馬悅+韓亞靜

摘要：本項(xiàng)目的研究目標(biāo)是針對(duì)E級(jí)方程式賽車的轉(zhuǎn)彎性能進(jìn)行優(yōu)化研究。通過對(duì)實(shí)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(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，通過角度實(shí)驗(yàn)并利用所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jí)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(jì)建議；外觀的設(shè)計(jì)；調(diào)試與測(cè)驗(yàn)

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

一、緒論

E級(jí)方程式賽車是單以皮筋作為動(dòng)力的小型賽車，是近幾年才剛剛興起的科研項(xiàng)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(gè)還沒有被太過重視的研究要點(diǎn)上，更是值得我們進(jìn)行一番探索。

二、前期調(diào)研與研究規(guī)劃

1.立項(xiàng)研究（研制開發(fā)）的意義。提升我們?cè)趹?zhàn)略、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)與工程技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造、溝通以及活動(dòng)策劃等方面的綜合素質(zhì)；提高我們的實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維，鍛煉了設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)情形。

2.本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)。該項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于立足點(diǎn)新穎，傳統(tǒng)對(duì)于E級(jí)方程式賽車的研究通常為如何提升皮筋車動(dòng)力，又或者如何獲得更高的速度。對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)：（1）內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速差：在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，因?yàn)閮?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(duì)于地面的摩擦力。

根據(jù)以上信息，我組成員設(shè)計(jì)了如下四組實(shí)驗(yàn)：第一組：以質(zhì)量作為唯一變量，探究賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)質(zhì)量會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)賽車轉(zhuǎn)彎起到何種影響。第三組：運(yùn)用不同輪胎，以抓地力作為唯一變量探究其對(duì)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(gè)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(jì)與制作

1.模塊化設(shè)計(jì)。通過前期的調(diào)研以及針對(duì)往屆設(shè)計(jì)的賽車模型進(jìn)行研究，我組成員按計(jì)劃分別敲定了有關(guān)賽車主體、轉(zhuǎn)向、剎車以及動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)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(qiáng)度較高（約為同樣規(guī)格鋼管的6—10倍），同時(shí)重量較輕。在此選用一整根粗管作為主體的另一原因是因?yàn)槠そ罾鞎r(shí)產(chǎn)生的拉力約為3—5公斤，同時(shí)此拉力并非垂直拉力。由于皮筋扭轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)存在不同方向的拉力，較細(xì)的管材容易產(chǎn)生彎折進(jìn)而發(fā)生折斷。（2）轉(zhuǎn)向裝置。賽車的轉(zhuǎn)向裝置采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向方式，運(yùn)用舵機(jī)直接控制擺臂，同時(shí)控制賽車轉(zhuǎn)向。其他部件采用3D打印的制作工藝進(jìn)行制作，并針對(duì)主體的碳纖維管進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使得整個(gè)轉(zhuǎn)向裝置成為一個(gè)單一模塊，可以隨時(shí)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(shí)驗(yàn)中對(duì)于剎車的要求并不高，故并沒有做過多的設(shè)計(jì)。（4）動(dòng)力裝置。動(dòng)力裝置采用掛鉤式動(dòng)力裝置，并使用傘齒輪將傳動(dòng)方向從橫向變?yōu)榭v向，以此來為后輪提供動(dòng)力。

2.模型制作。通過3D打印，模型廠開模制作，我們按照計(jì)劃時(shí)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(cè)試，一些原先計(jì)劃中的問題便暴露了出來，我組成員進(jìn)行了總結(jié)歸納。碳纖維管的強(qiáng)度雖然非常優(yōu)良，但經(jīng)過實(shí)物測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)碳纖維管的強(qiáng)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?。s為1kg），這對(duì)于車輛速度會(huì)產(chǎn)生不小的影響。發(fā)現(xiàn)問題之后，我們進(jìn)行了相關(guān)的討論和設(shè)計(jì)，最終認(rèn)為上述幾項(xiàng)問題對(duì)于本項(xiàng)目的研究目的并沒有嚴(yán)重影響，項(xiàng)目依然可以繼續(xù)進(jìn)行下去。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與總結(jié)

1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。原本的計(jì)劃分為四個(gè)部分，分別為質(zhì)量測(cè)試、抓地力測(cè)試、軸距測(cè)試和內(nèi)外輪速差測(cè)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(shí)驗(yàn)，進(jìn)行一輪定性實(shí)驗(yàn)。抓地力實(shí)驗(yàn)則設(shè)置兩個(gè)不同變量。

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

第二組：軸距實(shí)驗(yàn)。

第三組：抓地力實(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)后，我組成員針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，我組成員發(fā)現(xiàn)了以下規(guī)律：（1）重量實(shí)驗(yàn)中，我們可以看到重量是對(duì)于模型賽車很重要的一個(gè)影響因素。車體的重量直接會(huì)影響到模型的速度，進(jìn)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(shí)驗(yàn)同樣也反映出很多問題。從實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)因?yàn)榉N種條件做的并不精細(xì)，但通過后期的探討與查閱文獻(xiàn)，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(duì)于賽車的影響微乎其微，并不是一個(gè)重要因素。（4）輪速差的實(shí)驗(yàn)我們并沒有實(shí)裝差速器，差速器都是由一個(gè)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(shí)裝后的差速器所能節(jié)約的能量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及差速器所帶來的重力勢(shì)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(jìn)行實(shí)裝。

經(jīng)過對(duì)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(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果，希望可以為未來的相關(guān)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)中的模型車重量明顯超重，在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度的管材進(jìn)行制作。碳纖維管材強(qiáng)度很高，使用數(shù)根細(xì)管依然可以支撐起皮筋拉伸時(shí)的強(qiáng)大拉力。（3）彈力皮筋車的車長不應(yīng)過長，本實(shí)驗(yàn)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(gè)很重要的影響因素，由于模型車的質(zhì)量不高，摩擦力對(duì)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(shí)驗(yàn)中的模型車，前輪直徑約6厘米，后輪為12厘米。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)前后輪的尺寸都有些過小，這會(huì)給賽車行駛帶來一定的困難，同時(shí)也無法提供太大的動(dòng)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(dòng)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(shí)也不應(yīng)過短。本項(xiàng)目中的模型最寬處約30厘米（前輪），所以當(dāng)進(jìn)行彎道行駛時(shí)，出現(xiàn)了操作困難等情況，這說明這個(gè)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