空气动力学的公式SAE

大学生方程式赛车的空气动力学：初步设计和性能预测斯科特Wordley和杰夫·桑德斯莫纳什风洞，机械工程莫纳什大学版权所有©2005 SAE国际摘要一个空气动力学套件的初始设计描述了SAE方程式赛车。

式SAE审查关于空气动力学的规则是用来开发对前、后规范的实际参数倒置的机翼，―翅膀‖。

这种翼包为了在产生最大的下压力规定的可接受的范围内增加阻力和减少最高速度。

这些翅膀上公式的净效应SAE汽车的性能在动态事件之后预测。

一个配套文件[ 1 ]详细介绍，CFD，风洞和赛道上的测试这的空气动力学套件的开发。

简介SAE方程式是一个大学生设计竞赛，学生设计组，建立自己的开放的比赛轮赛车。

自1981开始在美国[ 2 ]，这个公式已经蔓延到欧洲，亚洲，南美国和澳大利亚，几百国际团队，每年都有许多赛车比赛举行的世界。

不同于传统的赛车比赛，球队获得八分不同的事件，和最高的球队累积总获胜。

有三的静态事件（成本，演示，设计）在球队是判断他们设计的理由，介绍和成本技术，五动态事件（加速，刹车盘，越野，燃油经济性，耐久性）测试的汽车和赛道上的[ 3 ]学生驾驶性能。

这个加权分系统决定，成功是一种仔细平衡赛车的各个方面的事过程设计和开发。

SAE方程式：设计收敛？不同于其他形式的长期稳定的比赛规则，大学生方程式赛车已经收敛于一个单一的，好的定义，设计模式。

有几种理论这是为什么：规则的权重可以更仔细通过对竞争对手在其他车辆性能的一个方面的性能提升地区。

例如涡轮增压器可用于在潜在费用增加发动机功率燃油经济性和成本的评分贫困和知识信息管理保持团队内由于高翻身成员可以破坏长期设计验证周期，造成重复错误经常回广场的人。

大多数的团队在一个只有竞争竞争每年，意味着实际的时间在驱动开发这些车是有限的，与周的顺序。

缺乏定期比赛和与其他球队的比较因此限制了接触，并通过，最佳实践。

竞争仍然集中在学习，这样的团队将继续技术感兴趣的人以及那些看到提供一个整体的性能优势。

过去的SAE方程式比赛的结果[ 4 ]分析表明，迄今为止，最简单的方法往往是最成功的十强，绝大多数完成团队的运行空间钢框架的汽车自然吸气发动机600cc。

虽然这是假设这种趋势还会持续一段时间，四在设计理念的重大转变，已经出现在最近的年。

碳纤维硬壳式底盘使用的增加，为球队尽力降低底盘重量同时保持或提高抗扭刚度。

宽传播对涡轮增压也浮出水面随着康奈尔的不断成功，伍伦贡大学。

新一代单缸摩托车的发动机提供的性能增益在相反的方向，像RMIT和代尔夫特理工队使用减小的重量和燃料使用的大学抵消减少的功率。

几支球队，包括在阿灵顿，密苏里罗拉德克萨斯大学，加州—聚和莫纳什都使用了机翼和其它气动装置产生压力的提高过弯速度的主要目的。

一些球队采用一个以上的这些方法。

主要的设计变化以上，性能气动设备可能是最困难的学生小组预测和量化。

像这样的，相当多的争论仍在继续的SAE方程式社区的利益（或其他）的使用倒翼型的―翅膀‖，这种竞争。

莫纳什大学队（墨尔本，澳大利亚）用他们的SAE方程式空气动力装置汽车运行近四年来。

这个团队也在有定期的访问有些独特的位置一个全面的汽车风洞空气动力学测试。

本文中，第二由同一作者【1】，总结了四年之久的气动设计和发展过程中所进行的这个团队，和提出了在公共领域的第一个数据气动性能的SAE方程式赛车。

这是希望的信息和方法，包含这里将作为一个指导和基准其他球队考虑气动使用在SAE方程式装置。

SAE方程式规则的思考与大多数其他赛车类相比，目前的SAE方程式规则[ 2 ]提供了一些独特的气动使用的机遇和挑战设备。

这些规则将简要探讨在这里，从那些对通用汽车的设计和性能，并移动到更多的有关对气动助手的使用。

广阔的这些规则对设计的影响一个SAE方程式赛车性能也将讨论了在适当的地方越野/耐力轨道设计而轨道布局为滑锅加速事件是固定的几何形状，参加比赛/耐力轨道设计每年都在变化按规则，个人描述参数通过不同的比赛场地的限制全世界。

