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還不懂嗎?2009賽季F1賽車技術四大變革

2009.03.25  作者:文‧王以平圖‧各所屬官網  

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新賽季新規格

外觀大幅變臉

展望2009年,F1賽車的技術規格有大幅的變動:自從21世紀以來,F1的技術規則彷彿就像以前的憲改增修條文一樣「有修是正常,沒修才稀奇」、幾乎年年有所修改,甚至比賽規則也常有更動、讓這項世界頂級賽車的「修法」幾乎成為常態,因為主管機關FIA一直想提升比賽的精采度、拉近強弱車隊的差距、增加賽況的變數與懸念,規則一直在修,就表示FIA還在摸索,技術規則的修改有許多也是「實驗性質」。

Renault R29發表時著實嚇人一跳:碩大的車鼻,完全與F1設計主流背道而馳,結果首輪試車時果然成績奇差!後來雖然有經過修改,結果卻是愈改愈大……他們是找到了特別的「撇步」?抑或是設計方向完全錯誤?等開幕賽便見分曉。

在新的賽季中,F1車身技術規格主要有以下四大改變:

1 鼻翼加大、尾翼縮小:經過FIA技術小組的風洞實驗,如此可以增加後車車頭在前車車尾氣流中的貼地性,促進後車超越前車的空氣力學效果;畢竟賽車就是要看超車。

2 禁止車體輔助小翼:近年來可以看到車身上堆疊了許多擾流翼片,令賽車空氣力學發展到了變態的地步;如今降低車身下壓力,以迫使車隊著重於從機械方面改善動態性能。

3 恢復使用光頭胎:過去十年來所使用的溝紋乾胎,原本希望藉由降低抓地力來增加超車機會,結果發現效果不彰;以重新啟用光頭胎來增加抓地力,同時也是強迫車隊降低下壓力的交換條件、維持過彎時的穩定性。

4 可變式鼻翼:鼻翼的水平主翼板由鋼絲牽動、可調角度(類似飛機的襟翼),車手可在直線道速度(翼面低角度)與過彎下壓力(翼面高角度)之間調整,每圈限調兩次、最大幅度6度。

今年的尾翼收窄、提高,這是參酌F1 OWG(超車工作小組)研究之後的折衷結果,「據說」可以讓後車更容易抓住前車的車尾氣流(近年的F1事實上幾無『後氣流』可言)、增加超車的機會,這固然是F1提升精采度大方向的重點,但目前據車手所言,其實感覺不出太大效果。

動能回收系統:

煞車時可儲存馬力

除了外觀上明顯可見的規格變動之外,為順應節能環保的世界潮流,2009年F1將導入新配備KERS(動能回收系統):當車輛在收油或煞車的過程中,儘管車速變慢,但是引擎仍然在動、車輪仍然在轉,這些動能就成了無意義的消耗,KERS顧名思義,就是將車子在減速過彎時多餘的引擎輸出動力回收至特殊儲存裝置內、然後再行利用,最高可於瞬間提升80匹馬力(現行F1賽車約700匹馬力)、約可提升圈速0.1至0.3秒。

今年起,F1增加了「可動式鼻翼」,亦即鼻翼上的主翼(即圖中角度最斜、最大的那片)可以做最大6度的調整,以讓車手選擇當時所需要的車頭下壓力,但是又規定每圈只能調整兩次,因此應該只能用來在主直道前後各調一次吧!

F1的KERS分為機械式以及電池式兩種原理:機械式的原理在車輛減速時、利用車身的動能來驅動一組飛輪系統,此時飛輪會以高速旋轉(每分鐘可達6萬轉)來儲存能量,待賽車出彎時再將這些回收的動力以反向釋放回饋;電池式的原理則為減速過程中將車身動能回充給鋰電池,待需要時可隨時以按鈕操作來重新釋放。

從這張對照圖可以看出2008-2009年F1車身的改變:尾翼固然是提高了,但是鼻翼整體來說其實還更低了,只是取消了以往在中段部份下凹的3D剷風設計,而且翼端板也向下延長。

兩種原理各有利弊:機械飛輪結構較輕(約24公斤),但由於尚在初期開發階段、動力儲存效率並不穩定,而且只能固定於出彎加速時釋放、無法隨車手喜好決定時機;電池構造除了可自由控制釋放時機之外、儲存效率亦相對成熟,但是系統重量可觀(約40至60公斤),而且過大的電壓曾於試車時漏電、導致技師遭到電擊。由於各大車廠都早已具備油電混合動力技術,因此電池式對於廠隊來說較為現成;而沒有車廠所支持的私人車隊則傾向機械式,除非他們已有和電池大廠談好合作。

由上方則除了看出鼻翼的明顯差異之外,前輪後方的車側切風板也取消了,而原本後輪前方連接車體的水平鰭片、懸吊A臂上的空力設計亦全部移除。此外,今年鼻翼加寬、翼端板又銳利,我們等著看看會不會變成割人家輪胎的「斬馬刀」兇器……

設計尚不成熟

昂貴的環保代價

今年F1所使用的KERS主流為充電形式,即類似市售車的混合動力系統、以引擎動力回充給電池,但在賽車極端環境的用途之下,開發此專用設備又完全是另一回事,因此雖然今年禁止季中試車,但FIA仍考慮專為KERS而特別開放。

小心高壓電?這不是開玩笑,由於F1 KERS的系統電壓過大,去年測試時就有幾支車隊的技師遭到電擊,因此今年強制技師佩戴橡膠絕緣手套;對車手而言也有如芒刺在背,我們等著看下雨時怎麼辦……(Ferrari傾向季初尚不實戰使用KERS)

