f1規則

F1賽車部分技術淺析

內容摘要：F1賽車作為人類速度最快的比賽，其中的科技含量之高不言而喻，并且有相當多的技術與

物理是分不開的。下面就從空氣動力學和引擎這兩個方面對其做一些淺顯的討論，來認識派大星怎么畫 這項運動與物理的

緊密聯系。

關鍵詞：F1，空氣動力學，引擎，V8，V10。

F1空氣動力學

了解飛機原理的人都知道，飛機能飛上天全都因為其在陸小曼 起飛加速過程中產生的升力，將

其送上藍天，這就是通常所研究的空氣動力學。

而F1賽車與飛機不同，F1賽車對于空氣動力學應用的追求是完全反向的，為了“防備”

賽車在高速行駛中飛起來，需要通過一些空氣動力學部件給賽車一定下壓力，同時為賽車提

供抓地力。

我想每個人都對空氣有一些感性的認識。當你坐在疾馳的汽車中，將手伸出車外，試著

將手與迎風方向的角度不斷調整，你會感覺到空氣的升力和下壓力。還可以做這樣一個實驗，

找一張A4尺寸(297X210毫米)的紙，用食指和拇指捏著兩個長邊，讓短邊貼著自己的嘴唇，

此時紙是自然垂下去的，如果對著紙的上表面吹氣，會發現紙飄起來了。很顯然是空氣在對

抗重力。如果將這個原理反向應用于跑車和賽車，空氣會將汽車緊緊壓在地面上，給汽車足

夠的抓地力。

F1賽車風馳電掣的速度，能在5秒之內瞬間加速到200km/h以上，最大過彎側向加速可

達4個G，極速最高超過350km/h。怎么樣，這種感覺，是不是就像要飛起來了？而這樣高的

速度與過彎能力，除了需要優異的懸吊設置來讓輪帶盡可能的保持與跑道路面接觸之外，也

需要足夠的下壓力來產生足夠的摩擦力，否則空有強大的馬力，在過彎時將無從發揮，因此

空氣動力學設計的優劣已成為今日F1決勝的關鍵之一。

空氣動力學在F1賽車上的應用主要體現在兩個方面：一是讓定風翼產生的下壓力為輪胎

提供足夠的抓地力，另一個則是盡量減少賽車行駛中的空氣阻力。

在早年的F1比賽中，賽車與普通汽車看起來差別不大，但自從空氣動力學引進后，F1

賽車開始出現了顯著變化，首先就是定風翼的產生。看見那巨大的定風翼，什么蛋糕最好吃 可千萬別以為它

只是用來做廣告的，對于F1賽車，它可相當于飛機的翅膀。而賽車定風翼與飛機機翼的最大

區別在于當飛機機翼因為飛機提速而產生足夠升力時，賽車定風翼則將機翼的升力工作原理

進行倒置。反向安裝的前、后定風翼將會使空氣產生下降的力量，也就是我們所稱的“下壓力”，

以保證高速行進中的賽車“抓住”地面不會引起大幅擺動甚至是漂浮乃至側翻。一輛F1賽車的

定風翼能產生相當于賽車重量3.5倍的下壓力。

從上世紀60年代起，定風翼開始應用于F1賽車上，導致F1賽車的速度普英文網名女 遍得到提高，

但由于各個車隊在定風翼的使用上缺乏足夠的安全保障，隨之而來的是事故的增加，于是1970

年F1規則對于定風翼的尺寸和應用做出了限制，這種限制一直持續到現在。

賽車定風翼解決了下壓力的問題，但是，何在產生下壓力的同時又不增加空氣阻力呢？

這是動力學家在設計當今F1賽車的過程中面臨的又一個基本的挑戰。

賽車定風翼處于不同角度下產生的下壓力是各不相同的，而前后翼的角度和賽道有直接

的關系，因為空氣的阻力和下壓力是成反比例的，如果定風翼角度小，那么賽車的空氣阻力

就小，最高速度就大，但是賽車缺乏下壓力和穩定性；相反，如果定風翼角度大，那么賽車

的阻力就大，最高速度受影響，但是賽車在彎道的抓地力就強。所以，根據賽道的不同，定

風翼設置的角度也不同。一般來說，如果賽道直道長，例如德國霍根海姆和意大利蒙扎，那

么就調小角度；如果賽道彎道多，例如摩納哥蒙特卡洛，則調大角度。

為了模擬賽車比賽時的空氣動力學效果，幾乎所有的F1車隊都斥巨資修建風洞。在幾乎

