CN107226140B - 一种fsae赛车空气动力学套件 - Google Patents

一种fsae赛车空气动力学套件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FSAE赛车空气动力学套件，包括前翼、尾翼和扩散器，前翼刚性连接于车架的前端底部，且前翼位于赛车车头的下部，尾翼由六根支撑杆对称支撑在车架的后端，扩散器连接在驾驶舱的底部，与驾驶舱底板一体化；前翼的主翼伸长形成连接板，与内端板一并连接至车架，连接更为稳固，而且便于拆装；尾翼增设格尼襟翼，增加赛车的下压力，提升制动时的稳定性；扩散器底部增加导流槽、尾部增设格栅翼，增加赛车的下压力。本发明可显著提高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；还可改善赛车的空气动力学性能和操纵稳定性，使得赛车获得良好的转弯行驶性能；另外，该套件还具有重量小、结构简单、拆装方便、等优点。

Description

一种FSAE赛车空气动力学套件
技术领域
本发明属于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
本发明提供了一种FSAE赛车空气动力学套件，包括前翼、尾翼和扩散器，最大化提高FSAE赛车的下压力，使赛车拥有很好的地面附着力，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，使赛车在动态比赛项目中获得优异的成绩。
本发明解决技术问题提供以下技术方案：
一种FSAE赛车空气动力学套件，包括前翼、尾翼和扩散器，所述前翼通过螺栓、螺母刚性连接于车架的前端底部，且前翼位于赛车车头的下部；所述尾翼由六根支撑杆对称支撑在车架的后端，其中与垂向面有夹角的支撑杆由斜拉索锁死自由度；所述扩散器通过螺栓、螺母连接在驾驶舱底部，与驾驶舱底板一体化；所述扩散器底部增加了导流槽、尾部增设了格珊翼；
所述前翼包括第一下部主翼和两个对称的第一上部襟翼，第一上部襟翼位于第一下部主翼的上方；两个第一上部襟翼的外端、第一下部主翼的两端均与两个外端板通过螺钉固定连接，且由外端板划分出气流通道，两个第一上部襟翼的内端与两个对称的内端板的一端通过螺钉固定连接，第一下部主翼伸长形成连接板，所述连接板的两端和两个内端板的另一端通过螺钉固定连接后与车架相连；
所述尾翼由第二下部主翼、第二上部襟翼、格尼襟翼以及两个对称的端板组成，所述第二下部主翼、第二上部襟翼的两端均通过螺钉与端板固定连接，所述第二上部襟翼的后缘上方安装格尼襟翼，所述第二上部襟翼和格尼襟翼一体化，且与格尼襟翼的弦线垂直。
上述方案中，所述扩散器的上表面为类似抛物线的圆弧状，促进对气流的引导作用。
上述方案中，所述前翼、尾翼和扩散器的材料为碳纤维，所述前翼和尾翼所用芯材为PMI泡沫；套件的基体材料为环氧树脂。
上述方案中，所述赛车空气动力学套件能够为整车提供800N-900N的下压力。
上述方案中，所述前翼与赛车前轮胎的纵向距离为90-150mm，所述前翼底端与地面之间的最短距离为50-60mm；所述扩散器与地面之间的最短距离为35-45mm、与赛车后轮胎的最短横向距离为15-25mm，扩散器纵向尺寸为1550-1650mm。
上述方案中，所述第一上部襟翼、第一下部主翼、第二下部主翼及第二上部襟翼的截面均为“鱼形状”。
上述方案中，所述第一下部主翼和第一上部襟翼之间的垂直距离为15-25mm。
上述方案中，所述第一下部主翼有攻角，弦长为350-450mm，在赛车横向尺寸上小于赛车左、右轮胎的距离；第一上部襟翼有攻角，弦长为150-250mm，且第一上部襟翼的轮廓向赛车纵向反向的延伸线与同侧的轮胎顶端相切。
上述方案中，所述格尼襟翼高度为5-15mm；第二下部主翼攻角为10-15°、弦长为350-450mm，第二上部襟翼攻角为50-60°、弦长为200-300mm。
上述方案中，所述第二下部主翼和第二上部襟翼的高度差为30-40mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明在扩散器底部增加了导流槽，加快底部空气流速，形成低压区，增加了一部分下压力；在扩散器的尾部增设了格栅翼，在不增加质量的前提下，提高20-30N的下压力。
2.本发明在尾翼增设了格尼襟翼，使得赛车在尾翼襟翼存在大攻角时不会失速，增加一些下压力，提升制动时的稳定性。
3.本发明将前翼的主翼伸长形成连接板，与内端板一并连接至车架，连接更为稳固，而且便于拆装。
4.本发明在前翼的外端板增设了扰流边缘，有利于减小轮胎受到的风阻。
5.本发明将扩散器与驾驶舱底板一体化，使得扩散器、驾驶舱底板与车架的连接、拆卸更方便，赛车底部的密封性更好。
附图说明
图1为本发明空气动力学套件安装在赛车上的轴测图；
图2为本发明空气动力学套件安装在车架上的轴测图；
图3为本发明空气动力学套件安装在车架上的侧视图；
图4为本发明前翼的轴测图；
图5为本发明前翼的主翼和襟翼翼型图；
图6为本发明尾翼的轴测图；
图7为本发明尾翼的主翼和襟翼翼型图；
图8为本发明扩散器的轴测图；
图9为本发明扩散器的仰视图。
图中：1-前翼；2-车头；3-车身；4-前轮胎；5-车架；6-扩散器；7-尾翼；8-连接板；9-内端板；10-第一下部主翼；11-外端板；12-第一上部襟翼；13-第二下部主翼；14-端板；15-第二上部襟翼；16-格尼襟翼；17-导流槽；18-格珊翼；19-后轮胎；20、21、22、23-支撑杆。
