FSAE可調(diào)尾翼結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制

陳新毅 丁宏坤 潘鴻吉 李未

摘要： 中國大學(xué)生方程式汽車大賽賽道復(fù)雜，為了提高車速以及更好的操縱穩(wěn)定性，以長春大學(xué)FCC車隊參賽車為樣車，設(shè)計可調(diào)式尾翼，以保證賽車在不同賽道上，控制尾翼做出相應(yīng)調(diào)整。試驗證明，該設(shè)計有效提高參賽車在不同賽道上的速度。該DRS結(jié)構(gòu)設(shè)計對FSAE賽車有一定的應(yīng)用價值。

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;下壓力;可調(diào)尾翼

Key words： racing car;downforce;adjustable tail

中圖分類號：U471.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0006-02

0? 引言

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

為了提高長春大學(xué)FCC車隊參賽車的車速，本項目設(shè)計了可調(diào)式尾翼（Drag Reduction System，以下簡稱DRS）。該結(jié)構(gòu)將簡單機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)與電機(jī)控制相結(jié)合，針對不同賽道，通過方向盤上按鈕實現(xiàn)尾翼角度變化，有效降低直線賽道上的空氣阻力，提高車速。

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，在方向盤處設(shè)置按鍵，在使用中只需根據(jù)賽道需求按鍵調(diào)整，操作簡單，尾翼攻角調(diào)整反應(yīng)速度快，精度高，能夠提高賽車跑動速度。因此，該可調(diào)尾翼結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。

1? 基于有限元分析的尾翼攻角組合選擇

本文以長春大學(xué)FCC車隊參賽車為試驗樣車，該賽車尾翼為多翼片疊加布局設(shè)計，由主翼，襟翼一和襟翼二組成。無論是在襄陽賽道還是珠海賽道，其實際行駛速度范圍為40-70km/h。由于車速越高，空氣阻力越大，因此以車速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，針對對畸變率較大的網(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 萬左右。在進(jìn)行ANSYS Flunte分析時，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)時負(fù)升力值最大，阻力值最大，選擇組合四的狀態(tài)時負(fù)升力值最小，阻力也是最小?？紤]賽道特點，在直線加速賽道時以降低空氣阻力提高車速為目標(biāo)，在耐久賽道時彎道較多以增加負(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

2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇

考慮到賽車在賽事進(jìn)行中需要頻繁的加減速電機(jī)需承受較大的力，對輸出力矩大小有一定的要求，綜上所述，選擇了具有瞬時啟動和瞬時停止的伺服電機(jī)。伺服電機(jī)通常被稱作舵機(jī)（如圖3），其為帶有輸出軸的小裝置。當(dāng)向伺服器發(fā)送一控制信號時，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，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)來實現(xiàn)推動作用，通過電動機(jī)帶動花鍵旋轉(zhuǎn)使各部件完成相應(yīng)動作。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)各翼片之間的相對位置和襟翼運動行程，需要設(shè)計2組四連桿機(jī)構(gòu)來驅(qū)動整個裝置的運動。電機(jī)為驅(qū)動部分，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)運動，并保證第1襟翼和第2襟翼同時運動。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)死點等現(xiàn)象[3]，利用CATIA DMU仿真對四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動校核，確定四連桿機(jī)構(gòu)各桿長度分別為：

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? 實車測試

選用碳纖維桿來制作上述機(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)的運動要求設(shè)置舵機(jī)的脈沖寬度，實車機(jī)構(gòu)如圖5和圖6所示。

最終進(jìn)行實車跑動測試的結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在可調(diào)尾翼打開時，直線加速時間有了明顯提升，可調(diào)尾翼關(guān)閉時，耐久賽道的操縱穩(wěn)定性有了較好保證。說明尾翼攻角設(shè)計合理，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。

4? 結(jié)語

本文設(shè)計的可調(diào)尾翼結(jié)構(gòu)，可以通過按鍵進(jìn)行運動，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，避免死點產(chǎn)生，保證機(jī)構(gòu)順利工作。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]曾繁俊.電動賽車可調(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賽車可調(diào)尾翼控制系統(tǒng)樣機(jī)開發(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.