方程式賽車可變尾翼系統(tǒng)開發(fā)

王遠南，高 峰

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

方程式賽車可變尾翼系統(tǒng)開發(fā)

王遠南，高 峰

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

為了降低賽車固定式尾翼產(chǎn)生的較大空氣阻力，開發(fā)了一種可變尾翼系統(tǒng)，進行了賽車空氣動力仿真。設(shè)計了一個包含高扭矩舵機的連桿機械執(zhí)行機構(gòu)，制作了基于嵌入式技術(shù)的系統(tǒng)控制器。研究結(jié)果表明：該可變尾翼系統(tǒng)可使賽車整車空氣阻力降低17.4%，并可快速變換尾翼襟翼攻角，變換角度為45°～5°，舵機旋轉(zhuǎn)60°的變換時間為0.1 s。

可變尾翼系統(tǒng)；方程式賽車；空氣動力仿真；尾翼；舵機

0 引言

可變尾翼系統(tǒng)(drag reduction system,DRS)是賽車設(shè)計的最新技術(shù)之一，在保障尾翼裝置正常工作的同時，可降低尾翼所帶來的空氣阻力，有利于提升賽車彎道操控性和直道最高速度[1]?？勺兾惨硐到y(tǒng)的思想源于文獻[2]提出的主動控制空氣動力裝置，其在Chaparral2E賽車上安裝了單片的倒置機翼作為賽車尾翼，允許駕駛員通過踏板操控尾翼迎角變化，實現(xiàn)從轉(zhuǎn)彎和制動時的高下壓力模式至直線行駛時低阻力模式的轉(zhuǎn)換?？勺兾惨硐到y(tǒng)最早于2011年在世界一級方程式賽車上得到大范圍應(yīng)用[3]，并逐漸擴展到大學(xué)生方程式賽車領(lǐng)域。國外的一些車隊，如美國俄克拉荷馬大學(xué)車隊、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院車隊、澳大利亞莫納什車隊以及瑞士蘇黎世大學(xué)車隊，率先嘗試應(yīng)用這一技術(shù)來提升賽車性能，開拓賽車空氣動力探索領(lǐng)域，以獲得更優(yōu)秀的比賽成績[4-5]。目前，國內(nèi)對于可變尾翼系統(tǒng)的研究還處于起步階段，雖有部分車隊如浙江大學(xué)車隊、華南理工大學(xué)車隊、北京理工大學(xué)車隊等進行了初步嘗試，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制邏輯較為繁瑣，未達到預(yù)期應(yīng)用效果[6]。可變尾翼系統(tǒng)的研究涉及到車輛操縱動力學(xué)、空氣動力學(xué)、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及電子控制系統(tǒng)等較多領(lǐng)域，因此，開發(fā)出穩(wěn)定可靠的可變尾翼系統(tǒng)存在較大難度。當前，可變尾翼系統(tǒng)的控制方式大致分為兩種：全自動方式，通過系統(tǒng)控制器與多種車載傳感器的配合使用，自主判斷賽車行駛狀態(tài)并向執(zhí)行機構(gòu)輸出相應(yīng)的命令信號，執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行命令，帶動尾翼進行高度或角度的變換；半自動方式，系統(tǒng)的開啟或關(guān)閉是依靠駕駛員來操作，系統(tǒng)也含有執(zhí)行機構(gòu)和微控制器等部件。現(xiàn)有可變尾翼系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)動力源有步進電機、高速舵機和氣動活塞等。

本文基于大學(xué)生方程式賽車，運用計算流體力學(xué)仿真軟件對賽車三維模型進行仿真，研究襟翼攻角變換對尾翼及整車的空氣動力特性的影響。根據(jù)尾翼襟翼轉(zhuǎn)動路徑及受力情況，設(shè)計一個雙曲柄連桿機械執(zhí)行機構(gòu)?；谇度胧郊夹g(shù)，設(shè)計一個簡單系統(tǒng)控制器，輸出控制舵機轉(zhuǎn)動信號，實現(xiàn)襟翼的轉(zhuǎn)動。通過系統(tǒng)測試，確定系統(tǒng)可應(yīng)用于賽車設(shè)計，并能夠提升車輛動態(tài)表現(xiàn)。

