论文部分内容阅读
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。
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.
关键词： 赛车;下压力;可调尾翼
Key words： racing car;downforce;adjustable tail
中图分类号：U471.23 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2021）17-0006-02
0 引言
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（Drag Reduction System，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ANSYS Flunte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ANSYS Flunte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。
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]。
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CATIA DMU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。
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。
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Ansys flunet仿真分析结果确定尾翼攻角数值，利用Catia DMU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。
参考文献：
[1]曾繁俊.电动赛车可调尾翼系统的研究[D].广东工业大学，2018（05）.
[2]邓召文.FSAE赛车可调尾翼控制系统样机开发[D].合肥工业大学，2016（04）.
[3]孙恒.机械原理[M].高等教育出版社，2013.
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.
关键词： 赛车;下压力;可调尾翼
Key words： racing car;downforce;adjustable tail
中图分类号：U471.23 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2021）17-0006-02
0 引言
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（Drag Reduction System，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ANSYS Flunte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ANSYS Flunte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。
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]。
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CATIA DMU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。
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。
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Ansys flunet仿真分析结果确定尾翼攻角数值，利用Catia DMU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。
参考文献：
[1]曾繁俊.电动赛车可调尾翼系统的研究[D].广东工业大学，2018（05）.
[2]邓召文.FSAE赛车可调尾翼控制系统样机开发[D].合肥工业大学，2016（04）.
[3]孙恒.机械原理[M].高等教育出版社，2013.