FSAE可調尾翼結構設計及控制

陳新毅 丁宏坤 潘鴻吉 李未

摘要： 中國大學生方程式汽車大賽賽道復雜，為了提高車速以及更好的操縱穩定性，以長春大學FCC車隊參賽車為樣車，設計可調式尾翼，以保證賽車在不同賽道上，控制尾翼做出相應調整。試驗證明，該設計有效提高參賽車在不同賽道上的速度。該DRS結構設計對FSAE賽車有一定的應用價值。

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.

關鍵詞： 賽車;下壓力;可調尾翼

Key words： racing car;downforce;adjustable tail

中圖分類號：U471.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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定性，國內外的F1賽車多使用空氣動力學套件，以提供額外的下壓力來提升過彎能力，其中賽車尾翼貢獻量最大，能為賽車提供35%-45%的下壓力。但是，傳統尾翼的襟翼攻角組合固定，無法改變，不能隨著復雜的賽道變化而獲得最佳的氣動參數。

為了提高長春大學FCC車隊參賽車的車速，本項目設計了可調式尾翼（Drag Reduction System，以下簡稱DRS）。該結構將簡單機械聯動機構與電機控制相結合，針對不同賽道，通過方向盤上按鈕實現尾翼角度變化，有效降低直線賽道上的空氣阻力，提高車速。

本機構采用碳纖維桿作為結構件，利用步進電機執行驅動，在方向盤處設置按鍵，在使用中只需根據賽道需求按鍵調整，操作簡單，尾翼攻角調整反應速度快，精度高，能夠提高賽車跑動速度。因此，該可調尾翼結構設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進行ANSYS Flunte有限元分析。[2]

本文使用 ICEM 軟件當中的 Robust 方法生成四面體網格。在網格生成之后，針對對畸變率較大的網格進行重新劃分或者調整，最終的網格數量在 169 萬左右。在進行ANSYS Flunte分析時，部分結構選用的是低雷諾數的 SST-ω 模型、采用K-omega算法。

根據表1的數據可以看出，尾翼選擇組合三的狀態時負升力值最大，阻力值最大，選擇組合四的狀態時負升力值最小，阻力也是最小。考慮賽道特點，在直線加速賽道時以降低空氣阻力提高車速為目標，在耐久賽道時彎道較多以增加負升力提高操縱穩定性為目標，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? 可調尾翼控制機構設計

2.1 步進電機的選擇

考慮到賽車在賽事進行中需要頻繁的加減速電機需承受較大的力，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。伺服電機通常被稱作舵機（如圖3），其為帶有輸出軸的小裝置。當向伺服器發送一控制信號時，輸出軸就可轉到特定的位置。舵機有內置的控制電路，其尺寸小，但輸出力大。同時，舵機消耗的能量與機械負荷成正比，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選型以及執行機構強度校核的依據。為保證安全，選擇60KG電機，利用步進電機來實現推動作用，通過電動機帶動花鍵旋轉使各部件完成相應動作。

2.2 執行機構設計

根據各翼片之間的相對位置和襟翼運動行程，需要設計2組四連桿機構來驅動整個裝置的運動。電機為驅動部分，連接主翼與第1襟翼，其作用是將電機產生的力矩傳遞給后面的翼片機構;第2組連接2片襟翼，其作用是保證2片襟翼協調運動，并保證第1襟翼和第2襟翼同時運動。為了減小機構尺寸，優化結構，尤其是避免出現死點等現象[3]，利用CATIA DMU仿真對四連桿機構進行運動校核，確定四連桿機構各桿長度分別為：

AB=30mm，BD=149mm，CD=20mm，DE=19mm，ED=128mm。

因此，可調尾翼控制結構桿件尺寸與位置如圖4所示。A點電機輸出軸，CD處襟翼一旋轉軸，F處襟翼二旋轉軸。

3? 實車測試

選用碳纖維桿來制作上述機構，并安裝舵機在主翼上。按照組合三的尾翼攻角數值，制作尾翼并安裝，根據可調尾翼控制機構的運動要求設置舵機的脈沖寬度，實車機構如圖5和圖6所示。

最終進行實車跑動測試的結果如表2所示。可以看出，在可調尾翼打開時，直線加速時間有了明顯提升，可調尾翼關閉時，耐久賽道的操縱穩定性有了較好保證。說明尾翼攻角設計合理，而且操縱機構反應迅速，能夠適合不同賽道，提高比賽成績。

4? 結語

本文設計的可調尾翼結構，可以通過按鍵進行運動，操縱方便，易于調整。結合Ansys flunet仿真分析結果確定尾翼攻角數值，利用Catia DMU進行操縱機構設計，避免死點產生，保證機構順利工作。

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。

參考文獻：

[1]曾繁俊.電動賽車可調尾翼系統的研究[D].廣東工業大學，2018（05）.

[2]鄧召文.FSAE賽車可調尾翼控制系統樣機開發[D].合肥工業大學，2016（04）.

[3]孫恒.機械原理[M].高等教育出版社，2013.