基于FSAE的DRS可調(diào)尾翼系統(tǒng)

林維政 伍文廣 王建 魯濤 劉星宇 王慧

摘 要：可調(diào)尾翼系統(tǒng)是一項提高賽車彎道操控性和直道極速能力的最新技術(shù)。本文設(shè)計了一套方便、高效、可靠的賽車可調(diào)尾翼系統(tǒng)。通過空氣動力學(xué)分析，計算出賽車尾翼在轉(zhuǎn)彎和直道最適合的攻角角度，然后通過51單片機電控系統(tǒng)和機械連桿裝置控制DRS尾翼的角度，能夠在適時的路段啟停DRS尾翼。在FSAE比賽中，當(dāng)DRS開啟時，大部分氣流從尾翼的開孔流出，因而下壓力減小，同時也減小空氣阻力，從而達(dá)到增加賽車直線速度的目的。當(dāng)賽車入彎，需要大抓地力時，車手關(guān)閉DRS，車尾下壓力增大，使得賽車安全過彎。通過DRS的適時的開啟與關(guān)閉，提高賽車的整體性能，獲得更大的直線加速度。

關(guān)鍵詞：DRS尾翼；空氣動力學(xué)；電控系統(tǒng)；機械裝置

引言

世界一級方程式大獎賽2011年新引入可調(diào)式尾翼Drag Reduction System（簡稱：DRS）[1]。但對DRS的使用做了明確規(guī)定，即在正賽中車手只能在FIA規(guī)則的賽道地區(qū)內(nèi)觸發(fā)DRS，并在抵達(dá)規(guī)則點之前將其關(guān)閉，并且當(dāng)后車與前車非常接近時（工夫差1S內(nèi)），后車可啟用DRS進行超車，此時前車不能啟用DRS進行防守[2]。此外，為了避免意外事故，開賽初兩圈以及安全車離開后兩圈內(nèi)禁用DRS。同時，使用雨胎或雨賽時必須關(guān)閉DRS。目前，國外各車隊正在積極研究DRS尾翼系統(tǒng)，國內(nèi)FSAE賽事方興未艾，國內(nèi)各車隊也正在研究符合賽制規(guī)則的DRS尾翼系統(tǒng)。

目前，汽車用可調(diào)尾翼技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用還處在初級階段，僅僅只有一些相對高級的超級跑車或賽車才裝備可調(diào)尾翼系統(tǒng)，以適應(yīng)汽車不同的行駛路況，增加汽車行駛時的操縱穩(wěn)定性和行駛安全性[2]。

本文設(shè)計了一種賽車可調(diào)尾翼系統(tǒng)，通過采集賽車的ECU數(shù)據(jù)，然后進行流體力學(xué)分析，得出賽車在彎道尾翼最適合的角度，基于51單片機編寫控制程序，通過舵機有效控制機械連桿裝置，從而控制賽車尾翼角度，達(dá)到賽車在直線時加速和在彎道時順利過彎的效果。本文的設(shè)計對校內(nèi)賽車的尾翼設(shè)計有很大的借鑒意義。

1.可調(diào)尾翼系統(tǒng)設(shè)計分析及框圖

1.1 系統(tǒng)框圖

空氣動力學(xué)分析計算出賽車轉(zhuǎn)彎時最合適的攻角，然后將計算數(shù)據(jù)通過編碼的方式寫入MCU，MCU連接舵機，舵機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度控制連桿機構(gòu)，從而帶動尾翼角度變化。如圖一所示。

1.2 尾翼系統(tǒng)設(shè)計分析

基于CFX軟件對FSAE賽車的車身進行CFD計算流體動力學(xué)分析，利用分析結(jié)果再結(jié)合空氣動力學(xué)知識設(shè)計合理的尾翼。賽車車身外流場的首要研究任務(wù)是通過試驗或者數(shù)值模擬研究獲得賽車行駛時賽車本身所受到的氣動力的變化，改善賽車的行駛性能。

湍流模型選標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是兩方程湍流模型中最具代表性的，同時也是工程中應(yīng)用最為普遍的模式[3]。算法采用 SIMPLE 算法，這種算法提出不久很快就成為計算不可壓流場的主要方法，隨后這一算法以及其后的各種改進方案成功的推廣到可壓縮流場計算中，已成為一種可以計算任何流速的流動的數(shù)值方法[4]。

車身三維模型采用 UG 軟件建立，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，在 Design Model 中建立車身外流場的計算域。

在 Mesh 中將車身外流場的計算域劃分網(wǎng)格，并在車身表面建立邊界層。網(wǎng)格劃分如圖2所示：

設(shè)置的邊界條件：

入口邊界：速度入口，由于軟件仿真設(shè)置模式為整車模型不運動，而模擬風(fēng)從入口吹入，故入口設(shè)置的氣體流速為車速，本模型入口速度設(shè)為 V=30m/s；

