马悦+韩亚静

摘要：本项目的研究目标是针对E级方程式赛车的转弯性能进行优化研究。通過对实物赛车在不同质量、不同轴距、不同轮胎材质以及不同的转弯装置情况下的数据测试，对测试结果进行分析，通过角度实验并利用所取得的数据进行总结归纳，从而整理出一套赛车的优化方案。

关键词：E级方程式锦标赛车；转弯结构优化方案；整体设计建议；外观的设计；调试与测验

中图分类号：U469.6+96 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）25-0041-02

一、绪论

E级方程式赛车是单以皮筋作为动力的小型赛车，是近几年才刚刚兴起的科研项目，其中有很多值得我们去研究和探讨的地方，尤其是在转弯这个还没有被太过重视的研究要点上，更是值得我们进行一番探索。

二、前期调研与研究规划

1.立项研究（研制开发）的意义。提升我们在战略、产品开发、科学与工程技术、设计、制造、沟通以及活动策划等方面的综合素质；提高我们的实践创新设计思维，锻炼了设计综合素质；了解皮筋车的转向装置与影响转向的因素；了解改良皮筋车的运动情形。

2.本项目的创新点。该项目的创新点在于立足点新颖，传统对于E级方程式赛车的研究通常为如何提升皮筋车动力，又或者如何获得更高的速度。对于赛车结构性能尤其是转弯结构性能的研究却并不常见。而对于转弯性能的研究优化，不仅可以增加赛车的性能，还可以应用的更加长远。

3.拟采取的实验方案（研制、开发路线）。经过前期的调研，我们了解到影响赛车转弯性能的因素有以下几项：（1）内外轮转速差：在车辆转弯时，因为内侧轮和外侧轮转弯半径的不同，导致内外轮的速度差。（2）车轴距：车辆前轮或者后轮之间的距离。（3）车身重量：组成车身的所有材料重量的总和。（4）轮胎抓地力：轮胎对于地面的摩擦力。

根据以上信息，我组成员设计了如下四组实验：第一组：以质量作为唯一变量，探究赛车转弯时质量会对其起到何种影响。第二组：以轴距作为唯一变量，探究轴距的改变会对赛车转弯起到何种影响。第三组：运用不同轮胎，以抓地力作为唯一变量探究其对于赛车转弯的影响。第四组：以是否存在内外轮速差作为唯一变量，探究其影响。之后我们将总结数据，分别查看以上因素是否影响车辆转弯，如何影响，并研究如何通过改变以上因素来提高车辆的转弯性能。再综合考虑，将四种优化方案合为一个方案，并最终得出关于如何优化车辆转弯性能的最终方案。

三、前期设计与制作

1.模块化设计。通过前期的调研以及针对往届设计的赛车模型进行研究，我组成员按计划分别敲定了有关赛车主体、转向、刹车以及动力装置的设计方案。（1）赛车主体。赛车主体由一根碳纤维管直接构成，选用这种材料以及形式的原因是由于碳纤维抗拉伸压缩强度较高（约为同样规格钢管的6—10倍），同时重量较轻。在此选用一整根粗管作为主体的另一原因是因为皮筋拉伸时产生的拉力约为3—5公斤，同时此拉力并非垂直拉力。由于皮筋扭转时会存在不同方向的拉力，较细的管材容易产生弯折进而发生折断。（2）转向装置。赛车的转向装置采用主动转向的转向方式，运用舵机直接控制摆臂，同时控制赛车转向。其他部件采用3D打印的制作工艺进行制作，并针对主体的碳纤维管进行模块化设计，使得整个转向装置成为一个单一模块，可以随时拆卸调整。（3）刹车装置。刹车装置采用传统的接触式刹车，由于实验中对于刹车的要求并不高，故并没有做过多的设计。（4）动力装置。动力装置采用挂钩式动力装置，并使用伞齿轮将传动方向从横向变为纵向，以此来为后轮提供动力。

