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【技术贴】F1基础知识入门

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去年经吧友推荐,我看了史蒂夫·伦德尔(Steve Rendle)的《红牛F1赛车大揭秘》(Red Bull Racing F1 Car),觉得挺适合作为F1基础知识入门。
今年新赛季开始后,看到吧里忽然多了许多新人,我突发奇想将这本书的内容进行精简和提炼,整理出来一套F1基础知识入门的技术贴,再此献给所有吧友。
所有一万八千字全部看着书手工输入,并且将书中与2018年赛事规则不同的地方做了补充。
备注:①为保证大家的阅读质量,在我没有完全更新完之前,请务必不要插楼(插必删!)
②由于系统偶尔会误删贴,不敢保证完整无缺,我自己留有完整版,为避免广告,在此就不说在哪看了,想要的等我更新完毕后底下回帖,我私信给你们。


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1楼2018-03-31 18:25



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    2楼2018-03-31 18:25


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      来自iPhone客户端3楼2018-03-31 18:26
        第一章 赛车的构造
        1.1底盘
        1.2空气动力学
        1.3悬架和转向器
        1.4制动组件
        1.5引擎
        1.6变速器
        1.7车轮
        1.8轮胎
        1.9电子设备
        1.10液压系统
        1.11安全设备
        1.12驾驶舱控制器


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        4楼2018-03-31 18:26
          第二章 赛车的研发
          2.1设计团队
          2.2设计过程
          2.3组合
          2.4CFD
          2.5风洞
          2.6模拟
          2.7测试
          2.8开发


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          5楼2018-03-31 18:26
            第三章 赛车工程师
            3.1赛车上的工作
            3.2设置赛车
            3.3比赛周末


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            6楼2018-03-31 18:27
              第四章 赛车的驾驶感


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              7楼2018-03-31 18:27
                第一章 赛车的构造
                (1)底盘
                底盘采用碳纤维的一体式结构,赛车中所有部件都连接到底盘上,底盘要承受由悬架、转向系统、发动机、变速器和其他空气动力学部件传递给它的负载。底盘同时又构成了一个生存空间,在严重事故中保护车手,因此它必须非常牢固。
                1.1.1设计和制造
                底盘是赛车设计的出发点,通常新车底盘的设计开始于前一年的7月份(如2018款赛车底盘会于2017年7月开始设计),并在来年2月提交给国际汽联进行碰撞测试,此时离赛季开始只剩四周时间。
                在底盘的设计和制造过程中,利用计算机辅助设计(CAD)和计算机数控(CNC)工具,使得工程中每个细节都可以及其精确地重复,因此生产的每个底盘在尺寸和强度上是高度一致的。
                1.1.2逃生舱
                逃生舱是底盘中最坚固的部位,结构必须满足撞击和翻滚测试。
                1.1.3轧辊结构
                为了防止事故中车辆翻转对车手造成伤害,车手头盔和方向盘的连接线必须高于车手头部,因此在赛车底盘上具有两个轧辊结构。后轧辊圈上带有小孔,是发动机风箱的一部分。
                1.1.4燃料箱
                燃料箱安放在车手座椅后部,呈气囊状,由弹性体浸渍凯夫拉材料构成。燃料箱受到高能量冲击时可以承受变形,并且对冲击、穿透和切割有很高的抗性。
                1.1.5压舱物
                团队设计一辆赛车时,会使其重量低于国际汽联规定的最低重量,然后安放压舱物使赛车达到最低重量。F1赛车对重量分布的变化非常敏感,压舱物的移动和调整对重量分布非常重要,要尽可能安放在较低位置。


