领先赛车所制造的“肮脏空气”,让超车变得更容易。[108]赛车的前翼、侧箱和后翼都经过重新设计,把湍流向上引导。赛车使用18英寸更大的轮胎,以限制轮胎旋转时产生的涡流[109]

方向盘

一个路特斯F1车队2012年使用的方向盘,带有一系列复杂的开关、旋钮和按钮。

车手能够使用方向盘微调赛车的设定。[110]方向盘可用于换档,启用转限速制器,调整燃料/空气混合的比例,改变制动器压力,并与车队工作人员沟通。[111]液晶显示屏上显示了发动机转速、单圈时间、速度和档位等数据。[112]方向盘还包含换档拨片和一排LED换档灯英语Shift light。方向盘使用碳纤维制造,重1.3公斤,大约价值50,000美元[113]2014年梅赛德斯等车队选择在​​方向盘上使用更大的液晶显示屏,让车手可以看到额外的信息,例如燃油流量和扭矩输送等数值。[114]

燃油

一级方程赛车中使用的燃油与普通(高级)汽油非常相似,但燃油混合控制更加严格。[115]一级方程燃料属于高辛烷值优质道路燃料,辛烷值为95至102。自1992年赛季起,所有一级方程赛车都必须使用无铅赛车汽油。[116]

一级方程赛车燃油经过调整,可在不同的天气条件或不同的赛道上实现最佳性能。在比赛期间,车队被限制使用特定重量的燃料。因为燃料的能量含量取决于其质量密度,车队会使用比水的密度更大的高密度燃料混合物。[117]

为了确保车队和燃料供应商不违反燃料规定,FIA要求 Elf、壳牌美孚1号马石油和其他燃料供应商提交他们为车队提供燃料的样本。[118]在任何时候,国际汽联检查员都可以向车队索取样本,以比较比赛期间赛车中的燃油与燃料供应商提交的样本。[119]车队通常遵守这条规则,但在1997年,在国际汽联确定迈克尔·哈基宁的燃料不是正确配方后,国际汽联取消了他在比利时大奖赛的成绩。[120]在1976年意大利大奖赛,国际汽联发现迈凯伦赛车燃油的辛烷值过高,两位迈凯伦车手在正赛需罚退至最后发车格发车。[121][122]

2022赛季的燃油需要加入10%乙醇,以减少赛车的二氧化碳排放量,但同时发动机输出也会减小。[123][124]

轮胎

光头胎在2009年重返一级方程,以取代原有的带有凹槽的轮胎

2009年,一级方程赛车重新使用了光头胎作为比赛用胎,取代了从1998年2008年期间使用的凹槽轮胎。[125]

根据规则,后轮胎的宽度不能超过405 mm(15.9英寸),2017年前轮胎的宽度从245 mm扩大到 305 mm。[126]与燃油不同,一级方程轮胎和普通轮胎在外观上较为相似,但是一级方程轮胎的使用寿命仅有数百公里,远低于普通民用车轮胎数千甚至上万公里的使用寿命。但普通轮胎并不能承受F1比赛中赛车对轮胎的巨大压力,因此普通轮胎和赛车轮胎之间并没有可比性。为了最大限度地提高抓地力,一级方程轮胎使用非常柔软的化合物,以确保轮胎表面尽可能地贴合路面。[127]

2007年开始,一级方程就拥有了独家轮胎供应商。从2007年到2010年,这是普利司通是独家轮胎供应商,[128]但在2011年,意大利轮胎制造商倍耐力取代普利司通,成为一级方程的独家轮胎供应商并持续至今。[129]一级方程轮胎有七种配方;五种干地配方(C1到C5)和两种湿地配方(半雨胎:用于没有积水的潮湿赛道,全雨胎:用于有积水在赛道表面)。每个比赛周末前倍耐力都会在下列五种轮胎配方中选择三种作为比赛用胎。比赛周末期间,车队可以自由搭配每种轮胎配方干胎的数量,但每位车手只能使用13组干胎。每个轮胎都必须装上独一无二的识别码,以便在比赛期间进行追踪和检查。倘若赛道湿滑或正在下雨,车队可自行确定是否使用湿地用胎;每场比赛车队都会获得七套湿地用胎,四套半雨胎和三套全雨胎。倍耐力会因应比赛周末整体使用情况而额外供应湿地用胎给全部车队。[130] 较硬的轮胎更耐用,但抓地力较差,而较软的轮胎则相反。2009年,光头胎回归。相比凹槽轮胎,没有凹槽的光头胎与赛道表面的接触增加了18%。在普利司通时代,在软胎的轮胎壁被涂成绿色来作区分,让观众可以分辨出车手使用的是哪个轮胎。从2019年开始,倍耐力取消了为每一种轮胎配方单独命名和分配颜色的轮胎命名系统,改为在每场大奖赛上,轮胎壁被分别涂成白色、黄色和红色以表示硬、中和软,更改的目的是为了让车迷更容易了解不同种类的轮胎。[131]

