E級方程式賽車轉(zhuǎn)彎性能優(yōu)化研究

馬悅+韓亞靜

摘要：本項目的研究目標(biāo)是針對E級方程式賽車的轉(zhuǎn)彎性能進行優(yōu)化研究。通過對實物賽車在不同質(zhì)量、不同軸距、不同輪胎材質(zhì)以及不同的轉(zhuǎn)彎裝置情況下的數(shù)據(jù)測試，對測試結(jié)果進行分析，通過角度實驗并利用所取得的數(shù)據(jù)進行總結(jié)歸納，從而整理出一套賽車的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：E級方程式錦標(biāo)賽車；轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；整體設(shè)計建議；外觀的設(shè)計；調(diào)試與測驗

中圖分類號：U469.6+96 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）25-0041-02

一、緒論

E級方程式賽車是單以皮筋作為動力的小型賽車，是近幾年才剛剛興起的科研項目，其中有很多值得我們?nèi)パ芯亢吞接懙牡胤?，尤其是在轉(zhuǎn)彎這個還沒有被太過重視的研究要點上，更是值得我們進行一番探索。

二、前期調(diào)研與研究規(guī)劃

1.立項研究（研制開發(fā)）的意義。提升我們在戰(zhàn)略、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)與工程技術(shù)、設(shè)計、制造、溝通以及活動策劃等方面的綜合素質(zhì)；提高我們的實踐創(chuàng)新設(shè)計思維，鍛煉了設(shè)計綜合素質(zhì)；了解皮筋車的轉(zhuǎn)向裝置與影響轉(zhuǎn)向的因素；了解改良皮筋車的運動情形。

2.本項目的創(chuàng)新點。該項目的創(chuàng)新點在于立足點新穎，傳統(tǒng)對于E級方程式賽車的研究通常為如何提升皮筋車動力，又或者如何獲得更高的速度。對于賽車結(jié)構(gòu)性能尤其是轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)性能的研究卻并不常見。而對于轉(zhuǎn)彎性能的研究優(yōu)化，不僅可以增加賽車的性能，還可以應(yīng)用的更加長遠(yuǎn)。

3.擬采取的實驗方案（研制、開發(fā)路線）。經(jīng)過前期的調(diào)研，我們了解到影響賽車轉(zhuǎn)彎性能的因素有以下幾項：（1）內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速差：在車輛轉(zhuǎn)彎時，因為內(nèi)側(cè)輪和外側(cè)輪轉(zhuǎn)彎半徑的不同，導(dǎo)致內(nèi)外輪的速度差。（2）車軸距：車輛前輪或者后輪之間的距離。（3）車身重量：組成車身的所有材料重量的總和。（4）輪胎抓地力：輪胎對于地面的摩擦力。

根據(jù)以上信息，我組成員設(shè)計了如下四組實驗：第一組：以質(zhì)量作為唯一變量，探究賽車轉(zhuǎn)彎時質(zhì)量會對其起到何種影響。第二組：以軸距作為唯一變量，探究軸距的改變會對賽車轉(zhuǎn)彎起到何種影響。第三組：運用不同輪胎，以抓地力作為唯一變量探究其對于賽車轉(zhuǎn)彎的影響。第四組：以是否存在內(nèi)外輪速差作為唯一變量，探究其影響。之后我們將總結(jié)數(shù)據(jù)，分別查看以上因素是否影響車輛轉(zhuǎn)彎，如何影響，并研究如何通過改變以上因素來提高車輛的轉(zhuǎn)彎性能。再綜合考慮，將四種優(yōu)化方案合為一個方案，并最終得出關(guān)于如何優(yōu)化車輛轉(zhuǎn)彎性能的最終方案。

三、前期設(shè)計與制作

1.模塊化設(shè)計。通過前期的調(diào)研以及針對往屆設(shè)計的賽車模型進行研究，我組成員按計劃分別敲定了有關(guān)賽車主體、轉(zhuǎn)向、剎車以及動力裝置的設(shè)計方案。（1）賽車主體。賽車主體由一根碳纖維管直接構(gòu)成，選用這種材料以及形式的原因是由于碳纖維抗拉伸壓縮強度較高（約為同樣規(guī)格鋼管的6—10倍），同時重量較輕。在此選用一整根粗管作為主體的另一原因是因為皮筋拉伸時產(chǎn)生的拉力約為3—5公斤，同時此拉力并非垂直拉力。由于皮筋扭轉(zhuǎn)時會存在不同方向的拉力，較細(xì)的管材容易產(chǎn)生彎折進而發(fā)生折斷。（2）轉(zhuǎn)向裝置。賽車的轉(zhuǎn)向裝置采用主動轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向方式，運用舵機直接控制擺臂，同時控制賽車轉(zhuǎn)向。其他部件采用3D打印的制作工藝進行制作，并針對主體的碳纖維管進行模塊化設(shè)計，使得整個轉(zhuǎn)向裝置成為一個單一模塊，可以隨時拆卸調(diào)整。（3）剎車裝置。剎車裝置采用傳統(tǒng)的接觸式剎車，由于實驗中對于剎車的要求并不高，故并沒有做過多的設(shè)計。（4）動力裝置。動力裝置采用掛鉤式動力裝置，并使用傘齒輪將傳動方向從橫向變?yōu)榭v向，以此來為后輪提供動力。

