CN104742987A - 一种fsae赛车空气动力学套件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FSAE赛车空气动力学套件，其包括定风翼(1)、尾部扩散器(2)和前鼻翼(6)，它们与车架(3)刚性相连，其中：前鼻翼(6)位于赛车车头的下部；定风翼(1)和尾部扩散器(2)上、下方布置,安装在赛车的尾部。本发明可以显著提高FSAE赛车的下压力，使赛车得到很好的地面附着力，获得优良的动力性；可以改善赛车的空气动力学性能和操纵稳定性，使得赛车在进入弯道、驶出弯道时的速度、加速度可以得到很大的提升，获得良好的转弯行驶性能；从而，使FSAE赛车在高速避障、八字绕环等比赛项目中获得优异的成绩；还具有重量小，结构简单，拆装方便，性能可靠，实用性良好等优点。

Description

一种FSAE赛车空气动力学套件

技术领域

本发明涉及汽车车身空气动力学领域，尤指一种FSAE赛车空气动力学套件。

背景技术

FSAE方程式赛车(Formula SAE)在国际上被视为“学界的F1方程式赛车”，自美国汽车工程师协会于1979年创办以来，已经有三十多年的历史了，逐渐形成了德国、美国、英国、日本和中国等地的多站比赛，越来越多的大学生相应地加入到了这个行列。现在FSAE赛事正朝着更快、更轻、更稳定的方向迅速发展，因此轻量化设计和空气动力学成为FSAE参赛者必考虑的因素。2010年，中国举办了首届大学生方程式(FSAE)赛车比赛，很多高校相继展开了对FSAE赛车的研究、制造与调试。

国外汽车工业发展得早，赛车运动开展也比较早。从上个世纪初开始，工程师便开始了对赛车的研究。在1950年之前，普遍认为发动机、轮胎、底盘和驾驶员是影响赛车性能的四个基本要素。随着发动机、悬架、轮胎技术的发展，赛车的性能得到很大的提升。可当时人们并没有太大关注空气动力学，对它的研究仅仅停留在如何减小阻力。在国内，空气动力学在航空航天领域的研究已经走在世界前列，但是在汽车领域的研究仍处在起步阶段，对赛车空气动力学的研究更是凤毛麟角。随着大学生方程式汽车大赛(FSAE)在国内外的迅速发展，FSAE团队的赛车在发动机、底盘等方面的技术已经日益成熟。国内外各个车队都将目光转向了赛车空气动力学的研究上，希望通过高水平空气套件的设计，取得成绩上更高的突破。

一辆赛车由发动机等动力源提供的驱动力即使很大，但是FSAE赛车如果没有足够的附着力，那么只会原地打滑，其动力性不会得到丝毫的提高。据统计，赛车大约80％的附着力是由下压力产生，剩余20％由轮胎提供。一旦FSAE赛车的结构确定，轮胎的类型也基本确定，而且很难通过对FSAE赛车轮胎的改变使其得到足够大的下压力。另外，下压力不足将影响赛车在高速行驶过程中的稳定性。

未进行空气动力学设计的赛车具有气动升力特性，即随车速增加，赛车的附着力减小。对于极度依赖附着力来进行极限驾驶的赛车来说，这意味着赛车的过弯、操作稳定性、动力性和制动性能都有所降低。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种FSAE赛车空气动力学套件——前鼻翼、定风翼和尾部扩散器，最大化提高FSAE赛车的下压力，使赛车得到很好的地面附着力，改善赛车的空气动力学性能和操纵稳定性，有效提升赛车过弯及制动性能，使FSAE赛车在高速避障、八字绕环等比赛项目中获得优异的成绩。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的FSAE赛车空气动力学套件，其包括定风翼、尾部扩散器和前鼻翼，它们与车架刚性相连，其中：前鼻翼位于赛车车头的下部；定风翼和尾部扩散器上、下方布置,安装在赛车的尾部。

所述的前鼻翼由上部翼片和下部翼片组成，它们由端板划分出气流通道。

所述的前鼻翼的下部翼片有攻角，其通过环氧树脂胶水与端板粘接，在赛车横向y的尺寸与赛车左、右轮胎的距离相等；上部翼片有攻角，其轮廓向赛车纵向反向-x的延伸线与同侧的轮胎顶端相切。

所述的前鼻翼中的靠近赛车车头的内端板与离开车头的外端板相互不平行，外端板与赛车的纵向平面相互平行，内端板与赛车的纵向平面之间有5-8度的夹角。

所述的前鼻翼的上部翼片、下部翼片在赛车纵向平面内的截面为鱼形状。

所述的前鼻翼装在赛车车头的下部，其在赛车纵向与赛车前轮之间的距离为80-120mm，其底端与地面间的最短距离为95-105mm。

所述的定风翼由顶层副翼和位于其下方的底层主翼、底层副翼组成，其中：底层主翼具有较小的攻角，底层副翼攻角为20-25度，顶层副翼攻角为40-50度。

所述的底层主翼与底层副翼在赛车的纵向、垂向的间距分别为30-35mm、25-30mm；底层副翼与顶层副翼的在对应方向上的间距与此相同。

所述的底层主翼、底层副翼和顶层副翼在赛车纵向平面内的截面组合在一起为鱼形状，即：底层主翼、底层副翼和顶层副翼的厚度沿赛车的纵向反向平面内的截面逐渐变薄，并且为连续性的平滑过渡变化，直至为零，其中底层主翼的首端最厚，顶层副翼的末端最薄，为零。

