F1賽車如何運作?

我是傑克·奧尼爾，動畫圖形的創作者，這就是一輛一級方程式賽車的運作原理。 讓我們從空氣動力學開始，這是指汽車與空氣互動並穿越空氣的方式。 圍繞它。在這裡，最好著重於整體理論，以避免迷失在絕對的迷宮之中。 個別的空氣動力學特性。前翼向上彎曲，迫使空氣繞行 使其在機翼上方形成高壓區，下方則形成低壓區。 這種壓力差產生了一種稱為下壓力的吸力，將車輛向下推壓。 將汽車緊緊吸附在賽道上。當翼面結束之處，這些不同的壓力區域相遇之處， 空氣相互衝撞，形成螺旋狀的渦流。渦流會產生阻力，拉扯著汽車。 減緩它。機翼尖端的蓋帽可阻斷渦流的形成，從而降低其影響程度。 相反地，機翼內側邊緣上刻意設計的尖形曲面端部，用於精確塑造 並引導氣流在車底形成漩渦，將通過車底的潔淨空氣封閉在內。 雖然渦流會造成阻力，但它們也是一種有用的工具，可用於分離和封閉不同的區域。 氣流流動區域。依照傳統，一級方程式賽車並沒有輪拱，因此輪胎暴露在外。 旋轉的輪子與輪胎組合是污濁紊流空氣的主要來源。紊流空氣 難以預測，對於產生下壓力等空氣動力學目標來說並不太實用。 在輪胎正後方，船尾板會調整或整理部分氣流。 同時將大量污濁空氣推離身體。車輛底盤與地面之間的狹窄縫隙 而當賽道將整個地面轉化為巨大的下壓力產生器，空氣被擠壓時， 氣流在車底以與車頂上方空氣不同的速率和壓力流動。車底板 具有向前倾斜或倾角，使其最窄处產生極低壓力，同時允許空氣通過 更順暢地恢復至周圍的大氣壓力，當氣流從後方排出時。後部設有擴散器 這項設計因其更為顯著的向上曲率而進一步強化了這一目標。散流器具有垂直結構 翼片用於控制並引導汽車後方因空氣流出而形成的巨大渦流。 下方。乾淨的空氣會被導入側邊底座以供冷卻之用。此氣流經過 透過車身，從後方翼子板下方穿出。流線型的車體設計引導著氣流 氣流優雅地繞過車身，即使在極端條件下也能確保可預測的操控性。 向上彎曲的後翼，作為另一個關鍵的下壓力產生裝置，其末端呈齒狀設計。 帶有間隙和百葉窗的頭盔，可讓部分空氣早期混合，從而改變並塑造尾翼的形狀。 渦流特性。在濕潤條件下，這也是明顯的翼尖渦流產生的位置。 有時會出現在顯而易程之處。一個液壓作動器會傾斜尾翼的一個部分。 當減阻系統（DRS）啟用時，會減少後部下壓力，但允許更高的速度。 整體速度。車輛後方龐大的污濁空氣區域，可能使其他車輛難以駕駛。 汽車將會接近並超越。值得留意的是，未來幾年，空氣動力學設計 一級方程式賽車的規則即將進行重大調整，以促進更緊密的比賽和超車。 氣流模式可能更像這樣，而不是目前寬廣且混濁的尾流。現在讓我們繼續 在這層外殼結構之下，從核心支撐結構開始，一層碳纖維外殼 稱為單殼體結構，引擎缸蓋、缸體以及變速箱外殼共同構成主要結構。 支援所有其他系統。底部沒有額外的機架或機殼。 懸吊系統。前後懸吊系統的構件類似，均包含上控制臂與下控制臂。 以推桿或拉桿連接的臂架。搖臂為具有有限垂直運動的剛性結構支撐。 旅行。在前方，由於熱量不是問題的地方，叉骨直接安裝在單體結構上。 並設計有簡單的彎曲關節，可在受力時彎曲。在後方，由於引擎的熱量可能 使用強力的球形軸承。