淺析彈力方程式賽車的制作原理與方法

舒東+肖奇+田成+余彪+張美

摘 要：FE彈力方程式賽車發(fā)源于美國頂尖設(shè)計(jì)學(xué)院——藝術(shù)中心設(shè)計(jì)學(xué)院（Art Center College of Design，ACCD），原理即以一根16英尺（近5 m）長的橡皮筋驅(qū)動作為唯一驅(qū)動力。在擬定賽車主體構(gòu)造方案的過程中，設(shè)計(jì)師需要在不損耗太多橡皮筋彈力的同時，盡可能地減小車身及其他因素造成的阻力；外觀設(shè)計(jì)上采用仿生學(xué)或其他流線型的造型設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的動力阻力比，通過不斷調(diào)試及優(yōu)化，完成性能優(yōu)異也不缺乏設(shè)計(jì)感的方程式賽車。

關(guān)鍵詞：FE彈力方程式賽車 橡皮筋 外觀設(shè)計(jì) 動力阻力比 設(shè)計(jì)感

中圖分類號：U469.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0117-02

2016年6月11日～12日，由汕頭大學(xué)長江工業(yè)設(shè)計(jì)中心、汕頭工業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)會主辦的彈力方程式賽車國際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽（中國賽區(qū)）在汕頭大學(xué)舉行。在為期4個月的準(zhǔn)備時間內(nèi)，來自全國12所高校的29支車隊(duì)，從了解彈力方程式賽車到最終完成賽車的實(shí)體模型，經(jīng)歷了無數(shù)次失敗后的迷茫與最終成功后的暢然。

1 FE彈力方程式賽車錦標(biāo)賽

1.1 FE彈力方程式賽車規(guī)定

彈力方程式賽車國際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽（Formula-E International Design Championship）是一項(xiàng)以創(chuàng)意設(shè)計(jì)為核心內(nèi)容，面向全球頂尖優(yōu)秀設(shè)計(jì)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)競賽，簡稱FE是英文Formula E的縮寫，F(xiàn)ormula譯為方程式，其含義是規(guī)定，E來自英文Elastic，意為彈力，即參賽車輛必須使用規(guī)定的一根16英尺（近5 m）長的橡皮筋作為唯一的驅(qū)動力。

賽車的前進(jìn)動力必須只源于大賽組委會提供的皮筋形變存儲的彈性勢能。皮筋只允許安裝在賽車上，皮筋規(guī)格3/16（斷面）×16英尺（長）。車隊(duì)可以使用潤滑劑來提高皮筋性能，前提是不改變皮筋的合成物質(zhì)。在賽車的材質(zhì)與尺寸大小方面，組委會也無特殊限定。

1.2 FE彈力方程式賽車錦標(biāo)賽比賽規(guī)則

每支參賽隊(duì)需要設(shè)計(jì)和制作至少一輛車，能參加所有競賽內(nèi)容，每個隊(duì)可選擇將重點(diǎn)放在任何一項(xiàng)競賽內(nèi)容。每名隊(duì)員都必須駕駛車輛完成全部3項(xiàng)競速賽的熱身賽，非正式小組成員不能替代駕駛參加正式比賽。

而具體的3項(xiàng)競速賽標(biāo)準(zhǔn)如下。

1.2.1 拉力競速賽（Drag Way）

該賽段長度約40 m，比賽強(qiáng)調(diào)賽車的加速能力、極限速度和直線穩(wěn)定性（賽道寬度2.4 m）。

1.2.2 障礙競速賽（Figure 8 Flats）

該賽段長度約97 m，是3個賽段中最長的一條，為8字型，賽道邊沿有障礙物。比賽強(qiáng)調(diào)駕駛技術(shù)和賽車的加速、剎車和轉(zhuǎn)向性能（賽道最小寬度1.2 m）。

1.2.3 爬坡競速賽（Hill Climb）

該賽段長度約68 m，由兩段坡度組成，坡道最高處距地面2.4 m，中間有一個90°轉(zhuǎn)彎。比賽強(qiáng)調(diào)足夠的扭矩和轉(zhuǎn)彎時盡量減少動能損失（賽道寬度2.4 m）。

2 賽車車體設(shè)計(jì)的主要影響因素

談及彈力方程式賽車的設(shè)計(jì)，就必須對影響賽車性能的幾大主要因素進(jìn)行分析，對于尺寸并不大的車身，車體的平衡及動力阻力比的最優(yōu)化尤為重要。同時作為賽車的唯一動力，橡皮筋的處理及匝數(shù)的選擇也需要經(jīng)過測試以達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.1 動力與阻力

動力與阻力，是所有賽車設(shè)計(jì)中不可忽略的影響因素，設(shè)計(jì)師需要找到動力與阻力的平衡點(diǎn)，動力大，賽車的速度可以達(dá)到最優(yōu)化，但有很大可能性會引起賽車的平衡問題；動力小，賽車的速度潛力則無法完全發(fā)揮。

