方程式赛车悬架设计论文研究方法

一级方程式赛车的外形非常奇怪，与一般汽车大不一样，它的车身特别矮，前面还装有一块薄板，车轮却又宽又大。赛车为什么要设计成这种怪模样呢？方程式赛车的速度特别快，因此，车身矮有利于减少空气阻力。车身前面的薄板叫扰流板，装上它之后，就能防止赛车高速行驶时迎面而来的气流下钻，减小其举升力。同时，汽流改由车顶通过反而增强了赛车轮胎和地面的附着力，提高了赛车操纵的稳定性。赛车的轮胎特别宽大是为了最大限度地增强赛车的地面附着力。赛车在急转弯或加速时，重量主要落在后轮上，因此，赛车的后轮设计得更为宽大以增加车辆的稳定性。比赛中，赛车经常驶入维修站，更换轮胎后重新驶向赛道。这是为了尽可能增加轮胎与地面的接触面积，赛车轮胎用柔软的黏性橡胶制造，表面没有任何花纹和沟槽，飞速运转的轮胎与地面产生的剧烈摩擦，使其磨损十分严重。因此，一场比赛下来，赛车往往要更换好几次轮胎。

悬挂系统 赛车悬挂系统的调教对赛车在赛场上的表现有着直接的影响：转向不足或者转向过度以及车辆的平衡性能在很大程度上和悬挂系统的调教有关。F1赛车在赛场上有足够“软”能够吸收掉大多数地面不平整对轮胎垂直运动的影响，同时，车手为了省时间而采取的冲路肩的动作。同时，悬挂系统又要足够强度对抗垂直方向的下压力，在赛车上重达3吨的下压力都是由它吸收的。 悬挂系统分为两种一种是传统的螺旋弹簧结构，也是大多数汽车使用的悬挂系统；另一种是扭轴式。这种扭轴式和弹簧结构的作用一样但是更加紧凑。F1赛车的悬挂系统在前面是横置在车头里的在车手的双腿上面。后面的悬挂系统是在变速箱上面的。弹簧和扭轴把的作用是一样的都能够吸收地面的颠簸。简单地说，“软质”悬挂系统能让车辆在过弯时拥有更好的弯角速度，但是，太软质的悬挂系统让车辆的反应不敏感，车手在操控时，车辆的反应慢，造成车辆操控上的困难。硬质悬挂系统让车辆对车手的操控指令反映非常灵敏，像在摩纳哥这样的赛道就变得十分重要。因为，一点点地操控失误都会让车手出局。 F1的悬挂弹簧是由EIBACH这样的公司设计制造的，同时，F1车队也和他们合作制造出符合车队要求的装备。

