轉向角度與翼片角度聯動的DRS設計

繆軍凱，姜成龍，李佳音

（武漢理工大學，湖北 武漢 430000）

1 空氣動力學套件整體設計

1.1 流場分析的前處理

在非承載式車身（單體殼）設計完成的基礎上設計賽車的前翼、尾翼及側翼。首先進行整車的流場分析，采用自動生成的非結構網格，在Fluent中轉換成為多面體網格。初始模型采用Alias Automotive 2014建立，模型經過ANSYS中SCDM模塊修復與精簡后，省略了座椅上方的主環、懸架等車身外部不易于網格劃分且對整車流場影響較小的部分，同時將模型一分為二以減少網格數量，最終達到減少計算量的目的。

1.2 空氣動力學套件的設計

根據流場分析結果設計整套空氣動力學套件，見圖1.

2 空氣動力學套件的性能分析

2.1 整車流場分析

在使用上述方法對模型進行處理并劃分網格后，得到的整車壓力云圖如圖2所示，相關數據如表1所示。

設計基本達到了增加下壓力、控制風壓中心位于整車質心后的目的，但由于單體殼原始阻力較大，加入空氣學套件后的整車升阻比并不是很理想。

圖1 安裝空氣動力學套件的整車模型

圖2 整車壓力云圖

表1 流場分析相關數據

2.2 圈速仿真

圈速仿真采用Optimum Lap這款軟件進行，在填入用于計算的相關數據后得到的圈速仿真結果如圖3所示。

Aero曲線對應的升力系數、阻力系數為安裝空氣動力學套件后的，NoAero曲線對應的升力系數、阻力系數為未安裝空氣動力學套件的。由圖3可知，對于同一賽道在安裝空氣動力學套件后圈速減少了5 s，同時在制動時安裝空氣動力學套件的情況下可以延緩剎車的時刻（觀察到Aero曲線的尖峰相比于No Aero曲線的尖峰有右偏的趨勢），即更晚剎車，所以在加速至尖峰然后再制動的這個過程中，安裝空氣動力學套件情況下的平均速度更快。而DRS則是要在這個基礎上，通過調整整車的阻力系數來提升直線行駛時的速度，同時在過彎的合適時機打開，以深化突出空氣動力學套件的作用。

圖3 圈速仿真結果

2.3 DRS打開和關閉時的分析

當尾翼襟翼打開時，尾翼整體阻力有明顯的減小，同時以襟翼打開時的角度為變量進行分析，得到整體升阻比最大的角度，在保證一定的下壓力情況下最大化地減小阻力，提升了賽車在直道上的行駛速度。

3 DRS連桿機構設計

3.1 驅動部件的選取

驅動部件采用20 kg·cm的防水金屬齒輪舵機，優點為體積小、性能穩定。采用Arduino UNO進行控制，僅安裝在尾翼端板一側。

3.2 舵機安裝位置的選取

舵機安裝在尾翼主翼片的鋁翼肋中，圖4為連桿機構的設計裝配圖。

圖4 連桿機構設計裝配圖

3.3 連桿機構控制策略

連桿機構控制策略如下：①在方向盤上安裝開關按鈕，由駕駛員手動啟動舵機，驅動連桿機構；②在轉向系統中安裝角位移傳感器，當檢測到角度超過一定度數時啟動舵機，驅動連桿機構。

在兩種情況中優先檢測駕駛員開關按鈕信號，若按鈕按下，則啟動舵機；若按鈕未按下，則檢測角位移傳感器測得的度數，若達到規定度數，則啟動舵機。

3.4 傳感器的選取

采購的霍爾非接觸式角位移傳感器參數如表2所示。

表2 霍爾非接觸式角位移傳感器參數

其中，未提供的0～360°機械行程中的輸出電壓實測為0～3.38 V。

4 結論

經論述，得出以下結論：①在完成加工、安裝后的75 m直線加速的實車測試中，開啟DRS時的測試時間為3.80 s，與不開啟時的測試時間4.40 s相比有較大提升；②本設計明顯減輕了車手的負擔，普遍反映良好。