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                8楼2018-03-31 18:28
                  1.1.6底盘的制造过程
                  ①利用CAD和有限元分析(FEA)软件设计底盘。
                  ②在机床上切割出底盘的固体环氧树脂模型,成品误差在±0.05毫米以内。
                  (不采用金属而选择环氧树脂是因为模型还要进行高温(130℃)固化处理,环氧树脂可以让热膨胀的影响达到最小)
                  ③在“清洁室”内通过模型制造出凹模具。
                  (模具由碳纤维材料构成,其制造过程涉及大量真空处理、成层和热固化。需要制造出上下模具,再将其粘合到一起。)
                  ④去除成品模具外表任何锋利边缘。
                  ⑤碳纤维层的定向。
                  (底盘本身由数百层不同碳纤维材料构成,它们的形状各不相同,加工中要根据刚度性能和底盘相关区域受到的定向负载使每层碳纤维保持特性的方向。在铺设碳纤维层时,需要将金属嵌件和固定螺栓等部件集成到底盘结构上。)
                  ⑥热固化处理。
                  (碳纤维层铺设完成后,整个组件放置在真空袋中,在高压釜里进行热固化处理。真空袋用来积压碳纤维层,而高温使每层之间的预浸渍树脂均匀地流在材料内,接着浸渍树脂变成固体,将整个底盘变成整体结构。)
                  ⑦将上下两半底盘粘合成最终的硬壳式结构。
                  ⑧对最终成品进行细节修整。
                  备注:赛车上其他碳纤维部件的制造过程也与底盘相同。


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                  9楼2018-03-31 18:30
                    (2)空气动力学
                    空气动力学是赛车设计的源动力,大多数赛车研发工作都是围绕改善空气动力学性能进行的,空气动力学两个核心工作是提高下压力和减小阻力。
                    赛车高速行驶时,前定风翼能产生500千克的下压力,在此下压力下F1赛车的转弯离心力高大5G。下压力与阻力都与赛车速度有关,随着车速增加,下压力与阻力的增加不成比例,赛车速度加倍,气动阻力会增加四倍。当赛车在最高速,车手松开油门但不踩刹车时,空气会产生1G的阻力。
                    赛车上所有空气动力学部件都可以相互作用。例如,底板的形状是处理前翼的翼流,扩散器和尾翼的设计则要考虑到尾翼的上升流,尾翼可以让这两个部件效率更高。
                    空气动力学研发的主要工具是风洞和计算液体动力学(CFD)分析软件。


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                    10楼2018-03-31 18:31
                      1.2.1前翼
                      赛车上其他空气动力学部件都要利用前翼的翼流,因此前翼对赛车总体空气动力学效率有很大的影响。它占据了赛车总下压力的三分之一,但下压力并不是前翼优先考虑的内容,为了优化赛车其他区域的气流,前翼下压力会受到妥协。
                      前翼的构造(全部采用碳纤维材料):
                      ①主平面:直接固定在车鼻上。
                      ②端板:固定在主平面两端的垂直板,主要功能有两项,一是阻止主平面内的空气从两端泄露,二是引导赛车舷外空气端流。
                      ③主翼片:主平面后的可调节元件,后缘有各种微调选项,允许微调。
                      ④上翼片:安装在端板内侧。
                      ⑤导向叶片:安装在翼组件下部用来微调气流。


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                      11楼2018-03-31 18:33
                        1.2.2可调节前翼主翼片
                        当一辆赛车紧跟另一辆赛车时,后车会处在前车的空气空洞中(低压区域),后车受到领先车的上升气流影响,下压力会大幅度减少。可调节翼片可以通过改变前翼主翼片角度来恢复一些丢失的下压力。
                        后车受上升气流影响,虽然下压力会损失,但行驶阻力也会减小,从而获得前车牵引力。
                        1.2.3车鼻
                        车鼻是底盘上一个可拆卸的延伸部分,是前翼组件安装的基座,在比赛中很容易损坏,所以通过快速释放接头可实现迅速更换。
                        1.2.4底盘
                        底盘设计也要考虑空气动力学因素,横截面形状是个复合的V形,可以优化底盘两侧气流,使得前后翼、底板和扩散器更好地工作。


