FSAE可調(diào)尾翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制

陳新毅 丁宏坤 潘鴻吉 李未

摘要： 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽賽道復(fù)雜，為了提高車(chē)速以及更好的操縱穩(wěn)定性，以長(zhǎng)春大學(xué)FCC車(chē)隊(duì)參賽車(chē)為樣車(chē)，設(shè)計(jì)可調(diào)式尾翼，以保證賽車(chē)在不同賽道上，控制尾翼做出相應(yīng)調(diào)整。試驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)有效提高參賽車(chē)在不同賽道上的速度。該DRS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)FSAE賽車(chē)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： The Chinese Formula Student Race course is complicated. In order to improve the speed and better handling stability， the FCC team of Changchun University is used as a sample car， and the adjustable tail is designed to ensure that the car is controlled on different tracks. Adjust accordingly. Tests have proved that the design effectively improves the speed of participating cars on different tracks. The DRS structure design has certain application value for FSAE racing cars.

關(guān)鍵詞： 賽車(chē);下壓力;可調(diào)尾翼

Key words： racing car;downforce;adjustable tail

中圖分類(lèi)號(hào)：U471.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0006-02

0? 引言

為提高賽車(chē)車(chē)速以及更好的操縱穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外的F1賽車(chē)多使用空氣動(dòng)力學(xué)套件，以提供額外的下壓力來(lái)提升過(guò)彎能力，其中賽車(chē)尾翼貢獻(xiàn)量最大，能為賽車(chē)提供35%-45%的下壓力。但是，傳統(tǒng)尾翼的襟翼攻角組合固定，無(wú)法改變，不能隨著復(fù)雜的賽道變化而獲得最佳的氣動(dòng)參數(shù)。

為了提高長(zhǎng)春大學(xué)FCC車(chē)隊(duì)參賽車(chē)的車(chē)速，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了可調(diào)式尾翼（Drag Reduction System，以下簡(jiǎn)稱(chēng)DRS）。該結(jié)構(gòu)將簡(jiǎn)單機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)與電機(jī)控制相結(jié)合，針對(duì)不同賽道，通過(guò)方向盤(pán)上按鈕實(shí)現(xiàn)尾翼角度變化，有效降低直線(xiàn)賽道上的空氣阻力，提高車(chē)速。

本機(jī)構(gòu)采用碳纖維桿作為結(jié)構(gòu)件，利用步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)，在方向盤(pán)處設(shè)置按鍵，在使用中只需根據(jù)賽道需求按鍵調(diào)整，操作簡(jiǎn)單，尾翼攻角調(diào)整反應(yīng)速度快，精度高，能夠提高賽車(chē)跑動(dòng)速度。因此，該可調(diào)尾翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1? 基于有限元分析的尾翼攻角組合選擇

本文以長(zhǎng)春大學(xué)FCC車(chē)隊(duì)參賽車(chē)為試驗(yàn)樣車(chē)，該賽車(chē)尾翼為多翼片疊加布局設(shè)計(jì)，由主翼，襟翼一和襟翼二組成。無(wú)論是在襄陽(yáng)賽道還是珠海賽道，其實(shí)際行駛速度范圍為40-70km/h。由于車(chē)速越高，空氣阻力越大，因此以車(chē)速70km/h為分析工況，以尾翼攻角為分析變量，以獲得最大下壓力為目標(biāo)進(jìn)行ANSYS Flunte有限元分析。[2]

本文使用 ICEM 軟件當(dāng)中的 Robust 方法生成四面體網(wǎng)格。在網(wǎng)格生成之后，針對(duì)對(duì)畸變率較大的網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分或者調(diào)整，最終的網(wǎng)格數(shù)量在 169 萬(wàn)左右。在進(jìn)行ANSYS Flunte分析時(shí)，部分結(jié)構(gòu)選用的是低雷諾數(shù)的 SST-ω 模型、采用K-omega算法。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以看出，尾翼選擇組合三的狀態(tài)時(shí)負(fù)升力值最大，阻力值最大，選擇組合四的狀態(tài)時(shí)負(fù)升力值最小，阻力也是最小。考慮賽道特點(diǎn)，在直線(xiàn)加速賽道時(shí)以降低空氣阻力提高車(chē)速為目標(biāo)，在耐久賽道時(shí)彎道較多以增加負(fù)升力提高操縱穩(wěn)定性為目標(biāo)，因此，耐久賽道選擇組合三，加速賽道選擇組合四，組合三和四的壓力云圖如圖1、圖2所示。