1 計算流體力學(xué)數(shù)值模型

本文分析的整車模型為北京航空航天大學(xué)大學(xué)生方程式賽車隊2016賽季賽車模型。在進行空氣動力仿真之前，需要對整車結(jié)構(gòu)進行簡化處理。簡化后的模型包含以下部件：前翼、輪胎、懸架、車身蒙皮、頭盔和防火墻、車架、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、擴散器、尾翼，其中，尾翼由尾翼襟翼、尾翼主翼、尾翼端板3部分組成。整車簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。整車長、寬、高分別為3.08 m、1.39 m、1.17 m。

圖1 整車簡化結(jié)構(gòu)示意圖

賽車尾翼采用倒置機翼形式，并使用單縫襟翼形式，以延緩翼片上表面氣流分離，增大翼型彎度[7-8]。當氣流流過機翼上下表面，由于伯努利方程和文丘里管[9]的作用，產(chǎn)生了不同的速度和壓力?？諝饬黧w對整個尾翼作用力稱為氣動壓力，其在尾翼上的作用點稱為風(fēng)壓中心。氣動壓力可在水平及豎直方向上分解為空氣阻力Fx和空氣升力Fz，定義[9]如下：

其中：A為尾翼迎風(fēng)面投影面積，m2；υ∞為來流速度，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Cx與Cz分別為空氣阻力因數(shù)和空氣升力因數(shù)。

根據(jù)賽車整體結(jié)構(gòu)布局，設(shè)計的尾翼包含一個弦長為440mm的主翼，一個弦長為190mm的襟翼，以及用于安裝主翼和襟翼的端板結(jié)構(gòu)。

本文使用新一代計算流體力學(xué)數(shù)值分析軟件Xflow，進行整車及尾翼的空氣動力效應(yīng)仿真。考慮到整車及尾翼的尺寸結(jié)構(gòu)，對于整車仿真，仿真空間長10.0m，寬3.5m，高3.0m；對于尾翼仿真，仿真空間長7.0m，寬3.5m，高3.0m。仿真空間入口風(fēng)速設(shè)置為27m/s(對應(yīng)賽車在比賽期間的最高速度97km/h)。

通過使用Xflow軟件提供的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能，本文設(shè)定仿真空間內(nèi)仿真模型的網(wǎng)格大小為 0.015m，其他區(qū)域的網(wǎng)格大小為0.030m。整車仿真的單元數(shù)量為4.91×106，尾翼仿真的單元數(shù)量為2.87×106。

可變尾翼系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵為尾翼襟翼繞固定轉(zhuǎn)動中心旋轉(zhuǎn)，本文依據(jù)襟翼弦長及厚度等條件，選定一個固定旋轉(zhuǎn)中心進行仿真計算。尾翼襟翼的初始攻角為45°，而尾翼整體結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致襟翼所能旋轉(zhuǎn)的角度為40°，超過此范圍將使襟翼超出尾翼端板的保護，產(chǎn)生較大的誘導(dǎo)阻力[7]，因此，尾翼襟翼攻角將在45°至5°之間變換。

2 整車及尾翼空氣動力仿真結(jié)果和討論

未開啟DRS系統(tǒng)時，在27m/s的仿真風(fēng)速下，整車產(chǎn)生空氣阻力660N、空氣下壓力1 466N，整車主要空氣動力裝置的空氣動力效應(yīng)如表1所示。由表1可看出：尾翼貢獻整車總阻力的26.5%，占最大份額；同時也為整車貢獻了34.7%的下壓力。

表1 整車主要空氣動力裝置的空氣動力效應(yīng)

在相同的仿真條件下，尾翼單獨仿真時，產(chǎn)生空氣阻力239N，空氣下壓力639N，尾翼各部件的空氣動力效應(yīng)及對整體空氣動力效應(yīng)的貢獻如表2所示。由表2可看出：尾翼襟翼貢獻尾翼總阻力最大份額，貢獻阻力占比為56.5%，尾翼主翼貢獻尾翼總下壓力的95.3%。