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                        12楼2018-03-31 18:34
                          1.2.5转向叶片
                          转向叶片又叫垂直叶片,通常会弯曲,安装在底盘两侧前轮和侧盖进气口之间。作用是改变赛车周围的气流。控制来自前轮的紊乱尾流,优化流向侧盖、底板和扩散器的气流。
                          1.2.6侧盖
                          侧盖的轮廓设计可以帮助控制赛车车轮、扩散器和尾翼周围的气流。从上方观察可看到明显的向内曲线,被称为“可乐瓶”后端。
                          1.2.7底板
                          底板是赛车上最有效的下压力产生组件,可以以最小的阻力代价提供高下压力(具体原理是“文丘里效应”)。增加文丘里效应的方式之一是让底板朝后方向上倾斜,这就是为什么有些赛车后排要明显高于前排的原因。
                          底板下部的发动机盖区域延伸的部分被称为“茶托盘”。
                          底板底部必须安装辅助板(防滑块),是赛车行驶高度最低处,原先为高强度树脂粘合的极薄山毛榉木切面制成,现在则为金属材料,在比赛中看到赛车过弯时底部火星四溅就是辅助板与地面摩擦产生的。


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                          13楼2018-03-31 18:35
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                            车轮产生的阻力占整辆车总阻力的三分之一,尤其是前轮,因为它影响着身后所有区域的气流,后轮也影响着扩散器、后底板和尾翼的设计。
                            轮胎对气流的影响非常复杂,因为轮胎旋转、负载变形、行驶角度、气流角度变化都会产生不同的效果。
                            1.2.9悬架组件
                            悬架组价的设计原则是尽可能减小阻力。
                            1.2.10扩散器
                            位于底板后部,从底板水平向上弯曲朝向尾翼。被叫做“扩散器”是因为它在文丘里系统中作为扩散口,让从底板下部流过来的加速低压气体加速并恢复正常压力。扩散器可以产生赛车总压力的30%-40%。
                            与前翼和尾翼不同,扩散器并不能调节。


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                            14楼2018-03-31 18:36
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                              发动机罩是车体上最大的一块面板。各面板间的任何间隙或接缝都会对赛车的空气动力学性能产生负面影响,因此面板的设计要尽量减少使用紧固件。
                              1.2.12尾翼
                              尾翼产生的下压力占据整车下压力的三分之一,下压力最大的单个组件是摩纳哥站设置的尾翼,赛车高速行驶中能产生超过1吨的下压力。
                              尾翼的工作方式类似于颠倒放置的飞机机翼。
                              (为什么尾翼有上下两片:当气流从尾翼表面流过时,会有从下表面分离的趋势,“分离”会完全打破气流,造成尾翼堵转,失去大部分下压力。尾翼角度越陡,下压力越大,但尾翼堵转的概率也越大,解决方法是将尾翼分成两部分,使用多片尾翼。由于规则限制,现在的尾翼最多只能有两片。)
                              1.2.13可调尾翼DRS
                              允许车手将尾翼放平,两个翼片间隙从10-15毫米增加到50毫米,降低阻力实现超车。但只能在赛道指定的特殊位置和时间使用。车手刹车时DRS自动关闭。
                              1.2.14鲨鱼鳍
                              鲨鱼鳍增加了发动机罩的面积,影响尾翼上方的气流,并在侧风和制动状态下改善赛车后端稳定性。2018年规则禁止使用鲨鱼鳍。


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                              15楼2018-03-31 18:37
                                (3)悬架和转向器
                                F1赛车的悬架没有舒适性可谈,它非常僵硬,移动范围只有几毫米。
                                悬架是赛车上主要的受力系统,加速、制动、转弯力通过轮胎施加给悬架,下压力和阻力由底盘施加给悬架,因此悬架必须有足够的强度,但又要尽可能轻便。
                                与道路汽车不同的是,F1赛车采用了内侧弹簧和阻尼器(有时也称减振器)。弹簧能缓冲车轮的垂直移动,但任何振荡都会减小轮胎抓地力并影响赛车操控性,因此必须安装阻尼器来限制弹簧振荡。