推桿或拉桿是動作發生的位置。我們的型號 前部使用推杆，後部使用拉杆，這僅簡化地說明了如何 系統已安裝，可用來推或拉連接的懸掛部件。若部件可向下安裝，則可向下安裝。 較低的重心更理想，越低越好。拉杆連接到搖臂和減震器上。 我們稱之為普通汽車的避震器。但一級方程式賽車的懸掛系統並非採用大型螺旋彈簧。 使用一根稱為扭力桿的小型金屬桿，該桿在受力時會發生扭轉。扭力桿的一側 隨著外圓柱軸移動，而另一側則固定不動。兩者獨立。 懸掛側部連結至一根中央扭力桿，該桿扭轉以限制車身側傾。垂向運動是指 車輛的垂直位置，這對於正確的空氣動力學至關重要。垂向彈簧 當雙方同時上漲或下跌時，阻尼器便會巧妙地發揮作用，例如在 加速或煞車時才會動作，其他運動狀態下則大多處於靜止。我們模型中的垂向彈簧 是一堆柔韌的錐形墊片，於受力時會互相壓縮。可增加墊片數量 或用於微調。前懸掛系統執行與後懸掛類似的任務。 但採用不同的技術。轉向系統與前懸吊緊密整合。 一根轉向拉桿將每個車輪連接到一個相當標準的液壓齒條與小齒輪機構上，並配備轉向系統。 延伸至駕駛艙的支柱。後懸吊系統也配備了縱向拉桿以實現垂直方向的支撐。 輪胎角度調整。所有車輪必須使用輪胎束帶固定在車輛上。這些束帶非常堅固 在事故發生時，用來保持車輪與車身連接的纜線。這些纜線必須通過檢測。 透過多於一個的懸掛元件以提升安全性。除了少數例外情況外，大多數外露的 懸吊元件皆採用或以碳纖維黏合，以實現更佳的空氣動力學造型。 這是懸掛零件被包裝在車身外殼內、遠離外部空氣的另一個重要原因。 盡可能地。煞車系統kest。主缸和儲液罐用於控制和儲存液壓油 用於煞車。一級方程式賽車配備兩個主制動缸及其相應的儲液罐，分別對應前輪和後輪煞車。 分別地，氣缸一端安裝在煞車踏板上，另一端則安裝在螺紋煞車比例分配器上。 將另一個螺絲旋上。此偏置螺絲為電子控制，可隨時進行調整。 由駕駛員控制。螺栓位置可調整前制動器或後制動器的壓力。 制動管路穿過懸掛組件，連接到制動卡鉗和制動蹄組合裝置。強烈 制動熱必須精確管理，以確保整個 Tutor 碳纖維輪� AVA 由導管覆蓋。 纖維保護罩。前翼能夠引導空氣進入制動散熱通道，並流經輪圈內部。 冷卻。卡鉗安裝於盡可能低的位置，以確保煞車油路排氣順利進行，也就是說 確保氣泡能從液壓剎車管路中逸出，同時保持低壓 重心。煞車盤和煞車片均採用碳纖維材料製成。 光盤從中心向外延伸著數以千計的小孔，以達到最佳的冷卻效果。 後制動系統採用了類似的設計策略，近年來尺寸也逐漸縮小。 加入MGUK（電機發電機單元動能）。MGUK與曲軸齒合。 並作為電力發電機，於受部分驅動時為車上電池充電。 後制動力。安裝在變速箱外殼內的電腦負責管理與平衡 這個複雜的煞車系統。車輪透過單一輪轂螺母固定在輪轂上。 金屬固定銷可將螺帽穩固地固定在位置上。一支特別設計的輪胎扳手會推進 這些螺栓在拆卸螺母時會被壓下。引擎及相關系統。一級方程式賽車使用六缸引擎。 V型配置。活塞設計得較為平坦且小巧，以適應高轉速引擎。 複雜的排氣歧管為引擎後方一個相對龐大的渦輪提供進氣。 這屬於一種分體式渦輪增壓器設計，將原本堆疊在一起的渦輪組件分離。 