2.模型制作。通过3D打印，模型厂开模制作，我们按照计划时间将模型组装成功。

3.初期问题。车模组装好后，经过初步测试，一些原先计划中的问题便暴露了出来，我组成员进行了总结归纳。碳纤维管的强度虽然非常优良，但经过实物测试，我们发现碳纤维管的强度有些溢出，但重量却增多不少。例如：车体稍微有些过长，模型前后轮过小（约为1kg），这对于车辆速度会产生不小的影响。发现问题之后，我们进行了相关的讨论和设计，最终认为上述几项问题对于本项目的研究目的并没有严重影响，项目依然可以继续进行下去。

四、实验数据与总结

1.实验数据。原本的计划分为四个部分，分别为质量测试、抓地力测试、轴距测试和内外轮速差测试。由于技术原因，我们经过商议，决定简化内外轮速差的实验，进行一轮定性实验。抓地力实验则设置两个不同变量。

第一组：重量实验。实验表格中划线表示模型未完成全部测试的情况。测试环境为3米直线后再进行一次90°转弯，测试开始时间为模型松开刹车，结束时间为前轮轴压过转弯后的指示线。

第二组：轴距实验。

第三组：抓地力实验。

第四组：内外轮速差。（略）

2.数据分析与总结。经过几轮实验后，我组成员针对实验结果进行了相关分析，并经过讨论和深入研究，总结了所需要的研究成果。从几组实验数据中，我组成员发现了以下规律：（1）重量实验中，我们可以看到重量是对于模型赛车很重要的一个影响因素。车体的重量直接会影响到模型的速度，进而影响到赛车行驶中的方方面面，包括转弯。模型越沉，则速度越慢，转角也越大。（2）轴距的实验同样也反映出很多问题。从实验结果上来看，轴距越短，则赛车转角越小，越小的转角则意味着更少的能量消耗以及更灵活的操作。（3）抓地力的实验因为种种条件做的并不精细，但通过后期的探讨与查阅文献，我们认为由于皮筋弹力赛车的体积均不大，车身质量一般都很轻，所以摩擦力对于赛车的影响微乎其微，并不是一个重要因素。（4）轮速差的实验我们并没有实装差速器，差速器都是由一个齿轮组组成，这种装置结构复杂并且重量很重。所以实装后的差速器所能节约的能量会远远不及差速器所带来的重力势能的消耗，所以差速器并不适合在这种小型模型车里面进行实装。

经过对数据的整理和分析后，总结為以下的优化方案作为本次实验的最终结果，希望可以为未来的相关项目提供参考：（1）弹力皮筋车的车身重量保持在1kg以下为最佳，本次实验中的模型车重量明显超重，在实验过程中速度十分缓慢。（2）若使用碳纤维材质作为模型车体，则不需要用太大强度的管材进行制作。碳纤维管材强度很高，使用数根细管依然可以支撑起皮筋拉伸时的强大拉力。（3）弹力皮筋车的车长不应过长，本实验证明车体总长在40厘米上下为宜，轴距可缩短至30—20厘米之间更佳。（4）皮筋车的轮胎材质并不是一个很重要的影响因素，由于模型车的质量不高，摩擦力对此的影响并没有预期的那么大。采用普通橡胶轮胎即可。（5）轮胎的直径不应过小。实验中的模型车，前轮直径约6厘米，后轮为12厘米。实验时发现前后轮的尺寸都有些过小，这会给赛车行驶带来一定的困难，同时也无法提供太大的动力支持。轮胎尺寸在前轮8—10厘米、后轮15—20厘米为宜。（6）挂钩皮筋装置和缠绕皮筋装置。动力的释放影响并不大，但挂钩式皮筋安装法更易拆卸与更换。（7）整体车宽不应过宽，同时也不应过短。本项目中的模型最宽处约30厘米（前轮），所以当进行弯道行驶时，出现了操作困难等情况，这说明这个宽度是过宽的。我组成员经过讨论认为宽度应保持在20厘米上下最为合适。

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