FSAE賽事自1978年首次舉辦以來(lái)，至今成為每年由15個(gè)國(guó)家舉辦20場(chǎng)賽事、并由數(shù)百支來(lái)自全球頂級(jí)高校的車隊(duì)參與的青年工程師盛會(huì)。該賽事以人才培養(yǎng)為目的，要求參賽學(xué)生在一年時(shí)間內(nèi)獨(dú)立設(shè)計(jì)、加工和調(diào)試一輛性能優(yōu)異的小型單座方程式賽車，并在比賽中完成賽車設(shè)計(jì)、成本分析、營(yíng)銷報(bào)告三個(gè)靜態(tài)項(xiàng)目和直線加速、八字環(huán)繞、高速避障、耐久賽和經(jīng)濟(jì)性測(cè)試五個(gè)動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的較量。學(xué)生在這一系列環(huán)節(jié)中加深理解、獲得提高，逐步具備汽車及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的必備素質(zhì)。2018年FSAE中國(guó)賽已經(jīng)進(jìn)入了第四個(gè)比賽日，我校06號(hào)賽車在賽車設(shè)計(jì)和高速避障項(xiàng)目均取得了第一名的優(yōu)異成績(jī)，在此預(yù)祝吉速車隊(duì)在2018賽季再創(chuàng)佳績(jī)。
自FSAE賽事興辦以來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)SAE賽車的空氣動(dòng)力學(xué)研究主要?dú)v經(jīng)了三個(gè)階段。
Ⅰ.起步階段
賽事的起步階段，參賽院校對(duì)車輛的理解與認(rèn)知存在局限性，面對(duì)新領(lǐng)域缺乏足夠的理論支撐，因此在此階段，空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于車身的減阻以保證車輛的動(dòng)力性；
Ⅱ.發(fā)展階段
部分前沿院校在建立起了對(duì)車輛的一定認(rèn)知與理論支撐的基礎(chǔ)之上，引入空氣動(dòng)力學(xué)套件提高車輛的操控性。由于規(guī)則并未對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件的尺寸及安裝位置作出嚴(yán)格的限制和規(guī)范，因此在這一階段，F(xiàn)SAE賽車的綜合性能大幅度提高，設(shè)計(jì)者希望最大限度利用規(guī)則允許的空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)尺寸，在保證氣動(dòng)力平衡的前提下以最大限度地獲取下壓力。在這一階段，F(xiàn)SAE賽車的下壓力水平達(dá)到巔峰。
Ⅲ.限制階段
在FSAE空氣動(dòng)力學(xué)快速發(fā)展的同時(shí)，技術(shù)規(guī)則也在極力地對(duì)極端和夸張的設(shè)計(jì)進(jìn)行打壓，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件的允許設(shè)計(jì)空間進(jìn)行嚴(yán)格的限制。
在新版規(guī)則的限制下，空氣動(dòng)力學(xué)裝置的設(shè)計(jì)空間減少40%以上，如果沿用舊版規(guī)則下的氣動(dòng)布局則使整車下壓力水平降低至少30%。在有效的空間內(nèi)最大限度彌補(bǔ)由規(guī)則限制導(dǎo)致的下壓力損失是現(xiàn)階段空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。
在不同的發(fā)展階段中，氣動(dòng)系數(shù)因需求不同而有所差異。在空氣動(dòng)力學(xué)起步階段，由于車輛未帶有空氣動(dòng)力學(xué)裝置，因此設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為降低氣動(dòng)阻力提高動(dòng)力性并降低氣動(dòng)升力保證高速下的操縱穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化與改進(jìn)，整車Cd值可以降至0.60；安裝空氣動(dòng)力學(xué)裝置后，研究的側(cè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)為利用氣動(dòng)負(fù)升力提高操縱穩(wěn)定性，此時(shí)車輛的阻力系數(shù)增至1.0以上，而Cl由0.4~0.6變?yōu)樨?fù)值，且絕對(duì)值大于1.0，設(shè)計(jì)者通常在保證下壓力分配平衡的前提下提高負(fù)升力系數(shù)值，同時(shí)控制氣動(dòng)阻力，即空氣動(dòng)力學(xué)裝置在獲取下壓力的同時(shí)必須具備一定的氣動(dòng)效率；在新規(guī)則限制下，Cd值與之前保持近似，而負(fù)升力系數(shù)值有所降低，維持在1.0~3.5的區(qū)間內(nèi)。需要說(shuō)明的是，盡管規(guī)則限制后升阻系數(shù)較之前并無(wú)較大差異，但整車的氣動(dòng)布局和氣動(dòng)處理手段是大不相同的，在新的規(guī)則框架下，設(shè)計(jì)者必須在有限的空間里最大限度提高定風(fēng)翼的負(fù)升力系數(shù)、解決由定風(fēng)翼高度限制而衍生的局部流場(chǎng)問(wèn)題、整車氣動(dòng)力矩及氣動(dòng)力平衡問(wèn)題、空氣動(dòng)力學(xué)裝置的擾動(dòng)問(wèn)題等。
在新的規(guī)則框架下，空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)FSAE方程式賽車操縱穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：影響輪胎的側(cè)偏特性；影響車輛的側(cè)向加速度；通過(guò)風(fēng)壓中心與質(zhì)心的位置關(guān)系從附著層面影響車輛的轉(zhuǎn)向特性。
