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(xiàng)提高賽車(chē)彎道操控性和直道極速能力的最新技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了一套方便、高效、可靠的賽車(chē)可調(diào)尾翼系統(tǒng)。通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出賽車(chē)尾翼在轉(zhuǎn)彎和直道最適合的攻角角度，然后通過(guò)51單片機(jī)電控系統(tǒng)和機(jī)械連桿裝置控制DRS尾翼的角度，能夠在適時(shí)的路段啟停DRS尾翼。在FSAE比賽中，當(dāng)DRS開(kāi)啟時(shí)，大部分氣流從尾翼的開(kāi)孔流出，因而下壓力減小，同時(shí)也減小空氣阻力，從而達(dá)到增加賽車(chē)直線速度的目的。當(dāng)賽車(chē)入彎，需要大抓地力時(shí)，車(chē)手關(guān)閉DRS，車(chē)尾下壓力增大，使得賽車(chē)安全過(guò)彎。通過(guò)DRS的適時(shí)的開(kāi)啟與關(guān)閉，提高賽車(chē)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(dòng)力學(xué)；電控系統(tǒng)；機(jī)械裝置

引言

世界一級(jí)方程式大獎(jiǎng)賽2011年新引入可調(diào)式尾翼Drag Reduction System（簡(jiǎn)稱：DRS）[1]。但對(duì)DRS的使用做了明確規(guī)定，即在正賽中車(chē)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(diǎn)之前將其關(guān)閉，并且當(dāng)后車(chē)與前車(chē)非常接近時(shí)（工夫差1S內(nèi)），后車(chē)可啟用DRS進(jìn)行超車(chē)，此時(shí)前車(chē)不能啟用DRS進(jìn)行防守[2]。此外，為了避免意外事故，開(kāi)賽初兩圈以及安全車(chē)離開(kāi)后兩圈內(nèi)禁用DRS。同時(shí)，使用雨胎或雨賽時(shí)必須關(guān)閉DRS。目前，國(guó)外各車(chē)隊(duì)正在積極研究DRS尾翼系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)FSAE賽事方興未艾，國(guó)內(nèi)各車(chē)隊(duì)也正在研究符合賽制規(guī)則的DRS尾翼系統(tǒng)。

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

本文設(shè)計(jì)了一種賽車(chē)可調(diào)尾翼系統(tǒng)，通過(guò)采集賽車(chē)的ECU數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行流體力學(xué)分析，得出賽車(chē)在彎道尾翼最適合的角度，基于51單片機(jī)編寫(xiě)控制程序，通過(guò)舵機(jī)有效控制機(jī)械連桿裝置，從而控制賽車(chē)尾翼角度，達(dá)到賽車(chē)在直線時(shí)加速和在彎道時(shí)順利過(guò)彎的效果。本文的設(shè)計(jì)對(duì)校內(nèi)賽車(chē)的尾翼設(shè)計(jì)有很大的借鑒意義。

1.可調(diào)尾翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析及框圖

1.1 系統(tǒng)框圖

空氣動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算出賽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)最合適的攻角，然后將計(jì)算數(shù)據(jù)通過(guò)編碼的方式寫(xiě)入MCU，MCU連接舵機(jī)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度控制連桿機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)尾翼角度變化。如圖一所示。

1.2 尾翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

基于CFX軟件對(duì)FSAE賽車(chē)的車(chē)身進(jìn)行CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析，利用分析結(jié)果再結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)合理的尾翼。賽車(chē)車(chē)身外流場(chǎng)的首要研究任務(wù)是通過(guò)試驗(yàn)或者數(shù)值模擬研究獲得賽車(chē)行駛時(shí)賽車(chē)本身所受到的氣動(dòng)力的變化，改善賽車(chē)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(shí)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(jì)算不可壓流場(chǎng)的主要方法，隨后這一算法以及其后的各種改進(jìn)方案成功的推廣到可壓縮流場(chǎng)計(jì)算中，已成為一種可以計(jì)算任何流速的流動(dòng)的數(shù)值方法[4]。