2022年开始,所有轮胎的尺寸将由原先的13英寸增大至18英寸轮胎。[132]

倍耐力为2022赛季每场比赛提供的七种轮胎配方
配方 颜色 种类 驾驶环境 抓地力 耐用性
C1 F1 tire Pirelli PZero White 18.svg 硬胎
(Hard)
白色
Does not appear 光头胎 干地 5(最低抓地力) 1(最耐用)
C2 F1 tire Pirelli PZero Yellow 18.svg 中性胎
(Medium)
黄色
Does not appear 4 2
C3 F1 tire Pirelli PZero Red 18.svg 软胎
(Soft)
红色
3 3
C4 Does not appear 2 4
C5 Does not appear 1(最高抓地力) 5(最不耐用)
F1 tire Pirelli Cinturato Green 18.svg 半雨胎
(Intermediate)
绿色
花纹轮胎 湿地 (无积水) 不适用
F1 tire Pirelli Cinturato Blue 18.svg 全雨胎
(Wet)
蓝色
湿地 (有积水) 不适用
来源:[133]

制动系统

制动碟由每个车轮上的转子卡钳组成。[134]因为碳复合材料转子具有出色的摩擦、热和抗翘曲性能,所以一级方程车队用它代替钢或铁。[135]一级方程赛车的制动系统可在高达1,000摄氏(1800°F)的极端温度下工作,车手可以因应赛道条件或燃油负载的变化控制前后制动压力比重。[136]规则规定制动必须由机械而不是电子控制的,因此制动系统通常由驾驶舱内的杠杆操作,而不是在方向盘上控制制动系统。[137]

一辆一级方程赛车平均可以在15米(48英尺)内从100公里/小时减速至0公里/小时(62到0英里/小时)减速,而宝马 M3需要31米(102英尺)。[138]当在更高的速度制动时,下压力能协助实现大幅度的减速。在高速赛道,例如吉尔·维伦纽夫赛道加拿大大奖赛的赛道)和蒙扎国家赛车场意大利大奖赛的赛道),制动时产生的离心力平均达4.5 g至5.0 g(44至49 m/s2),[139]最高可达5.5 g(54 m /s2) 。[140]这与普通跑车的1.0 g到1.5 g(10到15 m/s2)相差甚远(布加迪威龙据称能够达到1.3 G)。[141]一级方程赛车可以在2.9秒内从200公里/小时(124英里/小时)减速至完全停止,制动里程仅需65米(213英尺)。[142]

目前布雷博英语BremboAP 赛车英语AP RacingAkebono英语Akebono Brake Industry日科英语Hitco是一级方程的制动系统供应商。[143]

性能

法拉利F2002英语Ferrari F2002被誉为有史以来最成功的一级方程赛车之一。[144]

每辆一级方程赛车都能够在不到5秒的时间内从0加速至160公里每小时(0至99英里每小时)并减速至静止状态[145]

一级方程赛车除了直线速度快之外,还具有很强的转弯能力。由于一级方程赛车拥有更高的抓地力和下压力,它们可以比其他赛车以更高的速度通过弯道。[146]转弯速度如此之快,以至于一级方程车手需要针对颈部肌肉进行训练。前一级方程车手胡安·巴勃罗·蒙托亚声称,他能够使用脖子举起23千克(50英磅)的重物300次。[147]

一级方程赛车很轻(2022年赛车最低重量为798 kg)、[148]但发动机功率很大:3.0 L V10发动机达670-710千瓦特(900-950匹制动马力),2007年的2.4 L V8发动机达582千瓦特(780匹制动马力),2016年的1.6 L V6涡轮发动机达710千瓦特(950匹制动马力)。[149]这两项因素加上赛车强大的空气动力效率和超高性能轮胎使一级方程赛车拥有很高的性能。一级方程赛车可以达到的最高速度不是亮点,加速的速度才是一级方程赛车令人惊讶的地方。赛车性能以三种类型的加速来评估,分别是:

  • 直线加速(普通加速)
  • 直线减速(制动)
  • 横向加速(转弯)

