智能車身尾翼控制機構研究

張俞飛 李傳昌 上海工程技術大學

一、設計背景

國內關于可調尾翼控制機構研究較少，由于尾翼可調系統在機械，電子一體化以及對其控制的開發難度較大，且由于尾翼的加裝導致賽車側傾，側偏和不足轉向問題也制約著尾翼可調系統的發展。所以設計一款能夠良好的實時調整尾翼各翼片攻角的可調系統急不可待。

二、尾翼攻角設計

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

通過調整各項系數，實現賽車在不同賽道工況下理想的空氣動力學性能，因此需設計多組攻角組合并保證下壓力大的同時阻力盡可能的小，即尋求升阻比最大的最優解。

三、尾翼空氣動力學仿真與結果討論

本次空氣動力學套件通過starccm+進行尾翼的仿真分析，根據實際比賽賽道以及賽車的特點，選擇入口風速為20m/s，而網格大小及邊界層的設計通過邊界層計算器選取Y＋值為30進行計算。

所選邊界類型有速度進口，壓力出口、對稱面和壁面。為了使仿真更貼近實際，地面設置為滑移壁面，滑移速度為20m/s。將除地面外的其余壁面，均設計成對稱面，減少不必要計算資源的浪費，節省時間。

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

根據已有結論，在確保不失速的情況下，主翼經分析角度確定為10°，根據往年經驗襟翼攻角大約為主翼的兩倍，又因為襟翼弦長較大，根據整車的布置，襟翼的攻角最大為28°，因此在此區間內尋找最優解。

由結果可知，尾翼的最佳解為襟翼22°，此時對應的升阻比最大，符合預期要求，此時為尾翼襟翼受力最大的情況，因此我們以此工況所對應的結果為參考進行執行機構的設計以及舵機的選擇，確保可行性以及穩定性。

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

而為了驗證襟翼攻角的變化對于整車空氣動力效應的影響，對RISE-20c整車進行仿真。仿真結果表示：當尾翼襟翼近乎水平時，整車在風速為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、執行機構設計

為了滿足能夠在短時間內達到角度變換的要求，選用的舵機應滿足響應速度快、力矩大、穩定、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，根據國內外FSAE車隊的可調尾翼的設計經驗，選取堵轉扭矩3N.m，舵機型號為SM30BL，工作電壓12v，采用車載電池供電。

舵機外形尺寸54x28x40.1（mm），整體質量96g，對整車影響較小。因為翼片采用龍骨蒙皮結構，要把舵機設置在翼片內部來達到角度變換的要求，不容易實現。因此將根據主翼與襟翼間的相對位置關系以及襟翼的運動行程，設計一組連桿機構來保證襟翼攻角的變化。連桿機構的設計要盡可能對空氣的流態影響小，減少對實際行車時對空氣動力學效應的影響，結構要盡可能的小巧緊湊。舵機兩側雙耳圓孔設計，方便固定，因此舵機選取安裝位置位于端板內側，襟翼正下方的位置。

為了盡可能減小舵機的尺寸，根據舵機堵轉扭矩的大小，并防止和梁翼干涉，驅動曲柄的長度不宜過長，因此初選驅動曲柄的長度為 50mm，舵機位于連桿和襟翼連接點正下方218mm處，通過作圖法，利用桿件間的相對位置關系，確定其他兩桿長度為 182.5mm和 50mm。因為最短桿長度＋最長桿長度≤其余兩桿長度之和，同時固定桿為最短桿的鄰邊，因此該機構為曲柄搖桿機構，制作簡單，容易加工裝配。

舵機由駕駛員控制，在方向盤設一開關按鈕控制，根據賽道具體情況應變，簡單易操縱，實現機構角度的轉變，從而實現尾翼襟翼角度的改變，達到我們的要求。

五、實際驗證

打開電源開關，通過按鈕輸入信號控制機構，襟翼被連桿機構控制，旋轉22°，達到彎道所需狀態，再一次按下時，襟翼旋至水平，達到直道所需狀態。通過人工多次測試，驗證了該系統能夠穩定工作，可以順利實現尾翼襟翼攻角快速變換，滿足我們的要求，基本實現系統以及機構的最初設計目標。

六、結論

本文基于上海工程技術大學20賽季油車RISE-20C整車以及其尾翼進行整車流體仿真，根據仿真情況，確認了尾翼攻角的最優解。以最優解為參考，完成了舵機的選型與設計，連桿機構的結構與桿長設計與校核。通過駕駛員根據賽道情況進行自主操控，依靠方向盤上的按鈕輸出信號控制舵機轉動，從而能夠快速穩定的使襟翼轉動所需角度，滿足所需要求。