不少人感慨：F1的影响力江河日下……也有不少朋友给我们留言，F1太高端，太遥远了，看不懂……今天我们就带您了解一辆F4方程式赛车的构造，也试图解答第一个问题：F1缘何“没落”。何为F4？F4方程式是国际汽联（FIA）在全球多个国家推广的统一规格方程式赛车，顾名思义，F4的赛车技术、参赛费用、车手水平都要比F1低很多，F4的参赛者主要是受过卡丁车训练的“入门级”车手，很多房车赛车手乃至F1车手都从F4赛事中走出，“车王”舒马赫的儿子米克•舒马赫目前就正在参加F4赛事。不同国家的F4赛事使用相同的车架，但是动力、传动各不相同。今年，最新款的F4赛车也被同步引入中国，与在中国举办了十年的CFGP中国方程式大奖赛同期举行。方程式赛车的车身看起来很苗条，但是长度已经和紧凑型车不相上下，轴距更是逼近豪华轿车，长轴距有利于降低车身的重心，优化空气动力和车身配比，提升赛车在弯道中，尤其是高速弯道中的极限。F4赛车的车壳为碳纤维单体壳，轻量化和车身刚性都非CFGP赛车的矩阵式空间钢管结构可同日而语，但是如果发生碰撞，碳纤维车壳是无法通过钣金修复的，要知道一辆F4赛车的售价接近65万。悬架的拉杆直接连接在碳纤维车壳上，F1赛车也采用这种做法。CFGP中国方程式的赛车采用传统的矩阵式空间钢管结构，相比碳纤维单体壳结构，唯一的好处是维修成本低。绝大多数方程式赛车的发动机和悬架部分会覆上薄薄的碳纤维外壳，与飞机一样，让外壳更光滑是减小风阻的有效办法之一。F4赛车采用方程式赛车常见的推杆式前悬架，整个悬架由五根黑色的连杆构成。其中四根形成两个三角形，剩下的一根就是我们说的推（拉）杆。F4赛车的避震器是德国大型汽车零件供应商采埃孚生产的方程式赛车避震器。与F4赛车的推杆式悬架相对应的是拉杆式悬架，在每年F1新车发布的时候我们经常会听到这两个名字，那么推杆与拉杆区别在哪里呢？其实非常简单。我们看图中的这第五根杆，可以想象，在悬架收受到载荷时，这根连杆处于压缩状态，于是就是推杆。连杆压缩通过连接件与弹簧以及固定杆相连，最终压缩弹簧，缓解冲击。在车轮受到载荷时，“第五根杆”处于拉伸状态，于是图中所示的悬挂系统就是拉杆式悬架。为什么方程式赛车广泛采用这种悬挂系统呢？一是可以很简单就获得强度很高的结构，并且用料少。二是通过横臂（两个三角形）长度、横臂平面角度、上下横臂相互距离以及相对位置以及角度的调整，可以调整出不同的轮胎运动轨迹参数。另外，这种悬挂方式还可以降低簧下质量，使轮胎反应更加迅速，抓地力更强，使整车性能大幅提升。其次，除了连接方式以外，两者是否有其他区别呢？单从悬架本身来讲并无二致，但是在后悬挂系统上，拉杆式悬挂可以将弹簧布置到车底，极大地优化了车尾、底布局，为尾部的空气动力学套件布置提供了很大位置空间以及性能余地。而前悬挂采用推杆式则可以将连接点放置在鼻翼车头内部，保证了车底气流的整洁规律。但近几年F1中许多优秀的设计师在前悬采用推杆式悬挂的同时也保证了气流的质量，颠覆了前悬只能用推杆这样一个定律。各级别方程式赛车中的空气动力学套件设计，都是围绕两个方向展开的。一是创造下压力，二是减少阻力，F4赛车也不例外。下压力能提供给赛车轮胎额外的抓地力，让赛车以更高的速度，更平稳的姿态通过弯角。F1赛车的空气动力学部件是一套高度复杂，精密的艺术品。但在F4这类的低级别方程式赛车中，空气动力学套件更原始，更简练。这主要是因为F4赛车的引擎马力最高限制只有160匹，不需要太过复杂的空气动力学套件制造巨大的下压力即可保证赛车顺利过弯。前翼，尾翼和扩散器赛车下压力的主要来源。前翼和尾翼制造下压力的方式是让气流在相同时间内通过不同的距离。相同时间内，气流通过上表面的距离更短，下表面的距离更长，因此下表面的气流速度大于上表面。根据气流流速大压强小的原理，气流作用在下表面上的压力小于上表面，下压力就产生了。这样的设计是为避震器提供足够的空间，同时还能增加赛车的下压力，相似的设计在标致RCZ跑车的车顶就有所运用。很多空气动力学套件也肩负着减少赛车产生的阻力的重任。F1赛车上有专门的调整尾翼攻角的DRS系统来减少阻力。F4级别的方程式赛车并没有如此这套系统。但是也有一些部件专门用于这一目的。前翼和尾翼两侧的垂直端板作用是减少诱导阻力。通常在一个翼片的两端，上表面的高压气流向下翻滚到下表面的低压区域。当上下表面不同速度的气流交汇在一起时，湍流就会产生，诱导阻力因此产生。前翼和尾翼两侧的垂直端板可防止上表面高压气流翻滚下去，从而减少诱导阻力。车手前方的小突起作用是将车手头盔前方的气流引导至车身两侧，减小阻力，电动方程式（FE）赛车也有类似的设计，空气动力学就是如此微妙。技师正在调整尾翼的角度。行走制动F4赛车搭载吉利提供的G-Power系列2.0L自然吸气发动机，根据FIA的规定，F4赛车的最大马力不得超过160Ps，其他方面则没有过多限制，不同国家的F4赛车搭载不同的发动机。

一、悬架系统的维修主要是对各元件的安装及功能检查，要求元件不的有松动、变形、磨损过度、间隙过大、弹力减弱等缺陷；特别是悬架臂变形、衬套及球头节磨损，将使车轮定位失准，易发生故障。检修费用因车型、地域、修理店水平等差异较大，具体以当地实情为准。二、故障现象1、减振器连接销（杆）脱落或橡胶衬套（软垫）磨损破裂。2、减振器油量不足或存有空气。3、减振器阀门密封不良。4、减振器活塞与缸筒磨损过量，配合松旷。三、故障诊断与排除1、检查减振器连接销（杆）、橡胶衬垫、连接孔是否有损坏、脱落、破裂，若有应及时维修或更换。2、察看减振器是否有漏油和陈旧性漏油痕迹。3、用力按汽车保险杠，手发松，若车身能有2~3次跳跃，说明减振器良好，反之，故障在减振器内部，应拆下维修。4、车轮定位：检查车轮定位情况，使各定位参数在规定范围内。三、其他1、悬架弹簧弹簧耗损检查：裂纹、磨损或损坏。弹力检查。弹簧安装：安装位置、方向正确，间隙符合规定。2、车辆在不平路面上超载、超速运行，或转弯时车速过快，负荷突然增大。车辆长期超载或装载不均匀状况下使用，在封存车辆时，未按规定解除悬架弹簧的负荷。维护不及时，悬架弹簧之间润滑不良或根本无润滑，使悬架弹簧片间的相对移位能力降低，造成承载能力下降而断裂。U形螺栓松动，负荷集中在钢板弹簧上面几片，上面几片容易断裂。更换的新悬架弹簧片曲率与原片曲率不同。汽车紧急制动过多（尤其是前制动好，后制动差的情况下），或在满载下坡时，使用紧急制动使汽车负荷前移，前悬架弹簧突受额外负荷，造成悬架弹簧的一、二片断裂。3、悬架杆件撬动各悬架臂、支撑杆、稳定杆和控制杆的固定架， 检查各个方向的间隙，如过大应重新紧固或横换衬套。对于撑杆式悬架，可用手推拉车轮顶部，检查上支架有无松动、损坏。检查悬架臂有无变形。检查安装连接情况。检查球头节间隙，如间隙过大、磨损严重应更换。4、减振器检查减振器应无漏油、变形和损坏，否则应更换。检查减振器的安装情况。检查减振器的工作情况：用手按压车体。