所述的尾部扩散器被隔板划分为五个空间，其上表面为类似抛物线的圆弧形状，从而促进对气流的引导作用；该尾部扩散器装在赛车尾部的底端，与地面间的最短距离为80-90mm。

所述的前鼻翼、定风翼、尾部扩散器，其材料均为碳纤维。

本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：

1.可以显著提高FSAE赛车的下压力，使赛车得到很好的地面附着力，获得优良的动力性。

2.可以改善赛车的空气动力学性能和操纵稳定性，使得赛车在进入弯道、驶出弯道时的速度、加速度可以得到很大的提升，获得良好的转弯行驶性能。从而，使FSAE赛车在高速避障、八字绕环等比赛项目中获得优异的成绩。

3.可以使赛车气动负升力系数、轮胎最大静摩擦系数增大，改善赛车的空气动力学性能和操纵稳定性，获得良好的转弯行驶性能。从而，使FSAE赛车在高速避障、八字绕环等比赛项目中获得优异的成绩。

4.所采用的空气动力学套件材料均为碳纤维，符合FSAE赛车轻量化设计的要求，并且结构简单，拆装方便，性能可靠，实用性良好。

附图说明

图1为本发明安装在FSAE赛车上之后的轴测图；

图2为FSAE赛车上前鼻翼部件的结构轴测图；

图3为FSAE赛车上定风翼部件的结构轴测图；

图4为FSAE赛车上尾部扩散器部件的结构轴测图；

图5为图4的左视轴测图；

图6为本发明使用的车辆坐标系；

图7为安装本发明的FSAE赛车在重复试验下八字绕环的成绩直方图；

图8为安装本发明的FSAE赛车在重复试验下高速避障成绩直方图。

图中：1.定风翼；2.尾部扩散器；3.车架；4.车身；5.轮胎；6.前鼻翼；7.车头；8.上部翼片；9.端板；10.下部翼片；11.顶层副翼；12.底层副翼；13.底层主翼。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的说明：

本发明提供的FSAE赛车空气动力学套件，如图1至图5所示，包括定风翼1、尾部扩散器2和前鼻翼6，其中：定风翼1安装在赛车的尾部，位于尾部扩散器2的上方。尾部扩散器2安装在赛车的尾部。前鼻翼6安装在赛车的最前端，车头7的下部。

所述前鼻翼6、定风翼1和尾部扩散器2都是通过螺栓、螺母与车架3刚性相连。

本发明使用的车辆坐标系如图6所示，其中：x为赛车的纵向；y为赛车的横向；z为赛车的垂向；o为.赛车坐标系的原点；xoz.为赛车的纵向平面；xoy为赛车的横向平面；yoz为赛车的垂向平面。

所述前鼻翼6，其在赛车纵向x与前轮的轮胎5之间的距离为90mm，其底端与地面间的最短距离为100mm。符合并满足在行驶过程中FSAE赛车悬架由于振动等因素引起的最大位移行程。

所述前鼻翼6中的靠近车头7的内端板与离开车头7的外端板相互不平行，外端板与赛车的纵向平面xoz相互平行，而内端板与赛车的纵向平面xoz之间有5-8度的夹角，即：由前鼻翼6的内、外端板形成的气流通道沿赛车的纵向反向-x逐渐变宽。

所述前鼻翼6采用两层设计，其中上层由上部翼片组成，下层由下部翼片组成，利用端板9和上部翼片8、下部翼片10划分出气流通道。下部翼片10通过环氧树脂胶水与端板9粘接，有8度的攻角；下部翼片10在赛车横向y的尺寸与赛车左、右轮胎的距离相等。上部翼片8有26度的攻角，其轮廓向赛车纵向反向-x的延伸线与同侧的轮胎顶端相切。

所述定风翼1采用单层三翼板结构，分为底层主翼13、底层副翼12和顶层副翼11。底层主翼13具有较小的攻角(5-8度左右)，底层副翼12攻角为22度，顶层副翼11攻角为45度。

所述底层主翼13与底层副翼12在赛车的纵向的间距为34mm，在赛车垂向其间距为29mm。

所述底层副翼12与顶层副翼11在赛车的纵向的间距为34mm，在赛车垂向其间距为29mm。

所述底层主翼13、底层副翼12和顶层副翼11在赛车纵向平面xoz内的截面组合在一起为鱼形状，即：底层主翼13、底层副翼12和顶层副翼11的厚度沿赛车的纵向反向-x逐渐变薄，并且为连续性的平滑过渡变化，直至为零。其中，底层主翼13的首端最厚，顶层副翼11的末端最薄，为零。

