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摘要：E级方程式锦标赛车是以皮筋为驱动力的比赛用车。在初步设计过程中，通过研究影响其行进的阻力和驱动力，拟定赛车的主体结构方案。然后进行优化设计：可以考虑材料的选择来确保轻量化：尽可能地规避摩擦力，外观的设计可以考虑突破常规的3D打印技术或者进行仿生和参数化设计。最后进行赛车的测试阶段，通过橡皮筋的缠绕方式做可靠性及疲劳性实验，不断地调整以达到最优性能发挥，从而设计出一款符合大赛要求同时性能优异的赛车。
关键词：E级方程式锦标赛车 主体结构方案 材料的选择 外观的设计 调试与测验
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2015）12-1126-02
6月15日，E级方程式设计锦标赛（中国区赛）在北京工业大学举行了比赛。从接受邀请到参加比赛的两个多月时间里，我们做了如下准备：第一阶段先对整个赛事流程进行了了解分析，第二阶段进行相关调研并且初步设计方案，第三阶段进行方案优化设计并制作出实物模型，第四阶段进行了后期的调试测验。最后，制作完成并与2015赛季来自全国的18所学校41支车队一起参加了比赛。
1 E级方程式锦标赛
1.1 E级方程式锦标赛车设计标准
E级方程式设计锦标赛是一项以创意设计为核心内容的皮筋动力车综合设计竞赛，简称“FE设计锦标赛”。FE是英文“Formula E”的缩写。与世界著名Fl一级方程式赛车世界锦标赛相似，其中Formula译为方程式，其含义是“规定”，参加大赛的车辆必须按比赛规则进行设计制作。不同的是，E来自英文Elastic，意为“弹力”。
E级方程式国际设计锦标赛车，是由工业设计世界排名第一的美国艺术中心设计学院（Art Center College of Design，简称ACCD）与北京工业大学艺术设计学院联合主办的国际性赛事用车。所有参赛车辆均以一根16英尺（近5米）长的橡皮筋驱动作为唯一驱动力，因而又被称为皮筋车或皮筋动力车。
1.2 E级方程式锦标赛车的赛事规则
材料规格：车体自行创做，不限，可利用市面上现成的材料（塑料、卡纸、木头等）或是自制整体车体；橡皮筋四条，做为动力源，形式不限，但至多可用到四条。要求：小车长度在20～25厘米之间，宽、高不超过12厘米。
在皮筋车设计制作完成后要完成三个赛道的比赛：
1 障碍竞速赛（Figure 8 Flats）
322×0.3米，8字形，直线加弯道竞速；
2 车体结构方案拟定
2.1 探究E级方程式锦标赛车的主要影响因素——阻力与动力
在E级方程式锦标赛车的设计之前，首先要对它进行“受力分析”，考虑到它在运动过程中所受到的力，即阻力与动力。
阻力，是所有行进车辆运行过程中不可忽略的重要影响因素，当然E级方程式锦标赛车也不例外。它需要在动力的驱使下克服自身的重力，遇到的空气阻力和行进产生的摩擦力等因素。空气阻力是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力。空气阻力系数，又称风阻系数，是计算汽车空气阻力的一个重要系数。它是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数，用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数的大小取决于汽车的外形。这就说明后期制作E级方程式锦标赛车的外形设计至关重要了。风阻系数愈大，则空气阻力愈大.现代汽车的风阻系数一般在0.3-0.5之间。另外，重力和材料的选取有关，摩擦力在这里不是主要阻力，故初期暂时不考虑，后期考虑减小摩擦即可。
