E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的設(shè)計(jì)制作分析

摘要：E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車是以皮筋為驅(qū)動(dòng)力的比賽用車。在初步設(shè)計(jì)過程中，通過研究影響其行進(jìn)的阻力和驅(qū)動(dòng)力，擬定賽車的主體結(jié)構(gòu)方案。然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：可以考慮材料的選擇來(lái)確保輕量化：盡可能地規(guī)避摩擦力，外觀的設(shè)計(jì)可以考慮突破常規(guī)的3D打印技術(shù)或者進(jìn)行仿生和參數(shù)化設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行賽車的測(cè)試階段，通過橡皮筋的纏繞方式做可靠性及疲勞性實(shí)驗(yàn)，不斷地調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)性能發(fā)揮，從而設(shè)計(jì)出一款符合大賽要求同時(shí)性能優(yōu)異的賽車。

關(guān)鍵詞：E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車 主體結(jié)構(gòu)方案 材料的選擇 外觀的設(shè)計(jì) 調(diào)試與測(cè)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2015）12-1126-02

6月15日，E級(jí)方程式設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽（中國(guó)區(qū)賽）在北京工業(yè)大學(xué)舉行了比賽。從接受邀請(qǐng)到參加比賽的兩個(gè)多月時(shí)間里，我們做了如下準(zhǔn)備：第一階段先對(duì)整個(gè)賽事流程進(jìn)行了了解分析，第二階段進(jìn)行相關(guān)調(diào)研并且初步設(shè)計(jì)方案，第三階段進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)并制作出實(shí)物模型，第四階段進(jìn)行了后期的調(diào)試測(cè)驗(yàn)。最后，制作完成并與2015賽季來(lái)自全國(guó)的18所學(xué)校41支車隊(duì)一起參加了比賽。

1 E級(jí)方程式錦標(biāo)賽

1.1 E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

E級(jí)方程式設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽是一項(xiàng)以創(chuàng)意設(shè)計(jì)為核心內(nèi)容的皮筋動(dòng)力車綜合設(shè)計(jì)競(jìng)賽，簡(jiǎn)稱“FE設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽”。FE是英文“Formula E”的縮寫。與世界著名Fl一級(jí)方程式賽車世界錦標(biāo)賽相似，其中Formula譯為方程式，其含義是“規(guī)定”，參加大賽的車輛必須按比賽規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。不同的是，E來(lái)自英文Elastic，意為“彈力”。

E級(jí)方程式國(guó)際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽車，是由工業(yè)設(shè)計(jì)世界排名第一的美國(guó)藝術(shù)中心設(shè)計(jì)學(xué)院（Art Center College of Design，簡(jiǎn)稱ACCD）與北京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院聯(lián)合主辦的國(guó)際性賽事用車。所有參賽車輛均以一根16英尺（近5米）長(zhǎng)的橡皮筋驅(qū)動(dòng)作為唯一驅(qū)動(dòng)力，因而又被稱為皮筋車或皮筋動(dòng)力車。

1.2 E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的賽事規(guī)則

材料規(guī)格：車體自行創(chuàng)做，不限，可利用市面上現(xiàn)成的材料（塑料、卡紙、木頭等）或是自制整體車體；橡皮筋四條，做為動(dòng)力源，形式不限，但至多可用到四條。要求：小車長(zhǎng)度在20～25厘米之間，寬、高不超過12厘米。

在皮筋車設(shè)計(jì)制作完成后要完成三個(gè)賽道的比賽：

1 障礙競(jìng)速賽（Figure 8 Flats）

322×0.3米，8字形，直線加彎道競(jìng)速；

2 車體結(jié)構(gòu)方案擬定

2.1 探究E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的主要影響因素——阻力與動(dòng)力

在E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)它進(jìn)行“受力分析”，考慮到它在運(yùn)動(dòng)過程中所受到的力，即阻力與動(dòng)力。