加速

一级方程赛车的功率重量比是1,400 马力/ (1.05 kW/公斤;1,270 马力/美吨;0.635 马力/)。[150]理论上,赛车能在不到1秒的时间内加速至100 km/h(62 mph)。然而,由于赛车在发车时缺乏牵引力,导致功率流失,所以通常赛车需要2.5秒才能加速至100 km/h(62 mph)。当赛车加速至130 km/h(80 mph)之后,由于赛车速度更快和下压力的影响,牵引力损失降到最小,因此赛车能继续以非常高的速度加速。[151]以下加速速度数据属于2016年冠军赛车梅赛德斯F1 W07 Hybrid[152][153]

  • 0至100 km/h(62 mph): 2.4秒
  • 0至200 km/h(124 mph): 4.2秒
  • 0至300 km/h(186 mph): 8.4秒

从0加速至200 km/h(124 mph)的离心力通常是1.45 g(14.2 m/s2),意味着车手被座椅以地球重力1.45倍的力挤压。[154]

动能回收系统(KERS)回收赛车在制动时产生的动能,把它储存并转化为可用于提高加速速度的能量。[155]KERS重35千克(77磅),通常能增加80 hp(60 kW)。KERS主要有两种系统:电力和机械飞轮。电流制式与在变速器中的电动发电机结合,将机械能转换为电能,反之亦然。当车手按下KERS按钮时,电流制式就会将存储在电池中的电力释放。机械系统回收制动时产生的能量并使用它来转动一个小飞轮,小飞轮的旋转速度可达80,000 rpm。当车手按下KERS按钮时,飞轮便会连接到赛车的后轮,让赛车加速。与电流制式相比,机械系统不需要转换能量,因此机械系统更有效。[156]液压系统是另一种类型的KERS,它把制动时产生的能量用于积累液压,然后在需要时将其发送到车轮,让赛车加速。[157]

减速

索伯C30上的刹车。

碳制刹车与轮胎和赛车的空气动力学相结合,使赛车能够实现巨大的减速。[134]赛车在刹车时能够产生4 g(39 m/s2)离心力。[158]当从高速,例如在吉尔·维伦纽夫赛道印第安纳波利斯赛车场制动时,最高可达5-6 g离心力[159]2007年,著名赛车评述员及前一级方程车手马丁·布伦德尔英语Martin Brundle调试了威廉姆斯-丰田FW29一级方程赛车,并表示在猛烈制动时,他感觉自己的肺正在撞击他的胸腔内侧,迫使他不由自主地呼气。[160]阻力在制动时有所帮助,并且可以贡献多达1 g的制动力,相当于大多数公路跑车的制动力。[161]换句话说,当一级方程赛车在行驶速度至少高于250千米每小时(160英里每小时)时松开油门,一级方程赛车靠阻力减速的速度与大多数跑车在制动时的速度相同。[134]

目前有三家公司为一级方程车队制造制动。它们分别是日科英语Hitco(总部位于美国,隶属于 SGL Carbon Group)、意大利的布雷博英语Brembo和法国的 Carbone Industrie。日科自己生产碳纤维增强碳,布雷博从霍尼韦尔采购,Carbone Industrie 则从 Messier Bugatti 购买碳纤维增强碳。[143]

碳/碳是碳纤维增强碳的简称。[162]碳纤维增强了碳的基质,通过基质沉积(CVI英语Chemical vapor infiltrationCVD)或通过热解树脂粘合剂将碳添加到纤维中,制造出碳纤维增强碳。[163]

一级方程赛车制动的直径为278 mm(10.9英寸),最高厚度为32 mm(1.3英寸)。[134]碳/碳刹车片由 Akebono英语Akebono Brake IndustryAP 赛车英语AP Racing布雷博英语Brembo提供的六活塞对置卡钳驱动,卡钳为铝合金体,带有钛活塞。规则将卡钳材料的模量限制为80 GPa,以防止车队使用特殊的高比刚度材料,例如铍。钛活塞减轻了赛车的重量,而且导热率低,降低了制动的温度。[164]

横向加速(转弯)

一级方程赛车的空气动力可以产生高达赛车重量三倍的下压力。[165]事实上,在130 km/h(81 mph)的速度下,下压力的大小与赛车的重量相等。[166]在低速转弯时,横向转弯力能达到2.0 g。在以210 km/h(130 mph)转弯时,例如铃鹿赛道的 esses(3号和4号弯),横向转弯力能达到3.0 g。Blanchimont(斯帕-弗朗科尔尚赛道)和 Copse(银石赛道)等高速弯道能够达到5.0 g,铃鹿的130-R甚至能达到6.0 g。[167]这与高性能公路车的最大转弯力有很大分别,例如法拉利恩佐在斯帕-弗朗科尔尚赛道转弯时最高只达到1.5 g。[168]

