工业造型设计选课小论文F1系列产品在形态设计方面的分析与评价.docx

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工业造型设计选课小论文F1系列产品在形态设计方面的分析与评价

选题类别：

1

《工业造型设计》课程

期末小论文

题目：

F1赛车中的车身设计

姓名：

郝宇

学号：

291100513

学院：

人文学院

专业：

社会学

年级：

2011级

指导教师：

　卢健涛

2012年5月1日

F1赛车中的车身设计

291100513郝宇

（人文学院11级社会学5班）

摘要：

本论文主要研究工业造型设计如何应用于F1车身造型设计的，在阅读大量文献的基础上，本论文所述优化设计技术的研究主要是从以下几方面展开。

1）总结了车身造型的演化历程，并且简要介绍了分析了各时代车身造型的特点。

2）简析了影响F1赛车性能的因素，对赛车车身设计进行了初步的分析。

1、前言

作为一名体育爱好者，一级方程式锦标赛（Formula1WordChampionship）作为一项充斥着人类科技发展的顶尖技术、洋溢着速度与激情的运动，让我为之着迷。

F1不仅是赛车手们竞争勇气、驾驶技术和智慧的舞台，它背后还进行着各大汽车公司之间科学技术的竞争。

福特汽车公司就形象地把F1比作“高科技奥运会”。

在汽车大赛中推出的新型赛车，从设计到制造都凝聚着众多研制者的心血，并代表着一家公司乃至一个国家的科技水平。

F1还是各国科技人才素质的较量。

据悉，德国约有2000多名专业人才直接从事赛车的设计、制造和研究工作；美国约有1万人，而日本则更多，达到近2万人。

在这篇文章中，我将粗略分析解读F1赛车的车身设计，来领略人类顶尖科技设计的风采。

2、车身造型的演化过程

从19世纪末到20世纪初期，汽车设计师把主要精力都用在了汽车的机械工程学的革新上。

到了20世纪前半期，汽车的基本构造已经全部发明出来后，汽车设计者们开始着手从汽车的外部造型上进行改进，并相继引入了空气动力学、流体力学、人体工程学以及工业造型设计（工业美学）等概念，力求让汽车能够从外形上满足各种年龄、阶层，甚至各种文化背景的人不同的需求，使得汽车成为真正的科学与艺术相结合的最佳表现形象，最终达到最完善的境界。

能源危机和高速公路的发展也是推动汽车气动造型发展的重要因素。

风洞实验不断揭示各种气动现象，推动了车身造型的发展。

车身外形发展过程中，人们采用了甲虫形、船形、鱼形、楔形等，即是汽车设计师在总结前人经验的基础上，根据观察大自然的飞鸟、草木及鱼类，从中得到的造型启示。

汽车车身设计经历了一个很缓慢的发展历程。

1911年Riedle对汽车的行使阻力所做的分析是人们对汽车空气动力学认识的基础。

随着Prandel和Eiffel进一步揭示了气动阻力的本质，空气动力学也越来越多地应用于汽车设计中。

此阶段车身外形在考虑水滴形的基础上认识到了地面效应，在降低气动阻力方面获得了可观的发展。

在1924年杰瑞（Jaray）等卓越的空气动力学家把气动理论应用汽车外形的设计中，出现了低阻汽车，如1924年的拉普勒Rumpler。

同时他们对汽车空气动力学的主要贡献有：

1）杰瑞提出了“最小阻力的外形似以流线形的一半构成的车身”，这种“半车身”可由自身的镜像构成一个完整的旋转体，其长高之比为4:

1,并将其设计成侧面形状为上面两角倒圆的矩形。

2）认识到车身流场是三维的；同时在拉普勒轿车上采用了罩住车轮的设计，也意识到车身前部流场与尾部流场之间有着强烈的相互影响。

3）杰瑞提出的“只有消除尾部的分离，才能降低气动阻力”的理论是汽车车身造型领域的一个重大进展。

1934年的克莱斯勒的气流牌（airflow）和VW甲克虫型的汽车，都因尾部造型过陡而出现一对方向相反的纵涡，使纵向中间断面的气流在相当成的一段时间内保持连续，（如图1）所示。

这种伪流线形的车身气动阻力系数是0.4～0.5，比气动阻力为0.6～0.8的箱形车有所进步。

图1

20世纪30年代，美国密歇根大学的Lay教授，通过研究主要车身参数对气动阻力的影响及它们之间的相互作用得到短粗的尾部与长尾相比，仅使气动阻力系数有较小的升高。

1939年出现了实际“半车身”设计的汽车，其纵向中心断面由两个哥廷根汽艇外形结构构成，每个“汽艇”的气动阻力系数Cd=0.125；横向截面由一个旋转的半车身发展而成，使车身周围的流场在内部空间尽可能大的条件下保持连续。

