【CN209634586U】一种FSAE赛车空气动力学套件连接结构【专利】
基于 FSAE 赛车的空气动力学套件设计及 CFD 分析
基于 FSAE 赛车的空气动力学套件设计及 CFD 分析韩小强;王洪宇;侯文彬【摘要】在赛车领域，空气动力学研究已经成为各项赛事以及车队之间竞争的焦点。
文中通过对 G03C 赛车进行整车空气动力学分析，找出整车造型对空气动力学的影响因素，并根据空气动力学原理设计了一套相匹配的空气动力学套件，包括鼻翼、尾翼及扩散器。
对比改装前后赛车的空气力学性能，结果表明，安装空气动力学套件后，产生一定的下压力使得赛车的高速稳定性能得到提升。
%In the field of racing cars,air dynamics research has become the focus of competition between the events and teams. For Formula SAE,aerodynamic research is very important.This paper through aerodynamic simulation analysis of G03C racing car, finds out influence aerodynamic factors of the vehicle model,and designs an aerodynamics package for it according to the principle of aerodynamics,including the front wing,rear wing and pared the aerodynamic performance of the car before and after modification,the results show that the increase of pressure makes the car high -speed stability improve under suite aerodynamic pack-age.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2016(014)001【总页数】5页(P3-7)【关键词】FSAE 赛车;空气动力;外流场;阻力系数【作者】韩小强;王洪宇;侯文彬【作者单位】大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】U463.9FSAE方程式赛车(formula SAE)在国际上被视为学生界的 F1方程式赛车。
FSAE赛车空气动力学套件优化设计
文章编号： 1009 − 444X （2021）01 − 0053 − 08FSAE 赛车空气动力学套件优化设计李嘉寅 ，刘宁宁 ，沈钰豪 ，谭博文 ，陈 焕 ，薛雨晴 ，黄碧雄（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）摘要：空气动力学作为赛车的关键领域，很大程度影响着赛车各方面性能. 在满足中国大学生方程式汽车大赛（Formular Student China ，FSC ）规则（2019赛季）的前提下，提出一种赛车空气动力学套件的改进优化方案. 使用数值累进法和控制变量法的优化方法，并通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD ）进行仿真，设计完成一套性能优异的空气动力学套件.与2018赛季车辆相比，该设计使赛车的负升力和的升阻比分别提高81%和91%，极大提升了整车的动力学性能.关键词：大学生方程式汽车大赛；空气动力学；计算流体动力学中图分类号： TH 122 文献标志码： ADesign and Optimization of AerodynamicsParts on a FSAE VehicleLI Jiayin ，LIU Ningning ，SHEN Yuhao ，TAN Bowen ，CHEN Huan ，XUE Yuqing ，HUANG Bixiong（ School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China ）Abstract ：Aerodynamics, as a significant field of racing car, largely affects all aspects of racing performance.The aerodynamics properties of the new season was redesigned on the premise of meeting the rules of Formula Student China (FSC) in season 2019. By using numerical progressive methods and control variate method to optimize, and carrying computational fluid dynamics (CFD) to simulate, a set of aerodynamics parts with outstanding performance was designed and completed. The results show that compared to the season 2018, the new design not only increases the downforce and lift-to-drag ratio of the racing car respectively by 81% and 91%, but also greatly improves its kinetic performance.Key words ：formula society of automotive engineers (FSAE)；aerodynamics ；computational fluid dynamics (CFD)大学生方程式赛车大赛（Formula Society of Automotive Engineers ，FSAE) 由国际汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers (SAE)International)于1978年开办，在当今世界内被视作大学生的“F1方程式赛车”，该赛事不只是单纯的竞速比赛，更是一项考察车辆性能设计的比赛.