高溫的排氣氣體驅動渦輪葉輪，進而使安裝在前部的壓縮機旋轉。 輪子在吸入並壓縮大量空氣。所有這些壓力都帶來了不必要的熱量。 進氣氣流使得整個側邊整流罩專用於中間冷卻器。氣流的路徑是 進氣氣流看起來像這樣。壓縮機通過安裝在滾動部位的進氣管道吸入空氣。 籃框位於駕駛員頭頂上方及後方。熱空氣從壓縮機流向中間冷卻器。 側邊散熱罩的空氣流經中間冷卻器的管路與散熱片，冷卻壓縮機內部的空氣。 現在冷卻的空氣會經過特殊的分流導管，進入各自獨立的進氣集氣室。 這些是用於維持氣缸之間空氣壓力平衡的腔室。 進氣導管延伸至氣室，以對每個氣缸進行特別調校的空氣供應。 側裙的空氣流經並冷卻引擎及其他內部零件，隨後從後方排出。 車輛的渦輪增壓器排氣部分配備了兩個旁通閥，分別對應每個排氣歧管。 在需要時，透過排氣閥將多餘的氣體排出。廢氣閥管沿著主排氣管延伸。 後方。一台高科技的熱能回收裝置位於這兩個渦輪隔間之間，稱為 MGU-H，即熱能馬達發電單元。渦輪氣體產生的多餘熱能驅動該單元運作。 作為發電機為車上電池充電。能量回收系統。MGU-H 與 先前展示的MGU-K共同組成了現代一級方程式賽車的混合動力功能。 兩個單元均為電池產生電荷。一旦電池充電至足夠程度，電池就會…… 可以將電力透過MGU-K單元反向傳輸，該單元同樣與曲軸齒合。透過此方式 MGU-K 可額外產生最高達 160 匹馬力，相當於一輛小型獨立汽車的動力。 引擎。冷卻。各種額外的散熱器佔據對側的整流罩。 這包括主引擎冷卻散熱器、油冷器和電池冷卻器。 另一組散熱器位於獨立的滾環空氣導管的路徑上。 用於冷卻液壓油、變速箱油하여야及MGU-H和K系統。 F1車隊可能將特定的散熱器安裝在與我這裡所示不同位置。 雖然可用空間總體上會類似，但他們也可能使用水冷式中間冷卻。 對於渦輪增壓系統，與我所選擇的較簡單的空對空配置形成對比。燃油箱。 油箱，也稱為燃料電池，是一種幾乎不會被刺穿的凱夫拉膠囊，內襯有 橡膠。它位於碳纖維單體殼體的一個獨立隔間內，並完全填滿。 可用空間。F1 燃料電池可容納驚人的 30 至 40 加侖燃料，這相當於 足以應付單場賽事，因為進站加油是被禁止的。這些車輛的預估續航里程為4至6英里。 每加侖燃油的英里數。油箱內部設有各種隔板，並配備單向閥以抑制燃油晃動。 在極端賽車力量下的液體晃動。目標是保持大型燃油質量的穩定。 位於中心且位置較低，同時可防止起泡及燃油泵供油不足。引擎油箱 位於引擎與燃料電池之間。變速箱。八速變速箱， 七個前進檔加一個倒檔，安裝在引擎後方的獨立鋁合金殼體內。 後差速齒輪透過特殊的三腳架接頭連接到後軸。 允許旋轉軸隨著後懸吊運動而傾斜。 安全系統。一級方程式賽車配備了強固的安全系統。後部撞擊結構可提供保護。 抵禦後方衝擊。側面碰撞結構隱藏於空氣動力學外殼內部。 可拆卸的前鼻段負責吸收正面衝擊，而至關重要的單體結構則形成 駕駛員周圍的保護罩。此外，還安裝在單體結構上的護頂裝置，稱為「頭部保護罩」（Halo）裝置。 於2018年實施，以增強駕駛員安全與防滾架。駕駛員頭盔 在滾動環與車身之間保持特定角度，以實現最大保護效果。 