關(guān)于賽車運(yùn)動過程中所存在的阻力，大致可分為3種：空氣阻力，摩擦阻力及壓力阻力?？諝庾枇κ琴愜囋诳諝饨橘|(zhì)中行駛時，賽車相對于空氣運(yùn)動時空氣作用力在行駛方向形成的分力，空氣阻力與賽車速度的平方成正比，車速越快阻力越大。如果空氣阻力占賽車車行駛阻力的比率很大，則會增加賽車中橡皮筋彈力消耗量，會嚴(yán)重影響汽車的動力性能。而如何利用空氣阻力，則需要提到一個名詞——流線型設(shè)計(jì)，車身設(shè)計(jì)必須符合流線型設(shè)計(jì)，同時兼顧底盤順暢的空氣流動，才能將空氣阻力保證在一個很低的水平。摩擦阻力，主要存在于輪胎與地面間，在車重的壓力下，輪胎需要有很大的抓地力，才能保證在高速中賽車不會發(fā)生側(cè)向位移甚至翻轉(zhuǎn)。至于壓力阻力，指賽車外表面大氣作用的壓力在行駛方向的分力，但考慮到賽車的車重相比于汽車，可忽略不計(jì)，因此不予考慮。

而賽車的動力，則完全來源于橡皮筋發(fā)生形變所產(chǎn)生的彈力。當(dāng)賽車的驅(qū)動軸與橡皮筋發(fā)生接觸時，會產(chǎn)生彈力。當(dāng)然，橡皮筋發(fā)生形變的方式也有多種，縱向拉長形變或者扭曲形變都會產(chǎn)生彈力，產(chǎn)生的效果也會不同。當(dāng)皮筋發(fā)生形變，存儲彈力勢能，當(dāng)皮筋釋放時，彈力勢能瞬間轉(zhuǎn)化為動能，趨勢賽車前進(jìn)，這也就是賽車的動力來源。

2.2 賽車的造型設(shè)計(jì)

上文中提到過流線型的賽車造型設(shè)計(jì)，能有效地減小空氣阻力，因此賽車的外觀造型還是以流線型為原則。而車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要參考眾多參賽者的選擇，也就是“T”型的車體設(shè)計(jì)?！癟”型車的設(shè)計(jì)，能將皮筋存儲的彈力勢能最大化地轉(zhuǎn)化為動能，同時保持車身的穩(wěn)定。另外一種車體造型便是三角形的框架車體，優(yōu)點(diǎn)便是充分發(fā)揮三角形的穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)也十分明顯，便是轉(zhuǎn)向的靈活性，但無論是哪種選擇，都需要綜合性地考慮車體的整體構(gòu)型與其他影響因素。

除了功能性方面的考慮，設(shè)計(jì)理念也需要融入到賽車造型之中，比如環(huán)保理念，就需要考慮賽車制作材料及賽車成本。實(shí)際制作賽車過程中，需要從各個方面考慮，而不是追求某一層面的最優(yōu)。

3 后期優(yōu)化與調(diào)試

完成賽車的整體造型后，仍需要從結(jié)構(gòu)及材料的選擇等多方面進(jìn)行研究，因此，后期的細(xì)節(jié)處理絕對有必要。

3.1 材料的優(yōu)化

近幾年，碳纖維材料的應(yīng)用越來越廣，歸結(jié)原因，便是高強(qiáng)度與輕便的質(zhì)量。作為賽車車體的材料選擇，能有效地減小摩擦阻力，同時，由于在賽車出發(fā)的瞬間需要的速度非常大，因此碳纖維也能夠改善賽車的整體平衡。

3.2 賽車的整體調(diào)試

調(diào)試階段，需要對賽車進(jìn)行高強(qiáng)度的練習(xí)，除了是熟練操作外，也是為了讓賽車達(dá)到最佳性能，在過程中，人們需要去找到皮筋的最大勢能點(diǎn)，不同構(gòu)造的賽車，最佳勢能點(diǎn)均不一樣，但有一點(diǎn)不得不提，不是股數(shù)越多，皮筋纏繞圈數(shù)越多，賽車跑得就越遠(yuǎn)，具體情況需要根據(jù)自身情況進(jìn)行調(diào)試。

4 FE彈力方程式賽車的設(shè)計(jì)意義

FE彈力方程式賽車國際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽作為一項(xiàng)以創(chuàng)意設(shè)計(jì)為核心內(nèi)容，面向全球頂尖優(yōu)秀設(shè)計(jì)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)競賽，旨在培養(yǎng)未來全球設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)者們在戰(zhàn)略、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)、工程技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造、品牌、溝通以及活動策劃方面的綜合素質(zhì)。對提高設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)戰(zhàn)略能力，實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維，鍛煉設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)，培養(yǎng)社會責(zé)任感有著很好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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