参赛者需要根据比赛规则在规定时间内设计制作一辆性能优异的方程式赛车.收稿日期： 2019 − 04 − 18基金项目： 上海市大学生创新创业活动计划资助项目（E3-0800-18-01205）作者简介： 李嘉寅（1998 − ），男，在读本科生，研究方向为车辆工程. E-mail ：****************通信作者： 刘宁宁（1987 − ），男，实验师，硕士，研究方向为车辆NVH 测控技术. E-mail ：****************第 35 卷 第 1 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol. 35 No. 12021 年 3 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEMar. 2021赛车同其他车辆一样，是一种高度复杂的空气动力学装置. 由于其较小的离地间隙，导致周围的气流更加复杂，使得赛车在行驶中产生更多的阻力和紊流. 在悬架、轮胎、动力方面已经改进的情况下，良好的空气动力学套件（以下简称空套）则可以极大提高赛车性能. 其主要目标是在引进较小阻力的前提下提供较高的下压力来增加汽车的抓地力，产生牵引力. 空气动力学下压力作为赛车性能中最重要的因素之一，在制动、转向、加速度等方面有着无可比拟的作用[1].由于气动力不同于惯性力，空套可以在较小质量增加（套件的自重）的条件下，极大增加机械抓地力，从而提高轮胎的工作效率，获得更好的路面附着条件. 目前，国外的空气动力学套件设计已步入研究整车流场平衡的阶段，而国内的相关研究虽起步较早，但近几年发展缓慢，绝大部分对空套的设计研究仍只停留在简单的翼型选择和最大限度榨取总气动负升力（即下压力）上，很少关注气动平衡对车辆动力学以及赛车底盘调教策略产生的影响.上海工程技术大学锐狮电动方程式赛车队于2017年首次引入空气动力学套件，并完成整套设计、加工、装配流程. 本文基于往届赛车的设计基础，对组合翼各翼片攻角进行优化，并将研究重点深化至气动平衡上，在设计之初就将各套件之间的影响考虑在内，以期解决前后下压力的分配不合理、上游套件对下游套件影响过大等问题.1 研究方法赛车空气动力学套件最基础和主要的组成部分是翼型. 翼型参数包括弦长、倾角、攻角、展宽比、前后缘半径等. 考虑设计成本因素，优化攻角远比从数不尽的翼型库中挑选最合适的翼型有效率得多. 良好的攻角设计组合不仅可以提供较大的下压力，而且不会产生过多阻力. FSAE赛车多采用组合翼来提高翼片获取下压力的上限，组合翼中各个翼片存在相对几何关系：主翼攻角、襟翼相对攻角、缝道（Gap）水平距离、缝道竖直距离.然而在实际设计中，这些相对几何关系都较为复杂，与最后产生的下压力并不呈现明确的线性关系，这使得设计变成多变量问题.计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）有限元分析方法能够执行CAD模型的理论测试计算. 虽然其精度比不上风洞试验，但却克服了后者的局限性. 目前，CFD可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无黏到有黏的几乎所有的流动现象[2]. 一般来讲，物体表面流体的未知量包括：流体在X、Y、Z方向上的速度、流体密度、温度和压强. 一般在赛车空气动力学中，密度和温度视为常量. 本质上，CFD通常是计算物体表面流速的改变. 本文将主要对各套件的组合翼攻角等进行优化设计分析，从而获得一套性能优异的空气动力学套件.2 模型建立及前处理2.1 三维模型2018赛季整车CAD模型如图1所示. 本研究在其设计基础上保留优良翼型及整体布置思路，然后在理论研究基础上，对空气动力学套件进行概念设计和优化选型；之后利用CATIA软件进行设计建模，前翼主翼选取升力系数和最大厚度较为均衡的AH 79-100B为翼型，通过宏命令精确导入到CATIA中. 为增大底板气流流量并减少底部能量的损失，主翼采用抬高前翼中部的变截面设计，建模使用多截面曲面功能一次成型. 襟翼的设计尽量在不损失前翼下压力的前提下减小近车身侧的弦长并提升内侧翼型的攻角，以达到将外侧气流抽吸至内侧的目的，在CATIA中同样采用变截面曲面来实现建模. 2019赛季整车CAD模型如图2所示.图 1 2018赛季整车CAD模型Fig. 1 CAD model of whole vehicle in season 2018考虑到CFD分析的时间效率，对车身及车体外部的驾驶员头盔和轮胎进行简化处理. 本文主要针对空气动力学套件进行设计分析，通过对阻· 54 ·上海工程技术大学学报第 35 卷塞比的计算得出计算域的大小：计算域长度为尾翼的10倍，高度为翼面半宽的5倍，以此保证不会出现回流，进而确保分析精度[3].2.2 控制方程和湍流模型结合赛事实际行驶工况，赛车车速一般为60 km/h ，空气密度变化不大，可以近似看成是常数，因此尾翼周围空气为不可压缩流体[4]. 根据雷诺理论，流动属于湍流，因而赛车空气动力学套件气动力的模拟属于求解湍流流动问题，采用的控制方程为三维不可压缩的雷诺平均连续方程和雷诺平均N-S 方程，即u ′i u ′j 式中：u i 为略去平均符号的雷诺平均速度分量；ρ为密度；p 为压强；、为脉动速度；σij 为应力张量分量.湍流模型采用Realizable k -ε模型[5]，该模型有利于代表各种不同尺度涡间能量谱的传递，可以有效用于不同类型的流动模拟. 该模型包括湍流动能（k ）方程和湍流耗散率（ε）方程. 关于k 的湍流动能方程为关于ε的湍流耗散方程为其中式中：μt 为湍流黏度；v 为运动黏度；ρ为密度；G k 为平均速度梯度引起的湍动能的生成项；G b 为浮力引起的湍动能的生成项；Y M 为可压缩湍流对总体耗散率的脉动膨胀的贡献项；C 2、C 1ε和C 3ε为常数；σk 与σε为关于k 与ε的湍流普朗特数；S k 与S ε为CFD 用户自定义源项；S 为平均应变率张量模量. 由于Realizable k -ε在湍流黏度计算中引入旋转和曲率有关的内容，并且ε方程的第3项不具有奇异性，这与Standard k -ε模型和RNG k -ε模型有很大区别[6].在CFD 模拟中对尾翼，前翼等空气动力学套件附近的流动特征、下压力和升阻比进行分析. 然后在完成优化的基础上进行整合计算，得到整车分析数据. 根据整车分析结果确定最终方案，并且将最终优化方案用于实车制造并进行实车性能测试.2.3 模型前处理使用STAR-CCM+完成计算域和网格的绘制，分析尾翼的计算域网格如图3所示.