基于FSAE的DRS可调尾翼系统

摘 要：可调尾翼系统是一项提高赛车弯道操控性和直道极速能力的最新技术。本文设计了一套方便、高效、可靠的赛车可调尾翼系统。通过空气动力学分析，计算出赛车尾翼在转弯和直道最适合的攻角角度，然后通过51单片机电控系统和机械连杆装置控制DRS尾翼的角度，能够在适时的路段启停DRS尾翼。在FSAE比赛中，当DRS开启时，大部分气流从尾翼的开孔流出，因而下压力减小，同时也减小空气阻力，从而达到增加赛车直线速度的目的。当赛车入弯，需要大抓地力时，车手关闭DRS，车尾下压力增大，使得赛车安全过弯。通过DRS的适时的开启与关闭，提高赛车的整体性能，获得更大的直线加速度。

关键词：DRS尾翼；空气动力学；电控系统；机械装置

引言

世界一级方程式大奖赛2011年新引入可调式尾翼Drag Reduction System（简称：DRS）[1]。但对DRS的使用做了明确规定，即在正赛中车手只能在FIA规则的赛道地区内触发DRS，并在抵达规则点之前将其关闭，并且当后车与前车非常接近时（工夫差1S内），后车可启用DRS进行超车，此时前车不能启用DRS进行防守[2]。此外，为了避免意外事故，开赛初两圈以及安全车离开后两圈内禁用DRS。同时，使用雨胎或雨赛时必须关闭DRS。目前，国外各车队正在积极研究DRS尾翼系统，国内FSAE赛事方兴未艾，国内各车队也正在研究符合赛制规则的DRS尾翼系统。

目前，汽车用可调尾翼技术的发展和应用还处在初级阶段，仅仅只有一些相对高级的超级跑车或赛车才装备可调尾翼系统，以适应汽车不同的行驶路况，增加汽车行驶时的操纵稳定性和行驶安全性[2]。

本文设计了一种赛车可调尾翼系统，通过采集赛车的ECU数据，然后进行流体力学分析，得出赛车在弯道尾翼最适合的角度，基于51单片机编写控制程序，通过舵机有效控制机械连杆装置，从而控制赛车尾翼角度，达到赛车在直线时加速和在弯道时顺利过弯的效果。本文的设计对校内赛车的尾翼设计有很大的借鉴意义。

1.可调尾翼系统设计分析及框图

1.1 系统框图

空气动力学分析计算出赛车转弯时最合适的攻角，然后将计算数据通过编码的方式写入MCU，MCU连接舵机，舵机转动相应的角度控制连杆机构，从而带动尾翼角度变化。如图一所示。

1.2 尾翼系统设计分析

基于CFX软件对FSAE赛车的车身进行CFD计算流体动力学分析，利用分析结果再结合空气动力学知识设计合理的尾翼。赛车车身外流场的首要研究任务是通过试验或者数值模拟研究获得赛车行驶时赛车本身所受到的气动力的变化，改善赛车的行驶性能。

湍流模型选标准 k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是两方程湍流模型中最具代表性的，同时也是工程中应用最为普遍的模式[3]。算法采用 SIMPLE 算法，这种算法提出不久很快就成为计算不可压流场的主要方法，随后这一算法以及其后的各种改进方案成功的推广到可压缩流场计算中，已成为一种可以计算任何流速的流动的数值方法[4]。

