本發明屬于汽車車身空氣動力學領域，尤指一種fsae賽車空氣動力學套件。

背景技術：

fsae方程式賽車(formulasae)在國際上被視為“學界的f1方程式賽車”，自美國汽車工程師協會于1979年創辦以來，已經有三十多年的歷史了，逐漸形成了德國、美國、英國、日本和中國等地的多站比賽，越來越多的大學生相應地加入到了這個行列。現在fsae賽事正朝著更快、更輕、更穩定的方向迅速發展，因此輕量化設計和空氣動力學成為fsae參賽者必考慮的因素。2010年，中國舉辦了首屆大學生方程式(fsae)賽車比賽，很多高校相繼展開了對fsae賽車的研究、制造與調試。

國外汽車工業發展得早，賽車運動開展也比較早，從上個世紀初開始，工程師便開始了對賽車的研究。在1950年之前，普遍認為發動機、輪胎、底盤和駕駛員是影響賽車性能的四個基本要素。隨著發動機、懸架、輪胎技術的發展，賽車的性能得到很大的提升。可當時人們并沒有太大關注空氣動力學，對它的研究僅僅停留在如何減小阻力。在國內，空氣動力學在航空航天領域的研究已經走在世界前列，但是在汽車領域的研究仍處在起步階段，對賽車空氣動力學的研究更是鳳毛麟角。隨著大學生方程式汽車大賽(fsae)在國內外的迅速發展，fsae團隊的賽車在發動機、底盤等方面的技術已經日益成熟。國內外各個車隊都將目光轉向了賽車空氣動力學的研究上，希望通過高水平空氣套件的設計，取得成績上更高的突破。

一輛賽車由發動機等動力源提供的驅動力即使很大，但是fsae賽車如果沒有足夠的附著力，那么只會原地打滑，其動力性不會得到絲毫的提高。據統計，賽車大約80％的附著力是由下壓力產生，剩余20％由輪胎提供。一旦fsae賽車的結構確定，輪胎的類型也基本確定，而且很難通過對fsae賽車輪胎的改變使其得到足夠大的下壓力。另外，下壓力不足將影響賽車在高速行駛過程中的穩定性。

未進行空氣動力學設計的賽車具有氣動升力特性，即隨車速增加，賽車的附著力減小。對于極度依賴附著力來進行極限駕駛的賽車來說，這意味著賽車的過彎、操作穩定性、動力性和制動性能都有所降低。

技術實現要素：

本發明提供了一種fsae賽車空氣動力學套件，包括前翼、尾翼和擴散器，最大化提高fsae賽車的下壓力，使賽車擁有很好的地面附著力，改善賽車的空氣動力學性能和操縱穩定性，有效提升賽車過彎及制動性能，使賽車在動態比賽項目中獲得優異的成績。

本發明解決技術問題提供以下技術方案：

一種fsae賽車空氣動力學套件，包括前翼、尾翼和擴散器，所述前翼通過螺栓、螺母剛性連接于車架的前端底部，且前翼位于賽車車頭的下部；所述尾翼由六根支撐桿對稱支撐在車架的后端，其中與垂向面有夾角的支撐桿由斜拉索鎖死自由度；所述擴散器通過螺栓、螺母連接在駕駛艙底部，與駕駛艙底板一體化；所述擴散器底部增加了導流槽、尾部增設了格珊翼；

所述前翼包括第一下部主翼和兩個對稱的第一上部襟翼，第一上部襟翼位于第一下部主翼的上方；兩個第一上部襟翼的外端、第一下部主翼的兩端均與兩個外端板通過螺釘固定連接，且由外端板劃分出氣流通道，兩個第一上部襟翼的內端與兩個對稱的內端板的一端通過螺釘固定連接，第一下部主翼伸長形成連接板，所述連接板的兩端和兩個內端板的另一端通過螺釘固定連接后與車架相連；

所述尾翼由第二下部主翼、第二上部襟翼、格尼襟翼以及兩個對稱的端板組成，所述第二下部主翼、第二上部襟翼的兩端均通過螺釘與端板固定連接，所述第二上部襟翼的后緣上方安裝格尼襟翼，所述第二上部襟翼和格尼襟翼一體化，且與格尼襟翼的弦線垂直。

上述方案中，所述擴散器的上表面為類似拋物線的圓弧狀，促進對氣流的引導作用。

上述方案中，所述前翼、尾翼和擴散器的材料為碳纖維，所述前翼和尾翼所用芯材為pmi泡沫；套件的基體材料為環氧樹脂。

上述方案中，所述賽車空氣動力學套件能夠為整車提供800n-900n的下壓力。

上述方案中，所述前翼與賽車前輪胎的縱向距離為90-150mm，所述前翼底端與地面之間的最短距離為50-60mm；所述擴散器與地面之間的最短距離為35-45mm、與賽車后輪胎的最短橫向距離為15-25mm，擴散器縱向尺寸為1550-1650mm。