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                                16楼2018-03-31 18:38
                                  1.3.1支柱和轮轴
                                  支柱支撑着轴承、轮轴、制动盘和卡钳,还要承受巨大的加速、制动、转向力,因此强度必须非常高。由于赛车制动器温度非常高,支柱的设计参数之一是帮助制动器冷却。
                                  1.3.2横臂
                                  横臂要支撑起底盘、变速器和支柱,由于空气动力学的原因,横梁被设计得尽可能紧凑,因此它们相当重。
                                  悬架和制动系统传感器的车轮系链和线路都在横臂内部运行,避免干扰气流。
                                  1.3.3推杆和拉杆
                                  推杆和拉杆都连接到支柱上,其形状可以最大限度地降低空气阻力。
                                  1.3.4弹簧
                                  弹簧以扭力杆的形式出现。当赛车驶过路面凹凸时,车轮和支柱推动推(拉)杆,再推动摇杆,摇杆在枢轴上转动,从而拧动扭力杆。通过更换扭力杆可实现所需的回弹率。
                                  1.3.5阻尼器
                                  阻尼器通过节气阀来改变碰撞和反弹的阻尼特性,从而保持轮胎尽可能长时间地接触到赛道。
                                  1.3.6防倾杆
                                  防倾杆用来调整赛车的机械平衡,防止赛车过弯时侧翻。它安装在赛车两侧的推(拉)杆之间,将赛车两端连接在一起。
                                  1.3.7转向器
                                  转向系统与道路汽车相似,管状转向柱将方向盘与转向装置连接起来,采用液压助力。


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                                  17楼2018-03-31 18:41
                                    (4)制动组件
                                    F1赛车制动系统与道路汽车的原理完全相同。使用盘式制动器,但不允许安装防抱死系统(ABS)。国际汽联规定,每圈中施加到制动片上的力,在任何时候必须完全相同。
                                    F1赛车的制动器威力惊人,能产生5G的制动力(普通道路汽车很少能达到1G)。当车手从低级别方程式比赛升级到F1时,他们会不可避免地感受到制动器带来的难以置信的减速效果,这肯定让他们记忆犹新。
                                    比赛中制动器温度常常会超过1000℃,制动盘与制动片是由碳纤维复合材料制成的,它们散热更连贯、散热效率更高,不仅耐高温性好于钢制材料,并且重量相当轻。每个制动器上都配有温度和磨损传感器。


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                                    18楼2018-03-31 18:42
                                      1.4.1制动液压系统
                                      制动液压系统是一个完全独立于赛车主液压系统的封闭系统,因为安全原因,制动液压系统被分成两条回路,形成双保险。规则禁止任何形式的动力辅助制动,因此赛车刹车踏板很重。
                                      车手通过液压缸来改变前后制动分配,比赛中随着燃油消耗,车重不断减轻,通过调整制动平衡可以实现弯道的操控平衡。
                                      1.4.2制动液
                                      赛车使用合成制动液,能在高温下保持稳定的性能。根据赛道特性不同,每站比赛所需的制动液数量也是不同的。


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                                      19楼2018-03-31 18:43
                                        1.4.3制动盘
                                        制动盘采用碳纤维复合材料制成,内部有钻孔,赛车行驶中空气快速通过制动盘上的小孔实现散热。
                                        制动盘是消耗品,比赛后都需要更换。制动盘本身轻度磨损不会产生任何问题,但是当制动盘间的磨损不一时会带来严重问题。实际中制动盘会在比赛里一直磨损,由于赛车减重原因,车队会在安全限度内让制动盘保持最低工作厚度。
                                        1.4.4制动卡钳
                                        制动卡钳由铝合金材料制成,每个车轮上只允许安装一个制动卡钳。卡钳上装有温度指示条,帮助车队确定制动卡钳的使用寿命。


