FSAE可调尾翼结构设计及控制分析

2021-09-07 258 上传者：管理员

摘要：中国大学生方程式汽车大赛赛道复杂,为了提高车速以及更好的操纵稳定性,以长春大学FCC车队参赛车为样车,设计可调式尾翼,以保证赛车在不同赛道上,控制尾翼做出相应调整。试验证明,该设计有效提高参赛车在不同赛道上的速度。该DRS结构设计对FSAE赛车有一定的应用价值。

关键词：
下压力
可调尾翼
结构设计
赛车
加入收藏

为提高赛车车速以及更好的操纵稳定性，国内外的F1赛车多使用空气动力学套件，以提供额外的下压力来提升过弯能力，其中赛车尾翼贡献量最大，能为赛车提供35%-45%的下压力。但是，传统尾翼的襟翼攻角组合固定，无法改变，不能随着复杂的赛道变化而获得最佳的气动参数。

为了提高长春大学FCC车队参赛车的车速，本项目设计了可调式尾翼（DragReductionSystem，以下简称DRS）。该结构将简单机械联动机构与电机控制相结合，针对不同赛道，通过方向盘上按钮实现尾翼角度变化，有效降低直线赛道上的空气阻力，提高车速。

本机构采用碳纤维杆作为结构件，利用步进电机执行驱动，在方向盘处设置按键，在使用中只需根据赛道需求按键调整，操作简单，尾翼攻角调整反应速度快，精度高，能够提高赛车跑动速度。因此，该可调尾翼结构设计具有一定的参考价值。

1、基于有限元分析的尾翼攻角组合选择

本文以长春大学FCC车队参赛车为试验样车，该赛车尾翼为多翼片叠加布局设计，由主翼，襟翼一和襟翼二组成。无论是在襄阳赛道还是珠海赛道，其实际行驶速度范围为40-70km/h。由于车速越高，空气阻力越大，因此以车速70km/h为分析工况，以尾翼攻角为分析变量，以获得最大下压力为目标进行ANSYSFlunte有限元分析。[2]

本文使用ICEM软件当中的Robust方法生成四面体网格。在网格生成之后，针对对畸变率较大的网格进行重新划分或者调整，最终的网格数量在169万左右。在进行ANSYSFlunte分析时，部分结构选用的是低雷诺数的SST-ω模型、采用K-omega算法。

根据表1的数据可以看出，尾翼选择组合三的状态时负升力值最大，阻力值最大，选择组合四的状态时负升力值最小，阻力也是最小。考虑赛道特点，在直线加速赛道时以降低空气阻力提高车速为目标，在耐久赛道时弯道较多以增加负升力提高操纵稳定性为目标，因此，耐久赛道选择组合三，加速赛道选择组合四，组合三和四的压力云图如图1、图2所示。

表1不同尾翼攻角下的空气动力学参数

图1尾翼组合三表面压力云图

2、可调尾翼控制机构设计

2.1步进电机的选择

考虑到赛车在赛事进行中需要频繁的加减速电机需承受较大的力，对输出力矩大小有一定的要求，综上所述，选择了具有瞬时启动和瞬时停止的伺服电机。伺服电机通常被称作舵机（如图3），其为带有输出轴的小装置。当向伺服器发送一控制信号时，输出轴就可转到特定的位置。舵机有内置的控制电路，其尺寸小，但输出力大。同时，舵机消耗的能量与机械负荷成正比，故不需消耗太多能量[1]。

图2尾翼组合四表面压力云图

图3所选舵机实物图

由分析可知，尾翼组合三情况下受力最大，因此以该工况为电机选型以及执行机构强度校核的依据。为保证安全，选择60KG电机，利用步进电机来实现推动作用，通过电动机带动花键旋转使各部件完成相应动作。

2.2执行机构设计

根据各翼片之间的相对位置和襟翼运动行程，需要设计2组四连杆机构来驱动整个装置的运动。电机为驱动部分，连接主翼与第1襟翼，其作用是将电机产生的力矩传递给后面的翼片机构；第2组连接2片襟翼，其作用是保证2片襟翼协调运动，并保证第1襟翼和第2襟翼同时运动。为了减小机构尺寸，优化结构，尤其是避免出现死点等现象[3]，利用CATIADMU仿真对四连杆机构进行运动校核，确定四连杆机构各杆长度分别为：

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

因此，可调尾翼控制结构杆件尺寸与位置如图4所示。A点电机输出轴，CD处襟翼一旋转轴，F处襟翼二旋转轴。

3、实车测试

选用碳纤维杆来制作上述机构，并安装舵机在主翼上。按照组合三的尾翼攻角数值，制作尾翼并安装，根据可调尾翼控制机构的运动要求设置舵机的脉冲宽度，实车机构如图5和图6所示。

图4DRS控制机构尺寸

图5DRS机构组合三位置

图6DRS机构组合四位置

最终进行实车跑动测试的结果如表2所示。可以看出，在可调尾翼打开时，直线加速时间有了明显提升，可调尾翼关闭时，耐久赛道的操纵稳定性有了较好保证。说明尾翼攻角设计合理，而且操纵机构反应迅速，能够适合不同赛道，提高比赛成绩。

表2实车测试结果

4、结语

本文设计的可调尾翼结构，可以通过按键进行运动，操纵方便，易于调整。结合Ansysflunet仿真分析结果确定尾翼攻角数值，利用CatiaDMU进行操纵机构设计，避免死点产生，保证机构顺利工作。

由于作者水平与时间的因素，仍未解决美观的问题，放置于主翼上方显得过于臃肿，仍有待改进。