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彈力方程式賽車發源于美國頂尖設計學院——藝術中心設計學院（Art Center College of Design，ACCD），原理即以一根16英尺（近5 m）長的橡皮筋驅動作為唯一驅動力。在擬定賽車主體構造方案的過程中，設計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；外觀設計上采用仿生學或其他流線型的造型設計，以達到最優的動力阻力比，通過不斷調試及優化，完成性能優異也不缺乏設計感的方程式賽車。

關鍵詞：FE彈力方程式賽車 橡皮筋 外觀設計 動力阻力比 設計感

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

2016年6月11日～12日，由汕頭大學長江工業設計中心、汕頭工業設計協會主辦的彈力方程式賽車國際設計錦標賽（中國賽區）在汕頭大學舉行。在為期4個月的準備時間內，來自全國12所高校的29支車隊，從了解彈力方程式賽車到最終完成賽車的實體模型，經歷了無數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賽

1.1 FE彈力方程式賽車規定

彈力方程式賽車國際設計錦標賽（Formula-E International Design Championship）是一項以創意設計為核心內容，面向全球頂尖優秀設計學生的綜合設計競賽，簡稱FE是英文Formula E的縮寫，Formula譯為方程式，其含義是規定，E來自英文Elastic，意為彈力，即參賽車輛必須使用規定的一根16英尺（近5 m）長的橡皮筋作為唯一的驅動力。

賽車的前進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，皮筋規格3/16（斷面）×16英尺（長）。車隊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。在賽車的材質與尺寸大小方面，組委會也無特殊限定。

1.2 FE彈力方程式賽車錦標賽比賽規則

每支參賽隊需要設計和制作至少一輛車，能參加所有競賽內容，每個隊可選擇將重點放在任何一項競賽內容。每名隊員都必須駕駛車輛完成全部3項競速賽的熱身賽，非正式小組成員不能替代駕駛參加正式比賽。

而具體的3項競速賽標準如下。

1.2.1 拉力競速賽（Drag Way）

該賽段長度約40 m，比賽強調賽車的加速能力、極限速度和直線穩定性（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。比賽強調駕駛技術和賽車的加速、剎車和轉向性能（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°轉彎。比賽強調足夠的扭矩和轉彎時盡量減少動能損失（賽道寬度2.4 m）。

2 賽車車體設計的主要影響因素

談及彈力方程式賽車的設計，就必須對影響賽車性能的幾大主要因素進行分析，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的選擇也需要經過測試以達到最佳狀態。

2.1 動力與阻力

動力與阻力，是所有賽車設計中不可忽略的影響因素，設計師需要找到動力與阻力的平衡點，動力大，賽車的速度可以達到最優化，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揮。

關于賽車運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。空氣阻力是賽車在空氣介質中行駛時，賽車相對于空氣運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——流線型設計，車身設計必須符合流線型設計，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生側向位移甚至翻轉。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，因此不予考慮。

而賽車的動力，則完全來源于橡皮筋發生形變所產生的彈力。當賽車的驅動軸與橡皮筋發生接觸時，會產生彈力。當然，橡皮筋發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生彈力，產生的效果也會不同。當皮筋發生形變，存儲彈力勢能，當皮筋釋放時，彈力勢能瞬間轉化為動能，趨勢賽車前進，這也就是賽車的動力來源。

2.2 賽車的造型設計

上文中提到過流線型的賽車造型設計，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。而車體結構的設計，需要參考眾多參賽者的選擇，也就是“T”型的車體設計。“T”型車的設計，能將皮筋存儲的彈力勢能最大化地轉化為動能，同時保持車身的穩定。另外一種車體造型便是三角形的框架車體，優點便是充分發揮三角形的穩定性，但缺點也十分明顯，便是轉向的靈活性，但無論是哪種選擇，都需要綜合性地考慮車體的整體構型與其他影響因素。

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

3 后期優化與調試

完成賽車的整體造型后，仍需要從結構及材料的選擇等多方面進行研究，因此，后期的細節處理絕對有必要。

3.1 材料的優化

近幾年，碳纖維材料的應用越來越廣，歸結原因，便是高強度與輕便的質量。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 賽車的整體調試

調試階段，需要對賽車進行高強度的練習，除了是熟練操作外，也是為了讓賽車達到最佳性能，在過程中，人們需要去找到皮筋的最大勢能點，不同構造的賽車，最佳勢能點均不一樣，但有一點不得不提，不是股數越多，皮筋纏繞圈數越多，賽車跑得就越遠，具體情況需要根據自身情況進行調試。

4 FE彈力方程式賽車的設計意義

FE彈力方程式賽車國際設計錦標賽作為一項以創意設計為核心內容，面向全球頂尖優秀設計學生的綜合設計競賽，旨在培養未來全球設計領導者們在戰略、產品開發、科學、工程技術、設計、制造、品牌、溝通以及活動策劃方面的綜合素質。對提高設計師設計戰略能力，實踐創新設計思維，鍛煉設計綜合素質，培養社會責任感有著很好的促進作用。

參考文獻

[1] 2012 Formula SAE Rules[S].SAE International，2011.

[2] 傅立敏.汽車設計與空氣動力學[M].機械工業出版社，2011.

[3] 岳清瑞.碳纖維增強復合材料（CFRP）[M].中國建筑工業出版社，2009.