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F1刹车系统详解

(2008-06-11 11:05:18)
标签:

刹车碟

碳纤维

减速

制动

冷却

体育

分类: 刹车散热

刹车系统
    在物理形式上,我们可以说能量是一种物理系统工作的能力。当一辆赛车在直道上以300公里每小时或者更多的速度行驶,他需要花费大量的动能。由于能量守恒的原理,一种能量可以被转成另外一种形式的能量,让车慢下来的唯一办法就是把动能转化成另外一种能量。刹车就是这种在赛车和民用车上把这部分动能转换成热能的方式。

 

碳刹车碟的应用
    F1赛车从300公里/小时到彻底停下来,总共只需要花费4秒的时间。F1赛车在200公里/小时时赛车手只需要2.9秒让赛车完全停下来,这个过程需要在65m内完成。100公里/小时,这个值要小于1.4秒和17米。在这样重刹车的情况下,车手在水平方向的减速度接近5.4G。
    这样的操作当前只有碳纤维混合物的刹车碟和刹车钳的性能能满足这样的配置要求。这样天然的性能可以创造快速的减速,但是他的低密度让他的重量小于1公斤。而且他还可以承受并散发热量,从而让他有了一个不等同的寿命:也就是说即使每场比赛大概发生800次温度超过1000°C甚至更高一点,这个碳纤维结构在整个大奖赛过程中都会持续工作没有任何问题。钢刹车上的钢在这样的情况下只能持续80s,所以在F1这项整体都性能都是顶级的运动中,钢结构毫不犹豫的被放弃。

F1刹车系统详解

    尽管刹车的性能是无敌的,碳纤维的刹车还是需要车手花一点时间去适应。亚诺·特鲁利解释说:”事实上,踩下刹车踏板的第1毫秒时,你感觉不到任何事情发生。这个延迟主要是因为刹车碟和刹车钳在刹车前半秒内以每0.1秒上升100°C以达到工作温度1200°C。再此之后很短时间内减速立即体现出来而且会非常急促。“一旦达到工作温度,垫和刹车盘之间可以在0.6秒达到足够的摩擦力。”

    在他们的驾驶舱内,车手可以更改刹车系统的前后刹车比。这样会影响赛车的操控性。大致来说,前部所占的比重在51%到60%之间,这取决不同的赛道条件。比赛期间,减少赛车尾部的刹车能量,可以减少后面轮胎的消耗,因此来影响牵引。-

 

大体的结构% X% K: b9 D, [3 Q" I
    在普通的民用车上也使用刹车碟,这个系统的核心部分就是刹车碟和具有和车轮同样速度的转子。刹车板和刹车锁则被放置在刹车碟的周围和旁边。当驾驶员才小刹车踏板,刹车液体就会被推到卡钳的缸体内,刹车碟就在刹车锁之间被挤压。这样产生的摩擦力就让刹车碟和车轮慢下来并产生热量。

    刹车液体本省就被存储在两个刹车制动总缸,被放在鼻椎内,被打包在悬挂系统组件之间,从而减小空间。这两个制动总缸内的液体被同事用于前部和尾部的刹车。由于比赛规则要求,前后制动系统为独立单元,这样的设计可以保证在一套系统失灵的情况下,仍旧有一套系统可以让车停下来。

下图就是法拉利F2008鼻椎内的制动总缸。同样还可以看到转向曲轴和动力转向系统的管道。
F1刹车系统详解

    尽管这样系统很简单(主要是因为规则不允许有太多变化),碳纤维元素制造的刹车是F1赛车中很昂贵的一部分。刹车板和刹车碟都是由最好的碳纤维制作而成(长链碳)。实际上制作一个刹车碟最多需要5个月的时间。第一阶段是加热聚丙烯腈(PAN)纤维直道他变黑为止。这是预氧化他们,感觉起来像一层一层的,他们接下来会被切割成型,并被碳化成最纯的碳纤维。第二步,他们要经过高密度的加热循环大概温度在1000°C。这样的阶段持续上百小时,在此期间含有丰富的碳的气体被注入炉子中或者火炉中。这样是为了帮助这些感觉像层状一样的物质能够熔合到一起并且形成一个固定的物质。加工完成的刹车碟会被机械切割成合适的大小放进赛车。