由于产生横向加速度的力主要是摩擦力,并且摩擦力与施加的法向力成正比,强大的下压力允许一级方程赛车以非常高的速度转弯。[169]作为极高转弯速度的例子;斯帕-弗朗科尔尚赛道的 Blanchimont 和 Eau Rouge 弯道以高于300 km/h(190 mph)的速度转弯,而比赛规格的房车只能在150-160 km/h之间转弯(注意横向转弯力随速度提升而增加)。[170]一个甚至可能更极端的例子是伊斯坦布尔赛车场的8号弯,这是一个190°而又狭窄的四弯心(Apex)弯道,赛车保持在265至285 km/h(165至177 mph)之间的速度转弯,车手需要承受7秒4.5 g至5.5 g的离心力。[171]

最高速度

2005年的英美车队-本田赛车在邦纳维尔赛道英语Bonneville Speedway创下了413 km/h(257 mph)的非官方速度记录。

在比赛中,赛道上最长直道的长度限制赛车的最高速度,并且车队需要在高直线速度(低空气动力阻力)和高转弯速度(高下压力)之间平衡赛车的空气动力学配置,以实现最快的单圈时间。[172]在2006赛季,一级方程赛车在澳大利亚阿尔伯特公园赛道和马来西亚的雪邦国际赛道等高下压力赛道上达到的最高速度略高于300公里/小时(185英里/小时)。由于从2004年开始实施的性能限制(见下文),赛车的最高速度下降了10 km/h(6 mph)至15 km/h(9 mph)。在低下压力赛道上,赛车能达到更高的最高速度:在吉尔·维伦纽夫赛道(加拿大)能达到325公里/小时(203英里/小时),在印第安纳波利斯赛车场(美国)能达到335公里/小时(210英里/小时),在蒙扎国家赛车场(意大利)能达到360 km/h(225 mph)。[173]2005年意大利大奖赛前的调试中,迈凯伦车队胡安·巴勃罗·蒙托亚创下了372.6公里/小时(231.5英里/小时)的最高速度记录,[174]尽管它不是在大奖赛周末上创下,但这被国际汽联正式承认为有史以来一级方程赛车能达到的最快速度。在2005年意大利大奖赛中,迈凯伦车队的基米·莱科宁创下了370.1公里/小时(229.9英里/小时)的大奖赛周末最高速度记录。这一纪录在2016年墨西哥大奖赛威廉姆斯车手瓦尔特里·博塔斯打破,他在正式比赛中达到372.54公里/小时(231.48英里/小时)。[175][176]然而,即使这些信息显示在国际汽联的官方监视器上,国际汽联还没有接受它作为官方记录。[151]博塔斯此前在2016年欧洲大奖赛的排位赛中创造了更高的最高速度记录,记录的速度为378.035 km/h(234.9 mph)。因为目前纪录的唯一来源是威廉姆斯车队的Twitter帖子,这个最高速度尚未得到官方的确认,[177]国际汽联的官方数据测得博塔斯的速度为366.1公里/小时。[178]目前,蒙托亚的速度372.6千米每小时(231.5英里每小时)仍然是官方记录。

在2005年11月6日,英美车队使用了经过改装的BAR 007赛车,在邦纳维尔赛道英语Bonneville Speedway上,创下了413 km/h(257英里/小时)的非官方最高速度记录他们声称赛车符合一级方程赛车的规定。[179]赛车针对最高速度进行了优化,只保留足够的下压力来防止赛车离开地面。[180]于2006年7月21日,赛车在邦纳维尔赛道创下了国际汽联认证的400公里/小时(249 英里/小时)的最高速度记录。[181]因为赛车使用可移动的空气动力方向舵来进行稳定性控制,违反了2006年一级方程赛车技术规定的第3.15条,规则列明,赛车的空气动力学性能必须得到严格保证,所以在这种情况下,这辆赛车并没有完全符合国际汽联对一级方程赛车的规定。[182]

国际汽车联合会实施的性能限制措施

威廉姆斯FW14英语Williams FW14-雷诺及其进化版威廉姆斯FW15C英语Williams FW15C(如图)被认为是有史以来技术最先进的赛车。在1994年国际汽联禁止了车队使用主动悬架系统和随附的电子设备之前,它们在1990年代初期赢得了27场大奖赛和36个杆位。
1979年较宽的迈凯伦M28英语McLaren M28
2011年较窄的红牛RB7