24小時不停歇運轉的風洞中，工程師們所研究的內容本身就是矛盾的，因為減少空氣阻力必

然影響下壓力，他們所能做的只能是尋找一個美妙的平衡點。“空氣動力學是賽車的最核心部

分，而風洞是研發一輛性能優異賽車的最重要工具。”索伯車隊老板皮特索伯一語中的。F1

車隊每年都會花上300萬美元到1500萬美元不等的風洞操作經費來驗證空氣動力學組件的效

率。雖然國際汽聯出于減少車隊成本考慮一直限制空氣動力學的研究，但根本無法遏制車隊

間的軍備競賽。這或許就是為什么F1是世界上最豪華最昂貴的運動的原因之一吧。

說到空氣動力學效率，就是下壓力和空氣拖放阻力的比例。目標就是要獲得最大的抓地

力，和最小的拖放阻力。下壓力是空氣動力學上垂直方向的向下壓力總合，這些力量是由前

鼻翼和后尾翼所產生，用來把賽車壓在地面上，下壓力越大，賽車在跑道上的抓地力就越大。

理論上，由前后翼產生的可怕力量，可以讓一部F-1賽車抵抗地心引力，讓600公斤重

的F1賽車在隧道的天花板上倒吊著跑，因為賽車可以產生超過車身重量數倍的下壓力。要讓

F1賽車那樣高速的過彎，那么必須把車底、車頂以及車身周圍的氣流引導到完美的境界！

F1賽車空氣力學的最高境界就是“平衡”。F1賽車的抓地力約有1/3是由前輪負擔，有超

過2/3則是由后輪負擔。在前輪采用低下壓力的設置可以提高車速，但同時也會提高轉向不足

的趨勢；轉向不足就是車頭會開始滑向彎外側。相對的，如果車尾的下壓力不足，那么會有

轉向過度的傾向，車尾就會開始打滑。

這就是空氣動力學在F1領域的研究與應用，雖然還不夠很深入，雖然還沒有很完備，但

空氣動力學卻F1的發展緊密聯系著。等待著空氣動力學在賽車運用方面的又一次新革命爆

發，F1的發展必將取得禁毒宣言 新的歷史性的突破。

F1引擎

從2006年開始，F1的引擎從3.0升V10變成了2.4升V8。從字面上看只是減少了0.6

升的排量和砍掉了兩個氣缸而已。但事實上，這是兩個完全不同的概念。

1、曲柄夾角不同

曲柄夾角是指引擎曲軸上相鄰兩個曲柄之間的交叉角度，單缸的引擎不存在曲柄夾角，

因為它只有一個曲柄，推動曲軸旋轉一周由一個曲柄單獨完成，但是V型引擎卻不一樣，它

有多個曲柄。那么當如何協調這些曲柄順暢的工作呢？這時便需要定義曲柄之間的角度——

曲柄夾角。

從理論上講，要實現扭矩波動的最小化，即保證動力輸出平穩，平分曲柄夾角是最理想

的方案，這就是我們所常說的等間隔燃燒角。因此V10引擎的等間隔燃燒角應為72度＝360

度/5，而V8引擎的等間隔燃燒角則是90度＝360度/4。但非常特殊的是，V8引擎的等間隔

燃燒角并不是唯一的，它還可以為180度，也被稱為平角——FLAT。

那么面對兩種等間隔燃燒角該如何來選擇呢？一般來講，民用汽車多采用前者，因為這

樣能夠保證動力輸出的平順行。但是對于追求高性能的賽車引擎而言，后者才是最理想的方

案。

2、點火順序不一樣

引擎的點火順序和等間隔燃燒角是直接相關的，在這里分為兩點是為了便于理解。V10

引擎的點火順序為：1-4-3-6-2-戒律牧天賦 5-8-9-7-10。而V8引擎由于有兩個等間隔燃燒角，因此點火順

序也有兩種，分別是1-8-4-3-6-5-7-2和1-2-7-3-4-5-6-8。前者為夾角為90度時的點火順序，

后者為180度時的點火順序。

需要特別提醒的是，點火順序的不同，將直接決定引擎的振動臨界轉速區域的不一樣。

這不僅意味著V8和V10的振動臨界轉速區域不同，而且即便同樣是V8引擎，當選擇不同的

等間隔燃燒角時，引擎也將面臨不同的振動特性

3、振動臨界轉速區域不同

V10引擎進入振動的關鍵區域是12000轉/分到14000轉/分，但這并不是引擎工作的主要

