链接：https://www.f1technical.net/features/23505

写在前面，限于水平，本文中还有很多不像人话的地方，欢迎各位能够指出问题和修改意见，我会加以修改。这篇文章是和各位一起翻译的成果，感谢各位的修改意见。

前言

赛车底盘一直是设计师挖掘赛车下压力潜力的重要区域，可变底板改变赛车离地间隙的小技巧都是受到严格监管的。

F1赛车中的地面效应

谈及赛车底板的设计，必须要提及地面效应。一开始规则对于底盘的曲度是不做要求的，科林·查普曼 (Colin Chapman) 创造 Lotus 78 和 Lotus 79 的弯曲底板（图 1）。

图1 – F1 赛车弯曲底板

所谓地面效应，就是赛车底板和赛道表面间隙的静压会随着赛车速度的增加显著增加，这种将赛车固定在赛道表面的垂直向下压力称之为下压力。下压力的大小和赛车底板表面产生的静态压力和底板面积成正比。

产生地面效应的三个原因可以被如下三个物理模型所概括：伯努利原理、连续性方程和文丘里效应（源自前两个，2022空力改革主要是使用文丘里底板，不能简单的理解为地面效应底板）。

伯努利原理认为对于恒定质量的流体，沿管道的流线流动的能量守恒，因此如果管道某一部分的横截面积减小，则空气速度将该部分增加，因此压力会降低。

连续性方程描述了管道或管道内流动的均匀性。假定流体不可被压缩，进入导管的空气的质量流量将等于离开导管的空气的质量流量。

地面效应产生的下压力能够压缩悬架系统的弹性部分，从而将轮胎压在地面上，增加接触面和沥青之间的摩擦力。在莲花赛车面世之前，F1 赛车在转弯时产生大约2g的加速度，在制动时产生大约 2.8g 的加速度。Lotus 79 有了相当大的改进，将过弯的加速度提高到3.5g，这意味着更高的过弯速度，从根本上改变之前赛车阻力和过弯速度权衡的空气动力学设计。

但后续的技术规定从安全角度出发，要求底板从所谓的T-tray延伸到扩散器的起点必须是平坦的。平面底板时代，仅允许车队在平面底板后部安装上扬的扩散器，用于“抽吸”底板下方空气制造下压力，扩散器的尺寸直接决定赛车下压力的水平。

（补充图：赛车底板扩散器）

即使出于安全使用平面而非曲面底板依然能够利用地面效应，因为扩散器可以使在赛车下方循环的气流更加稳定并保持较低的平均负压。Patrick Head的FW07首次使用了两侧平坦底板和最大角度为 7 到 10 度的长扩散器保持边界层粘附在扩散器壁上，效果上优于Lotus 80。

底盘倾角

“底盘倾角”可以被定义为赛车底板和路面之间的夹角。理论上这个数据越大，赛车就能产生越大的下压力。但这个角度对于不同的赛车有不同的甜蜜值。为了实现高斜率底板，底板和扩散器必须以最佳协同方式合作，中间有许多变量会影响这种优化，包括底板和扩散器的尺寸、底板和扩散器的入口和出口面积、高度、底板和扩散器的膨胀比等。

底板扩散器组件中的错误设计可能会产生所谓的“porpoise effect”（鼠海豚效应）。当底板下的粘性空气阻止更多的空气通过底板，从而减少下压力，而这会导致净空高度（clearance height）的增加；但反过来说净空高度增加又能够增加下压力，一增一减导致了赛车下压力处于一种波动状态，反映在赛车动态上就是车体特定频率的正弦运动，赛车轮胎在这种颠簸的情况下无法有效工作，这个问题迫使 Colin Chapman 在中高速弯角中使用必须增加弹簧刚性用于减少振荡。

赛车底部的空气循环遵循以下路径：从底板前部进入并随着横截面积的减小而加速；它继续在底板下产生低压区。但如果扩散器中的“压力”大于底板下的“压力”，扩散器如何起到抽吸底板的气流的作用呢？

答案是在底板和扩散器之间的踢线过渡区域，产生所谓的“裂缝压力”，顾名思义，它会产生一个非常突然的压力下降，这就是负责从底板前面拉出气流，迫使空气穿过整个底板。

在图 2 和图 3 中，通过CFD分析（测试条件：气流速度 = 250 公里/小时，斜率 = 1°，旋转轮胎和轮辋）。

图 4 显示了底板下方中心线处的压力分布，其中“A”对应于底板部分，“B”就是前面提到的“裂纹压力”或“制动线”，“C”是扩散器部分。可以准确地注意到前面已经解释过的内容：“B”，明显的低压，“C”中的平均压力比“A”中的大；事实上，与底板相比，扩散器产生的总负载很小。