为了降低速度并提高赛车的安全性,国际汽联自1980年代以来不断为一级方程引入新规则。

这些规则包括在1983年英语1983 Formula One season禁止赛车使用地面效应[183](地面效应在2022年世界一级方程锦标赛中被解禁[184]);在1984年英语1984 Formula One season禁止赛车使用涡轮增压器[185](涡轮增压器在2014年世界一级方程锦标赛中被解禁[186]);在1994年英语1994 Formula One season禁止赛车使用发车控制英语Launch control (automotive)牵引力控制英语Traction control system主动悬架ABS[187](发车控制和牵引力控制其后被解禁,但国际汽联分别在2004年2008年把两项技术重新封禁[188][189]);在1998年禁止赛车使用光头胎[190](光头胎在2009年重返一级方程[191]);在1995年英语1995 Formula One season,国际汽联缩小了前后翼的宽度,发动机容量也从3.5升减少到3.0升[192];在1998年将赛车的宽度从超过2米减少到1.8米左右[193]和在2006年中再次将发动机容量从3.0升减少到2.4升。[194]尽管实施了这些性能限制措施,车队仍继续通过提高动力和空气动力效率来获得性能提升。在差不多的天气条件下,许多赛道的杆位时间在2004年比上一年加快了1.5至3秒。在2005年引入的空气动力限制措施将赛车的下压力减少约30%,但大多数车队能够靠持续的研发成功地将限制从30%减少到仅5%至10%的下压力损失。[195]2006年,一级方程从使用了十年的3.0L V10发动机转向使用2.4L V8发动机,发动机功率减少幅度从710至560千瓦特(950至750匹制动马力),但其中一些新发动机仍然能够在2006赛季达到20,000rpm。[194]国际汽联在2007年冻结了发动机开发被并且限制了所有发动机转速最高只能达到19,000 rpm,以提高发动机的可靠性。[196]

2008年,国际汽联进一步加强了削减赛车研发成本的措施,规定变速器和发动机分别需持续在4个和2个大奖赛周末中使用。[197]此外,所有车队都必须使用由迈凯伦电子系统英语McLaren Electronic Systems微软联合提供的电子控制器[198]这些电子控制器限制了使用牵引力控制和发车控制等电子辅助驾驶设备,并贴上了防止修改的标签。[199]限制措施的重点是降低赛车研发成本以及将一级方程比赛重点重新放在车手技能上,而不是主要控制赛车的所谓“电子小玩意”。[200]

2009年,一级方程重新使用光头胎,以增加赛车的机械抓地力并创造超车机会。[191]同时,国际汽联更改了规则,赛车需要使用更宽更低的前翼和更窄和更高的尾翼;以及将扩散器向后移,扩散器在产生下压力时会变得更高但产生更小的下压力。[201]因为国际汽联禁止了赛车使用复杂的空气动力部件,例如小翼、引流板和引导赛车气流的空气动力装置,所以赛车的抓地力显著降低。[202]最高发动机转速也降至18,000rpm,以进一步提高发动机可靠性并延长发动机寿命。[25]

由于来自环保团体的环境压力,许多人质疑一级方程能不能作为未来汽车科技的先驱(尤其是与高效能汽车有关的科技),国际汽联被要求考虑如何让这项运动变得更环保。[203]因此2009年除了更改了上述的规则外,车队还被邀请研发一个动能回收系统(KERS),包括再生制动系统,以便及时在2009年安装到赛车上。[204]动能回收系统统旨在减少在制动过程中转化为废热的动能,将其转化为有用的形式(例如飞轮中的能量),然后传送回发动机以提升动力。然而,与自动储存和释放能量的公路汽车动能回收系统不同,能量只有在车手按下按钮时才会释放,并且可以使用长达​​6.5秒。[155]能量能够额外提供400 kJ和60千瓦特(80匹马力),它与印第赛车A1GP汽车大奖赛中的“手动超车英语Push-to-pass”相似。因为一级方程车队协会集体同意在2010赛季不使用KERS,所以KERS没有在2010赛季中出现。[205]然而,除了伊斯巴尼亚车队维珍车队路特斯车队之外的所有车队都在2011赛季中使用KERS。[206]

2014赛季规则将发动机的最大燃油流量限制在100 kg/h,规则变更使最大发动机功率输出从规则变更前的550 kW降低到约450 kW。[207]规则还将电动电动机的功率限制加倍至120 kW,并允许KERS使用的最大能量增加到每圈4 MJ,充电限制增加到每圈2 MJ。[208]

备注

  1. ^ 由轮胎摩擦、机器的质量和赛车产生的下压力所组成

参见

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外部链接