智能車身尾翼控制機(jī)構(gòu)研究

張俞飛 李傳昌 上海工程技術(shù)大學(xué)

一、設(shè)計(jì)背景

國內(nèi)關(guān)于可調(diào)尾翼控制機(jī)構(gòu)研究較少，由于尾翼可調(diào)系統(tǒng)在機(jī)械，電子一體化以及對其控制的開發(fā)難度較大，且由于尾翼的加裝導(dǎo)致賽車側(cè)傾，側(cè)偏和不足轉(zhuǎn)向問題也制約著尾翼可調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展。所以設(shè)計(jì)一款能夠良好的實(shí)時(shí)調(diào)整尾翼各翼片攻角的可調(diào)系統(tǒng)急不可待。

二、尾翼攻角設(shè)計(jì)

尾翼主翼和襟翼均選擇mva227翼型，采用二段翼結(jié)構(gòu)。尾翼通過逐級增加定風(fēng)翼的角度誘導(dǎo)氣流，延后附面邊界層分離，保證了氣流穩(wěn)定的流過，并且尾翼襟翼安裝了作為翼型增升裝置的格尼襟翼，提高了賽車在側(cè)風(fēng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性以及賽車在低速狀況下制造下壓力的能力。

通過調(diào)整各項(xiàng)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)賽車在不同賽道工況下理想的空氣動力學(xué)性能，因此需設(shè)計(jì)多組攻角組合并保證下壓力大的同時(shí)阻力盡可能的小，即尋求升阻比最大的最優(yōu)解。

三、尾翼空氣動力學(xué)仿真與結(jié)果討論

本次空氣動力學(xué)套件通過starccm+進(jìn)行尾翼的仿真分析，根據(jù)實(shí)際比賽賽道以及賽車的特點(diǎn)，選擇入口風(fēng)速為20m/s，而網(wǎng)格大小及邊界層的設(shè)計(jì)通過邊界層計(jì)算器選取Y＋值為30進(jìn)行計(jì)算。

所選邊界類型有速度進(jìn)口，壓力出口、對稱面和壁面。為了使仿真更貼近實(shí)際，地面設(shè)置為滑移壁面，滑移速度為20m/s。將除地面外的其余壁面，均設(shè)計(jì)成對稱面，減少不必要計(jì)算資源的浪費(fèi)，節(jié)省時(shí)間。

所選計(jì)算域長度為尾翼的10倍，高度為翼行半寬的5倍，以此保證不會出現(xiàn)回流確保精度。

根據(jù)已有結(jié)論，在確保不失速的情況下，主翼經(jīng)分析角度確定為10°，根據(jù)往年經(jīng)驗(yàn)襟翼攻角大約為主翼的兩倍，又因?yàn)榻笠硐议L較大，根據(jù)整車的布置，襟翼的攻角最大為28°，因此在此區(qū)間內(nèi)尋找最優(yōu)解。

由結(jié)果可知，尾翼的最佳解為襟翼22°，此時(shí)對應(yīng)的升阻比最大，符合預(yù)期要求，此時(shí)為尾翼襟翼受力最大的情況，因此我們以此工況所對應(yīng)的結(jié)果為參考進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及舵機(jī)的選擇，確?？尚行砸约胺€(wěn)定性。

與此對應(yīng)的我們將襟翼布置盡可能的水平，此時(shí)分析的得到尾翼空氣阻力為37.842N，對于尾翼單個(gè)部件而言，整體空氣阻力下降了54.6%，有大幅度下降。

而為了驗(yàn)證襟翼攻角的變化對于整車空氣動力效應(yīng)的影響，對RISE-20c整車進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表示：當(dāng)尾翼襟翼近乎水平時(shí)，整車在風(fēng)速為20m/s的情況下，空氣阻力為209.7N，較初始整車空氣阻力256.1N下降了14.1%，取得較好的減阻效果。

四、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到角度變換的要求，選用的舵機(jī)應(yīng)滿足響應(yīng)速度快、力矩大、穩(wěn)定、可靠的基本要求。連桿與翼片之間采用剛性連接，各桿件之間采用鉸鏈連接。為了滿足襟翼角度變換所需最大扭矩，根據(jù)國內(nèi)外FSAE車隊(duì)的可調(diào)尾翼的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取堵轉(zhuǎn)扭矩3N.m，舵機(jī)型號為SM30BL，工作電壓12v，采用車載電池供電。

舵機(jī)外形尺寸54x28x40.1（mm），整體質(zhì)量96g，對整車影響較小。因?yàn)橐砥捎谬埞敲善そY(jié)構(gòu)，要把舵機(jī)設(shè)置在翼片內(nèi)部來達(dá)到角度變換的要求，不容易實(shí)現(xiàn)。因此將根據(jù)主翼與襟翼間的相對位置關(guān)系以及襟翼的運(yùn)動行程，設(shè)計(jì)一組連桿機(jī)構(gòu)來保證襟翼攻角的變化。連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要盡可能對空氣的流態(tài)影響小，減少對實(shí)際行車時(shí)對空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響，結(jié)構(gòu)要盡可能的小巧緊湊。舵機(jī)兩側(cè)雙耳圓孔設(shè)計(jì)，方便固定，因此舵機(jī)選取安裝位置位于端板內(nèi)側(cè)，襟翼正下方的位置。

為了盡可能減小舵機(jī)的尺寸，根據(jù)舵機(jī)堵轉(zhuǎn)扭矩的大小，并防止和梁翼干涉，驅(qū)動曲柄的長度不宜過長，因此初選驅(qū)動曲柄的長度為 50mm，舵機(jī)位于連桿和襟翼連接點(diǎn)正下方218mm處，通過作圖法，利用桿件間的相對位置關(guān)系，確定其他兩桿長度為 182.5mm和 50mm。因?yàn)樽疃虠U長度＋最長桿長度≤其余兩桿長度之和，同時(shí)固定桿為最短桿的鄰邊，因此該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，制作簡單，容易加工裝配。

舵機(jī)由駕駛員控制，在方向盤設(shè)一開關(guān)按鈕控制，根據(jù)賽道具體情況應(yīng)變，簡單易操縱，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)角度的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)尾翼襟翼角度的改變，達(dá)到我們的要求。

五、實(shí)際驗(yàn)證

打開電源開關(guān)，通過按鈕輸入信號控制機(jī)構(gòu)，襟翼被連桿機(jī)構(gòu)控制，旋轉(zhuǎn)22°，達(dá)到彎道所需狀態(tài)，再一次按下時(shí)，襟翼旋至水平，達(dá)到直道所需狀態(tài)。通過人工多次測試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，可以順利實(shí)現(xiàn)尾翼襟翼攻角快速變換，滿足我們的要求，基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)以及機(jī)構(gòu)的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)。

六、結(jié)論

本文基于上海工程技術(shù)大學(xué)20賽季油車RISE-20C整車以及其尾翼進(jìn)行整車流體仿真，根據(jù)仿真情況，確認(rèn)了尾翼攻角的最優(yōu)解。以最優(yōu)解為參考，完成了舵機(jī)的選型與設(shè)計(jì)，連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與桿長設(shè)計(jì)與校核。通過駕駛員根據(jù)賽道情況進(jìn)行自主操控，依靠方向盤上的按鈕輸出信號控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，從而能夠快速穩(wěn)定的使襟翼轉(zhuǎn)動所需角度，滿足所需要求。