一种改善FSAE赛车空气动力学的装置的制作方法

本实用新型属于空气动力学领域，特别是一种改善FSAE赛车空气动力学的装置。

背景技术：

中国实用新型公布号：CN201510070370.7公开了一种FSAE赛车空气动力学套件，赛车在行驶过程中，通过气流对赛车套件产生下压力，传递到赛车后，使得汽车具有更好抓地力；但该套件的尾翼上(1)没有解决翼片上方和端板连接处阻力过大的问题，(2)没有解决由于翼尖涡流较大而导致诱导阻力大的问题，(3)没有提升抗失速的性能；前翼上(1)没有解决在符合规则的情况下进一步引导气流绕开前轮的问题，(2)没有解决由于翼尖涡流较大而导致诱导阻力大的问题，(3)没有解决侧边气流对前翼底部气流的冲击的问题，(4)没有提升抗失速的性能；扩散器上(1)没有进一步提高文丘里效应，确保离地间隙的问题；且目前的赛车空气动力学套件的前翼和尾翼的加工工艺上无法解决轻量化低成本的问题。

柏秋阳、王辉、李嘉凡、郝旭飞.一种改善FSAE赛车空气动力学的装置组合设计分析.合肥工业大学学报(自然科学版)U469.696；U463.2016.5.28发表了一种FSAE赛车空气动力学套件组合设计分析,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,通过对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,但也没有解决上述存在的问题。

技术实现要素：

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种改善FSAE赛车空气动力学的装置，使整车的下压力得到进一步提高，阻力进一步减少，升阻比进一步增大，为整车提供更好的空气动力学性能。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

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；所述前翼包括主翼、襟翼、垂直襟翼、前翼端板；所述前翼端板包括外侧端板和内侧端板；所述外侧端板后端有导流板；所述外侧端板外侧下端设有外侧涡流通道，所述外侧涡流通道为向上拱起的圆弧结构，外侧涡流通道的长度与外侧端板的长度一致，外侧涡流通道的轴向与X轴方向一致；所述主翼与外侧端板相连两端均设有内侧涡流通道，所述内侧涡流通道为向上拱起的圆弧结构，所述内侧涡流通道的长度与主翼的长度一致，内侧涡流通道的轴向与X轴方向一致；所述外侧端板中部设有泄压孔；所述泄压孔为长槽孔，且泄压孔位于主翼上端；所述主翼后部上方设有襟翼，襟翼上方设有垂直襟翼，所述垂直襟翼为长方形板，垂直襟翼的一端与外侧端板相连，垂直襟翼的另一端位于位置接近襟翼中部位置，所述垂直襟翼的长度方向与Y轴方向一致；所述主翼尾部下端设有涡流发生器，所述涡流发生器为锯齿形结构；

所述尾翼包括主翼、第一襟翼、第二襟翼、尾翼端板；所述尾翼端板前端上方设第一开槽，所述第一开槽为横向百叶窗式结构；所述尾翼端板后部上端设有第二开槽，所述第二开槽为勾型圆弧结构；所述尾翼端板中部设有第三开槽和第四开槽，所述第三开槽和第四开槽均为圆弧结构，弧度弯曲方向朝尾翼端板前方；所述尾翼端板后部下端设有第五开槽，所述第五开槽为纵向的百叶窗式结构；所述尾翼端板前部下端设有切口，所述切口往X轴负方向延伸。

所述扩散器包括进气管、出气管、第二格尼襟翼和过渡板；所述进气管位于扩散器的前端，出气管位于扩散器的尾端，进气管和出气管形成气流通道，两道气流通道之间通过过渡板相连；所述扩散器的两道气流通道之间形成“O”型结构，所述出气管采用前端小后端大的梯形截面结构。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：

(1)前翼襟翼上方有垂直襟翼，进一步阻挡了翼面上方的气流，增大了上下翼面的气流流速差，进一步提升了下压力；同时更好的引导气流从轮胎上方流走，避免气流直接撞击赛车前轮。

(2)前翼外侧端板的导流板往外翻是为产生外洗气流，使空气绕开前轮以减少空气撞击在前轮上而产生阻力；同时增大了翼片上下方的压差，以产生更大的下压力。

(3)前翼外侧端板设有泄压孔，能够为翼片上表面和外侧端板连接处产生的高压泄压，大大减少了阻力和削弱了翼尖涡流；同时溢出的气流顺着外侧端板外洗，增加了外洗效应。

(4)前翼外侧端板的下面分别设有内侧和外侧涡流通道，在通道中能产生涡流并产生低压区，涡流顺着通道往后延伸，能很好地梳理前翼底部边缘的气流，极大地削弱了前翼侧边空气对前翼底部低压区的冲击，起到保护低压区的作用，同时涡流在翼面下方形成低压，增大了前翼下压力。