上述方案中，所述第一上部襟翼、第一下部主翼、第二下部主翼及第二上部襟翼的截面均為“魚形狀”。

上述方案中，所述第一下部主翼和第一上部襟翼之間的垂直距離為15-25mm。

上述方案中，所述第一下部主翼有攻角，弦長為350-450mm，在賽車橫向尺寸上小于賽車左、右輪胎的距離；第一上部襟翼有攻角，弦長為150-250mm，且第一上部襟翼的輪廓向賽車縱向反向的延伸線與同側的輪胎頂端相切。

上述方案中，所述格尼襟翼高度為5-15mm；第二下部主翼攻角為10-15°、弦長為350-450mm，第二上部襟翼攻角為50-60°、弦長為200-300mm。

上述方案中，所述第二下部主翼和第二上部襟翼的高度差為30-40mm。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1.本發明在擴散器底部增加了導流槽，加快底部空氣流速，形成低壓區，增加了一部分下壓力；在擴散器的尾部增設了格柵翼，在不增加質量的前提下，提高20-30n的下壓力。

2.本發明在尾翼增設了格尼襟翼，使得賽車在尾翼襟翼存在大攻角時不會失速，增加一些下壓力，提升制動時的穩定性。

3.本發明將前翼的主翼伸長形成連接板，與內端板一并連接至車架，連接更為穩固，而且便于拆裝。

4.本發明在前翼的外端板增設了擾流邊緣，有利于減小輪胎受到的風阻。

5.本發明將擴散器與駕駛艙底板一體化，使得擴散器、駕駛艙底板與車架的連接、拆卸更方便，賽車底部的密封性更好。

附圖說明

圖1為本發明空氣動力學套件安裝在賽車上的軸測圖；

圖2為本發明空氣動力學套件安裝在車架上的軸測圖；

圖3為本發明空氣動力學套件安裝在車架上的側視圖；

圖4為本發明前翼的軸測圖；

圖5為本發明前翼的主翼和襟翼翼型圖；

圖6為本發明尾翼的軸測圖；

圖7為本發明尾翼的主翼和襟翼翼型圖；

圖8為本發明擴散器的軸測圖；

圖9為本發明擴散器的仰視圖。

圖中：1-前翼；2-車頭；3-車身；4-前輪胎；5-車架；6-擴散器；7-尾翼；8-連接板；9-內端板；10-第一下部主翼；11-外端板；12-第一上部襟翼；13-第二下部主翼；14-端板；15-第二上部襟翼；16-格尼襟翼；17-導流槽；18-格珊翼；19-后輪胎；20、21、22、23-支撐桿。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明做進一步詳細的說明：

如圖1所示，一種fsae賽車空氣動力學套件，包括前翼1、擴散器6和尾翼7；套件的基體材料為環氧樹脂，前翼1、擴散器6和尾翼7均為碳纖維材料，且前翼1和尾翼7的芯材為pmi泡沫，復合fsae賽車輕量化設計的要求。

前翼1在連接板8處通過用四個m5螺栓、螺母剛性連接于車架5的前端底部，且前翼1位于賽車車頭2的下部，前翼1與賽車前輪胎4的縱向距離為115mm，前翼1底端與地面之間的距離為58mm；如圖4、5所示，前翼1包括截面均為“魚形狀”的第一下部主翼10和兩個對稱的第一上部襟翼12，第一上部襟翼12位于第一下部主翼10的上方；兩個第一上部襟翼12的外端、第一下部主翼10兩端均與兩個外端板11固定連接，且由外端板11劃分出氣流通道；兩個第一上部襟翼12的內端與兩個對稱的內端板9的一端通過螺釘固定連接，外端板11增加了擾流邊緣，有利于減小輪胎受到的風阻；第一下部主翼10伸長形成連接板8，連接板8的兩端和兩個內端板9的另一端通過螺釘固定連接后與車架5相連。

第一下部主翼10和第一上部襟翼12之間的垂直距離為18mm；第一下部主翼10的攻角為6°、弦長為400mm；第一上部襟翼12的攻角為25°、弦長為200mm；第一下部主翼10的橫向尺寸為1280mm，小于賽車左、右輪胎的距離；第一上部襟翼12的橫向尺寸為360mm，第一上部襟翼12的輪廓向賽車縱向反向的延伸線與同側的輪胎頂端相切。