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：
如图1所示，一种FSAE赛车空气动力学套件，包括前翼1、扩散器6和尾翼7；套件的基体材料为环氧树脂，前翼1、扩散器6和尾翼7均为碳纤维材料，且前翼1和尾翼7的芯材为PMI泡沫，复合FSAE赛车轻量化设计的要求。
前翼1在连接板8处通过用四个M5螺栓、螺母刚性连接于车架5的前端底部，且前翼1位于赛车车头2的下部，前翼1与赛车前轮胎4的纵向距离为115mm，前翼1底端与地面之间的距离为58mm；如图4、5所示，前翼1包括截面均为“鱼形状”的第一下部主翼10和两个对称的第一上部襟翼12，第一上部襟翼12位于第一下部主翼10的上方；两个第一上部襟翼12的外端、第一下部主翼10两端均与两个外端板11固定连接，且由外端板11划分出气流通道；两个第一上部襟翼12的内端与两个对称的内端板9的一端通过螺钉固定连接，外端板11增加了扰流边缘，有利于减小轮胎受到的风阻；第一下部主翼10伸长形成连接板8，连接板8的两端和两个内端板9的另一端通过螺钉固定连接后与车架5相连。
第一下部主翼10和第一上部襟翼12之间的垂直距离为18mm；第一下部主翼10的攻角为6°、弦长为400mm；第一上部襟翼12的攻角为25°、弦长为200mm；第一下部主翼10的横向尺寸为1280mm，小于赛车左、右轮胎的距离；第一上部襟翼12的横向尺寸为360mm，第一上部襟翼12的轮廓向赛车纵向反向的延伸线与同侧的轮胎顶端相切。
如图2、3所示，尾翼7由六根碳纤维支撑杆20支撑在车架5的后端，六根支撑杆左右对称，支撑杆21与水平面夹角为11.5°、与赛车纵向面夹角为9.4°，支撑杆22与赛车纵向面夹角为22°、与垂向面夹角为16°，支撑杆23与赛车纵向面夹角为10.5°、与垂向面夹角为15°，支撑杆21由斜拉索锁死自由度；如图6、7所示，尾翼7由截面均为“鱼形状”的第二下部主翼13和第二上部襟翼15、格尼襟翼16以及两个对称的端板14组成；第二下部主翼13、第二上部襟翼15的两端均通过螺钉与端板14固定连接，端板14上设有缺口，有利于气流的流通；第二上部襟翼15的后缘上方安装格尼襟翼16，第二上部襟翼15和格尼襟翼16一体化，且与格尼襟翼16的弦线垂直；尾翼7与地面的最小垂直距离为895mm，第二下部主翼13和第二上部襟翼15的横向尺寸均为1280mm；格尼襟翼16高度为10mm；第二下部主翼13的攻角为14°、弦长为400mm，第二上部襟翼15的攻角为55°、弦长为250mm，第二下部主翼13和第二上部襟翼15的高度差为35mm，格尼襟翼16高度为10mm。
扩散器6通过四个M5螺栓、螺母连接在驾驶舱底部，与驾驶舱底板一体化；如图8所示，扩散器6的底部设有弯曲长条状的导流槽17，加快底部空气流速，形成低压区，能够有效地增加一部分下压力；如图9所示，扩散器6的尾部通过螺钉连接格珊翼18，能够在不增加质量的前提下，提高25N的下压力(由Ansys Fluent仿真软件得到)；扩散器6的上表面设计成类似抛物线的圆弧状，促进对气流的引导作用；扩散器6与地面之间的最短距离为38mm、与赛车后轮胎19的最短横向距离为20mm，扩散器6纵向尺寸为1610mm。
空气动力学套件能为整车提供878N的下压力(由Ansys Fluent仿真软件得到)。
由Ansys Fluent仿真软件得到下压力的过程为：
①通过在ICEM里建立整车有限元模型，把空气动力学套件单独划分为一个part；
②在Ansys Fluent里设置边界条件：进口是速度入口，出口为压力出口，地面为移动壁面，流场四周为剪切力为0的壁面，其他为无滑移壁面；
③选择合适的物理模型，设置其为定常流动，调节松弛因子，离散方法为二阶迎风格式，选择SIMPLE算法，设置监测值，初始化，设置步长；
④最后计算得到空气动力学套件的下压力。
一种FSAE赛车空气动力学套件的工作原理如下：
空气流一部分先与第一下部主翼10相接触，经第一下部主翼10的诱导作用使气流流动到第一上部襟翼12，然后经第一上部襟翼12导过赛车的前轮胎4；由于第一下部主翼10、第一上部襟翼12的截面为“鱼形状”，导致第一下部主翼10与第一上部襟翼12的翼片之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尾翼7接触之后，依次经过第二下部主翼13和第二上部襟翼15的引导，由于第二下部主翼13和第二上部襟翼15的截面为“鱼形状”，使得翼片下表面气流的流程变大，流速减小，翼片上下产生流速差，产生下压力。由于第二上部襟翼15的翼片攻角较大，所设计的格尼襟翼16保证了赛车在第二上部襟翼15有大攻角时不会失速，而且还增加一部分下压力。
另一部分进入赛车底部的空气流通过扩散器6，经扩散器6底部的导流槽17疏导之后，气流的速度加快，使得扩散器6底部的气流压力小于其上部的气流压力；气流流经格栅翼18时，上表面的气流速度小于下表面的气流速度，使得格栅翼18上表面气流压力大于下表面气流压力，从而对赛车产生下压力。
本发明提供的FSAE赛车空气动力学套件安装在赛车上，在专业赛道上测试结果显示，未安装空气动力学套件的赛车比安装了空气动力学套件的赛车慢了5-6s。在赛场的动态项目比赛中，都取得很好的成绩，尤其在耐久赛出现下大雨的情况下，顺利地完成了比赛并取得了不错的成绩。
以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明保护。