1.空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)車輪側(cè)偏特性的影響
輪胎受到地面?zhèn)认蚍醋饔昧ψ饔枚窗l(fā)生側(cè)滑時(shí)，側(cè)偏角與側(cè)偏力呈線性關(guān)系。地面?zhèn)认蚍醋饔昧εc側(cè)偏角的關(guān)系可表示為
FY ----- 側(cè)偏力；
k ----- 側(cè)偏剛度（由車輪坐標(biāo)系可知，側(cè)偏剛度為負(fù)值）；
α----- 側(cè)偏角
輪胎的垂直載荷對(duì)車輪的側(cè)偏剛度有顯著影響。在車輪與地面接觸良好且正常滾動(dòng)條件下，側(cè)偏剛度隨車輪垂直載荷的增加而增大。圖1-1給出了不同垂直載荷下車輪側(cè)偏角-側(cè)向力的變化關(guān)系。
圖1-1 側(cè)向力-側(cè)偏角變化關(guān)系
由圖1-1關(guān)系可知，利用氣動(dòng)手段產(chǎn)生作用于車輪的下壓力可以有效提高車輪的側(cè)偏剛度，在一定側(cè)偏力作用下產(chǎn)生更小的側(cè)偏角，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。
2.空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)側(cè)向加速度的影響
安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后，車輪的側(cè)偏剛度提高，因此在相同側(cè)偏角下車輪的側(cè)向力承受能力增加。在車輛過(guò)彎時(shí)，假設(shè)車輪所能承受的最大側(cè)偏力全部來(lái)源于轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離心力，則有
由式2-1可得，在車輛質(zhì)量不變的條件下，由下壓力作用使車輪承受的側(cè)向力增加，側(cè)向加速度增大，相應(yīng)的，車輛在彎心的車速提高，提高了車輛的過(guò)彎速度。這與依靠車重提高車輪側(cè)偏剛度產(chǎn)生的作用效果是截然不同的。由此可見(jiàn)，空氣動(dòng)力學(xué)作用產(chǎn)生的下壓力不僅提高了車輪的側(cè)偏剛度，還有效提高的轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的側(cè)向加速度。圖2-1給出了近年來(lái)FSAE賽車側(cè)向加速度發(fā)展的變化情況。
圖2-1 FSAE側(cè)向加速度發(fā)展情況
3.空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響
氣動(dòng)力的分配方式影響車輛在極限附著狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向特性。
氣動(dòng)力的分配方式可用風(fēng)壓中心的位置表示。風(fēng)壓中心為整車氣動(dòng)力的等效作用點(diǎn)。風(fēng)壓中心與質(zhì)心的相對(duì)位置確定了氣動(dòng)力對(duì)車輛的作用效果，影響車輛的實(shí)際軸荷分配，進(jìn)而影響前后輪的實(shí)際載荷。
對(duì)于線性二自由度汽車模型，其轉(zhuǎn)向特性有以下關(guān)系
式中
K-----穩(wěn)定性因數(shù)；
ay----側(cè)向加速度；
L----軸距；
α1----前輪側(cè)偏角；
α2----后輪側(cè)偏角
現(xiàn)以軸荷分配為50:50，中性轉(zhuǎn)向的車輛為例，研究氣動(dòng)力分配方式對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響。
當(dāng)風(fēng)壓中心位于質(zhì)心后方時(shí)，車輛行駛狀態(tài)下實(shí)際后輪垂向載荷大于前輪，在承受相同的側(cè)偏力時(shí)，后輪附著條件優(yōu)于前輪，因此當(dāng)側(cè)向力增大時(shí)，前輪先突破附著極限，此時(shí)前輪產(chǎn)生側(cè)向速度，側(cè)偏角增大。此時(shí)，（α1-α2）﹥0，即K﹥0，車輛呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)向不足特性。
類似地，當(dāng)風(fēng)壓中心位于質(zhì)心前方時(shí)，前輪實(shí)際軸荷大于后輪，因此隨著側(cè)偏力的增加，后輪先突破附著極限，后輪側(cè)偏角增大，（α1-α2）＜0，車輛呈現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向特性。
圖3-1 過(guò)多轉(zhuǎn)向與不足轉(zhuǎn)向
對(duì)于中性轉(zhuǎn)向、前后軸荷不等分配的車輛，其轉(zhuǎn)向特性由不同車速下前后輪實(shí)際載荷關(guān)系決定，而前后輪的實(shí)際載荷變化由車輛軸荷分配和風(fēng)壓中心位置共同確定；而對(duì)于非中性轉(zhuǎn)向、前后軸不等分配的車輛，其轉(zhuǎn)向特性由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)參數(shù)、軸荷分配關(guān)系與風(fēng)壓中心位置共同確定。
實(shí)際上，當(dāng)氣動(dòng)作用產(chǎn)生的垂直載荷作用于車輪后，車輪的附著能力得到明顯改善，路面和車輪條件一定時(shí)，車輪承受地面?zhèn)认蚍醋饔昧颓邢蚍醋饔昧Φ哪芰@得提高。因此，下壓力的實(shí)際作用是改善了車輪的附著橢圓，擴(kuò)大了曲線的包絡(luò)范圍，使車輪綜合的受力能力獲得提高。因此，空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的作用效果對(duì)動(dòng)力性、制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性都有較為顯著的影響。
編者：宋世達(dá)
評(píng)論潤(rùn)色：張英朝
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