1998年，大众公司推出了其全新打造的最新款甲壳虫汽车，这款车在当年底特律国际车展上露面时即受到了公众和传媒的极度关注。

2002年，大众公司更推出了新甲壳虫的全新款本。

新甲壳虫靓丽的色彩和动感的魔鬼身材是当前世界上最为个性化的车型；新甲壳虫的工艺、配置以及质量都代表了当今造车技术的最先进水准；大众“新甲壳虫”车的优点是结实耐用，不讲究豪华，而且价格大众化。

通过汽车车身气动造型演化的各个阶段可以看出，各种车身造型从最初满足机械工程学转变到同时也满足人体工程学条件，并且合乎空气动力学与工业美学造型的要求。

现代车身气动造型以最大限度地减小空气阻力及升力为前提，构建一种符合气动理论、美学标准的完美车身形体。

3、一级方程式锦标赛

F1，中文名称为“一级方程式锦标赛”，是英文Formula1GrandPrix的简称，目前这项比赛的正式全名为“FIAFormula1WorldChampionship”一级方程式赛车世界锦标赛。

其Formula被译为方程式，其实真正含义是“规定”，也就是对赛车的基本概念用比赛规则进行规定，按比赛规则制造出的单纯的比赛用车。

目前世界上有以“跑车”为基本概念的比赛用车，方程式赛车的基本概念与它们不同。

简而言之，就是轮胎裸露在外（openwheel）的单座席（monopost）比赛用车。

在方程式赛车的家族中，一级方程式赛车是该类比赛的最高峰。

4、F1赛车的车身设计

F1赛车作为一项体育运动，吸引了全世界很多车迷。

每一辆F1赛车都是智慧与高科技的结晶。

F1赛车的外形是综合考虑减小车身迎风面积和增加与地面附着力以及赛车运动规则而成型的。

车身酷似火箭倒放于四个轮子之上，发动机位于后部。

除必要的总成、部件外，力求结构简单、操作方便。

1）车身（body）

F1赛车的车身采用碳素纤维增强塑料（CFRP）。

这是一种异常坚固但却有着轻微重量的优异材料。

在使用这种材料之后，被称为无大梁单体结构（Monocogue）的车身基础部分的重量竟然不可思议地只有30KG。

而最后在安装了所有所需部件以及坐上驾驶员之后，整辆F1的重量也只有600KG而已，只有一般民用汽车的重量的三分之一左右。

F1赛车的车身采用全手工打造。

熟练的技师将碳纤维一层一层地贴在模具上，车身每一个部位因为承受的压力不同而贴上不同层数的碳纤维与不同的排列方向。

每一层碳纤维的排列方向决定了车身承受压力将往哪一个方向分散。

所以这个程序需要谨慎地执行，吹风机与手术刀此时都会派上用场。

F1赛车的碳纤维层数平均是12层，另外在最中央的部分铺设蜂巢结构的铝合金。

费时的碳纤维铺设工作结束后，最后一步就是将车身送进高温与高压的特别烤箱中让每一层碳纤维紧密结合。

这样的程序要反复进行三次后一具车身才能算大功告成。

烤出第一具车身需费时六周，不过第一具车身制造完成后，后来的车身只需一周即可出厂。

2）鼻锥

影响F1赛车稳定性的最重要因素是修长而扁平的鼻锥，它是赛车车身的前半部分，决定着通过车身上下方、散热器、后负升力翼气流比例和方向的关键性部件。

导流有效、承载前负升力翼、加快更换负升力翼的速度及撞车时保护车手的安全是鼻锥的基本要求。

例如迈凯伦车队的F1空气动力学工程师在2001年设计使得鼻锥的下垂角度比较大，更低的鼻锥使前部气流的阻碍可能性降低到很小的程度，气流在流过鼻锥之后直接经过悬挂两侧及单龙骨下沿抵达扩散器，可以产生较好的气动效果（如图2所示）。

图表2迈凯轮车队赛车的旧鼻锥

为了避免两车呈T字相撞时，过高的鼻锥越过驾驶舱顶到车手。

FIA要求从2012年起，单体壳前端的最大允许高度从当前的62.5CM减至55CM，降低7.5CM。

该项规则的调整，导致了阶梯鼻的诞生（如图3-4所示）

图表32012年F1鼻锥新规示意图

图表42012法拉利车队赛车鼻锥就是典型的阶梯状

3）前、后负升力翼（wing）（如图5-6）

迈凯轮F1车队资深空气动力学家道格-马科尔南解释说：

“前翼是F1赛车的空气动力组合中最重要的部件，因为它的位置，它控制着空气在赛车其余部位的流动。

不像尾翼，前翼利用重力，这是空气动力的原则，即用地面将气流相对在自由空气状态中而言，加速到更高速度。

更高速度引起更低压，使赛车吸贴在赛道上。

风翼的最佳轮廓取决于使用计算流体动力学电脑程序，并结合在风洞中花许多时间分析一辆按比例缩小的模型。

”

前负升力翼产生较大的负升力可以抵消一部分气动升力，增加车轮的地面附着力，改善高速F1赛车的轮胎转向性能，从而使赛车加速或减速时提高发动机功率的利用率，同时还可部分平衡由后负升力翼引起的车头上仰力矩的影响。

