F1賽車的歷史與科技(上) @ 曾教授與古董保時捷

1. 歷史

1.1 起源

(1) 賽車的原型:

早期賽車活動並非一系列有規模的賽事且沒有統一賽車規格。並且在開放道路上做跨城市的競速。直到1894年，基於法國人對賽車運動的熱情及汽車製造商的支持。在巴黎報統籌下，在法國舉辦了第一場有組織性的賽車。

(2) 第一場大獎賽(Grand Prix motor racing):

首場大獎賽是在1906年由法國汽車俱樂部（ACF）在勒芒(Le Mans)舉辦的”法國汽車俱樂部大獎賽”。當時參賽汽車限定為”big car”即當時最高等級的賽車。

(3) Formula 1錦標賽:

1922年，在國際運動委員會(CSI)的授權下由國際汽車俱樂部協會（AIACR）管理大獎賽及其他形式的國際賽車並且開始比賽根據發動機尺寸和車輛重量的嚴格規則運行比賽。到了1947年，AIACR重新組建為國際汽車聯合會FIA並將總部設在巴黎。1950年，他們串聯多個國家舉辦了第一屆一級方程式錦標賽而這正是我們所熟知的Formula 1。

圖1. Fourmula 1

圖2. FIA(Federation Internationale de 1'Automobile)

(4) 命名:

Formula 1 中的Formula所代表的意思是參賽車輛必須符合賽事規定，如排氣量、車重、車寬、車體結構……等等。Formula中文譯作方程式，故符合賽事規則設計的賽車稱為方程式賽車。由於此賽事是最高規格故以1命名。F1為世界一級方程式錦標賽，但由於F1成立之時串連了早已存在的大獎賽所以現在習慣將每個比賽場次稱為大獎賽。通常會在大獎賽前冠上國家的名子，如日本大獎賽。但仍有例外，如聖馬力諾大獎賽(於義大利Iomla賽道舉行)。歐洲大獎賽(由數個國家輪流舉辦)

在過去，大獎賽(格蘭披治)一詞遭到濫用，現今僅限定F1及其他少數賽事可稱為大獎賽，如澳門格蘭披治。

1.2 經典賽事:

(1) 銀石大獎賽

在英國北安普敦郡銀石的銀石賽道舉行的英國大獎賽是首場一級方程式錦標賽也是歷史最為悠久的比賽。賽道路線也過多次修改，現今與過去已有相當大的區別，不變的是它為全F1賽事中平均速度最高的賽道之一。

圖3. 1950年起跑線

圖4. 1950年早期銀石賽道路線圖

(2) 摩納哥大獎賽

Grand Prix de Monaco，是F1中少數的街道賽。它與印第安納波利斯500和利曼24小時耐力賽並稱汽車三大賽(Triple Crown of Motorsport)。從1929年開跑以來，每年都會在蒙地卡羅的街道上舉辦。賽車手伴隨著海岸美景在狹窄的街道上呼嘯而過。具有令人心醉的美景和刺激賽車使得摩納哥大獎賽被稱作the jewel of the Formula One crown。由於賽道彎角特性加上十分狹窄的車道導致超車不易和頻繁的事故發生。

圖5. 1966年的嚴重意外

圖6. 緊鄰海灣的街道賽

(3) 義大利大獎賽

義大利米蘭北部的蒙札Monza的蒙札國家賽車場AutodromoNazionale Monza是首屆F1的舉辦賽道之一。義大利與英國相同為歷史悠久的賽事。熱情的車迷是義大利大獎賽最大的特色，因此義大利是許多F1車手最喜歡的大獎賽。身為法拉利的家鄉，所以觀眾席上總是飄揚著法拉利的旗幟並且坐滿了Tifosi(法拉利車迷自稱)。

圖7. 賽後頒獎盛況

1.3 偉大的車隊

(1) 法拉利車隊Scuderia Ferrari

早期商業贊助仍未普及於賽車運動，故國際賽車習慣使用標準化的國際賽車顏色，以表明賽車或車手的國籍。而義大利車隊以紅色Rosso corsa表示。而賽車起家的法拉利也沿用傳統至今。同時，它是唯一一支從第一屆F1參賽至今的車隊。在67年的F1歷史中拿下無人能敵的16次車隊總冠軍及15次車手總冠軍。並擁有許多最高紀錄，最多分站冠軍、最多杆位及最多最快單圈。