车身三维模型采用 UG 软件建立，然后导入ANSYS Workbench 中，在 Design Model 中建立车身外流场的计算域。

在 Mesh 中将车身外流场的计算域划分网格，并在车身表面建立边界层。网格划分如图2所示：

设置的边界条件：

入口边界：速度入口，由于软件仿真设置模式为整车模型不运动，而模拟风从入口吹入，故入口设置的气体流速为车速，本模型入口速度设为 V=30m/s；

出口边界：压力出口，压力出口位置通常取在模型流场无影响的位置，故出口压力为标准大气压强 1atm；

车身表面：固定壁面边界条件；

计算域顶壁及侧壁：固定壁面边界条件；

计算域地面：移动壁面边界条件，速度与入口速度相等为 30m/s。

尾翼压力分布云图轴测图如图3所示。

经过优化分析，设置不同的边界条件，设计了赛车在高速过弯时和直道行驶时尾翼的角度组合。

直道行驶时主翼攻角为8度，第一襟翼为16度，第二襟翼32度，运算完成后，使用 CFD-post 查看结果。尾翼提供的阻力为 81.716N，升力为 -193.237N。

高速过弯时主翼攻角为8度，第一襟翼为32度，第二襟翼为64度。运算完成后，使用 CFD-post 查看结果。尾翼提供的阻力为 161.324N，升力为 -483.225N。尾翼模型如图4所示。

当赛车直道行驶的时候使用直道尾翼模型，进入弯道后由赛车手开启DRS系统进入弯道尾翼模型。增大赛车过弯稳定性，提升赛车成绩。

3.系统硬件设计

3.1电控系统部分

考虑到系统上车的性价比和小型化，电控部分采用51系列单片机作为主控芯片，因为考虑赛车体积问题，所以电控系统尽量做到体积小，所以采用宏晶单片机公司生产的STC89C52贴片式单片机，车载电源是12V，所以需要12V转5V电能转换模块给单片机系统提供电源。电源转换模块采用LT1085芯片。LT1085可在低至1V的压差条件下运作， 输出电流在3A，满足舵机所需驱动电流。电源转换模块如图5所示。

用51单片机P2.7口输出PWM波控制舵机的角度变化。通过力学分析，选用DS3120舵机，扭矩为20kg ？cm，足够驱动机械连杆装置，并有一定防水功能，当赛车在雨天工作的时候，能够保证电控系统的稳定。电控系统PCB图如图6所示，S2与S3分别是对应DRS尾翼启停的电气按键。当赛车进入弯道时，为了防止侧滑，开启DRS，当在直线赛道时关闭DRS可以减少赛车的行车空气阻力，从而使赛车可以达到更高的速度。

单片机P2.7口输出控制舵机的PWM波，DS3120舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。控制信号和对应的控制角度如图7所示。

3.2机械装置部分

机械连杆装置如图8所示，当赛车进入弯道后，开启DRS，舵机带动连杆机构调整第一和第二襟翼进入弯道模式角度。

3.软件设计

单片机使用12MHZ晶振，使用T0定时器T1中断，精确计算出PWM波的占空比，给T0定时器赋初值，通过中断程序实现PWM波的输出，从而控制舵机的角度。图9所示为定时器中断程序。

4.实验结论

本项目分析是针对于长沙理工大学FSAE 方程式赛车的尾翼外流场数值模拟和可调尾翼系统的设计。主要为了保证整车的空气动力学性能，提升赛车整体性能。通过运用ANSYS Workbench、 ICEM CFD、等这些软件比较真实的模拟出了整车行驶时的空气流动情况，将空气对整车的作用用数值或图片表示出了，并设计了两种模式的尾翼系統，结果真实度较高，成本低廉、费时少。本次设计得出的一些结论及数据对长沙理工大学 FSAE 方程式赛车的尾翼设计有着积极的影响。

参考文献：

[1]倪俊，吴志成，陈思忠.尾翼攻角变化对方程式赛车性能影响的虚拟试验[J].机械设计与研究，2012，28（2）.

[2]中国大学生方程式大赛规则委员会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2013）[M]，2013.

[3]曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社.2004.

[4]余志生. 汽车理论.5 版[M].北京：机械工业出版社.2009.

[5]张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京：北京大学出版社.2011.

[6]唐家鹏.FLUENT 14.0 超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社.2013.

[7]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社.1998.

[8]陈志旺，陈志茹，阎巍山等. 51系列单片机系统设计与实践[M]. 北京：电子工业出社，2010.

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