图 4 – 电动方程式赛车 CFD 模型的底板扩散器组件处的压力分布

表面静压图显示在图 5 中描述的FE模型的底视图中，其中可以清楚地区分上述区域（图 4 中的 A、B 和 C）。低压区域用蓝色表示，即底板的起点（气流加速的地方）和底板和扩散器之间的分离线处的裂纹压力区域。

高斜率与低斜率之间的全局分析比较

分析是基于图 7 和图 8（1度倾角）以及图 8 和图 9（3° 倾角）的设定，这些设定施加在 F1 赛车的基本模型上。

图 6 – 简单的一级方程式赛车 CFD 模型（1° 倾角设置，侧视图）

图 7 – 简单的一级方程式赛车 CFD 模型（1° 倾角设置，前视图）

图 8 – 简单的一级方程式赛车 CFD 模型（3° 倾角设置，侧视图）

高斜率赛车

高斜率赛车的部件和基础设定相同，仅仅是倾角参数发生了变化。双重垂直刚度的后悬架系统和可精确控制间隙高度的前悬架系统配备组合阻尼系统在 3 种状态下起作用：

1) 俯仰运动（悬挂质量的垂直运动，没有Y 轴旋转）和制动（由第三个元件控制）；

2) 曲线运动，阻尼滚动运动；

3)控制每个车轮的高频阻尼和应对路肩的冲击。

赛车前悬挂在每个摇臂的轴上装有两个扭力杆，用于支撑赛车的静载荷和下压力、应对赛道颠簸以及不同车身动态（制动、转弯、加速）引起的动态载荷变化。此外这套系统必须精确控制离地高度。防倾杆的作用在于最大限度地减少汽车的侧倾角。

这套东西看似玄幻，但事实上已经是围场赛车的标准配备。对于高倾角赛车而言也是如此。赛车的后部离地间隙在低前倾状态（直道）高前倾状态（在初始制动时刻和转弯时，特别是在低速弯）呈现完全不同的状态，因此如何让之前提及的一整套悬挂系统正常工作，保证轮胎长时间位于工作的甜点对于工程师提出了更高的要求。

同理适用于控制后轴高度的后悬挂。一方面后悬挂也要承担赛车的静态载荷，另一方面需要控制赛车不同姿态下重心移动和对赛车下压力的影响。

当赛车制动时或者进入低速弯之前，由于负载转移和速度损失，赛车屁股会抬升高度达到大约165 毫米的后轴高度和 3 毫米的T-tray离地间隙。由于制动时的纵向重量转移，底盘底板下前缘接近路面，赛车前端产生地面效应的能力被压榨，赛车趋向于转向过度。

当汽车在低速弯道行驶时，由于高侧倾力矩的存在，从后轴上的内轮到外轮的高横向重心转移发生，虽然赛车是4轮，但真正起到抓地作用的只有前轮和外侧后轮。后轴轮胎抓地力的丧失导致赛车尾部不稳，容易通过弯道。因为高侧倾力矩实际上作用于外轮（根据车轮的半径，外轮的抓地力潜力约为 60% 到 70%））。为避免内侧轮胎打滑（空转），必须在自锁式差速器中使用高比例的锁定（约 60 % 至 65 %）。

总结一下，高斜率的设计理念可以减少赛车在低速弯道中的转向不足，出于这个原因，高前倾车可以在低速弯道中非常快，允许灵活改变方向。赛车有一个受控的横向抓地力（在后部横向滑动的极限），由制动减速度和驾驶员给定的方向盘角度控制，从而保持后端过度转向（受控过度转向）的百分比并尽量减少前端的转向不足（最小转向不足）。

到目前为止，并非所有车手都能像 Max Verstappen 那样正确地驾驶这种类型的赛车，因为 Adrian Newey 允许他（几乎从他在 F1 开始时）学习和发展高前倾汽车的驾驶技术（图 10）。

但是这种设计理念同样有缺点。由于赛车在低速弯道中几乎使用后端的单个车轮工作，因此外后轮胎受力过大，这会增加外轮胎磨损，可能会导致比传统低速弯道更大的退化。

与之相反，低斜率赛车在低速弯道时两个后轮胎上的垂直负载差异较小，并且在转弯时不会使后轮胎过度受力，与高斜率车相比，使用相同的轮胎组允许更多的圈数。低倾角车因为它们在低速弯道前翼离地间隙更大，这比高倾角车造成的地面效应更小，所以需要更多压榨前轮的抓地力。