图 2 2019赛季整车CAD 模型Fig. 2 CAD model of whole vehicle in season 2019(a) 外部YZ X图 3 计算域网格Fig. 3 Computational domain grid第 1 期李嘉寅 等：FSAE 赛车空气动力学套件优化设计· 55 ·网格大小的计算根据边界层计算器输入Y+=30，得出雷诺数Re=1×106. 下边界层总厚度d为0.021 6 m，计算得到外部体网格的单元格目标大小约为0.1 m. 由于不同的流动问题数值解法不同，需要的网格形式有一定的区别，但生成网格的方法基本一致. 网格可以分为结构网格(Structured Grid)和非结构网格(Unstructured Grid)两大类. 结构网格在空间上比较规范，网格往往是成行成列分布的，行线和列线明显；而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线. 外流场计算常用的体网格类型有四面体网格(Tetrahedral Mesh)、Trimmed网格、多面体网格(Polyhedral Mesh)和边界层网格(Prism Mesh)[6].考虑到赛车造型复杂，使用非结构性网格，网格中的每个元素都可以是二维多边形或者三维多面体，其中最常见的是二维三角形以及三维四面体. 这里使用STAR-CCM+中多面体网格，其结合了四面体网格划分速度快和六面体网格精度高的特点，单个网格可同时与相邻的12或14个网格进行交互，这也极大减少了网格的数量，加快了计算效率，通常多面体网格的收敛速度比四面体要快接近一倍，比六面体也要快40%.2.4 边界条件参考文献[7]，边界类型有进口（Inlet），出口(Outlet)、对称面(Symmetry)和壁面(Wall). 进口设置为速度进口(Velocity inlet)，速度进口湍流强度为0.5%，湍流速率=4×计算域面积/计算域周长，流速u为16.67 m / s，出口设置为压力出口(Pressure outlet)，压力出口的湍流强度设置为0.5%，湍流速率=4×计算域面积/计算域周长. 为使仿真更贴近实际，地面设置为滑移壁面，滑移速度为16.67 m / s，车轮设置为旋转壁面，在地面上做纯滚动. 介质设定为空气.3 CFD优化分析3.1 前翼优化设计前翼是安装于赛车前部的空气动力学装置，为赛车前部提供下压力. 同时，前翼能够很大程度上影响前轮的升阻系数，其能够引导赛车前方的气流绕过前轮从而减少前轮大量的阻力.由于FSAE赛规中有前翼外侧离地250 mm的限制，从赛车的正投影面来看，前翼并无法完全遮挡前轮，所以需要特殊的设计来尽量引导气流绕过前轮. 就整车流场的层面而言，前翼所产生的升流会影响下游组件的工作效率，而前翼作为产生下压力的组件，这种影响不可避免，故设计中应在不过多减少下压力的情况下尽可能减小前翼的升流，前翼的下压力分配对于拥有不同转向特性的赛车也有所不同.2019年的新赛车采用前翼主要起引流作用并减少对下游组件干扰从而使侧翼下压力最大化的设计思路，同时通过尽可能多的外洗气流减少前轮迎风阻力并增加前翼的效能，设计效果如图4所示. 通过对变截面翼型的利用，减小前翼近车身侧的弦长和攻角从而减少前翼的上升气流对于下游组件的影响[6]. 该翼型还能有效增加前翼的外洗效应，减小轮胎的阻力.图 4 2019赛季赛车前翼Fig. 4 Front wing of season 2019前翼部分迹线图如图5所示. 图中深蓝色区域为前翼下翼面的低压区，由于三维流场中水平方向也存在压力流动，即翼尖涡效应，所以低压区并没有遍布整个下翼面. 为降低前翼对尾翼的影响，其攻角和弦长的减小必然会造成前翼下压力的减小，为弥补下压力的损失，主翼上安装竖直的旗翼，同时竖直旗翼能够进一步强化前翼端板对于该整体区域的气流外洗，起到减少前轮阻力，增强前翼的抽吸能力，从而在不改变弦长和攻角的情况下起到进一步提高前翼升力系数的作用.设计中为尽可能减小前翼对下游组件的影响，前翼中央采用负攻角并上抬翼面以减小前翼中部静压的大小，改善前翼对下游气流的损耗. 赛车前翼压力云图如图6所示. 从图中可以看出，中部静压明显小于侧边. 在CFD软件中，将迎风速度设置为16.67 m / s，得到2个版本赛车前翼的相关结果见表1. 与2018年赛车相比，2019年赛车前翼的下压力和对前轮的影响有相当程度的提高.· 56 ·上海工程技术大学学报第 35 卷1.713X Y Z7.44513.17818.91124.64330.376−1 200−868−536−204128460速度 / (m·s −1)压力系数图 5 赛车前翼部分迹线图Fig. 5 Part of track diagram of front wingXY Z −1 200−868−536−204128460压力系数图 6 赛车前翼压力云图Fig. 6 Pressure contour of front wing表 1 前翼分析数据表Table 1 Front wing analysis data table赛车版本负升力 / N 前轮迎风阻力 / N2018年120902019年210153.2 侧翼及扩散器优化设计侧面扩散器和尾部扩散器现已成为FSAE 赛车产生较大下压力的关键元素，其本身产生的阻力较小，在地面效应的影响下对整车的下压力提升有着至关重要的作用，且这部分设计在FSAE 中有很多应用前景，侧翼的添加，减少了扩散器壁面上气流的分离，提升临界扩散角的大小，能够有效提升侧面扩散器产生下压力的能力. 侧翼及扩散器的设计效果如图7所示. 侧翼最大程度上利用侧面空间，最大化扩散角的值，同时尽可能扩大扩散器入口的大小以获得更多气流的加速. 同时后轮附近的侧翼能够有效抑制后轮生成的乱流，减少后轮的阻力.3.3 尾翼优化设计尾翼一般使用组合翼的设计方案，通过各翼之间的引流可以让襟翼在较大的攻角下不会轻易失速，同时组合翼之间的位置调整也可以减少能量损失. 2019赛季赛车尾翼主要以获得最大的下压力作为主要目的，并具有对其他部件影响不敏感的特性. 因此通STAR-CCM+仿真试验了不同的翼型，相对攻角及间隙来确定组合翼之间的最优相对位置[8]，同时在分析中加入头枕及头盔模型使其更加接近尾翼真实的工况. 最终设计效果如图8所示.图 8 2019赛季尾翼Fig. 8 Rear wing in season 2019在尾翼翼型方面，主翼选取弯度较大且升力系数在低速时较大的CH10. 