(5)前翼在主翼后缘设有涡流发生器，增加了附面层能量，减少了气流从翼片上脱离。

(6)尾翼端板前端向后弯曲的切口产生进气作用，可以增加进入到尾翼下端面的气流，增大了尾翼下压力，同时减少失速。

(7)尾翼端板后端底部纵置百叶窗结构的开槽，可以梳理扩散器的外洗气流，增加了气流的外洗效应。

(8)尾翼端板上部的第一开槽，可以削弱翼尖涡流，同时可以对尾翼翼面上方和端板连接处进行泄压以减少阻力。

(9)尾翼端板上部尾端设有第二开槽，可以让第二开槽处产生反向翼尖涡流并抵消一部分主翼产生的翼尖涡流，同时让两个翼尖涡流相互融合并削弱。

(10)尾翼端板中部设有第三开槽和第四开槽，可以引导气流进入尾翼下方，补充主翼和第一襟翼之间、第一襟翼和第二襟翼之间的气流，增大附面层能量，防止尾翼失速。

(11)尾翼第二襟翼尾部上端设有格尼襟翼，产生反向涡流对翼面上方的气流产生顶托作用，增大了尾翼攻角，进一步增加了尾翼的下压力。

(12)扩散器的两道气流通道之间形成“O”型结构，使得气流通道的文丘里管的压缩段进一步延长，增大了气流通道下端中后方的低压区，同时气流通道上端避开了车架部分，保证了扩散器的离地间隙。扩散器出气管采用梯形截面设计，增大了气流通道尾部涡流强度，同时在出气管处设置格尼襟翼，进一步增强了抽气效果。

(13)主翼和襟翼都采用肋板蒙皮式结构组合加工，使得前翼和尾翼的整个结构非常结实和轻盈，前翼和尾翼的重量加起来不到五公斤。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图说明

图1为实用新型FSAE赛车使用的车辆坐标系。

图2为实用新型FSAE赛车前翼结构主视图。

图3为实用新型FSAE赛车前翼结构侧视图。

图4为实用新型FSAE赛车前翼结构立体图。

图5为实用新型FSAE赛车前翼锯齿结构局部图。

图6为实用新型FSAE赛车尾翼结构主视图。

图7为实用新型FSAE赛车尾翼结构侧视图。

图8为实用新型FSAE赛车尾翼结构立体图。

图9为实用新型FSAE赛车扩散器结构主视图。

图10为实用新型FSAE赛车扩散器结构侧视图。

图11为实用新型FSAE赛车扩散器结构立体图。

图12为实用新型FSAE赛车主翼和襟翼肋板骨架蒙皮结构装配图。

图13为安装本实用新型的FASE赛车在重复试验下高速避障成绩直方图。

图14为前翼断面压力云图。

图15为前翼流场压力云图。

图16为前翼流场流线图。

图17为尾翼流场压力云图。

图18为尾翼流场断面压力云图。

图19为尾翼断面压力云图。

图20为扩散器压力云图。

图21为扩散器流线图。

图22为未安装涡流发生器的前翼流线图。

图23为安装涡流发生器的前翼流线图。

具体实施方式

结合图1-12，本实用新型的一种改善FSAE赛车空气动力学的装置，包括前翼、尾翼和扩散器；

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，所述导流板1可以使气流绕开前轮，防止气流直接撞击轮胎产生阻力，减少轮胎激流对车辆空气动力学性能的影响。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；所述内侧涡流通道9和外侧涡流通道3，在相应通道中能产生涡流并产生低压区，涡流顺着相应通道往后延伸，能很好地梳理前翼底部边缘的气流，极大地削弱了前翼侧边空气对前翼底部低压区的冲击，起到保护低压区的作用，同时涡流在翼面下方形成低压，增大了前翼下压力。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；所述泄压孔8能够为翼片上表面和外侧端板4连接处产生的高压泄压，大大减少了阻力和削弱了翼尖涡流；同时溢出的气流顺着导流板1外洗，增加了外洗效应。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；所述垂直襟翼7进一步阻挡了翼面上方的气流，增大了上下翼面的气流流速差，进一步提升了下压力；同时更好的引导气流从轮胎上方流走，避免气流直接撞击赛车前轮。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，所述涡流发生器10增加了附面层能量，减少了气流从翼片上脱离。

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；所述第一开槽15可以削弱翼尖涡流，同时可以对尾翼翼面上方和尾翼端板20连接处进行泄压以减少阻力。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，可以让第二开槽17处产生反向翼尖涡流并抵消一部分主翼11产生的翼尖涡流，同时让两个翼尖涡流相互融合并削弱。所述尾翼端板20中部设有第三开槽14和第四开槽18，第三开槽14位于第四开槽18的前端；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。所述第三开槽14和第四开槽18可以引导气流进入尾翼下方，补充主翼11和第一襟翼12之间、第一襟翼12和第二襟翼13之间的气流，增大附面层能量，防止尾翼失速。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，切口27产生进气作用，可以增加进入到尾翼下端面的气流，增大了尾翼下压力，同时减少失速。