阻力，是所有行進(jìn)車輛運(yùn)行過程中不可忽略的重要影響因素，當(dāng)然E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車也不例外。它需要在動(dòng)力的驅(qū)使下克服自身的重力，遇到的空氣阻力和行進(jìn)產(chǎn)生的摩擦力等因素?？諝庾枇κ瞧囆旭倳r(shí)所遇到最大的也是最重要的外力?？諝庾枇ο禂?shù)，又稱風(fēng)阻系數(shù)，是計(jì)算汽車空氣阻力的一個(gè)重要系數(shù)。它是通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和下滑實(shí)驗(yàn)所確定的一個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)，用它可以計(jì)算出汽車在行駛時(shí)的空氣阻力。風(fēng)阻系數(shù)的大小取決于汽車的外形。這就說(shuō)明后期制作E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的外形設(shè)計(jì)至關(guān)重要了。風(fēng)阻系數(shù)愈大，則空氣阻力愈大.現(xiàn)代汽車的風(fēng)阻系數(shù)一般在0.3-0.5之間。另外，重力和材料的選取有關(guān)，摩擦力在這里不是主要阻力，故初期暫時(shí)不考慮，后期考慮減小摩擦即可。

動(dòng)力方面，既然說(shuō)到了皮筋是唯一的動(dòng)力來(lái)源，那么皮筋產(chǎn)生的彈力就是唯一的驅(qū)動(dòng)力。物體形狀或體積改變時(shí)產(chǎn)生的，對(duì)跟它接觸的物體產(chǎn)生了力的作用，這種力叫彈力。彈力在皮筋上存在的形式是橡皮筋拉長(zhǎng)與扭曲都可產(chǎn)生的。物體因發(fā)生彈性形變而具有的勢(shì)能，這種勢(shì)能叫作彈性勢(shì)能。當(dāng)橡皮筋被像發(fā)條一樣“上緊”時(shí)，橡皮筋產(chǎn)生“形變”，存儲(chǔ)一定的彈性勢(shì)能。釋放后，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使模型小車前進(jìn)。這就是E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的唯一動(dòng)力來(lái)源方式。

2.2 結(jié)構(gòu)的差異——皮筋的拉伸方式

結(jié)構(gòu)的選擇時(shí)，對(duì)皮筋的拉伸方面也進(jìn)行了一系列的調(diào)研和研究，現(xiàn)有的拉伸形變有兩種，一種是扭曲拉伸，另外一種就是直線拉伸，兩種拉伸方式都各有優(yōu)劣。

對(duì)于扭曲拉伸皮筋這種方式，這種皮筋扭曲方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⑺械钠そ顢Q成一股，不容易斷，能夠更好地發(fā)揮出皮筋形變所釋放出來(lái)的力。但是這種方式的缺點(diǎn)是，由于皮筋是扭曲的，在釋放皮筋的時(shí)候，皮筋所釋放的力不是全部都能夠用于小車的運(yùn)動(dòng)，一部分的力會(huì)因?yàn)榕で绞降脑?，在?cè)向上所浪費(fèi)，從而減小E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的運(yùn)動(dòng)路程。扭曲拉伸，如圖四和圖五：

另一種拉伸方式就是直線拉伸，對(duì)于這種縱向拉伸的方式，皮筋不會(huì)因?yàn)樾枰欢ǖ睦扉L(zhǎng)度的問題影響小車的寬度，它可以從小車的前輪到后輪之間拉伸，這樣可以節(jié)省空間，減小小車的重量，但是缺點(diǎn)也是致命的，采用這種方式拉伸，對(duì)于小車的強(qiáng)度要求也是很大的，因?yàn)樾枰潭ㄆそ畹奈恢?，而這兩個(gè)位置又分別在前后輪上，所以拉伸皮筋的時(shí)候小車就會(huì)發(fā)生形變，在形變量達(dá)到一定值得時(shí)候，小車就會(huì)從中間折斷。所以，這種拉伸方式優(yōu)點(diǎn)在于如果處理好摩擦的問題，能夠?qū)⑺械牧Χ加糜谛≤嚨倪\(yùn)動(dòng)上，而且能夠簡(jiǎn)化皮筋車的結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是直線拉伸時(shí)可能將皮筋拉斷，從而影響小車的運(yùn)動(dòng)。直線拉伸，如圖六：

