F1的車身設計

 從外觀乍看之下,新手會覺得F1賽車都長的一樣,可能心想「大家都開一樣的車嗎?」不,不是這樣的,FIA及F1主辦方並不會提供賽車或任何車體零件,而是由每支車隊自行打造或自行購買。之所以長得像,是因為每輛賽車都要按照統一的技術規則去製造,我們看到的絕大部分造型,都是《F1技術規範》(F1 Technical Regulation)強加在賽車上的結果,賽車的整體形狀、位置、尺寸、面積或曲率都必須遵守某些嚴格規則。這些規則清楚劃定出一個又一個許可區域,組成了許多幾何形狀,所以又叫做「規則盒(Regulation boxes)」。

FIA給車隊的「規則盒」大概是長這樣,車身不能超出這些「盒子」

 「規則盒」代表了車隊所僅有的技術自由度,設計師只能在這些範圍內研究開發。按照相同的物理定律、相同的造車規範,理想中(理論中)最佳性能的解決方案,外觀上並不會差太多,所以才會讓所有F1賽車乍看相似。如果你稍微瞧瞧、對照細節,就會發現還是有很多不同的地方。對於比較密切關注的資深車迷來說,這些賽車明顯長得不一樣。

法拉利F1-75跟紅牛RB18的對比

 為了避免強隊在某個固定體制下長期壟斷、並確保F1整體的技術進步,FIA會定期調整規則、每過幾年就會來一次大改。透過改變賽車尺寸、最低重量、底盤、空力細節、動力規格、輪胎配方、燃油成分、回收系統、體育規則、測試限制等,來讓各支車隊和各個車手跟上變化。所有團隊基本上每過幾年都要從頭開始,不斷研發創新、重洗名次。也常在賽季中途頒布關鍵的技術限制,例如新增位移感測器、壓力感測器、燃油流量計、剛性限制等技術指引,來優化規則或封堵漏洞,維持比賽的公平性。



 在F1想贏得比賽,除了車手、策略、進站效率都要完美,首先是要製造出一輛「直道快、彎道也快」的賽車。所以在工廠研發的階段,車隊總是追求最小的風阻,也追求最大的下壓力,但這兩者是有一定衝突的(下壓力也是一種阻力),在技術上難以兼具。因此這極度仰賴空氣動力學上的研發與設計,如何在「規則內」挑戰物理極限,是至關重要的環節。

 空氣動力學不但能協助省油、省電,並幫助賽車在路面上獲取更強大的抓地力,達到更快的車速。F1的車身設計其實就是指向一個功能 —— 在極大化增加下壓力的同時,也盡可能減少阻力。這是一門衡權二元性的藝術。賽車外形的每一細節都是微小變量,設計師會利用「計算流體力學 (CFD)」和「風洞測試 (wind tunnel testing)」來精算空氣流場,以確定最佳氣動平衡。

 由於空氣動力學設計,F1賽車的速度已經超越了飛機起飛時的速度。但是,車身上的各種翼片、分流板和擴散器等部件能產生非常巨大的下壓力,「把賽車壓在地上」。否則由於空氣升力,車手會無法控制它,車子會在賽道上飄起來(甚至飛出賽道)。同時,良好的下壓力會把四顆輪子按在賽道上,輪胎向下的力越大,抓地力就越大,可以用更快的速度過彎,也能提升車輛操控性;當最大的抓地力發揮出來後,能減少輪子空轉的機會,提升了車輛穩定性;還能將動力單元輸出的動力盡可能最大化傳遞到路面上,進而實現最理想的車速。由於存在巨大的下壓力,理論上,當超過某個時速時,F1賽車的下壓力之大可以讓它顛倒在天花板上穩穩飛馳。


空力套件

 接著,我們來拆分F1賽車各個部位的空力套件(Aerodynamic Component),它們都是牽一髮而動全身的重要部件。空氣就像溪水,車身就像溪裡一排石頭。前翼是最前面那顆石頭,你輕輕動它一下,後面每顆石頭周圍的水流都會跟著變,最後整條溪的水流都不一樣,車身設計就是這個概念。但空力的技術含量是個無底洞,為了考慮新手們,我只簡單介紹一下作用 ——


1️⃣ 前翼(Front Wing):形狀像倒置的機翼,上面的每個翼片都可以提供下壓力,大約佔整車的20~25%。它是最先接觸空氣衝擊的位置,也最先處裡絕大部分的氣流,是一輛賽車相當重要的零件。它決定了整輛賽車各個位置的氣流量、氣流流速,影響到全車的空氣動力學效率(下壓力與阻力之間的配平),因此非常非常的敏感 —— 如果把一輛F1賽車比做交響樂團,那麼前翼就是指揮家。設計師若是改動了前翼氣流,後面的其他空力部件也要跟著調整。