圖8. 法拉利傳奇車手Michael Schumacher

(2) 麥拉倫McLaren

由紐西蘭人布魯斯•麥克拉倫於1963年創立。初次參賽是在1966年的摩納哥大獎賽。是歷史第二悠久的F1車隊，並且車手總冠軍的獲勝率高於法拉利。許多傳奇車手都曾為麥拉倫效力，如Ayrton Senna、James Hunt。

圖9. 由Ayrton Senna駕駛的McLaren MP4-4

(3) 銀箭車隊

早期以Mercedes-Benz及Auto Union為主導的德國國家代表車隊是以白色車身為代表。到了1934年開始德國人為了減輕車重而拋棄車身烤漆。裸露著金屬色澤的Mercedes-Benz W25很快就被德國媒體稱為銀箭。而現在銀箭專指Mercedes車隊。

圖10. Mercedes-Benz W25

2. F1賽車技術

賽車運動促進了汽車科技的發展，也許多車廠為了刺激自身科技水平而投入賽事。因此有需多汽車科技是為競賽而發明。隨著技術的成熟、成本降低，而將賽車技術應用於量產車。

2.1 源自於賽道的科技

(1)換檔撥片

F1的傳奇設計師John Barnard於1989效力Scuderia Ferrari時，在Ferrari 640賽車上首度使用換檔撥片。當初這項設計並不被看好，然而到了1995年所有的車隊都使用了這項設計。相較於排檔桿，換檔撥片更容易讓車手做換檔的動作，使得在檔位的切換上更有效率。

首輛應用換檔撥片的量產車也是法拉利，Ferrari 355F1。如今換檔撥片也越來越常見。

圖11. Ferrari 640

圖12. Ferrari 355F1

(2) ERS (Energy Recovery System)

F1於2009年引進動能回收系統KERS(Kinetic Energy Recovery System)。KERS主要的儲能方式分為兩種，飛輪或電池。

以飛輪而言，是在制動的過程中車身的動能透過CVT傳入飛輪，讓真空盒中的飛輪旋轉儲存能量。在賽車手按下方向盤上的KERS按鈕，儲存在飛輪的動能會釋放至CVT再與引擎動力整合輸出。

圖13. KERS飛輪

圖14. 飛輪式KERS工作原理

利用電池儲能則是在發動機上直接連接一個無刷馬達，在制動時能利用電磁感應將動能儲存至電池。加速時馬達直接驅動無須變速箱的介入。而利用電池儲能得方法也廣泛應用於在市面上的有電混和車上。

2014年全新的動力單元規則使得ERS更加複雜，分為MGU-K(The Motor Generator Unit- Kinetic)及MGU-H(The Motor Generator Unit-Heat)。MGU-H為熱能回收系統，是與渦輪增壓葉片同軸的發電機，利用廢氣吹動葉片發電儲存至儲能單元。同時馬達也能控制葉片轉速，低轉速進行洩壓或加速渦輪克服渦輪遲滯。由於MGU-H的馬達必須面對渦輪的高溫造成系統的不穩定，所以有穩定性問題。目前市面上僅有Mercedes-Benz Project One搭載而整的F1 ERS系統。

圖15. Renault MGU-H

(4) 主動式懸吊

1980年代初期由蓮花創辦人首度發展出主動式懸吊並應用於賽車上。主動式懸吊系統中除了彈簧及減震筒還加入液壓致動器、油缸、油幫浦、蓄壓器、伺服閥及電子控制器等裝置。其原理為利用感測器測量行車時車輪上下震動導致液壓致動器內的壓力變化。將訊號送至電腦並配合其他感測數據，如車重、時速、G力。進而調整液壓致動器的液壓，降低車身震動。最著名的應用是1992年的Williams FW14B。其透過主動式懸吊來適時調整車身高度，進而改變空氣動力得到最佳的下壓力及抓地力。而Williams也在當年以統治的姿態拿下年度總冠軍。