2.3 車體結(jié)構(gòu)的確定

現(xiàn)在大部分的車都是用的最穩(wěn)定的“T”字形結(jié)構(gòu)，如圖七?！癟”字形的車能夠很好地傳動(dòng)，而且也穩(wěn)定。當(dāng)然還有些選用“三角形”結(jié)構(gòu)，如圖八。“三角形”結(jié)構(gòu)也非常穩(wěn)定，但是在轉(zhuǎn)向方面不太靈活，在過彎道時(shí)不易控制。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過方案設(shè)定時(shí)的考慮因素，確定好E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的主體方案之后，再由結(jié)構(gòu)到部分進(jìn)行細(xì)化研究，得到如材料的選擇，外觀的設(shè)計(jì)以及皮筋動(dòng)力車的運(yùn)作原理和操作方式等都對(duì)小車的運(yùn)行和比賽的發(fā)揮至關(guān)重要。

3.1 材料的選擇

在以往的皮筋車設(shè)計(jì)中，大部分的材料選用的是碳纖維材料以及鋁合金材料，對(duì)于車身的材料上，大部分都是選用的更為結(jié)實(shí)堅(jiān)固的鋁合金材料，由于皮筋的彈力，小車的車身會(huì)因?yàn)槠そ顝?qiáng)大的彈力進(jìn)行形變，所以選用更為堅(jiān)固的鋁合金材料作為車身，鋁合全材料不僅材料輕量化，而且材料強(qiáng)度大，不易形變。在對(duì)于車的其他部位，選用的是碳纖維材料，此材料同樣是重量小，強(qiáng)度大，但是用碳纖維材料的部位并不是需要承受皮筋所拉伸的力，所以強(qiáng)度并不需要同鋁合金材料一樣，可以選用強(qiáng)度稍微小的，重量輕的碳纖維材料。

近幾年，由于3D打印技術(shù)的日漸成熟，也有不少選用3D打印來(lái)制作整個(gè)的車體模型，不僅外觀一體化更美觀，而且材料比以前的碳纖維材料的車子更輕，容易上坡，但缺點(diǎn)在速度加快的時(shí)候比較容易翻車，強(qiáng)度方面還是略微欠缺。但是這也是不失為一不錯(cuò)的選擇。

3.2 外觀的設(shè)計(jì)

E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的外觀設(shè)計(jì)不僅可以融合各自車隊(duì)的設(shè)計(jì)理念，還可以配合公益活動(dòng)進(jìn)而達(dá)到更好地宣傳，但是在實(shí)際制作過程中，一定要注意好比賽的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，更加合理的考慮到風(fēng)阻和小車本身的重量，如何最大可能的減小摩擦等問題。

4.調(diào)試與測(cè)驗(yàn)

4.1 測(cè)試階段

E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車制作完成后，要對(duì)其熟練操控并加以調(diào)試，才能得到性能的最大發(fā)揮。那么在測(cè)驗(yàn)階段要做好相關(guān)記錄，并且對(duì)結(jié)果分析才能得到更有利的信息。下面是測(cè)試的部分信息與方法供參考：

測(cè)試結(jié)果分析：

通過對(duì)皮筋車的賽道測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)，在跑道長(zhǎng)度、纏繞圈數(shù)相同時(shí)，皮筋車的股數(shù)越多，皮筋車跑完賽道用時(shí)越短。在股數(shù)相同時(shí)，纏繞圈數(shù)越多，皮筋車跑完賽道用時(shí)越短。

但是并不是股數(shù)越多，纏繞圈數(shù)越多，跑得就能越遠(yuǎn)，所以需要根據(jù)不同的賽道，使用不同的皮筋股數(shù)，以及纏繞圈數(shù)。

5 E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車的設(shè)計(jì)價(jià)值

5.1 設(shè)計(jì)價(jià)值與研究（研制開發(fā)）意義

E級(jí)方程式錦標(biāo)賽車結(jié)合了環(huán)保和前衛(wèi)設(shè)計(jì)的理念，因?yàn)槭怯孟鹌そ铗?qū)動(dòng)，而不是電池或汽油驅(qū)動(dòng)，所以環(huán)保。因?yàn)楸荣愂止ぶ谱鳎泻芏鄤?chuàng)新概念包含其中，所以前衛(wèi)。它的設(shè)計(jì)不僅奉行了當(dāng)下綠色環(huán)保的科技理念，還可以立足于對(duì)未來(lái)新型交通工具動(dòng)力的研究，做到從根本上的節(jié)能減排，進(jìn)而為新型交通工具以皮筋為動(dòng)力成為可能的研究奠定理論依據(jù)與基礎(chǔ)。