 如果前翼設計的不理想,所有的氣流疏導就會出大錯,整台車的速度絕對不可能優秀。前翼會引導乾淨氣流朝向煞車通風導管(Brake duct),提供冷卻煞車的作用。同時,它的兩側端板(Endplate)不但要引導氣流塑造車頭指向性,還要製造出明顯的「外洗」渦流,改變輪胎周圍的氣流方向,把剩餘亂竄的高速空氣往「外」推走,減少暴露在外的兩顆前輪遭遇的風阻。

 然而,如果前翼產生了過多的下壓力,就會導致後面部件產生超出限值的升力,甚至是亂流,讓車輛的平衡瞬間瓦解,所以不能一味提高。它要做的事情很多,還要做得乾淨俐落,對吧?所以一旦大面積破損,就一定要趕緊換新,否則會大大影響車速。前面壓不住,氣流無法有效繞過輪胎與車身,也會直接減少尾翼的下壓力,整台車壓不住地面,導致抓地力大減。再者,前翼失效則整車氣流逸散,導致壓差阻力急升。

 2026年起,前翼開始加裝主動空力(Active Aerodynamics)系統,也就是能夠翻轉的翼片。在直道模式下,前翼翼片跟尾翼翼片可以同步"躺平",大幅減阻(約減少25~40%的阻力,具體取決於各賽道的下壓力水平);而彎道模式下則是讓翼片回到原本的閉合角,重新獲取最大下壓力。車手可以在指定區域根據需要抓地或需要減阻,切換這兩種模式。


    2️⃣ 鼻錐(Nose cone):它和前翼是一體的,通過螺栓安裝在車身上,可以快速拆卸。當比賽中有車子撞壞前翼,緊急進站時,我們可以看到車隊會搬出備用的前翼加鼻錐總成,迅速在幾秒內換新。鼻錐能提供主要的衝撞安全性,保護車手,也有很重要的空氣動力學性能,畢竟它位於前端,扮演提供穩定氣源的「分流器」:將左右氣流引向車身中心線,沿著車身送往後方;下方氣流要平滑的餵給底板;上方氣流則流向座艙與引擎蓋,減少賽車整體的阻力面積。

     鼻錐的設計(高低、長短、寬窄、截面積、鼻頭大小)對氣動配置有基礎性的制約,它會改變整車空氣動力學的壓力中心(Center of Pressure, CoP),也會影響前輪的轉向反應特性。車隊常常會配合前翼跟懸吊設定來調整,以達到前後平衡。所以鼻錐要兼顧「撞擊吸能」、「快拆機構」和「空力引流」三大極限任務,每一寸都是高科技,也非常考驗設計師的功夫。


      3️⃣ 側箱(Sidepod):賽車兩側的大型車體面板稱為側箱,容納內燃機、動能電機、各式熱交換器與散熱器、儲能電池組、控制電子單元、空力導流內部管道、液壓系統組件等各種裝置。側箱裡的每一吋空間都超級珍貴,因為它的外型不能太臃腫,也要讓冷空氣能進去把熱量都帶走,所以涉及進風口、氣流通道的設計,而出風口的尺寸、形狀跟方向也會影響排熱效率和阻力大小。理想的側箱不但要能良好散熱、穩固車體的重心平衡、減小風阻,還要妥善的引導氣流,甚至改善氣流,把前方過來的氣流穩定輸送到車體後段。

       在賽車空氣力學設計中,側箱佔據最大的面積,氣流經過車體表面時會導致壓力差,所以貢獻了一部分下壓力,其壓力分佈會影響氣流路徑。要怎麼設計它,一直以來都是一門高深的學問,不能單獨考慮,而是要作為一個整體去研發。受限於1,900毫米的窄車身技術規則,側箱必須在極限壓縮體積的同時,利用精確的深下切(Undercut)誘導氣流封閉底板邊緣,防止外側亂流捲入車底,以補足2026年簡化底板規則後的下壓力缺口。此外,側箱也需要跟主動空力系統協同工作:在彎道模式下維持強大的下洗氣流穩定後軸;在直道模式時則要將排熱氣流收束乾淨,避免干擾主動尾翼的減阻效果。


        4️⃣ 懸吊(Suspension):每顆輪子都連接著上叉臂(Upper Wishbone)、下叉臂(Lower Wishbone)、轉向連桿(Tie Rod)以及一支推桿或拉桿(Push-rod 或 Pull-rod,依設計不同),減震器、防傾桿及其他機構則隱藏在車身內。別看它外型好像比較簡單,其實是性能核心之一,直接決定賽車的機械抓地力(Mechanical Grip),也就是不依賴空力,由輪胎接地狀態、重量轉移、懸吊和底盤設定,讓四個輪胎牢牢咬住路面的能力。懸吊負責盡可能的將輪胎貼合路面,維持最佳的接地狀態,透過外傾角(Camber)、前束(Toe)、主銷後傾角(Caster)等設定應對負荷變化,同時吸收路面起伏和縱向力,保持車體俯仰中心與滾轉中心的穩定。