襟翼在弯度不同的翼型中通过控制变量试验得到；出于对节省计算资源的考虑，且尾翼试验流动复杂程度低，故使用1/2尾翼模型完成CFD 仿真，实际下压力为表格数据的2倍，仿真数据见表2.表 2 翼型分析数据表Table 2 Airfoil analysis data table翼型负升力（相同攻角和来流速度） / NS1223278.8Clark-Y132.8综上选用S1223作为襟翼的翼型. 考虑到CFD 分析效率及问题导向，在保证复合实际工况的条图 7 侧翼及扩散器Fig. 7 Sidepods and diffuser第 1 期李嘉寅 等：FSAE 赛车空气动力学套件优化设计· 57 ·件下对分析对象进行简化，即取含头盔、座枕在内的尾翼区域局部模型进行分析，分析结果如图9和图10所示. 从图9可见，端板的保压效果非常可观，也从侧面反映了上下翼面的压力分布.−1 350−980−610−204130500压力系数XYZ图 9 尾翼局域分析压力云图Fig. 9 Local analysis pressure contour of rear wingX YZ −1 200−880−560−24080400压力系数图 10 压力云图截面图Fig. 10 Cross section of pressure contour同理，选取最佳的相对攻角. 假设主翼与第1片襟翼的相对攻角为∠1，第1片与第2片襟翼的相对攻角为∠2，仿真数据见表3. 使用1/2尾翼作为仿真对象，从表中可见，负升力为实际的一半.表 3 组合攻角分析数据表Table 3 Angle of attack analysis data ofmultiple-element wings序号∠1 / (°)∠2 / (°)负升力 / N 13236139.623336140.233436141.443437142.253438142.863439142.0由分析结果，最后选用34°、38°的相对攻角，1/2组合翼的负升力达到142.8 N ，即整体在16.67 m / s迎风速度下压力为285.6 N. 为增加扩散器的抽吸能力，提升扩散角的大小，在端板底端安装梁翼（Beam wing ），将尾翼整体的环量下移，在尽量不影响组合翼本身下压力的前提下，加强尾翼与扩散器的互相作用，提升整车的空气动力学效应. 本文中梁翼由于尺寸过小，并未起到较大的作用. 若想获得更好的效果，可以设计弦长更大的梁翼，但仍要考虑其对尾翼主翼下翼面压力分布的影响.从图10可知，驾驶员的头盔与头枕也对尾翼产生了些许影响，主翼前缘下部的低压区域呈现不自然的向后扭曲. 由于头枕位置和人机由总布置所定，并不能做太大变化，只能通过对尾翼的调整来尽可能地减小影响. 结合图10及空气动力学湍流理论可知，流体绕一定攻角的翼型流动时，会在翼型前缘背风面某处脱体，形成顺时针旋转的前缘涡，同时在后部尖缘处形成逆时针旋转的后缘涡，前缘涡与后缘涡之间存在剪切层. 随着前缘涡与后缘涡的发展和相互作用，翼体绕流的流态呈周期性变化，这一点在尾翼表现尤为明显. 为避免边界层分离，可以在后期引进被动流动控制技术，例如涡流发生器改善局部的流体状态.3.4 端板优化设计端板作为赛车中不可或缺的一部分，不只是用来隐藏翼型轮廓或作为赞助商标牌. 它最重要的一点是可以确保翼片不会出现较大的负升力损失，同时减少阻力. 如果没有端板，由于上翼型上下表面压差，空气会从高压侧迁移到低压侧造成压力损失[9]. 在端板布置方面，由于翼型上方静压升高比翼型下方静压降低要小得多，因此，机翼的影响在其下方比在其上方延伸得更远，这意味着需要在翼片的下方有更大的端板面积.前翼端板首要的目的是为了稳定压差进行保压，由于前翼安装位置的特殊性，其受到地面效应影响，所以端板保压作用好坏直接决定了前翼升力系数的大小，因此端板上安置有不同种类的保压条. 由前翼的CFD 仿真可得，在无保压组件的情况下，前翼负升力为189 N ；在有保压组件的情况下，前翼负升力为210 N ，提高将近11.11%的负升力. 同时前翼端板除了稳定压差外还需要拥有良好的引流特性，引导流向前轮的气流使其偏转到外侧或底部，从而达到减小前轮阻力的效果.尾翼端板同样可以通过一些附加组件或细节修改来加强其性能，2019与2018赛季赛车尾翼端· 58 ·上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 35 卷板都加装了前缘缺口，如图11所示. 与前翼端板类似，尾翼端板的作用之一便是保压，而前缘缺口削减了端板的面积，从而降低了保压效果，并使得下压力小幅减少；但在侧风偏航车况下，前缘开口能成为来流进入尾翼的通道，缓解此工况下尾翼下压力由于来流不足而降低的问题，减小其空气动力学敏感度，增强了稳定性.X YZ−1 200−880−560−24080400压力系数图 11 2019赛季赛车尾翼端板压力云图Fig. 11 Pressure contour of rear wing’send plate in season 2019扩展来讲，理想的尾翼板大小取决于翼型的下压力水平，下压力较低的尾翼组合产生较小的压力变化，故对周围空气压力影响延伸的距离较小，可以使用较小的端板，反之亦然. 故2019年赛车的尾翼端板长度相较2018年的尾翼端板延长约30%.4 整车结果分析与对比图12为整车迹线图，由图可知，整车流线型良好，仅在车轮后方及车身尾部形成较大涡流. 前翼有明显外洗，中部上洗较少，符合预期设计，可有效降低前轮产生的紊流并增强前翼的抽吸作用，保证侧面扩散器有更多高能气流进入，且可看出相比尾翼影响不大. 3层尾翼的设计使气流能够更加贴合后方翼型，长端板保证了尾翼的保压效果，做到了先期预期能达到的最大下压力.2019年赛车在装配优化设计的空气动力学套件后，空气动力学指标都有较大提升，见表4. 首先负升力升高至原来的181%，增加明显，但是2019年赛车的阻力系数也增加33.66%，这是由于负升力的升高会导致压差阻力的升高，也可以说是获取下压力的代价之一. 升阻比是反映赛车空气动力学效率的一个重要指标，通过比较2版赛车可以发现，2019年赛车拥有更高效率的空气动力学套件，迎风面积的骤减也是其获得高效率的原因之一. 通过对赛车总布置以及造型的优化，相比2018年赛车，2019年赛车可有效减少过去只增加外形阻力的“无用”区域，并将它们转变为带有翼的空套部件区域.表 4 整车分析数据表Table 4 Vehicle analysis data sheet赛车版本负升力 / N阻力系数升阻比迎风面积 / m2 2018年380.1 1.01 1.45 1.3122019年686.5 1.35 2.77 1.046在气动平衡方面，2018年赛车未做出相关优化，风压中心（前后气动力平衡轴）相比重心位置（车长45∶55位置处）严重靠前，即前翼下压力占比过大. 