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                                        20楼2018-03-31 18:44
                                          1.4.5制动器磨损
                                          碳制动盘的磨损主要由于化学过程——碳氧化,当温度超过600℃碳制动盘就会分解,氧化物会作为灰尘散发出去,这就是为什么赛车重刹时制动器会出现一股黑烟。
                                          但碳制动器的磨损不是线性的,当超过“活化温度”后,制动器磨损会呈指数增长。这是非常严重的问题,随着制动器磨损,能吸收热量的材料就越少,制动效率下降,制动盘温度上升,进而加剧氧化,最终成为恶性循环。
                                          制动器过热在F1领域一直是一个严峻的难题,它会导致灾难性的磨损问题,并最终使制动盘解体。赛车用通风管道将气流输送到刹车盘上为其冷却,但这本身就是个问题,相当于向制动器的氧化过程提供了充足的氧气。因此制动管道变得很重要,它成为赛季中各队研究的重点。


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                                          21楼2018-03-31 18:45
                                            (5)引擎
                                            F1赛车与道路汽车引擎最基本的区别是,F1引擎是一个完全加压组件,它是赛车结构的组成部分,前端固定在底盘上,后端固定在变速器、悬架组件上,因此引擎除了应对本身内部组件的压力外,还要应对从后悬架和变速器传给它的振动和压力。
                                            引擎曲轴从固体金属(钢坯)加工而来,而不是锻造。


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                                            22楼2018-03-31 18:45
                                              1.5.1引擎规则
                                              为了抑制恶性竞争和无限制追求高速度,国际汽联不断减小引擎规格。
                                              排量:
                                              1995-2005年:3.0L V10自然吸气引擎
                                              2006-2013年:2.4L V8自然吸气引擎
                                              2014-现在:1.6L V6混合动力单元
                                              转速:
                                              2009年前:19000转/分钟,曾突破过20000转/分钟
                                              2010-2013年:18000转/分钟
                                              2014-现在:15000转/分钟
                                              早些年间,为了保证引擎功率输出,车队每站比赛都要更换一台全新引擎。后来为了削减开支,国际汽联开始限制每年能使用的引擎数量,2013年之前每年分配8台,2014-2016每年5台,2017年每年4台,2018年每年3台。


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                                              23楼2018-03-31 18:46
                                                1.5.2引擎设计
                                                引擎设计首要目的是最大限度提高引擎功率,并实现稳定和连贯的动力输送。
                                                为了实现良好的油门响应,发动机的旋转部件必须具有最小的转动惯量,就是要足够轻便,但不能牺牲强度。
                                                进气和排气对引擎至关重要,无论天气状况和赛车速度如何,从顶部气箱供应给引擎的空气的压力和速率必须保持稳定。
                                                摩擦、振动和热损失必须最小化。
                                                1.5.3公差
                                                F1赛车引擎中轴承和活塞-缸筒间隙的允许公差为几微米(1毫米=1000微米),并且所有部件都被设计成在发动机的推荐运行温度范围内运行。引擎冷却时,运动部件之间的间隙过紧,因此会存在组件的膨胀公差,所以F1赛车引擎必须预热到运行温度才能起动。


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                                                24楼2018-03-31 18:47
                                                  1.5.4气缸体
                                                  由铝合金材料制成,内部有复杂的加强筋。
                                                  1.5.5曲轴
                                                  曲轴是钢制的,并且有高密度平衡配重。
                                                  1.5.6活塞和连杆
                                                  F1赛车引擎的活塞具有很浅的头,活塞环的数量也较少,目的是降低活塞与缸筒的摩擦。连杆由钛合金制成。
                                                  1.5.7凸轮轴
                                                  凸轮轴是空心的,对降低引擎的高位重量很重要。
                                                  1.5.8气门机构
                                                  F1赛车引擎的气门是气动关闭而不是通过螺旋弹簧。
                                                  1.5.9飞轮
                                                  由于F1赛车引擎内部件的转动惯量极小,且发动机有很高的转速,因此发动机没有安装飞轮,这就是为什么引擎关闭的瞬间,就能听到发动机停止。