         在空力效果上,它們就是一根根橫在氣流裡的桿子,所以桿件截面會盡可能的設計成流暢翼型,同時也對齊氣流方向,以免造成阻力或引起亂流。特別是前懸吊就在前翼後方、鼻錐旁邊,是車輛空氣流場的「早期接觸點」之一,這個位置也讓它成了側箱進氣口前的「門神」;而後懸吊也會影響尾部的流場與下壓力,所以前後懸吊都要提供導流的作用。對車手來說,懸吊會直接影響過彎時的感覺、車體的動態跟反應,任何細微的不良影響都會在高速之下持續放大。

         所以工程師需調整懸吊幾何與阻尼特性,跟其他部件一起配合,才能兼顧輪胎溫度管理、空力效率和車體平衡,實現底板氣流的平行密封(Sealing Effect)。如果車體在高速過彎、全力加速或煞車時,出現姿態不穩定,就會產生擾流(Turbulence),削弱擴散器的效率。除了抓地力協同,懸吊還肩負輪胎升溫速率和磨耗控制的關鍵任務。輪胎能否維持最佳工作溫度,很大程度仰賴懸吊設定與阻尼曲線(Damping Curve)。懸吊分為推桿與拉桿兩種形式,每支車隊的設計哲學和組合都不太一樣(前拉後推、前推後拉,或前後皆推等等)。


          5️⃣ 尾翼(Rear Wing):它是我們在馬路上常見的一種空力套件,也是F1車尾最醒目的大片部件,能產生大約25%的下壓力。在賽車的總下壓力中,尾翼佔有相當可觀的比例。在彎道中,它能牢牢壓著後輪、增加抓地力,讓賽車更快更穩的過彎;現行尾翼不只是單純壓後輪的老角色,而是跟底板、擴散器一起組成整車空力平衡的最終錨點,它們會互相影響;同時也需要跟前翼產生的下壓力精確匹配,才能維持穩定的轉向特性。

           它是不能快速換新的,其結構得承受4噸以上的氣動載荷,碳纖維層數也比前翼厚得多,加上跟變速箱殼體有連接鎖固,無法像前翼那樣兩三秒快拆。比賽中一旦撞裂、撞歪,車隊通常只能選擇退賽,否則空力平衡全毀、還有安全疑慮。

           過去的尾翼在直道上會帶來不小的阻力,限制住賽車跑直線的速度,在設計上要仔細調節尾翼角度,來權衡賽車的極速和彎道表現。但自2026年起,尾翼已經改成連動式主動空力系統,在直道模式下,尾翼翼片跟前翼翼片可以同步"躺平",大幅減阻;而彎道模式下則讓翼片回到原本的閉合角,重新獲取最大下壓力。車手可以在指定區域根據需要抓地或需要減阻,切換這兩種模式。


            6️⃣ 底板(Floor):安裝在底盤下方的結構,扮演著「高穩定性流場平台」的角色,它必須跟主動空力系統深度協作,維持氣流的連續性。當尾翼切換模式時,底板必須能承受背壓(Back pressure)的瞬間改變而不失速。透過更平滑的通道設計,確保氣流在任何模式切換的瞬間都能穩定貼附,提供車手可預測、不間斷的下壓力支撐。

             另外,那一條看起來很像木板的東西,並不是普通的木製品,而是「防滑板(Skid blocks)」,由木料混合醛酚樹脂製成的高強度玻璃纖維材料(Permaglass)。它是一項安全變革,FIA藉由它來強制執行所有賽車的最小離地間隙(高度增加會削弱下壓力、降低車速)。每場比賽結束後,FIA會進行抽檢,磨損超過1公釐便會取消完賽資格。因此車底必須設計得更高,才能讓防滑板在比賽期間保持相對完好的狀態。上面允許安裝鈦金屬片,賽車打出的火花就是從這裡來的。


              7️⃣ 擴散器(Diffuser):藏在賽車的尾部下方,位於兩個後輪之間,是底板最後的匯流曲面。它也是非常重要的套件,F1的規則嚴格限制了擴散器,因為它的影響力太強大了。依照白努利定律(Bernoulli's principle),由於上下氣流速度不同,擴散器可以有效減少車底的升力,等於提高了下壓力。它還能將賽車底部的空氣抽出,能與底板一起產生下壓力,而且帶來的阻力相對很小。