现在分析高倾角车在加速瞬间、出低速弯和赛车起步以及其在高速直线上的行为，观察到以下几点：

• 起步（干地或湿地）以及低速弯出弯时，高斜率车在起步时后端的净空高度约为165 mm，这个数字在低速弯出弯是介于 145 和 150 毫米之间。换言之，后端仍然是由垂直刚度较小的弹性系统支撑（请记住，高斜率车有两个垂直刚度值，如上所述）。这使得产生更大的线性加速度成为可能，因为当后端被支撑在低刚度悬挂系统上时，赛车在任何时候都不会处于后轴的高垂直刚度点，这会导致后轮胎打滑，失去纵向加速度，因为较软的悬架允许更高的纵向加速度，在加速下的力量应用中具有更大的渐进性。

• 在加速的瞬间（换到更高的档位时），它还可以提高档位之间的加速效率。但是记住下压力与车速的增加成二次方比例增长，下压力的增加会迅速压缩后悬架中较软的减震弹簧，使赛车在5档后由较硬的弹性系统支撑，因此倾角将开始趋向于恒定角度约1到1.3度。随着下压力的不断增加，后簧上质量的间隙高度将降至 70 mm 以下，减小“Cd×A”乘积和尾翼的攻角，从而降低汽车的阻力减少汽车的截面积 (A) 及其 Cd 系数（阻力系数）。

• “Cd × A”乘积的减少能够提高速度，赛车的工作状态和传统的低斜率赛车并没有很大的差异。赛车的尾速取决于动力装置 (PU) 的马力，如果赛车的马力更高，那这辆车在直道上会更快，因为这两款车都有相似的“Cd × A”乘积。

• 在高速弯中，两种赛车设计理念的气动效率差异不大，因为两者的后轴间隙高度非常相似。高倾角车后簧质量由更硬的弹性悬挂系统支撑，因此扩散器将产生非常相似的地面效应值。

低斜率赛车

为了简化高斜率汽车与低斜率汽车（具有低前倾空气动力学的赛车）比较研究，在 CFD 中进行了空气动力学研究，考虑相同的汽车并且仅改变倾角从 1.0 到3.0 度来确定对倾角变化的空气动力学响应，因为它发生在制动瞬间和低速弯道中的高倾角汽车中。另一方面，在高速直道上行驶时（在低倾角下工作），汽车已经考虑了倾角从 3.0 度变为 1.0 度的变化。仅在两个角度值中进行了CFD 模拟，即已将其考虑为两个固定和恒定状态。

需要注意的是，当倾角从 1.0 度变化到 3.0 度时，空气动力学“压力中心 (CoP) ”向前移动（从 1.0° 倾角的前部 43.4% 提高到在倾角为 3.0° 的53.1 % ）。赛车后轴的抬升导致赛车底板脱离了地面效应，因此空气动力平衡发生变化，由于前端下压力和后端损失成比例增加。

图 11 描绘了倾角为 1.0°（顶视图）和 3.0°（底视图）的 F1 汽车 CFD 模型的表面压力图。低压区域用蓝色表示，高压用红色表示。很明显，在 3.0 度时，蓝色区域大幅增加，表明前翼由于地面效应产生了更多下压力。

此外，不仅前翼上的负载增加，而且如前所述，作为前扩散器的鼻箱下部也增加了。这样，可以计算出 CoP 相对于 X 轴的位置，其中观察到，在 3.0° 倾角汽车中，CoP 相对于 1.0° 倾角汽车的 CoP 位置向前移动（图 16 ）。
由于 CoP 位置不同，负载分布的这种差异可以通过计算底板扩散器组件下方的流线来理解（图 12）。

图 11 – F1 赛车 CFD 模型在 1.0° 前角（顶部）和 3.0° 前角（底部）前翼底部的表面（静态）压力图

图 12 – F1 赛车 CFD 模型上的压力中心 (CoP) 位置

图 13 – F1 赛车 CFD 模型的流线比较

可以注意到，高倾角赛车在直线、低速弯出弯加速以及高速弯中，倾角会减小，但仍然会高于低倾角赛车。

通过这种方式分析能够阐述车速增加所导致的下压力增加进而改变倾角时汽车空气动力学行为。观察赛车底部三个纵向截面（A、B 和 C）下压力分布，能够发现很大的差异，如图 14 所示：

图 14 – F1 赛车 CFD 模型中用于计算压力分布的部分

由此产生的压力分布如图 15（对于 1.0° 倾角车的情况）和图 21（对于3度倾角车）。从图的左侧开始，每条曲线的第一部分对应于平坦底板的开始，而结束部分对应于扩散器的末端（如果适用）。

图 15 – F1 赛车 CFD 模型不同截面的压力分布（倾角 = 1°）

图 16 – F1 赛车 CFD 模型不同截面的压力分布（倾角 = 3°）

可以看到的最有趣的事情之一是在 1.0° 倾角的情况下发生的巨大的低裂纹压力（在底板和扩散器之间的过渡处向下的绿色峰值）（图 15）。而在 3.0° 倾角的情况下（图 16），向下的峰值要小得多，因此其裂纹压力值更高（负值较小）。上述数据模拟的结果似乎是在暗示高倾角扩散器工作效果并不如低倾角赛车，直观而言，之前普遍认为高倾角底板能够增加扩散器的有效容积，因此能够增加尾部下压力，然而情况似乎相反。由于这种设置的倾斜导致后轴处的离地高度增加了165 毫米。实际上，与 1° 倾角汽车相比，底板扩散器组件产生的下压力更少。