动力方面，既然说到了皮筋是唯一的动力来源，那么皮筋产生的弹力就是唯一的驱动力。物体形状或体积改变时产生的，对跟它接触的物体产生了力的作用，这种力叫弹力。弹力在皮筋上存在的形式是橡皮筋拉长与扭曲都可产生的。物体因发生弹性形变而具有的势能，这种势能叫作弹性势能。当橡皮筋被像发条一样“上紧”时，橡皮筋产生“形变”，存储一定的弹性势能。释放后，弹性势能转变为动能，通过传动装置带动车轮转动，使模型小车前进。这就是E级方程式锦标赛车的唯一动力来源方式。
2.2 结构的差异——皮筋的拉伸方式
结构的选择时，对皮筋的拉伸方面也进行了一系列的调研和研究，现有的拉伸形变有两种，一种是扭曲拉伸，另外一种就是直线拉伸，两种拉伸方式都各有优劣。
对于扭曲拉伸皮筋这种方式，这种皮筋扭曲方式的优点是能够将所有的皮筋拧成一股，不容易断，能够更好地发挥出皮筋形变所释放出来的力。但是这种方式的缺点是，由于皮筋是扭曲的，在释放皮筋的时候，皮筋所释放的力不是全部都能够用于小车的运动，一部分的力会因为扭曲方式的原因，在侧向上所浪费，从而减小E级方程式锦标赛车的运动路程。扭曲拉伸，如图四和图五：
另一种拉伸方式就是直线拉伸，对于这种纵向拉伸的方式，皮筋不会因为需要一定的拉伸长度的问题影响小车的宽度，它可以从小车的前轮到后轮之间拉伸，这样可以节省空间，减小小车的重量，但是缺点也是致命的，采用这种方式拉伸，对于小车的强度要求也是很大的，因为需要固定皮筋的位置，而这两个位置又分别在前后轮上，所以拉伸皮筋的时候小车就会发生形变，在形变量达到一定值得时候，小车就会从中间折断。所以，这种拉伸方式优点在于如果处理好摩擦的问题，能够将所有的力都用于小车的运动上，而且能够简化皮筋车的结构，缺点是直线拉伸时可能将皮筋拉断，从而影响小车的运动。直线拉伸，如图六：
2.3 车体结构的确定
现在大部分的车都是用的最稳定的“T”字形结构，如图七。“T”字形的车能够很好地传动，而且也稳定。当然还有些选用“三角形”结构，如图八。“三角形”结构也非常稳定，但是在转向方面不太灵活，在过弯道时不易控制。
3 优化设计 通过方案设定时的考虑因素，确定好E级方程式锦标赛车的主体方案之后，再由结构到部分进行细化研究，得到如材料的选择，外观的设计以及皮筋动力车的运作原理和操作方式等都对小车的运行和比赛的发挥至关重要。
3.1 材料的选择
在以往的皮筋车设计中，大部分的材料选用的是碳纤维材料以及铝合金材料，对于车身的材料上，大部分都是选用的更为结实坚固的铝合金材料，由于皮筋的弹力，小车的车身会因为皮筋强大的弹力进行形变，所以选用更为坚固的铝合金材料作为车身，铝合全材料不仅材料轻量化，而且材料强度大，不易形变。在对于车的其他部位，选用的是碳纤维材料，此材料同样是重量小，强度大，但是用碳纤维材料的部位并不是需要承受皮筋所拉伸的力，所以强度并不需要同铝合金材料一样，可以选用强度稍微小的，重量轻的碳纤维材料。
近几年，由于3D打印技术的日渐成熟，也有不少选用3D打印来制作整个的车体模型，不仅外观一体化更美观，而且材料比以前的碳纤维材料的车子更轻，容易上坡，但缺点在速度加快的时候比较容易翻车，强度方面还是略微欠缺。但是这也是不失为一不错的选择。
3.2 外观的设计
E级方程式锦标赛车的外观设计不仅可以融合各自车队的设计理念，还可以配合公益活动进而达到更好地宣传，但是在实际制作过程中，一定要注意好比赛的现场应用，更加合理的考虑到风阻和小车本身的重量，如何最大可能的减小摩擦等问题。
4.调试与测验
4.1 测试阶段
E级方程式锦标赛车制作完成后，要对其熟练操控并加以调试，才能得到性能的最大发挥。那么在测验阶段要做好相关记录，并且对结果分析才能得到更有利的信息。下面是测试的部分信息与方法供参考：
测试结果分析：
通过对皮筋车的赛道测试，我们发现，在跑道长度、缠绕圈数相同时，皮筋车的股数越多，皮筋车跑完赛道用时越短。在股数相同时，缠绕圈数越多，皮筋车跑完赛道用时越短。
但是并不是股数越多，缠绕圈数越多，跑得就能越远，所以需要根据不同的赛道，使用不同的皮筋股数，以及缠绕圈数。
5 E级方程式锦标赛车的设计价值
5.1 设计价值与研究（研制开发）意义
