FSAE賽事自1978年首次舉辦以來，至今成為每年由15個國家舉辦20場賽事、并由數百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。該賽事以人才培養為目的，要求參賽學生在一年時間內獨立設計、加工和調試一輛性能優異的小型單座方程式賽車，并在比賽中完成賽車設計、成本分析、營銷報告三個靜態項目和直線加速、八字環繞、高速避障、耐久賽和經濟性測試五個動態項目的較量。學生在這一系列環節中加深理解、獲得提高，逐步具備汽車及相關領域專業人才的必備素質。2018年FSAE中國賽已經進入了第四個比賽日，我校06號賽車在賽車設計和高速避障項目均取得了第一名的優異成績，在此預祝吉速車隊在2018賽季再創佳績。

自FSAE賽事興辦以來，隨著技術的發展，FSAE賽車的空氣動力學研究主要歷經了三個階段。

Ⅰ.起步階段

賽事的起步階段，參賽院校對車輛的理解與認知存在局限性，面對新領域缺乏足夠的理論支撐，因此在此階段，空氣動力學的設計重點在于車身的減阻以保證車輛的動力性；

Ⅱ.發展階段

部分前沿院校在建立起了對車輛的一定認知與理論支撐的基礎之上，引入空氣動力學套件提高車輛的操控性。由于規則并未對空氣動力學套件的尺寸及安裝位置作出嚴格的限制和規范，因此在這一階段，FSAE賽車的綜合性能大幅度提高，設計者希望最大限度利用規則允許的空氣動力學套件設計尺寸，在保證氣動力平衡的前提下以最大限度地獲取下壓力。在這一階段，FSAE賽車的下壓力水平達到巔峰。

Ⅲ.限制階段

在FSAE空氣動力學快速發展的同時，技術規則也在極力地對極端和夸張的設計進行打壓，對空氣動力學套件的允許設計空間進行嚴格的限制。

在新版規則的限制下，空氣動力學裝置的設計空間減少40%以上，如果沿用舊版規則下的氣動布局則使整車下壓力水平降低至少30%。在有效的空間內最大限度彌補由規則限制導致的下壓力損失是現階段空氣動力學設計的主要目標。

在不同的發展階段中，氣動系數因需求不同而有所差異。在空氣動力學起步階段，由于車輛未帶有空氣動力學裝置，因此設計的主要目標為降低氣動阻力提高動力性并降低氣動升力保證高速下的操縱穩定性。經過優化與改進，整車Cd值可以降至0.60；安裝空氣動力學裝置后，研究的側重點轉為利用氣動負升力提高操縱穩定性，此時車輛的阻力系數增至1.0以上，而Cl由0.4~0.6變為負值，且絕對值大于1.0，設計者通常在保證下壓力分配平衡的前提下提高負升力系數值，同時控制氣動阻力，即空氣動力學裝置在獲取下壓力的同時必須具備一定的氣動效率；在新規則限制下，Cd值與之前保持近似，而負升力系數值有所降低，維持在1.0~3.5的區間內。需要說明的是，盡管規則限制后升阻系數較之前并無較大差異，但整車的氣動布局和氣動處理手段是大不相同的，在新的規則框架下，設計者必須在有限的空間里最大限度提高定風翼的負升力系數、解決由定風翼高度限制而衍生的局部流場問題、整車氣動力矩及氣動力平衡問題、空氣動力學裝置的擾動問題等。

在新的規則框架下，空氣動力學對FSAE方程式賽車操縱穩定性的影響主要表現在以下三個方面：影響輪胎的側偏特性；影響車輛的側向加速度；通過風壓中心與質心的位置關系從附著層面影響車輛的轉向特性。

1.空氣動力學對車輪側偏特性的影響

輪胎受到地面側向反作用力作用而未發生側滑時，側偏角與側偏力呈線性關系。地面側向反作用力與側偏角的關系可表示為

FY ----- 側偏力；

k ----- 側偏剛度（由車輪坐標系可知，側偏剛度為負值）；

α----- 側偏角

輪胎的垂直載荷對車輪的側偏剛度有顯著影響。在車輪與地面接觸良好且正常滾動條件下，側偏剛度隨車輪垂直載荷的增加而增大。圖1-1給出了不同垂直載荷下車輪側偏角-側向力的變化關系。

圖1-1 側向力-側偏角變化關系

由圖1-1關系可知，利用氣動手段產生作用于車輪的下壓力可以有效提高車輪的側偏剛度，在一定側偏力作用下產生更小的側偏角，提高車輛的操縱穩定性。

2.空氣動力學對側向加速度的影響

安裝空氣動力學套件后，車輪的側偏剛度提高，因此在相同側偏角下車輪的側向力承受能力增加。在車輛過彎時，假設車輪所能承受的最大側偏力全部來源于轉彎產生的離心力，則有

由式2-1可得，在車輛質量不變的條件下，由下壓力作用使車輪承受的側向力增加，側向加速度增大，相應的，車輛在彎心的車速提高，提高了車輛的過彎速度。這與依靠車重提高車輪側偏剛度產生的作用效果是截然不同的。由此可見，空氣動力學作用產生的下壓力不僅提高了車輪的側偏剛度，還有效提高的轉彎過程中的側向加速度。圖2-1給出了近年來FSAE賽車側向加速度發展的變化情況。

圖2-1 FSAE側向加速度發展情況

3.空氣動力學對轉向特性的影響

氣動力的分配方式影響車輛在極限附著狀態下的轉向特性。

氣動力的分配方式可用風壓中心的位置表示。風壓中心為整車氣動力的等效作用點。風壓中心與質心的相對位置確定了氣動力對車輛的作用效果，影響車輛的實際軸荷分配，進而影響前后輪的實際載荷。

對于線性二自由度汽車模型，其轉向特性有以下關系

式中

K-----穩定性因數；

ay----側向加速度；

L----軸距；

α1----前輪側偏角；

α2----后輪側偏角

現以軸荷分配為50:50，中性轉向的車輛為例，研究氣動力分配方式對轉向特性的影響。

當風壓中心位于質心后方時，車輛行駛狀態下實際后輪垂向載荷大于前輪，在承受相同的側偏力時，后輪附著條件優于前輪，因此當側向力增大時，前輪先突破附著極限，此時前輪產生側向速度，側偏角增大。此時，（α1-α2）﹥0，即K﹥0，車輛呈現出轉向不足特性。

類似地，當風壓中心位于質心前方時，前輪實際軸荷大于后輪，因此隨著側偏力的增加，后輪先突破附著極限，后輪側偏角增大，（α1-α2）＜0，車輛呈現過度轉向特性。

圖3-1 過多轉向與不足轉向

對于中性轉向、前后軸荷不等分配的車輛，其轉向特性由不同車速下前后輪實際載荷關系決定，而前后輪的實際載荷變化由車輛軸荷分配和風壓中心位置共同確定；而對于非中性轉向、前后軸不等分配的車輛，其轉向特性由穩態響應參數、軸荷分配關系與風壓中心位置共同確定。

實際上，當氣動作用產生的垂直載荷作用于車輪后，車輪的附著能力得到明顯改善，路面和車輪條件一定時，車輪承受地面側向反作用力和切向反作用力的能力均獲得提高。因此，下壓力的實際作用是改善了車輪的附著橢圓，擴大了曲線的包絡范圍，使車輪綜合的受力能力獲得提高。因此，空氣動力學產生的作用效果對動力性、制動性和操縱穩定性都有較為顯著的影響。

編者：宋世達

評論潤色：張英朝

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