2019年赛车对此进行了考量，最终的设计方案中，通过CFD软件去计算整车相对于过重心点水平轴气动力矩（C m）来判断风压中心距离重心的远近，最终经过软件计算所得气动力矩仅为10 N·m，可将其视为与重心基本重合.由此可见，通过正确的优化方法和设计思路来引导设计，最终能收获一套高性能的大学生方程式赛车的空套优化方案.5 结语本文分别对各空气动力学套件进行优化设计，并最终通过整车分析进行方案的验证. 结果表明：2019年赛车在负升力和升阻比的设计上进一XYZ6.11212.22418.53724.44930.561−1 000−750−500−2500250速度 / (m·s−1)压力系数图 12 整车迹线图Fig. 12 Full vehicle track diagram第 1 期李嘉寅等：FSAE赛车空气动力学套件优化设计· 59 ·步优化，负升力提升达到2018年的181%；前翼的外洗效应可以有效减少前轮紊流，并且能够显著提升前翼的升阻比和下压力；尾翼端板、相对攻角和间隙是影响其下压力的3个显著要素；侧翼和扩散器能对赛车的下压力提升起很大的作用，并同时提升前翼和尾翼的工作效率.2019年赛车的空气动力学套件的优化使得负升力和升阻比相比2018年赛车有较大的进步，对赛车性能有显著的提升，对赛车后续的设计优化具有指导实践意义.参考文献：MCBEATH S. Competition car aerodynamics [M ] . 3rdEdition. England: Veloce Publishing Limited, 2017: 8.［1］傅立敏. 汽车设计与空气动力学［M ］ . 北京. 机械工业出［2］版社, 2010: 1−25;.吕立坤. 扰流板对轿车气动特性改善的数值仿真［D ］ . 长春: 吉林大学, 2006.［3］王福军. 计算流体动力学分析［M ］ . 北京: 清华大学出版社, 2004: 185−253.［4］WILCOX D C. Turbulence modeling for CFD [M ] . 2ndEdition. La Canada: DCW Industries, 1998: 174.［5］孙文. 基于CFD 的低速赛车前后翼设计［D ］ . 长沙: 湖南大学, 2016.［6］杨炜, 谢睿轩, 曹子浩, 等. 大学生方程式赛车空气动力学套件改进［J ］ . 中国科技论文，2018，13（17）：2050 − 2054.［7］邓召文, 王兵. 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一种FSAE赛车[实用新型专利]
![一种FSAE赛车[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/afc114ad69eae009591becbd.png)
专利名称：一种FSAE赛车
专利类型：实用新型专利
发明人：范健文,黄贵东,陈春林,孟繁忠,张志宏,黄富平,刘浪兴,田旭,周荣官,蒙志攀,吕忠发,黄信秋
申请号：CN201420537526.9
申请日：20140918
公开号：CN204150118U
公开日：
20150211
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种FSAE赛车，包括车架、车轮、车身、防前撞结构、制动踏板、油门踏板、方向盘、座椅、动力系统、制动系统、传动系统、悬架系统和转向系统，所述的车轮、车身、防前撞结构、制动踏板、油门踏板、方向盘、座椅、动力系统、制动系统、传动系统、悬架系统和转向系统均安装在车架上，所述的车架的纵向为纵梁一体式结构，该车架的横向侧边为三角形结构，所述的方向盘为渐开线花键的方向盘，所述的传动系统为二级链条减速传动机构，所述的制动系统中的主缸向上斜置安装在车架上，所述的FSAE赛车中的换挡系统为电控气动拨片换挡，所述的FSAE赛车中的差速器为托森差速器，本实用新型结构简单、操纵稳定性好。
申请人：广西科技大学鹿山学院
地址：545616 广西壮族自治区柳州市柳东新区柳东大道
国籍：CN
代理机构：柳州市荣久专利商标事务所(普通合伙)
代理人：彭艳妮
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一种FSAE赛车换挡系统[实用新型专利]
![一种FSAE赛车换挡系统[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1f0dbbde10661ed9ac51f309.png)
专利名称：一种FSAE赛车换挡系统专利类型：实用新型专利
发明人：朱刚,李永焯,卢润强,夏新申请号：CN201320530351.4
申请日：20130829
公开号：CN203449937U
公开日：
20140226
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种FSAE赛车换挡系统，包括提供压力气体的气瓶、减压阀、离合电磁阀、离合气缸、换挡气缸、换挡电磁阀及单片机，所述气瓶通过管路连接减压阀，经减压后的压力气体通过管路分别连接离合电磁阀及换挡电磁阀向连接，所述离合电磁阀通过管路与控制离合器的离合气缸相连接，所述换挡电磁阀通过管路与控制换挡的换挡气缸相连接，所述离合电磁阀及换挡电磁阀均与单片机电路连接，以及与单片机7电路连接用于控制离合电磁阀及换挡电磁阀的离合按钮及换挡按钮。
本实用新型相比传统的手动机械换挡操作，此系统操作过程简便，反应敏捷，简化技术员负担，实现FSAE赛车的自动化控制。
申请人：华南理工大学
地址：511458 广东省广州市南沙区环市大道南路25号华工大广州产研院
国籍：CN
代理机构：广州粤高专利商标代理有限公司
代理人：何淑珍
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一种FSAE赛车复合材料轮辋及其成型方法[发明专利]
![一种FSAE赛车复合材料轮辋及其成型方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a35250be3c1ec5da51e27045.png)
专利名称：一种FSAE赛车复合材料轮辋及其成型方法专利类型：发明专利
发明人：宁友博,郑志晟,郑植,邓俊,李理光
申请号：CN202010561947.5
申请日：20200618
公开号：CN111806147A