               擴散器的任務是讓底部高速氣流「減速」,好讓壓力能「平穩回升」到接近車體上方的自由流。若沒有這段壓力復原過程,氣流就會在車尾突然遭遇壓力反彈,瞬間分離(Flow Separation),炸成大面積紊流。因此在氣流離開車體前,必須透過精密的擴散曲面與垂直隔板,進行最後的「梳理」和「塑形」,防止在它們在尾部分離,從而產生不必要的阻力。

               擴散器中段因受限於動力單元跟變速箱的幾何條件,只能做陡峭向上的擴張,所以規則允許車隊加柵片保持氣流貼附,並往上引導尾流,把它送到尾部上方,而不是直接打到後方對手的臉上。過去一些利用平底規則的小聰明手法,例如橫向擴張的多翼裝置,都被新規禁掉了。現在只允許固定的膨脹比,目的是縮小尾流範圍,避免過度擴散。


               由於上面提到的這些精密工程所研發出來的終極套件,讓一輛F1賽車成了名符其實的「空力怪物」,平均能產生上千公斤的巨大下壓力,以車體重量的兩倍壓在賽道上。這使輪胎具有強悍的牽引力(Traction),能用比其他車種高出非常多的車速解決各種彎道,還能防止車輛在過彎、急轉彎時打滑。總而言之,下壓力是F1賽車如此鶴立雞群的主要因素之一,它雖然起步加速、直線速度不算最強,但是只要放在彎道錯綜的場地裡同場較勁,F1就會快的跟鬼一樣。



              調校差在哪?

               F1的調校就像名廚料理:空力、機械、輪胎、場地條件四味都要調料。每條賽道都是一張新的菜單,任何一味失衡,最後端上桌的圈速就會走味。單圈時間=直線時間 + 彎道時間,調校就是不斷找出適合場地的黃金切點:讓車子在彎裡抓得住、直線也衝得快,同時讓輪胎、煞車都待在最佳溫度。

               常見的現場調校項目,包括車身高度、底盤傾角、懸吊幾何、前翼及尾翼角度、煞車平衡、差速器、散熱開口、油門映射、能量部署策略等等。所有調校,都是在多種極端之間拉鋸:一邊是極致的下壓力與抓地力,另一邊是更低的阻力和直線速度;一邊是敏捷的動態反應,另一邊是更平順、寬容的穩定性;還有一邊是激進的胎溫管理,另一邊是長距離的耐用一致,其背後是整套複雜的工程體系。

               工程師的難題,就是要在這些看似矛盾的方向裡,耐心摸索出中間那個狹小的「甜蜜點」,既能榨乾賽車的性能,又不至於在賽道溫度、胎壓或風向稍有變化時立刻崩盤。現在很多車隊都有遠端模擬中心,當賽車在現場跑練習賽的同時,工廠裡另一輛模擬器也在用「數位孿生車」跑同一條虛擬賽道,試驗其他設定。所以現場工程師可以立刻收到工廠的建議,調校後再進行現場測試。


               另外,調校真正能動手的時間「只能在週五週六」,直到排位賽開始前截止;一旦進賽車封存區(Parc Fermé),就如同「封印」了。上場前如果車隊再改動,正賽就會罰從維修區出口起跑(因安全理由更換同規格的零件可不罰)。

               一台有統治力的F1賽車,調校窗口(Setup Window)往往也很大,無論是街道賽的連續低速彎、高速彎道的強大下壓力需求,或是酷熱與低溫帶來的胎溫波動,都能應對自如,從容駛進理想的工作區間,整個賽季都很少露出明顯弱點。工程師只要把設定調在大約的範圍內,就能讓車輛發揮出九成五以上的性能。例如2020 Mercedes W11,只要調一點點,車就會在狀態,幾乎下場就能跑出極速。

               反之,調校窗口狹窄的車,就像踩在鋼索上行走,每一個設定都必須錙銖必較,稍微偏離理想條件,輪胎抓地、懸吊動態或空力配平就瞬間失衡,性能直接跌入谷底。一旦天氣驟變或賽道溫度下降,車輛就可能立刻失去抓地力,表現起伏如同雲霄飛車,車手只能在不斷變化的極限邊緣上奮力掙扎。例如2022 Mercedes W13,要嘛有抓地力要嘛到處都滑,沒有中間值。

              👉 調校窗口大:

              .對賽道溫度、風向、抓地力、胎壓、燃油負重不那麼敏感
              .即使沒抓到完美調校,還是可以維持穩定的性能輸出
              .輪胎工作溫度範圍寬,冷卻或過熱都比較好控制

              👉 調校窗口小:

              .只要一點環境改變或胎溫偏差,性能就會雪崩式下滑
              .需要非常精準的調校和設定,不然就會非常難駕駛
              .但如果剛好抓到那個最優窗口,性能可能會非常強大


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