E级方程式锦标赛车结合了环保和前卫设计的理念，因为是用橡皮筋驱动，而不是电池或汽油驱动，所以环保。因为比赛手工制作，有很多创新概念包含其中，所以前卫。它的设计不仅奉行了当下绿色环保的科技理念，还可以立足于对未来新型交通工具动力的研究，做到从根本上的节能减排，进而为新型交通工具以皮筋为动力成为可能的研究奠定理论依据与基础。
关键词：E级方程式锦标赛车 主体结构方案 材料的选择 外观的设计 调试与测验
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2015）12-1126-02
6月15日，E级方程式设计锦标赛（中国区赛）在北京工业大学举行了比赛。从接受邀请到参加比赛的两个多月时间里，我们做了如下准备：第一阶段先对整个赛事流程进行了了解分析，第二阶段进行相关调研并且初步设计方案，第三阶段进行方案优化设计并制作出实物模型，第四阶段进行了后期的调试测验。最后，制作完成并与2015赛季来自全国的18所学校41支车队一起参加了比赛。
1 E级方程式锦标赛
1.1 E级方程式锦标赛车设计标准
E级方程式设计锦标赛是一项以创意设计为核心内容的皮筋动力车综合设计竞赛，简称“FE设计锦标赛”。FE是英文“Formula E”的缩写。与世界著名Fl一级方程式赛车世界锦标赛相似，其中Formula译为方程式，其含义是“规定”，参加大赛的车辆必须按比赛规则进行设计制作。不同的是，E来自英文Elastic，意为“弹力”。
E级方程式国际设计锦标赛车，是由工业设计世界排名第一的美国艺术中心设计学院（Art Center College of Design，简称ACCD）与北京工业大学艺术设计学院联合主办的国际性赛事用车。所有参赛车辆均以一根16英尺（近5米）长的橡皮筋驱动作为唯一驱动力，因而又被称为皮筋车或皮筋动力车。
1.2 E级方程式锦标赛车的赛事规则
材料规格：车体自行创做，不限，可利用市面上现成的材料（塑料、卡纸、木头等）或是自制整体车体；橡皮筋四条，做为动力源，形式不限，但至多可用到四条。要求：小车长度在20～25厘米之间，宽、高不超过12厘米。
在皮筋车设计制作完成后要完成三个赛道的比赛：
1 障碍竞速赛（Figure 8 Flats）
322×0.3米，8字形，直线加弯道竞速；
2 车体结构方案拟定
2.1 探究E级方程式锦标赛车的主要影响因素——阻力与动力
在E级方程式锦标赛车的设计之前，首先要对它进行“受力分析”，考虑到它在运动过程中所受到的力，即阻力与动力。
阻力，是所有行进车辆运行过程中不可忽略的重要影响因素，当然E级方程式锦标赛车也不例外。它需要在动力的驱使下克服自身的重力，遇到的空气阻力和行进产生的摩擦力等因素。空气阻力是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力。空气阻力系数，又称风阻系数，是计算汽车空气阻力的一个重要系数。它是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数，用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数的大小取决于汽车的外形。这就说明后期制作E级方程式锦标赛车的外形设计至关重要了。风阻系数愈大，则空气阻力愈大.现代汽车的风阻系数一般在0.3-0.5之间。另外，重力和材料的选取有关，摩擦力在这里不是主要阻力，故初期暂时不考虑，后期考虑减小摩擦即可。
动力方面，既然说到了皮筋是唯一的动力来源，那么皮筋产生的弹力就是唯一的驱动力。物体形状或体积改变时产生的，对跟它接触的物体产生了力的作用，这种力叫弹力。弹力在皮筋上存在的形式是橡皮筋拉长与扭曲都可产生的。物体因发生弹性形变而具有的势能，这种势能叫作弹性势能。当橡皮筋被像发条一样“上紧”时，橡皮筋产生“形变”，存储一定的弹性势能。释放后，弹性势能转变为动能，通过传动装置带动车轮转动，使模型小车前进。这就是E级方程式锦标赛车的唯一动力来源方式。