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                                                  25楼2018-03-31 18:48
                                                    原型车吧有个老哥发过更详细的一篇文的翻译 可以去看看


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                                                    来自iPhone客户端26楼2018-03-31 18:48
                                                      1.5.10点火系统
                                                      点火系统由国际汽联标准的电子控制单元(ECU)控制,ECU同时还控制着燃油系统。发动机每个气缸配有一个火花塞,火花塞插头的电压高达数万伏。
                                                      1.5.11燃料系统
                                                      燃料系统包括燃油箱、燃料提升泵、燃料压力泵、燃油分配管、喷油器、油门和进气歧管以及相关软管、管道和滤清器。
                                                      规则允许在有限范围内调整燃料/点火系统。例如,燃油/空气混合物可以许多梯度富集或减弱,实现动力和燃油经济性平衡。
                                                      1.5.12燃油
                                                      国际汽联对燃油的要求非常严格,它必须采用商业燃油中的化合物,禁止添加功率提高添加剂。国际汽联在比赛中随时监测燃油规范。
                                                      1.5.13润滑系统
                                                      通过分析润滑油信息可以获得发动机性能和状况的重要信息。


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                                                      27楼2018-03-31 18:49
                                                        1.5.14冷却系统
                                                        F1赛车没有安装散热风扇,赛车主要依靠顶部的气流来冷却散热器。技术人员通过对车体和冷却管道进行改装来控制进入散热器的空气流动,从而改变冷却程度。
                                                        冷却系统没有自动调温器,当发动机运转时,冷却液会在所有时间全流量循环。由于系统依赖气流才能保证足够的冷却,当赛车停车时,要利用外部风扇将空气吹过扩散器。
                                                        1.5.15排气系统
                                                        排气系统不仅对发动机性能重要,也是赛车空气动力学性能的重要因素。排气系统是铁镍合金制造的,尾气温度约为900℃,每次比赛都要更换。
                                                        1.5.16油门系统
                                                        油门是电动液压控制的,电子油门传感器从加速踏板获得读数后,将信号发送给ECU来通过液压制动器激活油门系统。
                                                        1.5.17防失速系统
                                                        当防失速系统激活后,会中断油门并使离合器松开,防止发动机熄火。防失速系统只能运行10秒,发动机熄火10秒后就不能被车手再次起动。
                                                        1.5.18引擎噪音
                                                        许多人认为F1赛车引擎的浑厚发动机噪音是美妙的音乐,但发动机噪音会产生一些实际问题。由于声音强度和关联振动,精密设备必须隔绝噪声和振动。车队语音都是用频率消除耳机来确保连贯的语音交流。


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                                                        28楼2018-03-31 18:52
                                                          1.5.19引擎的起动
                                                          由于发动机的轴承和活塞-缸径非常紧密,发动机不能冷起动,需要达到预定的起动温度,防止损坏运动部件。
                                                          引擎通常起动温度为70℃,起动前用远程电子泵让高温冷却液循环通过冷却液通道,以此加热发动机。发动机润滑油也需要预热到一定温度,但润滑油是在外部预热完成后再由油泵注入到发动机中的。
                                                          发动机需要使用起动器利用转动曲柄以起动,起动器是一端连接有电机的长轴,从赛车尾部插入与变速器的输入轴啮合在一起。起动器转动变速器一定时间,使润滑油循环直到满足所需的起动油压,之后就能起动发动机了。


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                                                          29楼2018-03-31 18:53
                                                            (6)变速器
                                                            变速器包括离合器、变速箱、差速器和传动轴。在承受极高机械负载的同时将1000匹马力的动力和转矩输送到赛车后轮。
                                                            离合器、变速器、差速器都是电动液压控制的,它们可以让赛车实现0.05秒的快速无缝连续换挡。车手通过方向盘上的拨片换挡,且换挡时不需要单独操控离合器,能在换挡期间保持全油门。


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                                                            30楼2018-03-31 18:53