車(chē)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(chē)身外流場(chǎng)的計(jì)算域。

在 Mesh 中將車(chē)身外流場(chǎng)的計(jì)算域劃分網(wǎng)格，并在車(chē)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(chē)模型不運(yùn)動(dòng)，而模擬風(fēng)從入口吹入，故入口設(shè)置的氣體流速為車(chē)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(chǎng)無(wú)影響的位置，故出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng) 1atm；

車(chē)身表面：固定壁面邊界條件；

計(jì)算域頂壁及側(cè)壁：固定壁面邊界條件；

計(jì)算域地面：移動(dòng)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(cè)圖如圖3所示。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析，設(shè)置不同的邊界條件，設(shè)計(jì)了賽車(chē)在高速過(guò)彎時(shí)和直道行駛時(shí)尾翼的角度組合。

直道行駛時(shí)主翼攻角為8度，第一襟翼為16度，第二襟翼32度，運(yùn)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(guò)彎時(shí)主翼攻角為8度，第一襟翼為32度，第二襟翼為64度。運(yùn)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(chē)直道行駛的時(shí)候使用直道尾翼模型，進(jìn)入彎道后由賽車(chē)手開(kāi)啟DRS系統(tǒng)進(jìn)入彎道尾翼模型。增大賽車(chē)過(guò)彎穩(wěn)定性，提升賽車(chē)成績(jī)。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1電控系統(tǒng)部分

考慮到系統(tǒng)上車(chē)的性價(jià)比和小型化，電控部分采用51系列單片機(jī)作為主控芯片，因?yàn)榭紤]賽車(chē)體積問(wèn)題，所以電控系統(tǒng)盡量做到體積小，所以采用宏晶單片機(jī)公司生產(chǎn)的STC89C52貼片式單片機(jī)，車(chē)載電源是12V，所以需要12V轉(zhuǎn)5V電能轉(zhuǎn)換模塊給單片機(jī)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(yùn)作， 輸出電流在3A，滿足舵機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電流。電源轉(zhuǎn)換模塊如圖5所示。

用51單片機(jī)P2.7口輸出PWM波控制舵機(jī)的角度變化。通過(guò)力學(xué)分析，選用DS3120舵機(jī)，扭矩為20kg ？cm，足夠驅(qū)動(dòng)機(jī)械連桿裝置，并有一定防水功能，當(dāng)賽車(chē)在雨天工作的時(shí)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(duì)應(yīng)DRS尾翼啟停的電氣按鍵。當(dāng)賽車(chē)進(jìn)入彎道時(shí)，為了防止側(cè)滑，開(kāi)啟DRS，當(dāng)在直線賽道時(shí)關(guān)閉DRS可以減少賽車(chē)的行車(chē)空氣阻力，從而使賽車(chē)可以達(dá)到更高的速度。

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

3.2機(jī)械裝置部分

機(jī)械連桿裝置如圖8所示，當(dāng)賽車(chē)進(jìn)入彎道后，開(kāi)啟DRS，舵機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整第一和第二襟翼進(jìn)入彎道模式角度。

3.軟件設(shè)計(jì)

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

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本項(xiàng)目分析是針對(duì)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)FSAE 方程式賽車(chē)的尾翼外流場(chǎng)數(shù)值模擬和可調(diào)尾翼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要為了保證整車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能，提升賽車(chē)整體性能。通過(guò)運(yùn)用ANSYS Workbench、 ICEM CFD、等這些軟件比較真實(shí)的模擬出了整車(chē)行駛時(shí)的空氣流動(dòng)情況，將空氣對(duì)整車(chē)的作用用數(shù)值或圖片表示出了，并設(shè)計(jì)了兩種模式的尾翼系統(tǒng)，結(jié)果真實(shí)度較高，成本低廉、費(fèi)時(shí)少。本次設(shè)計(jì)得出的一些結(jié)論及數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)沙理工大學(xué) FSAE 方程式賽車(chē)的尾翼設(shè)計(jì)有著積極的影響。

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