翻車事故時的情況。駕駛艙。一級方程式賽車座椅是根據特定駕駛員的身體模具製造而成。 駕駛員的身體。駕駛員以向後傾斜的姿勢就座，幾乎如同半躺著般微微直立。 六點式安全帶可將駕駛員固定在座位上。座位會包覆駕駛員身體的任何位置。 可能的和安全的結構包圍著頭盔區域。駕駛員佩戴一種特殊的支撐架，稱為 漢斯式頸部固定裝置，用於在不利情況下限制頭部移動。一個連接的帶子 頭盔兩側的卡扣以及肩帶將裝置緊緊壓住。 對駕駛員而言。一根飲料管從肩上延伸而過，與一個小型液體容器相連。 水庫用於在賽車期間保持駕駛員的水分。駕駛員使用不同的頭盔前後部件。 劇透設計以防止頭盔在佩戴時抬起或移位，有時甚至會出現顯著的移動情況 不斷變化的氣壓。近年來，護目鏡的開口進一步縮小，以更好地保護更為敏感的部位。 脆弱的護目鏡區域易受刺穿或破裂影響。駕駛艙設計充分有效利用了所有空間。 可用空間使得駕駛員必須拆除方向盤才能離開車輛。 方向盤。這是著名的一級方程式賽車方向盤。車手們大多不需要 讓他們的手離開方向盤來操控，因此方向盤就不必是圓形的。可客製化的 中央顯示屏以最大項目顯示當前檔位，同時顯示單圈時間等資訊。 輪胎與煞車溫度、平均速度等。令人望而生畏的旋鈕、指針與LED顯示燈陣列 為駕駛員和車隊提供細緻的控制功能，可在比賽過程中即時調整。 從左上角順時針方向依次是用於控制MGU-H和MGU-K的能量回收系統旋鈕。 左側和右側的選單導航按鈕。用於團隊溝通的按鍵通話無線電開關。 用於關鍵系統的LED警示燈。顯示器頂部一排LED燈用作 轉速計與換檔指示燈系統。啟動控制開關在賽事起跑時啟用。 比賽時啟用或關閉。前後煞車比例調節旋鈕。維修站限速按鈕 自動施加例如維修區速度和加速限制之類的規定。 一個用於改變引擎性能特性的引擎設定旋鈕。 DRS 開關按鈕。後差速器鎖定開啟或關閉的獨立轉動調整 入口和轉向出口調節器。飲料分配器按鈕。更多設定導航按鈕。 三個可程式設定的預設旋鈕，用於引擎、底盤或懸吊系統，以及一個情境選擇器 例如濕滑天氣或輪胎保養預設模式。中性按鈕用於中性模式。 以及無法透過後方撥片換檔器選擇的倒車檔。訊息確認按鈕。 一個超車按鈕，可立即應用最佳超車設定，以及一個液壓系統 設定旋鈕用於控制遍布車輛各處的複雜液壓組件，例如 在變速箱和懸吊系統中。方向盤後方的撥片用於換檔。 上下換檔。中間的撥片可由駕駛員自定義，而下方的兩個撥片 啟動離合器。比賽起跑時，僅能使用一個離合器撥片。一旦車輛開始行駛，離合器 不需要用於換檔。再往駕駛艙內部看去，我們可以看到踏板上有符合人體工學的凹槽。 環繞駕駛員腳部，以確保踏板完全分離，特別是煞車踏板。 在左側。感測器。這些車輛的各個部位都有感測器。例如車頭的皮托管。 測量空氣速度。駕駛員的定製耳塞內建加速計，用以追蹤頭部動作。 動作。後方設有一個麥克風，用於拾取排氣聲。 這裡是我們平均身高的尺寸對比 駕駛員模型站在一輛普通尺寸的汽車旁邊，位於我們的方程式模型旁邊。 必須注意的是，即使我在此竭力追求如此細緻的程度 一級方程式賽車的複雜性在某種程度上似乎無窮無盡，這真正考驗了我的研究能力。 它們真的是令人難以置信的賽車機器。