所述尾部扩散器2被隔板划分为五个空间，其上表面为类似抛物线的圆弧形状，从而促进对气流的引导作用。

所述尾部扩散器2安装在赛车尾部的底端，与地面间的最短距离为88mm。

所述前鼻翼6、定风翼1、尾部扩散器2的材料均为碳纤维，符合FSAE赛车轻量化设计的要求，并且结构简单，拆装方便，性能可靠，实用性良好。

将本发明中的碳纤维空气动力学套件——前鼻翼、定风翼、尾部扩散器安装在FSAE赛车上，经过5次重复试验，进行八字绕环项目测试和高速避障项目测试，将得到的试验数据绘制成图表得到图7和图8。

由图7和图8可知：经过重复性试验，安装空气动力学套件的FSAE赛车在八字绕环和高速避障等FSAE竞赛项目中成绩有明显的提高。安装本发明——空气动力学套件的FSAE赛车在8字绕环项目中可以平均提高0.2-0.3秒的成绩，参考2014年中国大学生方程式汽车决赛的成绩，该记录可使所在车队提升5—7个名次；安装本发明——空气动力学套件的FSAE赛车在高速避障项目中成绩可提高2-3秒，参考2014年中国大学生方程式汽车决赛的成绩，该记录可使所在车队提升2—5个名次。另外，由图7和图8可知，安装本发明——空气动力学套件的FSAE赛车在重复性试验过程中性能表现稳定，各组数据波动很小。因此，毫无疑问，本发明实用性强、作用明显、性能稳定、可靠，推广性强。

本发明提供的FSAE赛车空气动力学套件，其工作过程如下：

空气流一部分先与赛车的下部翼片相接触，经下部翼片的诱导作用使气流流动到上部翼片，然后经上部翼片导过前轮。由于上下翼片特殊的截面形状，导致上下部翼片间的气流存在流速差，从而对赛车产生下压力；空气流到达赛车的尾部与定风翼接触之后，依次经过底层主翼片、底层副翼和顶层副翼的引导，由于定风翼翼片的截面形状的原因，使得翼片下表面气流的流程变大，流速减小，使得翼片上下产生流速差，产生下压力；另一部分空气流进入赛车底部的空气流通过扩散器疏导之后，气流的速度加快，使得扩散器底部的气流压力小于其上部的气流气压，从而对赛车产生下压力。

Claims (10)

1.一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于包括定风翼(1)、尾部扩散器(2)和前鼻翼(6)，它们与车架(3)刚性相连，其中：前鼻翼(6)位于赛车车头(7)的下部；定风翼(1)和尾部扩散器(2)上、下方布置,安装在赛车的尾部。

2.根据权利要求1所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于前鼻翼(6)由上部翼片(8)和下部翼片(10)组成，它们由端板(9)划分出气流通道。

3.根据权利要求2所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于：下部翼片(10)有攻角，其通过环氧树脂胶水与端板(9)粘接，在赛车横向y的尺寸与赛车左、右轮胎的距离相等；上部翼片(8)有攻角，其轮廓向赛车纵向反向-x的延伸线与同侧的轮胎顶端相切。

4.根据权利要求2所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于：前鼻翼(6)中的靠近赛车车头(7)的内端板与离开车头(7)的外端板相互不平行，外端板与赛车的纵向平面相互平行，内端板与赛车的纵向平面之间有5-8度的夹角。

5.根据权利要求1所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于：前鼻翼(6)的上部翼片(8)、下部翼片(10)在赛车纵向平面内的截面为鱼形状。

6.根据权利要求1所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于：前鼻翼(6)装在赛车车头(7)的下部，其在赛车纵向与赛车前轮(5)之间的距离为80-120mm，其底端与地面间的最短距离为95-105mm。

7.根据权利要求1所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于定风翼(1)由顶层副翼(11)和位于其下方的底层主翼(13)、底层副翼(12)组成，其中：底层主翼(13)具有较小的攻角，底层副翼(12)攻角为20-25度，顶层副翼(11)攻角为40-50度。

8.根据权利要求7所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于：底层主翼(13)与底层副翼(12)在赛车的纵向、垂向的间距分别为30-35mm、25-30mm；底层副翼(12)与顶层副翼(11)的在对应方向上的间距与此相同。

9.根据权利要求7所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于底层主翼(13)、底层副翼(12)和顶层副翼(11)在赛车纵向平面内的截面组合在一起为鱼形状，即：底层主翼(13)、底层副翼(12)和顶层副翼(11)的厚度沿赛车的纵向反向平面内的截面逐渐变薄，并且为连续性的平滑过渡变化，直至为零，其中底层主翼(13)的首端最厚，顶层副翼(11)的末端最薄，为零。

10.根据权利要求1所述的FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于：尾部扩散器(2)被隔板划分为五个空间，其上表面为类似抛物线的圆弧形状，从而促进对气流的引导作用；该尾部扩散器(2)装在赛车尾部的底端，与地面间的最短距离为80-90mm。