2? 可調(diào)尾翼控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇

考慮到賽車(chē)在賽事進(jìn)行中需要頻繁的加減速電機(jī)需承受較大的力，對(duì)輸出力矩大小有一定的要求，綜上所述，選擇了具有瞬時(shí)啟動(dòng)和瞬時(shí)停止的伺服電機(jī)。伺服電機(jī)通常被稱(chēng)作舵機(jī)（如圖3），其為帶有輸出軸的小裝置。當(dāng)向伺服器發(fā)送一控制信號(hào)時(shí)，輸出軸就可轉(zhuǎn)到特定的位置。舵機(jī)有內(nèi)置的控制電路，其尺寸小，但輸出力大。同時(shí)，舵機(jī)消耗的能量與機(jī)械負(fù)荷成正比，故不需消耗太多能量[1]。

由分析可知，尾翼組合三情況下受力最大，因此以該工況為電機(jī)選型以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核的依據(jù)。為保證安全，選擇60KG電機(jī)，利用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)推動(dòng)作用，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)花鍵旋轉(zhuǎn)使各部件完成相應(yīng)動(dòng)作。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)各翼片之間的相對(duì)位置和襟翼運(yùn)動(dòng)行程，需要設(shè)計(jì)2組四連桿機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部分，連接主翼與第1襟翼，其作用是將電機(jī)產(chǎn)生的力矩傳遞給后面的翼片機(jī)構(gòu);第2組連接2片襟翼，其作用是保證2片襟翼協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并保證第1襟翼和第2襟翼同時(shí)運(yùn)動(dòng)。為了減小機(jī)構(gòu)尺寸，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，尤其是避免出現(xiàn)死點(diǎn)等現(xiàn)象[3]，利用CATIA DMU仿真對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，確定四連桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)度分別為：

AB=30mm，BD=149mm，CD=20mm，DE=19mm，ED=128mm。

因此，可調(diào)尾翼控制結(jié)構(gòu)桿件尺寸與位置如圖4所示。A點(diǎn)電機(jī)輸出軸，CD處襟翼一旋轉(zhuǎn)軸，F(xiàn)處襟翼二旋轉(zhuǎn)軸。

3? 實(shí)車(chē)測(cè)試

選用碳纖維桿來(lái)制作上述機(jī)構(gòu)，并安裝舵機(jī)在主翼上。按照組合三的尾翼攻角數(shù)值，制作尾翼并安裝，根據(jù)可調(diào)尾翼控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求設(shè)置舵機(jī)的脈沖寬度，實(shí)車(chē)機(jī)構(gòu)如圖5和圖6所示。

最終進(jìn)行實(shí)車(chē)跑動(dòng)測(cè)試的結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯诳烧{(diào)尾翼打開(kāi)時(shí)，直線(xiàn)加速時(shí)間有了明顯提升，可調(diào)尾翼關(guān)閉時(shí)，耐久賽道的操縱穩(wěn)定性有了較好保證。說(shuō)明尾翼攻角設(shè)計(jì)合理，而且操縱機(jī)構(gòu)反應(yīng)迅速，能夠適合不同賽道，提高比賽成績(jī)。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的可調(diào)尾翼結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)按鍵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，操縱方便，易于調(diào)整。結(jié)合Ansys flunet仿真分析結(jié)果確定尾翼攻角數(shù)值，利用Catia DMU進(jìn)行操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免死點(diǎn)產(chǎn)生，保證機(jī)構(gòu)順利工作。

由于作者水平與時(shí)間的因素，仍未解決美觀的問(wèn)題，放置于主翼上方顯得過(guò)于臃腫，仍有待改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾繁俊.電動(dòng)賽車(chē)可調(diào)尾翼系統(tǒng)的研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2018（05）.

[2]鄧召文.FSAE賽車(chē)可調(diào)尾翼控制系統(tǒng)樣機(jī)開(kāi)發(fā)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016（04）.

[3]孫恒.機(jī)械原理[M].高等教育出版社，2013.