浅析弹力方程式赛车的制作原理与方法

舒东+肖奇+田成+余彪+张美

摘 要：FE彈力方程式赛车发源于美国顶尖设计学院——艺术中心设计学院（Art Center College of Design，ACCD），原理即以一根16英尺（近5 m）长的橡皮筋驱动作为唯一驱动力。在拟定赛车主体构造方案的过程中，设计师需要在不损耗太多橡皮筋弹力的同时，尽可能地减小车身及其他因素造成的阻力；外观设计上采用仿生学或其他流线型的造型设计，以达到最优的动力阻力比，通过不断调试及优化，完成性能优异也不缺乏设计感的方程式赛车。

关键词：FE弹力方程式赛车 橡皮筋 外观设计 动力阻力比 设计感

中图分类号：U469.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0117-02

2016年6月11日～12日，由汕头大学长江工业设计中心、汕头工业设计协会主办的弹力方程式赛车国际设计锦标赛（中国赛区）在汕头大学举行。在为期4个月的准备时间内，来自全国12所高校的29支车队，从了解弹力方程式赛车到最终完成赛车的实体模型，经历了无数次失败后的迷茫与最终成功后的畅然。

1 FE弹力方程式赛车锦标赛

1.1 FE弹力方程式赛车规定

弹力方程式赛车国际设计锦标赛（Formula-E International Design Championship）是一项以创意设计为核心内容，面向全球顶尖优秀设计学生的综合设计竞赛，简称FE是英文Formula E的缩写，Formula译为方程式，其含义是规定，E来自英文Elastic，意为弹力，即参赛车辆必须使用规定的一根16英尺（近5 m）长的橡皮筋作为唯一的驱动力。

赛车的前进动力必须只源于大赛组委会提供的皮筋形变存储的弹性势能。皮筋只允许安装在赛车上，皮筋规格3/16（断面）×16英尺（长）。车队可以使用润滑剂来提高皮筋性能，前提是不改变皮筋的合成物质。在赛车的材质与尺寸大小方面，组委会也无特殊限定。

1.2 FE弹力方程式赛车锦标赛比赛规则

每支参赛队需要设计和制作至少一辆车，能参加所有竞赛内容，每个队可选择将重点放在任何一项竞赛内容。每名队员都必须驾驶车辆完成全部3项竞速赛的热身赛，非正式小组成员不能替代驾驶参加正式比赛。

而具体的3项竞速赛标准如下。

1.2.1 拉力竞速赛（Drag Way）

该赛段长度约40 m，比赛强调赛车的加速能力、极限速度和直线稳定性（赛道宽度2.4 m）。

1.2.2 障碍竞速赛（Figure 8 Flats）

该赛段长度约97 m，是3个赛段中最长的一条，为8字型，赛道边沿有障碍物。比赛强调驾驶技术和赛车的加速、刹车和转向性能（赛道最小宽度1.2 m）。

1.2.3 爬坡竞速赛（Hill Climb）

该赛段长度约68 m，由两段坡度组成，坡道最高处距地面2.4 m，中间有一个90°转弯。比赛强调足够的扭矩和转弯时尽量减少动能损失（赛道宽度2.4 m）。

2 赛车车体设计的主要影响因素

谈及弹力方程式赛车的设计，就必须对影响赛车性能的几大主要因素进行分析，对于尺寸并不大的车身，车体的平衡及动力阻力比的最优化尤为重要。同时作为赛车的唯一动力，橡皮筋的处理及匝数的选择也需要经过测试以达到最佳状态。

2.1 动力与阻力

动力与阻力，是所有赛车设计中不可忽略的影响因素，设计师需要找到动力与阻力的平衡点，动力大，赛车的速度可以达到最优化，但有很大可能性会引起赛车的平衡问题；动力小，赛车的速度潜力则无法完全发挥。

关于赛车运动过程中所存在的阻力，大致可分为3种：空气阻力，摩擦阻力及压力阻力。空气阻力是赛车在空气介质中行驶时，赛车相对于空气运动时空气作用力在行驶方向形成的分力，空气阻力与赛车速度的平方成正比，车速越快阻力越大。如果空气阻力占赛车车行驶阻力的比率很大，则会增加赛车中橡皮筋弹力消耗量，会严重影响汽车的动力性能。而如何利用空气阻力，则需要提到一个名词——流线型设计，车身设计必须符合流线型设计，同时兼顾底盘顺畅的空气流动，才能将空气阻力保证在一个很低的水平。摩擦阻力，主要存在于轮胎与地面间，在车重的压力下，轮胎需要有很大的抓地力，才能保证在高速中赛车不会发生侧向位移甚至翻转。至于压力阻力，指赛车外表面大气作用的压力在行驶方向的分力，但考虑到赛车的车重相比于汽车，可忽略不计，因此不予考虑。

而赛车的动力，则完全来源于橡皮筋发生形变所产生的弹力。当赛车的驱动轴与橡皮筋发生接触时，会产生弹力。当然，橡皮筋发生形变的方式也有多种，纵向拉长形变或者扭曲形变都会产生弹力，产生的效果也会不同。当皮筋发生形变，存储弹力势能，当皮筋释放时，弹力势能瞬间转化为动能，趋势赛车前进，这也就是赛车的动力来源。

2.2 赛车的造型设计

上文中提到过流线型的赛车造型设计，能有效地减小空气阻力，因此赛车的外观造型还是以流线型为原则。而车体结构的设计，需要参考众多参赛者的选择，也就是“T”型的车体设计。“T”型车的设计，能将皮筋存储的弹力势能最大化地转化为动能，同时保持车身的稳定。另外一种车体造型便是三角形的框架车体，优点便是充分发挥三角形的稳定性，但缺点也十分明显，便是转向的灵活性，但无论是哪种选择，都需要综合性地考虑车体的整体构型与其他影响因素。

除了功能性方面的考虑，设计理念也需要融入到赛车造型之中，比如环保理念，就需要考虑赛车制作材料及赛车成本。实际制作赛车过程中，需要从各个方面考虑，而不是追求某一层面的最优。

3 后期优化与调试

完成赛车的整体造型后，仍需要从结构及材料的选择等多方面进行研究，因此，后期的细节处理绝对有必要。

3.1 材料的优化

近几年，碳纤维材料的应用越来越广，归结原因，便是高强度与轻便的质量。作为赛车车体的材料选择，能有效地减小摩擦阻力，同时，由于在赛车出发的瞬间需要的速度非常大，因此碳纤维也能够改善赛车的整体平衡。

3.2 赛车的整体调试

调试阶段，需要对赛车进行高强度的练习，除了是熟练操作外，也是为了让赛车达到最佳性能，在过程中，人们需要去找到皮筋的最大势能点，不同构造的赛车，最佳势能点均不一样，但有一点不得不提，不是股数越多，皮筋缠绕圈数越多，赛车跑得就越远，具体情况需要根据自身情况进行调试。

4 FE弹力方程式赛车的设计意义

FE弹力方程式赛车国际设计锦标赛作为一项以创意设计为核心内容，面向全球顶尖优秀设计学生的综合设计竞赛，旨在培养未来全球设计领导者们在战略、产品开发、科学、工程技术、设计、制造、品牌、沟通以及活动策划方面的综合素质。对提高设计师设计战略能力，实践创新设计思维，锻炼设计综合素质，培养社会责任感有着很好的促进作用。

参考文献

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

[2] 傅立敏.汽车设计与空气动力学[M].机械工业出版社，2011.

[3] 岳清瑞.碳纤维增强复合材料（CFRP）[M].中国建筑工业出版社，2009.