出口邊界：壓力出口，壓力出口位置通常取在模型流場無影響的位置，故出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強 1atm；

車身表面：固定壁面邊界條件；

計算域頂壁及側(cè)壁：固定壁面邊界條件；

計算域地面：移動壁面邊界條件，速度與入口速度相等為 30m/s。

尾翼壓力分布云圖軸測圖如圖3所示。

經(jīng)過優(yōu)化分析，設(shè)置不同的邊界條件，設(shè)計了賽車在高速過彎時和直道行駛時尾翼的角度組合。

直道行駛時主翼攻角為8度，第一襟翼為16度，第二襟翼32度，運算完成后，使用 CFD-post 查看結(jié)果。尾翼提供的阻力為 81.716N，升力為 -193.237N。

高速過彎時主翼攻角為8度，第一襟翼為32度，第二襟翼為64度。運算完成后，使用 CFD-post 查看結(jié)果。尾翼提供的阻力為 161.324N，升力為 -483.225N。尾翼模型如圖4所示。

當(dāng)賽車直道行駛的時候使用直道尾翼模型，進入彎道后由賽車手開啟DRS系統(tǒng)進入彎道尾翼模型。增大賽車過彎穩(wěn)定性，提升賽車成績。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1電控系統(tǒng)部分

考慮到系統(tǒng)上車的性價比和小型化，電控部分采用51系列單片機作為主控芯片，因為考慮賽車體積問題，所以電控系統(tǒng)盡量做到體積小，所以采用宏晶單片機公司生產(chǎn)的STC89C52貼片式單片機，車載電源是12V，所以需要12V轉(zhuǎn)5V電能轉(zhuǎn)換模塊給單片機系統(tǒng)提供電源。電源轉(zhuǎn)換模塊采用LT1085芯片。LT1085可在低至1V的壓差條件下運作， 輸出電流在3A，滿足舵機所需驅(qū)動電流。電源轉(zhuǎn)換模塊如圖5所示。

用51單片機P2.7口輸出PWM波控制舵機的角度變化。通過力學(xué)分析，選用DS3120舵機，扭矩為20kg ？cm，足夠驅(qū)動機械連桿裝置，并有一定防水功能，當(dāng)賽車在雨天工作的時候，能夠保證電控系統(tǒng)的穩(wěn)定。電控系統(tǒng)PCB圖如圖6所示，S2與S3分別是對應(yīng)DRS尾翼啟停的電氣按鍵。當(dāng)賽車進入彎道時，為了防止側(cè)滑，開啟DRS，當(dāng)在直線賽道時關(guān)閉DRS可以減少賽車的行車空氣阻力，從而使賽車可以達(dá)到更高的速度。

單片機P2.7口輸出控制舵機的PWM波，DS3120舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0-180度，呈線性變化。控制信號和對應(yīng)的控制角度如圖7所示。

3.2機械裝置部分

機械連桿裝置如圖8所示，當(dāng)賽車進入彎道后，開啟DRS，舵機帶動連桿機構(gòu)調(diào)整第一和第二襟翼進入彎道模式角度。

3.軟件設(shè)計

單片機使用12MHZ晶振，使用T0定時器T1中斷，精確計算出PWM波的占空比，給T0定時器賦初值，通過中斷程序?qū)崿F(xiàn)PWM波的輸出，從而控制舵機的角度。圖9所示為定時器中斷程序。

4.實驗結(jié)論

本項目分析是針對于長沙理工大學(xué)FSAE 方程式賽車的尾翼外流場數(shù)值模擬和可調(diào)尾翼系統(tǒng)的設(shè)計。主要為了保證整車的空氣動力學(xué)性能，提升賽車整體性能。通過運用ANSYS Workbench、 ICEM CFD、等這些軟件比較真實的模擬出了整車行駛時的空氣流動情況，將空氣對整車的作用用數(shù)值或圖片表示出了，并設(shè)計了兩種模式的尾翼系統(tǒng)，結(jié)果真實度較高，成本低廉、費時少。本次設(shè)計得出的一些結(jié)論及數(shù)據(jù)對長沙理工大學(xué) FSAE 方程式賽車的尾翼設(shè)計有著積極的影響。

參考文獻：

[1]倪俊，吳志成，陳思忠.尾翼攻角變化對方程式賽車性能影響的虛擬試驗[J].機械設(shè)計與研究，2012，28（2）.

[2]中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則委員會.中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則（2013）[M]，2013.

[3]曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社.2004.

[4]余志生. 汽車?yán)碚?5 版[M].北京：機械工業(yè)出版社.2009.

[5]張英朝.汽車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社.2011.

[6]唐家鵬.FLUENT 14.0 超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社.2013.

[7]傅立敏.汽車空氣動力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社.1998.

[8]陳志旺，陳志茹，閻巍山等. 51系列單片機系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M]. 北京：電子工業(yè)出社，2010.