F1刹车系统详解

    当前,刹车板和刹车碟只有少数几家厂商可以生产,包括Brembo,Hitco和Carbon工业。车队选择不同的制造商,但有时同一车队的不同的车手也会选择不同制造商的。比如2007年迈克拉伦,费尔南多·阿隆索选择Hitco的刹车,而刘易斯·汉密尔顿用Carbon工业的。刹车钳本省则由Brembo,AP Racing或者Alcon提供。

 

冷却系统
    及时碳纤维本身可以承受高温,冷却对于保证刹车系统可以持续工作到比赛最后一圈同样至关重要。同样,刹车进风口也被引入到车轮的内侧,他的目的就是为刹车系统提供持续稳定的气流。今天,冷却系统变得相当复杂,不同的车队之间也有差异,但是他们有共同的特点就是刹车碟被穿孔。

F1刹车系统详解

F1刹车系统详解

    今天一些车队把他们的刹车进风口设计成分开的两部分(图3)。一个,最小的进气口提供刹车钳的冷却气体(图2)。第二个,也就是那个大一些的把气流导向刹车碟的中部。从那里开始空气分子会流穿刹车碟冷却孔(图2)来到刹车碟的外侧。然后从这里流向轮辐从而流出车轮。红牛二队的STR3甚至在刹车碟的周围加了一层碳纤维的防护盖,这样可以把车缘周围从刹车产生热量隔离开来(下图右侧)。同样注意到STR3的刹车钳位置要比丰田的低,这样的好处是降低赛车在未被很大程度弹起时的重心。
    为了进一步简化冷却系统,法拉利在2001年引入了旁路冷却风扇,他在轮轴周围和车轮用相同速度旋转。有车轮的旋转产生能量让风扇转起来从而产生一些气流去冷却刹车。在高速情况下风扇有效的把气流导入刹车系统,从而大幅提高冷却能力,从而让刹车通风口要比没有配这样风扇时的尺寸要小一些。随着尺寸的减小,有刹车进风口产生阻力也随之减小。"

F1刹车系统详解F1刹车系统详解

    接下来,在2007年的银石,法拉利引入静态轮毂罩。这样设备可以更好的利用车轮周围的气流。这样并不违反FIA对冷却系统的规定。这样轮毂罩是由重量很轻的碳纤维板,他可以覆盖车轮但是却不跟车轮一起旋转。车队因此可以让那些用于冷却的气流有效的排放出来,这对处理赛车空气动力的设计很有帮助。2008赛季车队拷贝了不同格式的系统。- y! r' o" E9 I/ W8 v/ p

新材料
    最近,一些车队比如说红牛开始使用一些快速的原型材料来制作刹车进风口。更加特别的是它使用CPR's Windform XT来加速产品的一部分的上产过程。事实上相对于碳纤维的元素,RP材料不需要模具去生产。一些部分可以在几小时或者几天内就完成,这样就可以取代需要几周时间去完成碳元素。另一方面,当你需要一个产品时,产品的模具(用于碳薄片)可以在几个部分共用,这样总的造价就会低一些。刹车的开发取决不同的因素,交货时间,形状复杂度,性能,快速的变化和设计的提高……

     Windform是基于PA的,而且被碳纤维填充的物质。他的性能要高于别的RP材料,当然低于碳薄片的部分。基于他的负荷和温度,他可以用于结构上的应用,就像其他塑料或者金属合金。XT异体是褐色的,他的熔点是175°C,所以他不能用于制造任何靠近很热的刹车碟附近套件。

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