區域(V10引擎的主要工作區域大約在17000轉/分～19000轉/分)，而當車手加大油門讓轉速

繼續攀升后，引擎便會馬上恢復平穩，因此根本沒必要擔心振動問題。

但是V8引擎則完全不同，它進入振動的關鍵區域比V10要晚，大約從16000轉/分開始，

而且隨著轉速的上升會繼續加劇，如果不采取措施，這將威脅到引擎的壽命，而且會增加底

盤上其他部件承受的負荷，特別是與引擎相連的部件。

為了解決這個問題，必須精確計算和分析引擎的每一個部件在工作中承受的負荷，確保

完全可靠。然而分析個體部件僅僅是整個工作的一部分。了解在整個系統中，它們之間是怎

樣協同工作，同時又相互影響相互制約的才是最主要的作。

下面從規則上來看引擎的變化。

缸徑不得超過98毫米，缸距必須在106.5mm(＋/-0.2毫米)之間

大家知道，高功率是F1引擎追求的第一目標。而要提高引擎功率，最直接的辦法便是提

高轉速。但引擎的轉速并不是一個可以無限增加的量，它受到的第一個約束是活塞的磨損。

常識告訴我們，引擎轉速越高，意味著活塞在單位時間內的運行距離越長，磨損也就越

嚴重，那如何克服這個問題呢？這時可能大家第一個想到的是利用更高級的耐磨材料，但是

不巧，國世界智商排名 際汽聯如今出臺了更加嚴厲的材料限制條款(詳情請見文章末尾的新引擎規則譯文)。

在這種情況下，我們必須將思維向另外一個方向轉變，縮短活塞行程。

原因是縮短活塞行程，就意味著活塞在相同轉速下的運行距離縮短了，這當然可以降低

磨損，沒錯！但是排量必須保持不變；因此必須將氣缸壓扁，結果是缸徑增加了。眼看目標

即將實現，但國際汽聯現在將這條路也堵死了：缸徑不得超過98毫米，這就是新規則的要命

之處。

再看后半段限制：缸距必須在106.5毫米(＋/-0.2毫米)之間；這又意味著什么呢？解答

這個疑問，我們需要做點數學運算。

缸距是106.5毫米，是指引擎單測并排的四個氣缸，其間的任何兩個的軸心距離不得超過

106.5毫米。在這個要求下我們通過計算的會發現，現在的氣缸間距＝106.5毫米-98毫米x2

＝8.5毫米，這個值明顯大于目前V10引擎的4＋-1毫米。也就是說在新規則下，不僅氣缸的

缸徑自由度被進一步縮小，而且要想縮短引擎的尺寸都不可能，這將直接縮小大家在引擎尺

寸上的差異。

引擎質量不得低于95公斤；引擎重心距車底參考面的距離不得低于165毫米；曲軸中心

到車底參考面的距離應在58毫米以上

之所以要將這三項因素并在一起分析，是因為它們最終都牽涉到同一個問題：引擎的質

量和重量分配。大家知道，要實現低重心，最直接的方法便是將配重加在引擎的底部，但是

莫斯利告訴你，現在不能這么干，引擎重心距離車底參考面的距離不得低于165毫米。而且

更殘酷的是后面一條，引擎曲軸中心距離車底參考面的高度應在58毫米以上。

眾所周知，要減輕引擎的振動，一方面需要將引擎的安裝位置降低，而另一個方面便需

要將引擎的振動源降低，而這其中最核心的部件便是曲軸。為了達到這個目的，人們發明了

干式機油底技術。但是現在，國際汽聯卻要求限制曲軸的高度，

更加苛刻的材料限制：禁止使用鎂合金，MMC以及鈹、銥和錸等含有量超過50%的合金

事實上，國際汽聯對材料的限制，并不是從今年才開始的，但是卻從來沒有像現在這樣

嚴格過。幾乎除了鋼、鐵和鋁之外，其他的任何材料都不允許使用，這再次成為V8引擎發展

的絆腳石。大家知道，材料是技術進步的基石，沒有不斷發現的新材料，技術進步的速度是

非常有限的。

一個簡單的例子，為了提高引擎轉速，工程師必須使用質量更輕、更加耐磨和耐高溫的

新材料。

參考資料：//f1

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2007年5月