一级方程式赛车制动器的通风装置为何对车队来说如此微妙和至关重要?

每一辆一级方程式赛车都是数千小时研究、无数次计算机计算、模拟和测试的结果,也需要多次风洞试验来优化每一个最小的组件。尽管法规对风洞的使用有所限制:最多占用 1200 个风洞,进行 960 次试验和 240 小时风洞准时试验。


制动系统也不例外,Brembo 对提供给一级方程式车队的所有组件都进行严格而精密的测试和模拟。有测量卡钳压力的测试,也有将卡钳压力与扭矩一起评估的测试:这些测试是通过施加比设计中假设的最大值多 50% 的力来进行的。在 Brembo 设计的动态台架上,包括踏板箱和悬架在内的整个制动系统都会进行测试,模拟比赛情况。如果传感器给出合格结果,则该制动器已获得批准,可以量产并交付给各车队,供整个锦标赛使用。尽管进行了各种计算以及静态和动态测试,但在赛车历史上还是发生过很多意想不到的事件,这些意外事件造成了无法预料的问题,从而影响了大奖赛的成功。


在大多数情况下,触发原因都是外部的,与车队的行为无关,例如某个组件从另一辆车上脱落:著名的例子是 1995 年意大利大奖赛上,让·阿莱西的法拉利赛车上脱落的摄像头,击中另一辆赛车的悬挂臂,迫使格哈德·伯格退赛。

然而,有时故障并非由赛道上的其他赛车引起,而是由其他因素导致,例如动物闯入或看台上飞来的物体。Alpine Renault 对此深有体会。2021 年巴林大奖赛上,为了避免费尔南多·阿隆索的 A521 赛车出现更严重的故障,车队在阿隆索仅跑完 33 圈后便终止了比赛。

这一切都是因为一张三明治包装纸卡在法国赛车的后制动器进气口,导致过热,最终影响了制动系统的正常工作。


维修站的工程师们通过遥测数据发现了问题所在,考虑到继续比赛会危及车手及其队友的安全,他们决定让赛车退赛。


一级方程式的历史以及阿隆索本人对这类事件并不陌生:2015 年,在西班牙大奖赛上,阿隆索驾驶迈凯伦赛车,在第 25 圈时因恐惧而被迫退赛 - “后轮制动似乎不再起作用了,”这位车手向维修站报告说。


故障原因是可撕式遮阳板进入进气口:在车底发现了这一小块透明塑料。同样的事情也发生在 2022 年比利时大奖赛上,受害者是查尔斯·勒克莱尔:在第一圈,头盔面罩刺穿了右前制动器进气口,冒出了烟雾,但幸运的是,随后的进站维修使得面罩得以取出。


得益于安装在车辆各处的多个传感器,车队可以随时掌握制动盘和卡钳的温度。根据这些数据,系统会向车手发出警报,以便调整车辆的制动平衡或管理系统:当记录到与预测相比的异常情况时,就会发生这种通信。

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制动器进气口的重要性


但是,制动器进气口是如何工作的?如果意外阻塞会发生什么情况?在一级方程式赛车的车轮转角处,我们看到碳制动管随着时间的推移越来越复杂的发展,包括专门设计的进气口、襟翼和导流板,不仅能够冷却制动系统,还能发挥空气动力学作用。


这是因为,通过清除轮胎旋转产生的湍流,可以降低赛车的阻力或增加其空气动力载荷。即使只有一个进气口受阻,制动盘和制动片也会被迫持续在高于最佳工作温度的条件下运行。


这会导致它们氧化,并且在几次紧急制动事件中,摩擦材料的温度就有可能飙升。因此,意外的通风不足会首先损害制动液,然后损害摩擦材料。


摩擦材料不仅会快速磨损,还会开始燃烧,侵蚀部分制动盘,同时制动液也会沸腾,产生气阻现象。如果汽车在这种情况下继续行驶,而驾驶员又更用力地踩制动踏板,磨损就会到达通风孔,有可能导致制动盘爆炸。


用于制造制动卡钳的铝会在 700°C 时熔化。然而,Brembo 的六活塞一级方程式赛车卡钳的保证阈值为 210°C,这虽然很高,但低于制动盘的最低工作温度,制动盘的使用范围在 350°C 至 1,000°C 之间。


制动盘和制动片在像加拿大 GP 这样的极端条件下会达到非常高的温度,而 Brembo 卡钳则不同,因为加拿大 GP 的赛道布局包含许多紧急和近距离制动点,而 Brembo 卡钳的温度永远不会超过 200°C。

最佳温度之谜


在吉勒-维伦纽夫赛道,以及阿布扎比、墨西哥城和新加坡的赛道上,制动器进气口的作用至关重要,因为在没有长直道可以让制动系统冷却的情况下进行连续的猛烈制动,需要将大量空气导入制动器内部。


相反,在银石赛道、铃鹿赛道或英特拉格斯赛道上,则存在相反的风险,即制动器无法达到理想的工作温度,从而导致摩擦材料出现上釉现象。


在这种情况下,制动器需要的空气量减少,进气口“部分关闭”,有效地降低了流向制动器的空气流量。从理论上讲,这些选择似乎合乎逻辑,但一级方程式赛车的车轮转角处包含许多元件,每个元件的需求各不相同。

此外,还必须考虑对轮胎性能、动力单元工作温度以及直道阻力的影响。
总之,这是一个真正的平衡工作,而现在又增加了一个变量:制动盘上的通风孔数量。这些制动盘的设计基于 CFD(计算流体动力学)计算,是制动盘制造商和赛车制造商共同研究的成果。


车队会根据赛季中使用的进气口或为特定大奖赛改装的进气口,选择他们认为最好的制动盘版本。在前部方面,Brembo 曾生产过最多具有 1480 个孔的制动盘,但自 2022 年起,制动盘的最小孔径被设定为 3 毫米,这使得前制动盘的孔数减少到 1000 到 1100 个之间。

Brembo 为车队提供的制动盘使用两种不同的碳制动盘:“宽花键”和“单侧花键”。在“宽花键”规格中,驱动装置(与钟形件接触的部分)的厚度等于制动盘的厚度;而在“单侧花键 ”规格中,驱动装置的厚度小于制动盘的厚度。

第二种解决方案有利于制动盘采用不同的通风策略,并能更好地封装车轮转角,但代价是碳的最佳机械压力,这限制了通风钻孔的可能性。至于选择哪一种解决方案,则取决于各车队根据各自赛车的设计的需求。