表2 尾翼各部件的空氣動力效應(yīng)及對整體空氣動力效應(yīng)的貢獻

尾翼襟翼繞固定轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動時，尾翼迎風(fēng)面積和尾翼上下表面氣流流動狀態(tài)將發(fā)生變化，從而帶來尾翼整體空氣阻力和空氣下壓力的變化。尾翼在不同襟翼攻角下的空氣下壓力與空氣阻力對比見表3。

表3 尾翼在不同襟翼攻角下的空氣下壓力與空氣阻力對比

由表3可知：相比于初始狀態(tài)的尾翼襟翼位置，襟翼繞固定轉(zhuǎn)動中心旋轉(zhuǎn)，襟翼攻角從45°至5°時，尾翼整體的空氣阻力和空氣下壓力都有不同程度的下降。

為驗證襟翼攻角的改變對于整車空氣動力效應(yīng)的影響，對賽車整車進行重新仿真。仿真結(jié)果顯示：尾翼襟翼攻角為5°時，整車空氣阻力和空氣下壓力分別為545N和1 041N，較表1中的初始整車空氣阻力和空氣下壓力分別下降17.4%和29.0%，取得較好的減阻效果。

3 執(zhí)行機構(gòu)與系統(tǒng)控制器設(shè)計

根據(jù)尾翼及整車的空氣動力仿真結(jié)果，得到在27m/s風(fēng)速下，尾翼襟翼角度變換所需的最大扭矩為5.24N·m。由于此尾翼中襟翼厚度較小，不利于在襟翼內(nèi)部安置舵機直接驅(qū)動襟翼轉(zhuǎn)動，因此，需要一組連桿執(zhí)行機構(gòu)來協(xié)同工作。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，考慮到安裝位置空間和機構(gòu)受力的情況，初步確定驅(qū)動曲柄長度為40mm。為保障機構(gòu)安全運轉(zhuǎn)，選取規(guī)格為40kg/cm的高速高扭矩舵機作為執(zhí)行機構(gòu)動力源，舵機旋轉(zhuǎn)60°用時0.1s。該舵機體積較大，針對現(xiàn)有尾翼結(jié)構(gòu)，布置在主翼上方的端板上較為方便。對于四連桿機構(gòu)來說，當其鉸鏈中心位置確定之后，各桿件的長度也就確定了[10]。DRS系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計如圖2所示。通過作圖確定各鉸鏈的位置，利用各鉸鏈之間相對運動的幾何關(guān)系，確定各組成桿件的長度分別為：AB=OC=253mm，BC=AO=40mm。該機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)，簡單可靠，執(zhí)行效率高，沒有速度損失。

圖2 DRS系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計圖

可變尾翼系統(tǒng)控制器包括軟件和硬件兩個部分，用來接收駕駛員操作信號，通過計算和邏輯判斷，輸出舵機轉(zhuǎn)動信號，進而實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的運動，達到使襟翼轉(zhuǎn)動至設(shè)定攻角的目的?？刂茊卧捎肧TM32F103最小系統(tǒng)開發(fā)板，采用12V車載電源供電，通過按鈕信號與相應(yīng)程序設(shè)計，實現(xiàn)舵機的控制。開發(fā)板設(shè)置雙按鈕控制，按下按鈕后，控制系統(tǒng)向舵機輸出特定的脈沖寬度調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)控制信號，驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動，DRS按鈕模塊原理圖如圖3所示。

執(zhí)行機構(gòu)舵機采用7.4V穩(wěn)壓電源供電，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括變速齒輪組、可調(diào)電位器、控制電路板及小型直流電機。控制單元軟件方面，通過程序設(shè)計，實現(xiàn)與按鈕模塊和伺服舵機的協(xié)同控制。軟件主程序內(nèi)容包括：