如圖2、3所示，尾翼7由六根碳纖維支撐桿20支撐在車架5的后端，六根支撐桿左右對稱，支撐桿21與水平面夾角為11.5°、與賽車縱向面夾角為9.4°，支撐桿22與賽車縱向面夾角為22°、與垂向面夾角為16°，支撐桿23與賽車縱向面夾角為10.5°、與垂向面夾角為15°，支撐桿21由斜拉索鎖死自由度；如圖6、7所示，尾翼7由截面均為“魚形狀”的第二下部主翼13和第二上部襟翼15、格尼襟翼16以及兩個對稱的端板14組成；第二下部主翼13、第二上部襟翼15的兩端均通過螺釘與端板14固定連接，端板14上設有缺口，有利于氣流的流通；第二上部襟翼15的后緣上方安裝格尼襟翼16，第二上部襟翼15和格尼襟翼16一體化，且與格尼襟翼16的弦線垂直；尾翼7與地面的最小垂直距離為895mm，第二下部主翼13和第二上部襟翼15的橫向尺寸均為1280mm；格尼襟翼16高度為10mm；第二下部主翼13的攻角為14°、弦長為400mm，第二上部襟翼15的攻角為55°、弦長為250mm，第二下部主翼13和第二上部襟翼15的高度差為35mm，格尼襟翼16高度為10mm。

擴散器6通過四個m5螺栓、螺母連接在駕駛艙底部，與駕駛艙底板一體化；如圖8所示，擴散器6的底部設有彎曲長條狀的導流槽17，加快底部空氣流速，形成低壓區，能夠有效地增加一部分下壓力；如圖9所示，擴散器6的尾部通過螺釘連接格珊翼18，能夠在不增加質量的前提下，提高25n的下壓力(由ansysfluent仿真軟件得到)；擴散器6的上表面設計成類似拋物線的圓弧狀，促進對氣流的引導作用；擴散器6與地面之間的最短距離為38mm、與賽車后輪胎19的最短橫向距離為20mm，擴散器6縱向尺寸為1610mm。

空氣動力學套件能為整車提供878n的下壓力(由ansysfluent仿真軟件得到)。

由ansysfluent仿真軟件得到下壓力的過程為：

①通過在icem里建立整車有限元模型，把空氣動力學套件單獨劃分為一個part；

②在ansysfluent里設置邊界條件：進口是速度入口，出口為壓力出口，地面為移動壁面，流場四周為剪切力為0的壁面，其他為無滑移壁面；

③選擇合適的物理模型，設置其為定常流動，調節松弛因子，離散方法為二階迎風格式，選擇simple算法，設置監測值，初始化，設置步長；

④最后計算得到空氣動力學套件的下壓力。

一種fsae賽車空氣動力學套件的工作原理如下：

空氣流一部分先與第一下部主翼10相接觸，經第一下部主翼10的誘導作用使氣流流動到第一上部襟翼12，然后經第一上部襟翼12導過賽車的前輪胎4；由于第一下部主翼10、第一上部襟翼12的截面為“魚形狀”，導致第一下部主翼10與第一上部襟翼12的翼片之間的氣流存在流速差，從而對賽車產生下壓力。空氣流到達賽車的尾部與尾翼7接觸之后，依次經過第二下部主翼13和第二上部襟翼15的引導，由于第二下部主翼13和第二上部襟翼15的截面為“魚形狀”，使得翼片下表面氣流的流程變大，流速減小，翼片上下產生流速差，產生下壓力。由于第二上部襟翼15的翼片攻角較大，所設計的格尼襟翼16保證了賽車在第二上部襟翼15有大攻角時不會失速，而且還增加一部分下壓力。

另一部分進入賽車底部的空氣流通過擴散器6，經擴散器6底部的導流槽17疏導之后，氣流的速度加快，使得擴散器6底部的氣流壓力小于其上部的氣流壓力；氣流流經格柵翼18時，上表面的氣流速度小于下表面的氣流速度，使得格柵翼18上表面氣流壓力大于下表面氣流壓力，從而對賽車產生下壓力。

本發明提供的fsae賽車空氣動力學套件安裝在賽車上，在專業賽道上測試結果顯示，未安裝空氣動力學套件的賽車比安裝了空氣動力學套件的賽車慢了5-6s。在賽場的動態項目比賽中，都取得很好的成績，尤其在耐久賽出現下大雨的情況下，順利地完成了比賽并取得了不錯的成績。

以上說明僅僅為本發明的較佳實施例，本發明并不限于列舉上述實施例，應當說明的是，任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質范圍之內，理應受到本發明保護。