由于这两个事件在提供的总公式分一半SAE，这些轨道的设计有重大影响在汽车的设计。

竞赛运行在空地（例如，美国），因此看到更多的变化轨道的设计相比，英国和澳大利亚比赛采用窄，卡丁车般的轨道。

最大的―直‖的长度是固定的规则在77米，当圆角半径范围9米和45米障碍赛之间与间距7.62米和15米之间也允许。

目标最大速度（105公里/小时），平均速度（50公里/小时）也被定义，与组织者调整轨道近似速度。

这些约束的结果在规范的轨道，竞争对手通常要花高比例的时间瞬时转弯，和更少的时间是稳态或直线加速和刹车。

作为一个结果，成功方程式SAE车通常轻盈与优良的转弯，加速和制动。

流行的轴距和轮距宽度小，分别在1.6米和1.2米，与最近的看到这些数字进一步下降的趋势可用的功率/重量比鉴于引擎(610 cc)和摄入限制(20毫米孔板),受欢迎的600 cc的自然吸气式摩托车发动机产生大约50 - 60千瓦,涡轮增压发动机65千瓦。

汽车的重量地区的210公斤经常使用这些实现引擎。

鉴于自由传动装置和低速度,强加的光和强大公式SAE汽车可以牵引第一和有限第二个齿轮。

记录数据从各种各样的团队2004年澳大利亚FSAE耐力事件显示percentage-of-time-at-wide-open-throttle的更少15%以上是典型,至少为澳大利亚的事件。

轶事报道从我们的竞争对手认为他们花稍长一些的大开油门(期间耐力),但仍低于20%。

这一事实司机不能全部电力需求的引擎大多数(> 80%)的时间投注,是证据这个公式SAE汽车通常的吸引力有限反对―能力有限‖。

这一观察建议圈时间可以显著提升通过增加汽车的牵引,或降低发动机功率和使用更多的如果这样的储蓄减少附带一个足够大的重量。

关于空气动力学的具体规则使用可用的一些多余的力量公式SAE汽车产生增加的控制水平通过空气动力学的下压力需要考虑规则等相关设备。

康奈尔使用抽油后风扇设置在1990年创纪录的1.32 g皮肤锅[2],使用动力在公式SAE是被禁止的。

进一步的规则改变表示只允许汽车的轮胎接触地面,有效地禁止使用―滑裙‖印章的底部限制了与传统的压差可以实现的底部扩散器。

在应对安全问题规则还状态,任何―翅膀‖和他们的坐骑不会干扰司机外出。

的位置气动‗翅膀‘也局限于垂直信封后方轮胎,后定义的外边缘的轮胎,和一个460毫米的向前行前面的前面轮胎(见图1)。

由于没有规则关于最大翼大小或计划区域,因此由选择的轴距和跟踪变得有限宽度(反之亦然,有可能)。

这些允许的包空间规则只适用于―翅膀‖,这意味着扩散器和其他航空设备可能之外使用这个地区,受到的判断检票员。

2002年,纳什公式SAE车被允许运行一个扩散器结束后方后轮胎图1：允许包装信封的翅膀在SAE方程式由于没有规定或在垂直的现实局限性机翼的高度，这种选择成为一个权衡的重心位置（通过最小化之间低的安装）和最大压力（由定位翼高，洁净的气流）。