撇開研發成本不談,系統本身的造價已經高得令人咋舌:充電式KERS的重點就在電池,Ferrari與Renault所採購的法國SAFT(該公司為軍工業電池專家,包括提供設備予美國F-22戰鬥機)電池單體要價3萬歐元,而McLaren所採購的美國A123電池更高達每顆7萬歐元。

KERS作動原理(減速或入彎):收集後煞車(1)轉軸上的多餘動能、由交流器(2)轉換成電能、經由中央處理器(3)負責控制、最後將電能充至電池(4)。由於作動時會產生高熱,因此KERS還要單獨配備冷卻器。

根據Renault技術總監B.Bell所言,F1 KERS每顆電池的使用壽命不會超過四站,事實上許多車隊更可能每站更換新電池(車隊甚至不敢打包票一顆電池能否撐過整場比賽)。而聯合國規定鋰電池的空運必須個案核准,申請時必須準備十幾顆電池當樣本,相關成本至少高達50萬歐元。

KERS作動原理(出彎或超車):由車手按下加力鍵(5)、將電池所儲存的電能再還原成動能,大約可瞬間增加80匹馬力、每圈使用時間為6.6秒。由於此一節能系統,估計可讓F1的油耗減少15%

講到這裡,你又可以發現一件事:KERS雖然多少可將以往所虛耗的動力回收再使用,但是系統本身25至60公斤不等的重量會否抵消了增加的性能?此外,加裝這套系統,對於目前已極度緊緻的車身佈局以及身材較高大(體重也較重)的車手都會產生不利影響(身材最高的R.Kubica已經連續兩年各減7公斤…)。

市售車所使用的油電混合動力系統,是車廠隊伍研發電池式KERS的基礎,話雖如此,F1並不是電池和引擎交替使用,而是在入彎時儲能、出彎時釋能,這樣的能量轉換過程,目前尚無法實用於量產車。

再者,改回光頭胎之後,設計賽車時會將配重向前移(前後輪同樣少了四條溝紋,原本較窄的前輪所增加的接地面積比例相對較大,因而需要增加車頭配重、以減少打滑磨耗),但KERS安裝在車身中後段位置,因此和新賽季的配重理念是牴觸的(Ferrari則計畫將電池裝在車頭),這些技術問題都有待克服,而由於KERS在2009年尚為「宣導期」、並不強制使用,所以部分車隊仍在評估中。

由Williams所成立的Flybrid飛輪公司,與Tototrac以及X-Trac兩家齒輪公司(後者為方程式賽車變速箱大廠)共同開發飛輪式KERS,但由於儲能效果仍不穩定、且無法隨車手自由選擇釋放時機,因此仍非F1主流。

引擎繼續凍結

吃虧者可回補

FIA自2007年起實施「引擎凍結」規定,即F1引擎以2007年之規格為準、禁止再進行任何性能方面的升級。

然而,去年Ferrari、Mercedes-Benz以及BMW三家車廠藉口降低零件成本或提升可靠性,要求FIA准許他們對原本封印的項目進行修改,結果季末發現他們的引擎馬力比其他車廠高了將近30匹!但這又是怎麼發現的?竟是來自Red Bull這個「對照組」:Red Bull和Toro Rosso使用相同的車身,但是賽季過半後,Toro Rosso的速度卻愈來愈快,他們終於發現問題出在各自所搭載的Renault和Ferrari引擎性能不同。

為了減低車尾底部氣流的擴散效果,今年的分流器形狀經過大幅修改,構造大為簡化。

在Renault提出抗議之後,FIA同意今年讓他們暫時解凍、補足30匹馬力的差距,以回歸公平競爭,但FIA亦強調這次性能升級以一次為限,打平差距之後將再行凍結。

大幅的規則修改、再加上新系統的導入,今年的F1真正可說是「人人有機會,個個沒把握」,等到三月底開季了,我們才能夠知道到底是不是真正有效果;假如令你(也令我)期待落空,F1內部恐怕又要掀起另一番「風暴」了……

去年由Red Bull發明並導入的鯊鰭型引擎蓋,季中之後成為F1業界的主流;今年新車發表時大多有經過修改、線條大致與引擎背蓋平行(可視為延伸之薄片),但仍有少數車隊保留誇張的頂部延長大片設計。這項設計可以讓尾翼前方的氣流更平順,但缺點是遭遇側風時會令車身動態不穩定。

 

今年的車身本體禁止各式小翼或鰭片,但是Williams FW31竟然在駕駛座後方插了兩片「開山刀」:經過解釋,他們是將套件安裝於駕駛座兩旁突起的防撞護墊上方,因此巧妙地規避了規則所限制的區域(已經FIA認定合法),恭喜小車隊找到「撇步」啦!

 

Ferrari延續他們所發明將後視鏡設置在車身側廂外緣的設計,今年更將它的支座加大、中間開縫,讓氣流可以穿越、增加車身中段的穩定性,這才是真正的「空力後視鏡」!

 

去年針對軟胎有特別於溝槽中畫一條綠線、以方便觀眾辨識,今年恢復使用光頭胎、沒有溝槽了,因此軟胎的綠線改畫在兩側的胎壁上。

 

同樣由Ferrari所發明(Ferrari真是F1發明大師)的輪圈蓋,可以減低前輪亂流、加強煞車冷卻,如今已經成為F1各車隊標準配備,但各家形狀皆有不同,造型也可能有更複雜化的趨勢。

 

Ferrari F60(為紀念該隊參賽F1 60周年)發表時明顯伸出車體的排氣尾管,引起業界的廣泛質疑,後來F1認定違規,但是試車並非正式比賽、因此不加限制,該隊已經重新修改排氣口形狀。
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