公开日：
20201023
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种FSAE赛车复合材料轮辋及其成型方法，包括内轮辋、外轮辋以及连接盘，所述内轮辋为圆筒状，所述外轮辋为圆盘状，所述外轮辋通过连接件安装在所述内轮辋端面，所述外轮辋与内轮辋均由纤维材质制得，内部设有夹心层，所述外轮辋包括外轮辋本体以及与外轮辋本体一体成型的辐条，所述辐条的端部与所述连接盘连接为一体。
与现有技术相比，本发明使得FSAE赛车轮辋轻量化程度更高，在保证车轮制动盘的散热性能的同时，有效减轻赛车簧下质量，提高轮辋的侧向刚度以及抗冲击性能。
申请人：同济大学
地址：200092 上海市杨浦区四平路1239号
国籍：CN
代理机构：上海科盛知识产权代理有限公司
代理人：顾艳哲
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一种改善FSAE赛车空气动力学的装置[实用新型专利]
![一种改善FSAE赛车空气动力学的装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f78e2d005b8102d276a20029bd64783e08127d4d.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201720050294.8(22)申请日 2017.01.16(73)专利权人 南京理工大学地址 210094 江苏省南京市孝陵卫200号(72)发明人 陈纪韬 蔡晓斌 王奕焜 邢李佺 马超 唐金鑫 王星睿 赵鹏飞 白阳 宗泽远 李东昊 张博怀 黄明征 邱晗 张轶凡 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心32203代理人 唐代盛(51)Int.Cl.B62D 35/00(2006.01)B62D 37/02(2006.01)(54)实用新型名称一种改善FSAE赛车空气动力学的装置(57)摘要本实用新型公开了一种改善FSAE赛车空气动力学的装置，包括前翼、尾翼、扩散器以及它们的加工工艺和方法；前翼、尾翼和扩散器都刚性连接在车架上，前翼安装在整车前部，尾翼安装在整车的后上部，扩散器安装在整车车底；前翼和尾翼的主翼和襟翼都是采用碳纤维骨架加碳纤维蒙皮的结构制造，进一步轻量化；通过安装本空气动力学套件，大大增加了赛车的空气动力学表现，产生了较大的下压力，增加了赛车行驶的稳定性。
本实用新型下压力产生效果明显，具有阻力小，升阻比大，拆装方便，结构简单，结构轻便、结实，实用性强的优点，为整车提供更好的空气动力学性能。
权利要求书2页 说明书5页 附图10页CN 206446681 U 2017.08.29C N 206446681U1.一种改善FSAE赛车空气动力学的装置，包括前翼、尾翼和扩散器；其特征在于：所述前翼包括主翼(5)、襟翼(6)、垂直襟翼(7)、前翼端板；所述前翼端板包括外侧端板(4)和内侧端板(2)；所述外侧端板(4)后端有导流板(1)；所述外侧端板(4)外侧下端设有外侧涡流通道(3)，所述外侧涡流通道(3)为向上拱起的圆弧结构，外侧涡流通道(3)的长度与外侧端板(4)的长度一致，外侧涡流通道(3)的轴向与X轴方向一致；所述主翼(5)与外侧端板(4)相连两端均设有内侧涡流通道(9)，所述内侧涡流通道(9)为向上拱起的圆弧结构，所述内侧涡流通道(9)的长度与主翼(5)的长度一致，内侧涡流通道(9)的轴向与X轴方向一致；所述外侧端板(4)中部设有泄压孔(8)；所述泄压孔(8)为长槽孔，且泄压孔(8)位于主翼(5)上端；所述主翼(5)后部上方设有襟翼(6)，襟翼(6)上方设有垂直襟翼(7)，所述垂直襟翼(7)为长方形板，垂直襟翼(7)的一端与外侧端板(4)相连，垂直襟翼(7)的另一端位于位置接近襟翼(6)中部位置，所述垂直襟翼(7)的长度方向与Y轴方向一致；所述主翼(5)尾部下端设有涡流发生器(10)，所述涡流发生器(10)为锯齿形结构；所述尾翼包括主翼(11)、第一襟翼(12)、第二襟翼(13)、尾翼端板(20)；所述尾翼端板(20)前端上方设第一开槽(15)，所述第一开槽(15)为横向百叶窗式结构；所述尾翼端板(20)后部上端设有第二开槽(17)，所述第二开槽(17)为勾型圆弧结构；所述尾翼端板(20)中部设有第三开槽(14)和第四开槽(18)，所述第三开槽(14)和第四开槽(18)均为圆弧结构，弧度弯曲方向朝尾翼端板(20)前方；所述尾翼端板(20)后部下端设有第五开槽(16)，所述第五开槽(16)为纵向的百叶窗式结构；所述尾翼端板(20)前部下端设有切口(27)，所述切口(27)往X轴负方向延伸；所述扩散器包括进气管(23)、出气管(22)、第二格尼襟翼(21)和过渡板(28)；所述进气管(23)位于扩散器的前端，出气管(22)位于扩散器的尾端，进气管(23)和出气管(22)形成气流通道，两道气流通道之间通过过渡板(28)相连；所述扩散器的两道气流通道之间形成“O”型结构，所述出气管(22)采用前端小后端大的梯形截面结构。
一种FSAE赛车自动升挡系统和自动升挡方法[发明专利]
![一种FSAE赛车自动升挡系统和自动升挡方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a67e6cea0740be1e640e9a6d.png)
专利名称：一种FSAE赛车自动升挡系统和自动升挡方法专利类型：发明专利
发明人：曹凡,林继铭,蔡志雄,杨瀚林
申请号：CN201811534033.9
申请日：20181214
公开号：CN109552039A
公开日：
20190402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种FSAE赛车自动升挡系统，包括：自动升挡开关、单片机控制电路、汽车ECU、挡位传感器、储气装置、控制开关、电池；电池为自动升挡系统供电，单片机控制电路与汽车ECU建立数据连接；储气装置的出气端设置有气动管路，其通过减压阀和控制开关连接至气缸；自动升挡开关与单片机控制电路的信号输入端连接；自动升挡开关送自动升挡信号至单片机控制电路，单片机控制电路从汽车ECU中读取当前转速和挡位的信号；单片机控制电路将当前转速与预设的换挡转速进行对比，若当前转速达到了预设的换挡转速，则单片机控制电路发送控制信号使得控制开关打开，储气装置中的高压气体通过减压阀进入气缸以使得换挡拉杆移动换挡。
申请人：华侨大学
地址：362000 福建省泉州市丰泽区城东城华北路269号