图 17 – F1 赛车 CFD 模型的流线比较（底视图）

图 18 – F1 赛车 CFD 模型的流线比较（前视图）

据观察，这种高倾角表现得像一个全DRS（减阻系统），不同于FIA DRS，它只作用于尾翼，以减少上襟翼的迎角，减少尾翼的阻力，提高车速以使其超过前面的赛车。

图 19 – F1 赛车 CFD 模型的流线比较（后视图）

换言之，使用高斜率赛车潜在的优势体现在刹车。高倾角的汽车在刹车的第一个瞬间几乎瞬间增加了倾角，从而通过增加后离地高度来增加底盘和尾翼产生的阻力。这让赛车制动时非常有效，并减少了后轮胎抱死的可能性，因为此时汽车由后轴的 2 个垂直刚度中较软的支撑。

最后的结论

这只是了解高倾角车与传统低倾角赛车的动态效果的基础研究。出于这个原因，CFD所使用的不同赛车设定的模型并没有做出相应的车体、空气动力学套件的修改，也没有进行特定调教提升来提高特定赛车的效率。仅从总下压力、阻力、空气动力效率、前后下压力的分配角度去评估赛车的空气动力学行为的响应（相对于净空高度的值），绘制车身的压力图和赛车周围的压力场，速度图，涡度图，CoP 的位置（高和低倾角条件），顶部和底部的流线赛车以及赛道表面，涡流生成和其他附加验证，以确定每个设置的最大效率。在实际的设计中要实现高效的高斜率汽车，还有很多需要研究、分析和开发。

Adrian Newey 在2009 年就开始开发高斜率赛车这个想法，并为此进行了12年的试验，积累了相当广泛的调车和设计数据。对于其他车队的工程师团队而言，研究低速弯道和制动和加速时的横向载荷转移时，使这种高斜率赛车系统正常工作短期来看绝非易事。法拉利18、19以及20年增加轴距和斜率的思路并没有达到设计中的理想效率。

最后的结论给出了两种模拟的数值结果。从这个分析中可以得出许多结论。尤其可以看出，将倾角从 1.0° 改变到 3.0°，前端下压力增加，但是总下压力小幅减少（降低了 1.7% 的数量级），因此具有 1.0° 倾角的赛车的空力效率更高，下压力的总量和阻力都相对于高倾角赛车又优势，从下压力配平角度而言，高倾角赛车的CoP更加靠前，操控上更为极端或者适合对于尾部下压力敏感的车手操控。

表 1 – F1 赛车 CFD 模型在两个倾角下的数值模拟结果

通过对于红牛赛车的空气动力学效率的观察，作者认为红牛可能为了在直线速度上和梅赛德斯一较高下，必须在动力输出上提高4～4.5%。有趣的是，与上赛季相比，使用高倾角车的车队损失的圈速更少。红牛失去了大约 1 秒的圈速，但梅赛德斯已经失去了大约 2 秒左右。因为如果 FIA 规定将下压力负载降低 10%，那些设计“能够”具有高的赛车的车队可以通过增加斜率来减少负载损失。

每个 CFD 模拟的数据

• 测试速度：250 公里/小时。

• 6500 万个细胞（这里改成网格，根据lorry2001意见修改）

• 由20 层组成的边界层。

• 旋转轮胎和轮辋。

• 移动底板。

• 侧箱上安装热源。

• 发动机进气。

• 排气中的气体混合物和温度：120 m/s。

• 前轮制动盘和卡钳。

• 发动机缸体、排气装置、散热器和制动器中的热传递。

• 在具有 256 GB RAM 和 56 个内核的 PC 上进行 72 小时的计算。

作者信息

Timoteo Briet - Aerodynamic and CFD engineer, Mathematician, Cosmologist, Online Course CFD, Aero and CFD professor
racecarsengineering@gmail.com - @TimoteoBrietCFD.

Enrique Scalabroni - Formerly at Dallara Automobilli, Ferrari F1 Chassis Technical Director, Williams F1 and Lotus F1 among many others
scalabroni@yahoo.com - @ScalabroniE.

Nacho Suárez - PhD Electronics Engineer Vehicle Dynamics, Virtual 7-post rig, Simulation, Autonomous Vehicles, Embedded Systems, Control
nachosuamar@gmail.com - https://www.linkedin.com/in/nachosuarezphd/