方程式赛车尾翼优化设计

方程式赛车尾翼优化设计摘要方程式赛车尾翼是赛车空气动力套件的重要组成部分。本文通过对方程式赛车尾翼造型发展的了解,结合汽车理论方面的知识，对FSC方程式赛车的尾翼进行了一定的优化改变。希望通过对造型的改变能提升赛车尾翼性能及提升人工可操控性，即在不同比赛项目中，利用人工对尾翼攻角角度的调整使汽车尾部的空气流动更利于单项比赛。关键词：方程式赛车尾翼人工调整AbstractForFormulaCar,rearwingisanimportantcomponentastheaerodynamickit.Inthisarticle,authorimprovethemodelingofrearwingaccordingtolearningsomethingaboutthemodelingofrearwingandtheoreticalknowledgeofautomobile.Authorwishtoimprovetheperformanceofhumanhandlingbyimprovingthemodeling.Inotherwords，takingadvantageofartificialadjustingtotherearwinganglemaketheairflowtohelptheFormulaCarindifferentmatches.Keywords:FormulaCarRearwingManualadjustment科技创新实践活动课程论文-1-1引言1.1方程式赛车尾翼概述根据car2100权威定义，汽车尾翼的专业名称为“汽车扰流器”，安装于汽车尾部的空气动力套件，主要作用是高速行驶时可以为车辆提供必要的稳定性，在F1赛车上所使用的扰流翼其实基本原理与飞机的机翼是相同的，后来才被移植于普通汽车上。只不过飞机的机翼是产生向上抬升的力量，而赛车的扰流翼则是要产生向下压制的力量。如图1所示，这是飞机机翼的剖面，当空气流经机翼时，由于通过机翼上方的气流速度较快，下方的气流速度较慢，因此翼面上方的空气压强降低，相对的翼面下方的空气压强较大，所以产生向上抬升的力量，而且速度越快压力差越大。如果把机翼倒过来，就是简单的赛车扰流翼了，效果也就相反，产生向下压制的力量，通常我们称之为下压力。图11.2尾翼造型改进尾翼造型设计需要结合各种汽车造型设计的知识和空气动力学的知识，然而对之进行改进跟需要深入研究。科技创新实践活动课程论文-2-2空气动力学及尾翼工作原理根据气体动力学原理分析，我门知道汽车在行驶过程中会遇到空气阻力，这种阻力可分为纵向、侧向和垂直上三个方面的作用力，并且车速与空气阻力平方成正比，所以车速越快，空气阻力就越大。一般情况，当车速超过60km/h，空气阻力对汽车的影响表现得就非常明显了。为了有效地减少并克服汽车高速行驶时空气阻力的影响，人们设计了汽车尾翼，其作用就是使空气对汽车产生第四种作用力。即对地面的附着力，它能抵消一部份升力，控制汽车上浮，减小风阻影响，使汽车能紧贴着道路行驶，从而提高行驶的稳定性。图22.1空气动力学汽车空气动力学是研究汽车与周围空气相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科，是流体力学的一个重要部分。汽车向前行使时与空气产生复杂的相互作用，对汽车的行使状态影响很大，特别是汽车高速行使时会承受强大的气动力作用。使汽车具有良好的形状以降低汽车的气动阻力，不但可以提高汽车的动力性，而且还可以提高汽车的燃料经济性。对于高速汽车来说，空气动力稳定性是汽车高速安全行使的前提。汽车直线行驶时收受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力分为压力阻力和摩擦阻力两部分。作用在外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力，称压力阻力。由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力，称摩擦阻力。在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压力2^21uρ,成正比例形式，即2^21uCdAFwCd—空气阻力系数ρ—空气密度A—迎风面积科技创新实践活动课程论文-3-2.2尾翼工作原理如图3所示，空气在流过汽车尾翼时空气流分流，因为尾翼的雨滴形状，分流的空气在尾翼上下两面流动的距离不相同。在尾翼上方的气流在相同时间内流动的距离较之尾翼下方的气流更短，速度更快。根据流体力学基本原理可知，尾翼上方空气压力大于下方空气压力，即可产生压力差，使尾翼受到一个来自上方空气的压力，进而作用在车身上，使车身得到一个与空气升力方向相反的力，这里称为负升力，使汽车行驶更加稳定。图3科技创新实践活动课程论文-4-3尾翼优化设计3.1基础造型设计现有的赛车尾翼大多与图4所示的相似，原理来自于飞机机翼，形状上也相差不多。不过，因为需要满足赛车的行驶需要，也对尾翼的形状和结构进行了一定的改进。图4所示的是方程式车队的一个尾翼方案，此尾翼与大多数尾翼一样分为前后两块，且后部均向上翘起，主翼与水平呈12度的夹角，副翼与水平呈38度夹角。图4科技创新实践活动课程论文-5-图5为此尾翼的端板形状图5图6为此尾翼整体模型图6科技创新实践活动课程论文-6-3.2尾翼优化设计考虑到提高人工控制性和尾翼的灵活度，首先将端板分为前后两块，用于分别固定前后两块尾翼。如图7所示。图7这样的造型可以让尾翼更具机动性，提高人工调整的可行度。图8科技创新实践活动课程论文-7-端板造型的改变，可以使在独立的端板上改变主副翼板的工作位置，根据需要进行工调整，比如分别改变主副翼板的攻角，甚至拆掉副翼，让主翼单独工作。图9图10科技创新实践活动课程论文-8-4结论通过对方程式赛车尾翼的改进，了解到了尾翼对于赛车有极其重要的作用，赛车尾翼也在不断地更新发展，比如F1赛车失速尾翼，DRS系统。尾翼的改变对赛车性能有着重大影响。本次创新活动对尾翼的改动主要成果是得到了可以人工调整的尾翼，如在进行直线加速比赛时可以调整尾翼工作角度使之迎风面积变小，负升力减小，从而降低空气阻力和滚动阻力，提高车速。在稳定性测试时，增大尾翼的工作角度得到更大的负升力，使赛车行驶更加稳定。科技创新实践活动课程论文-9-致谢本次创新活动能顺利完成，首先要感谢吴涛老师和武小花老师的悉心指导，感谢在创新过程中各位同学的宝贵意见，尤其要感谢学校FSC车队队员的技术和资料方面的大力支持。科技创新实践活动课程论文-10-参考文献[1]林建忠.流体力学（第二版）[M].清华大学出版社.2013[2]余志生.汽车理论（第五版）[M].机械工业出版社.2009[3]汽车尾翼的物理学原理[J].2010