国籍：CN
代理机构：厦门市首创君合专利事务所有限公司
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一种FSAE赛车可变尾翼系统[发明专利]
![一种FSAE赛车可变尾翼系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4ee81e085ef7ba0d4b733b67.png)
专利名称：一种FSAE赛车可变尾翼系统
专利类型：发明专利
发明人：何瀚驰,朱刚,梁政焘,刘镇锋,彭逸康,张文龙申请号：CN201510253654.X
申请日：20150519
公开号：CN106275106A
公开日：
20170104
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种FSAE赛车可变尾翼系统，包括两尾翼侧板、襟翼翼片，还包括：六杆驱动机构，包括设置在尾翼侧板上的舵机、连杆及摇臂，所述舵机的输出端通过连杆及摇臂驱动襟翼翼片转动；手动控制模块，与舵机电路连接，用于通过尾翼状态开关手动改变发送到舵机的PWM信号频率，从而控制舵机的转动角度，实现襟翼翼片的攻角变化；自动控制模块，与赛车CAN总线及舵机电路连接，用于根据从CAN总线中获取的整车信息判断车辆行驶工况后，改变发送到舵机的PWM信号频率，控制舵机转动角度，实现襟翼翼片的攻角变化。
本发明使赛车可以减小或增大攻角以减少尾翼所带来的空气阻力或增大攻角以增加下压力，提高赛车的直线和过弯性能。
申请人：华南理工大学
地址：511458 广东省广州市南沙区环市大道南路25号华工大广州产研院
国籍：CN
代理机构：广州粤高专利商标代理有限公司
代理人：何淑珍
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一种新型FSAE赛车带有控制按钮的轻质离合器拉杆[发明专利]
![一种新型FSAE赛车带有控制按钮的轻质离合器拉杆[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c4832f06f8c75fbfc67db28d.png)
专利名称：一种新型FSAE赛车带有控制按钮的轻质离合器拉杆
专利类型：发明专利
发明人：曹凡,林继铭,蔡志雄,杨瀚林
申请号：CN201811532313.6
申请日：20181214
公开号：CN109532480A
公开日：
20190329
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种新型FSAE赛车带有控制按钮的轻质离合器拉杆，包括：碳纤维管、控制按钮、铝制接头；车架上焊接有用于固定铝制接头的耳片；所述铝制接头通过螺栓和拉杆安装孔固定在耳片上，使其可以在行程范围内自由转动；所述碳纤维管的下端与铝制接头采用粘接连接；控制按钮安装在碳纤维管的上端；铝制接头的下部设置有钢索拉线安装点，所述离合器拉杆的车手拉动位置和钢索拉线安装点构成一个以离合器拉杆安装点为中心的省力杠杆；所述钢索拉线安装点设置有多个拉索悬挂位置，不同的拉索悬挂位置与离合器拉杆的旋转轴之间的距离不相同。
申请人：华侨大学
地址：362000 福建省泉州市丰泽区城东城华北路269号
国籍：CN
代理机构：厦门市首创君合专利事务所有限公司
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一种FSAE赛车油箱[发明专利]
![一种FSAE赛车油箱[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a5c630e652ea551811a687c5.png)
专利名称：一种FSAE赛车油箱
专利类型：发明专利
发明人：陈纪韬,戴晓明,王霞,杨昊睿,刘状,姜晓慧,谢云枫申请号：CN201910057663.X
申请日：20190122
公开号：CN109733186A
公开日：
20190510
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种FSAE赛车油箱，包括油箱箱体、油泵挡板、油泵压盘、油箱吊耳、放油螺栓、油颈、直角弯头、油箱盖、单向阀；所述油箱箱体底部设有油泵安装孔；所述油泵从油箱箱体底部插入油泵安装孔；所述油泵压盘通过压盘螺栓安装在油泵底部；所述油箱箱体底部设有放油螺栓孔，所述放油螺栓通过螺纹连接在放油螺栓孔上；所述油箱箱体内左右两侧各设有一个挡板；挡板悬空固定在油箱箱体中间，顶部与底部均与油箱箱体留有间隙；所述油颈设置在油箱箱体上端，所述油颈上部设有油箱盖；所述油箱盖上部设有开孔，用于安装单向阀；所述单向阀气流进入方向从外部指向油颈一侧。
本发明提高了油箱在侧向加速度下吸油能力，解决了加入燃油时排气不顺畅的问题。
申请人：南京理工大学
地址：210094 江苏省南京市孝陵卫200号
国籍：CN
代理机构：南京理工大学专利中心
代理人：唐代盛
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FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真
FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真Duan Lei;Liu Shaona;Huang Jiongjiong;Yang Yaozu【摘要】为了提高赛车的成绩,FSAE赛车上通常会引入空气动力学套件来提高整车的操纵性.文章通过CFD对定风翼翼型、迎角、翼片布置等因素进行分析,确定了具备良好气动特性的定风翼设计方案;通过调整风压中心的位置影响车辆的实际轴荷分配,进而影响整车的转向特性;对赛车车身及涂装渲染的设计;通过CFD分析,整车升阻比达到2.9,整车具有较好的气动特性.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2019(000)013【总页数】3页(P134-136)【关键词】中国大学生方程式赛车;空气动力学;CFD【作者】Duan Lei;Liu Shaona;Huang Jiongjiong;Yang Yaozu【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】U463.4空气动力学套件可以增大作用于车轮的垂直载荷可以有效提高车轮的侧偏刚度[1]，而通过空气动力学手段可以在不增加赛车附重的情况下增加整车的下压力，特别是在弯道时可以增加了轮胎的抓地力，提高了过弯速度，增强了整车的行驶稳定性。