Claims (10)

1.一种FSAE赛车空气动力学套件，包括前翼(1)、尾翼(7)和扩散器(6)，所述前翼(1)刚性连接于车架(5)的前端底部，且前翼(1)位于赛车车头(2)的下部；其特征在于，所述尾翼(7)由六根支撑杆(20)对称支撑在车架(5)的后端，其中与水平面有夹角的支撑杆(20)由斜拉索锁死自由度；所述扩散器(6)连接在驾驶舱底部，与驾驶舱底板一体化；所述扩散器(6)底部增加了导流槽(17)、尾部增设了格珊翼(18)；
所述前翼(1)包括第一下部主翼(10)和两个对称的第一上部襟翼(12)，第一上部襟翼(12)位于第一下部主翼(10)的上方；两个第一上部襟翼(12)的外端、第一下部主翼(10)的两端均与两个外端板(11)固定连接，且由外端板(11)划分出气流通道，两个第一上部襟翼(12)的内端与两个对称的内端板(9)的一端固定连接，第一下部主翼(10)伸长形成连接板(8)，所述连接板(8)的两端和两个内端板(9)的另一端固定连接后与车架(5)相连；
所述尾翼(7)由第二下部主翼(13)、第二上部襟翼(15)、格尼襟翼(16)以及两个对称的端板(14)组成，所述第二下部主翼(13)、第二上部襟翼(15)的两端均与端板(14)固定连接，所述第二上部襟翼(15)的后缘上方安装格尼襟翼(16)，所述第二上部襟翼(15)和格尼襟翼(16)一体化，且与格尼襟翼(16)的弦线垂直。
2.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述扩散器(6)的上表面为类似抛物线的圆弧状，促进对气流的引导作用。
3.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述前翼(1)、尾翼(7)和扩散器(6)的材料为碳纤维，所述前翼(1)和尾翼(7)所用芯材为PMI泡沫；套件的基体材料为环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述赛车空气动力学套件能够为整车提供800N-900N的下压力。
5.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述前翼(1)与赛车前轮胎(4)的纵向距离为90-150mm，所述前翼(1)底端与地面之间的最短距离为50-60mm；所述扩散器(6)与地面之间的最短距离为35-45mm、与赛车后轮胎(19)的最短横向距离为15-25mm，扩散器(6)纵向尺寸为1550-1650mm。
6.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述第一上部襟翼(12)、第一下部主翼(10)、第二下部主翼(13)及第二上部襟翼(15)的截面均为“鱼形状”。
7.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述第一下部主翼(10)和第一上部襟翼(12)之间的垂直距离为15-25mm。
8.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述第一下部主翼(10)有攻角、弦长为350-450mm；第一上部襟翼(12)有攻角、弦长为150-250mm，且第一上部襟翼(12)的轮廓向赛车纵向反向的延伸线与同侧的轮胎顶端相切。
9.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述格尼襟翼(16)高度为5-15mm；第二下部主翼(13)攻角为10-15°、弦长为350-450mm，第二上部襟翼(15)攻角为50-60°、弦长为200-300mm。
10.根据权利要求1所述的一种FSAE赛车空气动力学套件，其特征在于，所述第二下部主翼(13)和第二上部襟翼(15)的高度差为30-40mm。
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