进一步的实施方式中，所述第一开槽15的数量为4-6个，作为优选的实施方式，所述第一开槽15的数量为4个。

进一步的实施方式中，所述第五开槽16的数量为4-6个，作为优选的实施方式，所述第五开槽16的数量为4个。

作为对上述实施方式的进一步改进，所述第二襟翼13尾部上端设有第一格尼襟翼19；所述第一格尼襟翼19能够产生反向涡流，对翼面上方的气流产生顶托作用，增大了尾翼攻角，从而进一步增加了尾翼产生的下压力。

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，使得气流通道的文丘里管的压缩段进一步延长，增大了气流通道下端中后方的低压区，同时气流通道上端避开了车架部分，保证了扩散器的离地间隙。所述出气管22采用前端小后端大的梯形截面结构，增大了气流通道尾部的涡流强度。所述出气管22尾端，气流往出气管内部往上卷，形成涡流，减少了扩散器失速的可能，增大了扩散器产生的下压力。

作为对上述实施方式的进一步改进，所述出气管22尾部上端设有第二格尼襟翼21，进一步增强了抽气效果。

结合图12，作为对上述实施方式的进一步改进，所述前翼和尾翼的主翼、襟翼均包括肋板24、碳纤维杆25、碳纤维片26、碳纤维蒙皮29；所述碳纤维蒙皮29位于前翼或尾翼整个结构的外部，为碳纤维材料制成。所述肋板24为鱼型结构，长度方向同X轴方向一致；所述碳纤维杆25为碳纤维材料制成的圆轴杆结构，长度方向同Y轴方向一致；碳纤维杆25穿过肋板24，所述碳纤维片26为碳纤维材料制成的长方形板状结构，所述碳纤维片26安装在肋板24的上下两端，上下均设有两排，上下两端相对碳纤维杆25对称；所述碳纤维片26在前翼或尾翼内部结构的尾端均设有碳纤维片26，用于对前翼或尾翼的外部碳纤维蒙皮29起支撑作用。

进一步实施方式中，所述碳纤维杆25的数量为2-3个，作为优先的实施方式，所述碳纤维杆25的数量为3个；

进一步实施方式中，所述肋板24的数量为5-10个，作为优先的实施方式，所述肋板24的数量为7个；

所述肋板24由两边各两层碳纤维夹中间一层pvc泡沫的夹心结构构成。碳纤维杆25、肋板24和碳纤维片26之间均用DP460胶水粘接。最后在成型的骨架上包裹碳纤维蒙皮组成整块翼片。所述碳纤维杆25两端内部设有螺母，翼片和尾翼端板20之间通过螺栓与碳纤维杆25的螺母相连。主翼和襟翼都采用肋板蒙皮式结构组合加工，使得前翼和尾翼的整个结构非常结实和轻盈，前翼和尾翼的重量加起来不到五公斤。

本实用新型中以赛车行使方向为基准，赛车头部为前方，定义为X轴正方向；赛车顶部为Z轴正方向，驾驶室左部为Y轴正方向。

结合图13，经过重复性试验，安装了本空气动力学套件的FSAE赛车在高速避障项目中成绩有着明显的提高。安装本空气动力学套件的FSAE赛车在高速避障项目中单圈成绩可提高0.5-1秒，参考南京理工大学NUT方程式赛车队在2016年中国大学生方程式汽车大赛高速避障的成绩，如果不使用本空气动力学套件，高速避障的名次将会退后五到六名。

结合图14、图15，前翼的内侧涡流通道9和外侧涡流通道3在前翼底部形成低压，说明涡流通道效果明显。同时前翼主翼5上方的深颜色说明其形成了明显的高压，与前翼主翼5下方的低压形成明显对比，因此前翼产生了很大的下压力。

结合图16，从前翼流线图可以看出，垂直襟翼7和导流板1使气流绕开前轮的效果明显，气流分别从轮胎上方和侧边绕开轮胎流向后方，减少了气流撞击轮胎产生的阻力。

结合图17-19，从尾翼的压力云图与断面压力云图可以看出，尾翼上方形成明显的高压区，产生很大的下压力。同时从图19可以看出，尾翼的第一开槽15的泄压作用明显，尾翼上方高压区呈现明显的拱形，并削弱了翼尖涡流。

结合图20，扩散器在过渡板28和两条气流通道中部产生了明显的低压。

结合图21，扩散器出气管22尾端，气流往出气管内部往上卷，形成涡流，减少了扩散器失速的可能，增大了扩散器产生的下压力。

结合图22，在流线图中可以看出，未安装涡流发生器10的前翼结构存在气流脱离的情况。

结合图23，在流线图中可以看出，安装了涡流发生器10的前翼结构大大减少了气流脱离的情况发生。