设计者通常在保证下压力分配平衡的前提下提高负升力系数值，同时控制气动阻力，即空动力学装置在获取下压力的同时必须具备一定的气动效率。
随着汽车的发展，汽车的外形也是多种多样的，但是不难发现，大多数汽车的造型都是采用流线型设计。
流线型汽车首先在外观上面就非常吸引人的目光，其次车子设计呈流线型，能大大的减少汽车行进间的风阻。
不论是汽车还是赛车，流线型造型都是一个不变的根基。
车身设计的灵感更多借鉴于仿生学：我们所知道的最佳流线型——水滴的Cd=0.05，而德国的一份研究报告中指出企鹅的阻力系数为0.03，比水滴还要小，尽管只是细微变化，但要知道对于汽车来说将Cd从0.29减小到0.28相当于给车减重100kg，且速度越快，降低的油耗越明显。
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(10)授权公告号 CN 209634586 U (45)授权公告日 2019.11.15
( 54 )实用新型名称 一种FSAE赛车空气动力学套件连接结构
( 57 )摘要 本实 用新型提供了一 种F SAE赛车空 气动力
学套件连接结构 ，包括前翼连接结构 、尾翼连接 结构，前翼连接结构包括两个相同且相互平行的 前翼连接板 ，前翼连接板包括两个前翼碳板 、前 翼蜂窝铝夹芯和两个前翼后固化碳布，两个前翼 碳板的内侧面分别紧贴于所述前翼蜂窝铝夹芯 的两个侧面，前翼后固化碳布位于前翼碳板的外 侧面，与所述前翼碳板相互垂直，且一体成型，前 翼后固化碳布自下向上与前翼主翼上翼片的下 表面贴合固定连接，尾翼连接结构与前翼连接结 构相似，本实用新型当前翼主翼产生下压力时 ， 下压力转化成了沿纤维方向的拉力，而沿纤维方 向的拉伸强度模量都比 较高 ，因此前翼主翼受到 下压 力后变形很小 ，提高连接结构刚 度 ，增加空 套行驶稳定性。
权利要求书2页 说明书6页 附图6页
CN 209634586 U
CN 209634586 U
权 利 要 求 书
1/2 页
1 .一种FSAE赛车空气动力学套件连接结构，其特征在于，包括前翼连接结构(100)、尾 翼连接结构(200) ；
所述前翼连接结构(100) 用于连接前翼(400)和车架(300) ，包括两个相同且相互平行 的前翼连接板(120) ，所述前翼连接板(120)包括两个前翼碳板(121) 、前翼蜂窝铝夹芯 (122)和两个前翼后固化碳布(124) ；两个所述前翼碳板(121)的内侧面分别紧贴于所述前 翼蜂窝铝夹芯 (122) 的 两个侧面 ，两个所述前翼后固化碳布 (124) 与所述前翼碳板 (121) 一 一对应 ，并位于所述前翼碳板 (121) 的 外侧面 ，所述前翼后固化碳布 (124) 与所述前翼碳板 (121) 相互垂直 ，且一体成型 ；所述前翼(400) 包括前翼主翼(410) 和前翼襟翼(420) ，所述前 翼主翼(410)包括前翼主翼上翼片(411) ，所述前翼后固化碳布(124)自下向上与所述前翼 主翼上翼片(411)的下表面贴合固定连接，两个所述前翼连接板(120)穿过所述前翼主翼上 翼片(411) ，位于所述前翼主翼上翼片(411)的上方，所述前翼连接结构(100)通过两个前翼 连接板(120)与车架(300)的前端底部连接；
所述尾翼连接结构(200) 用于连接尾翼(500)和车架(300) ，包括两个相同且相互平行 的尾翼连接板 (220) 和两个碳杆结构 (230) ，所述尾翼连接板 (220) 包括两个尾翼碳板 (221)、尾翼蜂窝铝夹芯(222)和两个尾翼后固化碳布(224) ，两个所述尾翼碳板(221)的内 侧面分别紧贴于所述尾翼蜂窝铝夹芯(222)的两个侧面，两个所述尾翼后固化碳布(224)与 所述尾翼碳板(221)一一对应，并位于所述尾翼碳板(221)的外侧面，所述尾翼后固化碳布 (224) 与所述尾翼碳板 (221) 相互垂直 ，且一体成型 ，所述尾翼(500) 包括尾翼主翼(510) ，所 述尾翼后固化碳布(224)自下向上与尾翼主翼上翼片的下表面贴合固定连接，两个所述尾 翼连接板(220)穿过所述尾翼主翼上翼片，位于所述尾翼主翼上翼片的上方，所述尾翼连接 结构(200)通过两个尾翼连接板(220)和两个碳杆结构(230)与车架(300)的后端底部连接。
2
CN 209634586 U
权 பைடு நூலகம் 要 求 书
2/2 页
面后，所述前翼主翼上翼片(411)与所述前翼主翼下翼片(412)固定贴合连接。 6 .根据权利要求1所述的FSAE赛车空气动力学套件连接结构，其特征在于，所述尾翼连
4 .根据权利要求3所述的FSAE赛车空气动力学套件连接结构，其特征在于，所述前翼嵌 入件(123)由3D打印制造的块状体，所述前翼嵌入件(123)在厚度方向有螺纹通孔。
5 .根据权利要求1所述的FSAE赛车空气动力学套件连接结构，其特征在于，所述前翼主 翼(410)还包括前翼主翼下翼片(412) ，所述前翼主翼上翼片(411)上设有用于供所述前翼 连接板 (120) 穿过的槽口 ，所述前翼后固化碳布 (124) 固化到前翼主翼上翼片 (411)的下表
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )实 用新型专利
(21)申请号 201920053253 .3 (22)申请日 2019 .01 .14 (73)专利权人 江苏大学
地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号
(72)发明人 郝国凯 陈刚 (51)Int .Cl .
B62D 35/00(2006 .01) ( ESM )同样的发明创造已同日申请发明专利
3 .根据权利要求2所述的FSAE赛车空气动力学套件连接结构，其特征在于，所述前翼连 接结构(100)还包括六个前翼圆柱形吊耳(110) ，所述前翼圆柱形吊耳(110)焊接在车架前 部钢管(310)上，并水平向外放置，所述前翼连接板(120)上设有三个第一螺纹通孔，其中两 个第一螺纹通孔位于另一个第一螺纹通孔的前端，所述前翼蜂窝铝夹芯(122)内设有与前 端两个第一螺纹通孔对应的前翼嵌入件(123) ，所述前翼圆柱形吊耳(110)与所述第一螺纹 通孔一一对应 ，所述前翼连接板 (120) 上前端的 两个第一螺纹通孔 用于通过螺栓与所述前 翼圆柱形吊耳(110)连接，所述前翼连接板(120)上后端的第一螺纹用于通过螺栓连接前翼 圆柱形吊耳(110)和前翼襟翼(420)。