一个效果由于机翼的阻力元件对汽车的气动平衡也限制了现实安装高度范围。

因为没有限制在最小翼的行驶高度，机翼可以设计在优化地面效应在汽车的前面，从而提高最大升力系数，和提高升阻比[ 5,6 ]。

大，单翅也可以安装高和集中，在风格冲刺车和赛车类常见a-modified，提供司机的出口没有不利的影响。

规则还规定，所有翼的元素有至少12.7毫米的前缘半径（0.5‖）和尾随的边缘半径3毫米（1 / 8）为安全起见。

因此相当大的修改现成的翼剖面（像那些在美国上市的在线数据基地[ 7 ]）是与执政的要求。

一个这一过程的例子是[ 1 ]。

一个重要的规则区别SAE方程式和其他的公式，是可移动的空气动力学表面仍然在这场竞争中允许。

这意味着翅膀和其他设备可安装―簧下‖这样的压力可以直接传递车轮而不是通过―跳跃‖的底盘。

在这路上的车机械抓地力不妥协所需防止底盘高弹性率从―见底‖的气动载荷。

本系统具有允许前翼的好处轨道接近恒定的离地间隙，因为它是由外侧装配应始终与地面接触。

如果空气动力设备中使用的SAE方程式，他们设置可以调整个别事件，但批发去除或添加的组件是不允许。

有些曲子的表现能力因此，考虑空气动力学套件有利，并可能包括低阻力设定加速，中高下压力的设定越野和耐力，和最大的下压力防滑盘和任何潮湿的天气赛车设置设计压力对于赛车设计的一系列资源空气动力学已确定以下。

借鉴这些资源，给出了一个示例的过程一个翼包初步规范SAE方程式赛车。

这个包是专为最大的下压力在可接受的范围内增加阻力，降低最高速度。

如有没有既定的方法的理论预测气动侧力及其相关的偏航的时刻，这方面的气动设计不在这个阶段考虑。

进一步探讨关于测量的侧向力的实验数据和偏航力矩将在同伴了文[ 1 ]。

气动设计资源存在大量的相关文献气动设备如翼的设计，为在比赛的飞机和压力解除代汽车。

哲罗[ 8 ]的专著，卡茨[ 9 ]和麦克比斯【10】提供车辆良好的概论和赛车的空气动力学，而leibek [ 11 ]工作，利格[ 12 ]，razenbach和巴洛[ 13,14 ]，罗斯等人[ 15 ]，zerihan张[5,6]描述优化更详细的翼型性能。

更具体的气动压力的比赛中使用的例子是由一系列广泛的作者[余]提供。

初步计算一些基本的假设是在初步了计算如下。

首先，两者的使用前、后翼的假设。

前翼（位于的车轮前进）具有经营潜力―地面效应‖的现象，有利于以最小的阻力压力生产。

这一事实通常对前翼的一个明智的选择使用如果有选择。

如果是使用前翼，尾翼是如果动平衡来实现也需要。

为简单起见，扩散器和随之而来的使用对气动平衡的影响将被忽略，和压力赤裸的整车的气动中心将假定在中轴距。

翼规范下面概述的过程如下的过程中，麦克比斯[ 10 ]。

第一步步骤包括确定发动机制动功率的量可以牺牲到后气动阻力翼。

该信息被用于确定尾翼规划面积和CD，并从实现的CL可以估计。

气动力矩的平衡压力中心设计产量所需解决的对前翼的气动力矢量，这是然后通过指定的潜在翼迭代配置文件和计划的地区。

计算―牺牲‖拖动发动机制动功率下面的过程概述了麦克比斯[ 10 ]，车辆的最高速度没有空气动力学理论设备使用EQ （1），首先计算了改进的SI单位，并使用下面给出的值。

这个方程假设理想的传动装置和终端速度与车辆的最大制动发动机功率（千瓦）完全被吸收通过气动阻力。

滚动阻力被忽视的。

额叶区（A）和阻力系数（D C）以下使用涉及2003蒙纳士公式SAE汽车没有翅膀，在蒙纳士的全面测试规模的汽车隧道。

这个设备上的更多细节测试程序是在[ 1 ]。

重排和V V = 46.2毫秒产生解决：−1或每小时166.2公里这个速度远高于在最高速度SAE方程式，所以假定一个新的阻力限制最高120公里/小时，它是可能的速度来确定制动马力，理论上可以被牺牲。