2.2 结构的差异——皮筋的拉伸方式
结构的选择时，对皮筋的拉伸方面也进行了一系列的调研和研究，现有的拉伸形变有两种，一种是扭曲拉伸，另外一种就是直线拉伸，两种拉伸方式都各有优劣。
对于扭曲拉伸皮筋这种方式，这种皮筋扭曲方式的优点是能够将所有的皮筋拧成一股，不容易断，能够更好地发挥出皮筋形变所释放出来的力。但是这种方式的缺点是，由于皮筋是扭曲的，在释放皮筋的时候，皮筋所释放的力不是全部都能够用于小车的运动，一部分的力会因为扭曲方式的原因，在侧向上所浪费，从而减小E级方程式锦标赛车的运动路程。扭曲拉伸，如图四和图五：
另一种拉伸方式就是直线拉伸，对于这种纵向拉伸的方式，皮筋不会因为需要一定的拉伸长度的问题影响小车的宽度，它可以从小车的前轮到后轮之间拉伸，这样可以节省空间，减小小车的重量，但是缺点也是致命的，采用这种方式拉伸，对于小车的强度要求也是很大的，因为需要固定皮筋的位置，而这两个位置又分别在前后轮上，所以拉伸皮筋的时候小车就会发生形变，在形变量达到一定值得时候，小车就会从中间折断。所以，这种拉伸方式优点在于如果处理好摩擦的问题，能够将所有的力都用于小车的运动上，而且能够简化皮筋车的结构，缺点是直线拉伸时可能将皮筋拉断，从而影响小车的运动。直线拉伸，如图六：
2.3 车体结构的确定
现在大部分的车都是用的最稳定的“T”字形结构，如图七。“T”字形的车能够很好地传动，而且也稳定。当然还有些选用“三角形”结构，如图八。“三角形”结构也非常稳定，但是在转向方面不太灵活，在过弯道时不易控制。
3 优化设计 通过方案设定时的考虑因素，确定好E级方程式锦标赛车的主体方案之后，再由结构到部分进行细化研究，得到如材料的选择，外观的设计以及皮筋动力车的运作原理和操作方式等都对小车的运行和比赛的发挥至关重要。
3.1 材料的选择
在以往的皮筋车设计中，大部分的材料选用的是碳纤维材料以及铝合金材料，对于车身的材料上，大部分都是选用的更为结实坚固的铝合金材料，由于皮筋的弹力，小车的车身会因为皮筋强大的弹力进行形变，所以选用更为坚固的铝合金材料作为车身，铝合全材料不仅材料轻量化，而且材料强度大，不易形变。在对于车的其他部位，选用的是碳纤维材料，此材料同样是重量小，强度大，但是用碳纤维材料的部位并不是需要承受皮筋所拉伸的力，所以强度并不需要同铝合金材料一样，可以选用强度稍微小的，重量轻的碳纤维材料。
近几年，由于3D打印技术的日渐成熟，也有不少选用3D打印来制作整个的车体模型，不仅外观一体化更美观，而且材料比以前的碳纤维材料的车子更轻，容易上坡，但缺点在速度加快的时候比较容易翻车，强度方面还是略微欠缺。但是这也是不失为一不错的选择。
3.2 外观的设计
E级方程式锦标赛车的外观设计不仅可以融合各自车队的设计理念，还可以配合公益活动进而达到更好地宣传，但是在实际制作过程中，一定要注意好比赛的现场应用，更加合理的考虑到风阻和小车本身的重量，如何最大可能的减小摩擦等问题。
4.调试与测验
4.1 测试阶段
E级方程式锦标赛车制作完成后，要对其熟练操控并加以调试，才能得到性能的最大发挥。那么在测验阶段要做好相关记录，并且对结果分析才能得到更有利的信息。下面是测试的部分信息与方法供参考：
测试结果分析：
通过对皮筋车的赛道测试，我们发现，在跑道长度、缠绕圈数相同时，皮筋车的股数越多，皮筋车跑完赛道用时越短。在股数相同时，缠绕圈数越多，皮筋车跑完赛道用时越短。
但是并不是股数越多，缠绕圈数越多，跑得就能越远，所以需要根据不同的赛道，使用不同的皮筋股数，以及缠绕圈数。
5 E级方程式锦标赛车的设计价值
5.1 设计价值与研究（研制开发）意义
E级方程式锦标赛车结合了环保和前卫设计的理念，因为是用橡皮筋驱动，而不是电池或汽油驱动，所以环保。因为比赛手工制作，有很多创新概念包含其中，所以前卫。它的设计不仅奉行了当下绿色环保的科技理念，还可以立足于对未来新型交通工具动力的研究，做到从根本上的节能减排，进而为新型交通工具以皮筋为动力成为可能的研究奠定理论依据与基础。