(1)系統(tǒng)初始化。對控制單元初始化，初始化按鈕位置和舵機初始位置。

(2)系統(tǒng)自檢。運行舵機及執(zhí)行機構(gòu)，檢查轉(zhuǎn)動角度，檢查系統(tǒng)指示燈。

(3)檢測駕駛員是否按下開啟按鈕，若檢測到開啟按鈕信號，控制系統(tǒng)輸出使舵機角度旋轉(zhuǎn)40°的PWM波，驅(qū)動舵機帶動執(zhí)行機構(gòu)及襟翼轉(zhuǎn)動40°。

(4)檢測駕駛員是否按下關(guān)閉按鈕，若檢測到關(guān)閉按鈕信號，控制系統(tǒng)輸出使舵機角度旋轉(zhuǎn)-40°的PWM波，驅(qū)動舵機帶動執(zhí)行機構(gòu)及襟翼恢復(fù)到初始位置。

圖3 DRS按鈕模塊原理圖

DRS系統(tǒng)開啟按鈕布置在方向盤上，為簡單按鈕形式；關(guān)閉按鈕布置在剎車踏板上，使用微動開關(guān)形式?？刂葡到y(tǒng)為防止連續(xù)觸碰按鈕及錯誤操作，設(shè)置以下按鈕工作邏輯：

(1) 未觸發(fā)開啟按鈕，操作關(guān)閉按鈕無效。

(2) 連續(xù)觸發(fā)開啟按鈕，舵機只接收第一次按鈕信號，忽略后續(xù)信號。

(3) 連續(xù)觸發(fā)關(guān)閉按鈕，舵機只接收第一次按鈕信號，忽略后續(xù)信號。

4 系統(tǒng)測試

圖4 DRS系統(tǒng)測試流程圖

DRS系統(tǒng)測試流程圖如圖4所示。圖4中實線箭頭為DRS系統(tǒng)開啟路徑。系統(tǒng)開關(guān)開啟后，DRS控制系統(tǒng)接收DRS開啟按鈕的信號輸入，向初始狀態(tài)尾翼發(fā)出角度變換信號，執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動40°，達到DRS開啟后的尾翼狀態(tài)。圖4中虛線箭頭為DRS系統(tǒng)的關(guān)閉路徑?？刂葡到y(tǒng)接收關(guān)閉按扭的信號輸入，發(fā)出指令使執(zhí)行機構(gòu)再次運動，將尾翼回復(fù)至初始狀態(tài)。

通過系統(tǒng)測試，驗證了系統(tǒng)軟硬件可穩(wěn)定工作。根據(jù)不同的按鈕操作，系統(tǒng)可以順利實現(xiàn)尾翼襟翼攻角快速變換，執(zhí)行機構(gòu)運行穩(wěn)定、精確，基本實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)目標。

5 結(jié)論

本文對大學(xué)生方程式賽車整車及其尾翼在不同尾翼襟翼攻角下的空氣動力效應(yīng)進行了仿真分析，驗證了尾翼襟翼攻角變換對整車空氣阻力及空氣下壓力的降低效果，整車空氣阻力和空氣下壓力分別下降17.4%和29.0%。根據(jù)尾翼襟翼轉(zhuǎn)動路徑及轉(zhuǎn)動過程中的空氣阻力，設(shè)計了一套雙曲柄四連桿執(zhí)行機構(gòu)?；赟TM32F103開發(fā)板，設(shè)計了一個系統(tǒng)控制器。通過駕駛員自主操控，輸出控制舵機轉(zhuǎn)動信號，舵機旋轉(zhuǎn)60°用時0.1s，可快速實現(xiàn)襟翼的轉(zhuǎn)動。設(shè)計的系統(tǒng)可順利運行，達到了設(shè)計目的。

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國家自然科學(xué)基金項目(51675027)

王遠南(1991-),男,內(nèi)蒙古扎蘭屯人,碩士生;高峰(1955-),男,河南洛陽人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為智能車輛、特種車輛及車輛非常規(guī)行走機構(gòu)等.

2016-09-09

1672-6871(2017)04-0030-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.007

U469.696

A