前负升力翼可以提供给赛车30%的下压力，对F1赛车起着至关重要的作用。

图表5

尾负升力翼把赛车后轮牢牢保持在赛道上。

它最多可包括两个碳纤维翼面。

它们像特大号的剃刀刃般重叠着，而且可通过三个不同的平面分别调整，在所需的任何角度截流。

F1赛车的抓地力约有1/3是由前轮负担，有超过2/3则是由后轮负担。

在前轮采用低下压力的设定可以提高车速，但同时也会提高转向不足的趋势；转向不足就是车头会开始滑向弯外侧。

相对的，如果车尾的下压力不足，那么会有转向过度的倾向，车尾就会开始打滑。

单尾翼、双尾翼、弹性尾翼是后负升力翼面的不同形式，如图。

图表6后负升力翼

4）扩散器

虽然赛车的前翼、侧翼、尾翼可以产生负升力，但是车尾扩散器的设计是值得关注的细节（如图7）。

因为它影响着赛车的气动负升力，进而影响着赛车的操纵稳定性。

扩散器是赛车发展史中最有效率的空气动力部件，它不会像其他负升力翼在产生负升力的同时伴随产生一定的空气阻力，扩散器理论上几乎不产生阻力。

扩散器的原理和吸盘差不多，即被压缩在很小空间的气流（底盘下面）进入扩散器后体积突然变大几百倍，高速行驶时又没有其他空气补充，就会在扩散器内形成真空，将其吸附在路面，相当于在一个河流变宽的时候，降低了水流的速度。

当空气流动的速度降低时，它的压力就会升高，这就使得后部扩散器排气的速度更快，犹如把空气从底盘下部加速拉出，这增加了赛车的负升力。

扩散器最大的缺点就是对底盘与路面之间的距离要求非常高，距离变化会对负升力产生巨大的影响，这也就为什么民用车没有使用这种装置，高度越低越好，但一旦底盘接触地面将前后气流切断，扩散器立刻失效。

图表7发动机排气口与扩散器

5）底盘

关于车体底部的设计，车底中央的底板由于必须依照赛会规则，因此各队赛车的差异性并不太大，不过位于车尾下方的Diffuser，中央与两侧形状的设计就有极大的分别，而其中垂直扰流板与导流室的高度则是差异最大的部位。

由于Diffuser扮演着为车底空气动力画上休止符的角色，因此从各队赛车在Diffuser形状的设计差异便不难想象。

F1赛车在行驶的过程事会产生三道基于这样的理由，而如何处理这三道来自不同方向的气流，便是F1赛车的空气力学专家们的首要课题。

在行驶的状态下，F1赛车首先会板），则成为一项重要的空气动力套FW24的底盘设计在乍看之下或许具有几产生一道从车体与尾翼上方经过的气流。

这道气流也正是决定车体纵向荷重的主要关键；同时，从侧方通过散热器的气流也具有同等的重要性，因为这道气流主要用于发动机的冷却，因此必须从散热器进气口导入，之后再由车体后方的排气口导出，而且还不能与流经车体上方的气流产生干扰，以避免因此产生的乱流影响到车体行驶时的稳定性；除了车体上方与侧方之外，更为重要的其实是流经底盘的气流，因为这道气流不仅是构成下压力的重要条件，而且其占了车体上方与侧方气流量总和的45％以上!

6）悬挂系统（SUSPENSION）

F1赛车的悬挂系统被暴露在车身的外侧，这是所有方程式赛车的一个退热顶。

虽然悬挂系统在F1中的功能与市面上销售的民用汽车相同，但是其较舒适来说更需要的是良好的驾驶性能，这需要让4个轮胎始终保持与地面接触行驶。

而由于活动更好的空气动力学效果，在悬挂系统的形状上，F1也参考了一些飞机的设计。

参考资料及文献：

[1]黄天泽，黄金陵，骑车车身结构与设计[M].北京：

机械工业出版社，1996

[2]郭军朝，理想车身启动造型研究与F1赛车空气动力学，2007

[3]F1前瞻之新技术规则

[4]龙人，F1底盘下的空气动力学，《汽车与配件》赛车世界，2003（31）

[5]潘小卫、谷正气、何忆斌、汪怡平，F1赛车气动特性的CFD仿真和试验研究，《汽车工程》2009年（第31卷）第3期

[6]F1赛车运用的先进科技，详解F1赛车的构造组成

[7]吴健瑜、罗玉涛、黄向东，FSAE赛车双横臂悬架优化设计《机械设计与制造》，2011年10月

[8]马勇、郑伟涛、韩久瑞，计算流体力学在F1赛车运动中的应用，《武汉体育学院学报》，2005年3月第39卷第3期

[9]张立斌，人机工程学机器在汽车设计中的应用，《汽车运用》2009年8月

[10]愈学人，赛车排气管道制造工艺及模具设计，《组合机床与自动化加工技术》2004年5月

[11]F1，XX百科