2.模型制作。通過3D打印，模型廠開模制作，我們按照計劃時間將模型組裝成功。

3.初期問題。車模組裝好后，經(jīng)過初步測試，一些原先計劃中的問題便暴露了出來，我組成員進行了總結(jié)歸納。碳纖維管的強度雖然非常優(yōu)良，但經(jīng)過實物測試，我們發(fā)現(xiàn)碳纖維管的強度有些溢出，但重量卻增多不少。例如：車體稍微有些過長，模型前后輪過小（約為1kg），這對于車輛速度會產(chǎn)生不小的影響。發(fā)現(xiàn)問題之后，我們進行了相關(guān)的討論和設(shè)計，最終認(rèn)為上述幾項問題對于本項目的研究目的并沒有嚴(yán)重影響，項目依然可以繼續(xù)進行下去。

四、實驗數(shù)據(jù)與總結(jié)

1.實驗數(shù)據(jù)。原本的計劃分為四個部分，分別為質(zhì)量測試、抓地力測試、軸距測試和內(nèi)外輪速差測試。由于技術(shù)原因，我們經(jīng)過商議，決定簡化內(nèi)外輪速差的實驗，進行一輪定性實驗。抓地力實驗則設(shè)置兩個不同變量。

第一組：重量實驗。實驗表格中劃線表示模型未完成全部測試的情況。測試環(huán)境為3米直線后再進行一次90°轉(zhuǎn)彎，測試開始時間為模型松開剎車，結(jié)束時間為前輪軸壓過轉(zhuǎn)彎后的指示線。

第二組：軸距實驗。

第三組：抓地力實驗。

第四組：內(nèi)外輪速差。（略）

2.數(shù)據(jù)分析與總結(jié)。經(jīng)過幾輪實驗后，我組成員針對實驗結(jié)果進行了相關(guān)分析，并經(jīng)過討論和深入研究，總結(jié)了所需要的研究成果。從幾組實驗數(shù)據(jù)中，我組成員發(fā)現(xiàn)了以下規(guī)律：（1）重量實驗中，我們可以看到重量是對于模型賽車很重要的一個影響因素。車體的重量直接會影響到模型的速度，進而影響到賽車行駛中的方方面面，包括轉(zhuǎn)彎。模型越沉，則速度越慢，轉(zhuǎn)角也越大。（2）軸距的實驗同樣也反映出很多問題。從實驗結(jié)果上來看，軸距越短，則賽車轉(zhuǎn)角越小，越小的轉(zhuǎn)角則意味著更少的能量消耗以及更靈活的操作。（3）抓地力的實驗因為種種條件做的并不精細(xì)，但通過后期的探討與查閱文獻，我們認(rèn)為由于皮筋彈力賽車的體積均不大，車身質(zhì)量一般都很輕，所以摩擦力對于賽車的影響微乎其微，并不是一個重要因素。（4）輪速差的實驗我們并沒有實裝差速器，差速器都是由一個齒輪組組成，這種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且重量很重。所以實裝后的差速器所能節(jié)約的能量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及差速器所帶來的重力勢能的消耗，所以差速器并不適合在這種小型模型車?yán)锩孢M行實裝。

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的整理和分析后，總結(jié)為以下的優(yōu)化方案作為本次實驗的最終結(jié)果，希望可以為未來的相關(guān)項目提供參考：（1）彈力皮筋車的車身重量保持在1kg以下為最佳，本次實驗中的模型車重量明顯超重，在實驗過程中速度十分緩慢。（2）若使用碳纖維材質(zhì)作為模型車體，則不需要用太大強度的管材進行制作。碳纖維管材強度很高，使用數(shù)根細(xì)管依然可以支撐起皮筋拉伸時的強大拉力。（3）彈力皮筋車的車長不應(yīng)過長，本實驗證明車體總長在40厘米上下為宜，軸距可縮短至30—20厘米之間更佳。（4）皮筋車的輪胎材質(zhì)并不是一個很重要的影響因素，由于模型車的質(zhì)量不高，摩擦力對此的影響并沒有預(yù)期的那么大。采用普通橡膠輪胎即可。（5）輪胎的直徑不應(yīng)過小。實驗中的模型車，前輪直徑約6厘米，后輪為12厘米。實驗時發(fā)現(xiàn)前后輪的尺寸都有些過小，這會給賽車行駛帶來一定的困難，同時也無法提供太大的動力支持。輪胎尺寸在前輪8—10厘米、后輪15—20厘米為宜。（6）掛鉤皮筋裝置和纏繞皮筋裝置。動力的釋放影響并不大，但掛鉤式皮筋安裝法更易拆卸與更換。（7）整體車寬不應(yīng)過寬，同時也不應(yīng)過短。本項目中的模型最寬處約30厘米（前輪），所以當(dāng)進行彎道行駛時，出現(xiàn)了操作困難等情況，這說明這個寬度是過寬的。我組成員經(jīng)過討論認(rèn)為寬度應(yīng)保持在20厘米上下最為合適。

Research on Optimization of Cornering Performance of E Formula Car

MA Yue，HAN Ya-jing

（College of Biochemical Engineering，Beijing Union University，Beijing 100023，China）

Abstract：The aim of this study is to optimize the turning performance for E formula. Based on the real car in different quality，different wheelbase，different tyre material and different turning device in case of data test，the test results are analyzed，through more angle experiments and the use of the data obtained by the summary induction，to sort out the optimization scheme of a car.

Key words：E formula racing；optimal turning structure；overall design；appearance design；debugging and test