智能车身尾翼控制机构研究

张俞飞 李传昌 上海工程技术大学

一、设计背景

国内关于可调尾翼控制机构研究较少，由于尾翼可调系统在机械，电子一体化以及对其控制的开发难度较大，且由于尾翼的加装导致赛车侧倾，侧偏和不足转向问题也制约着尾翼可调系统的发展。所以设计一款能够良好的实时调整尾翼各翼片攻角的可调系统急不可待。

二、尾翼攻角设计

尾翼主翼和襟翼均选择mva227翼型，采用二段翼结构。尾翼通过逐级增加定风翼的角度诱导气流，延后附面边界层分离，保证了气流稳定的流过，并且尾翼襟翼安装了作为翼型增升装置的格尼襟翼，提高了赛车在侧风状态下的稳定性以及赛车在低速状况下制造下压力的能力。

通过调整各项系数，实现赛车在不同赛道工况下理想的空气动力学性能，因此需设计多组攻角组合并保证下压力大的同时阻力尽可能的小，即寻求升阻比最大的最优解。

三、尾翼空气动力学仿真与结果讨论

本次空气动力学套件通过starccm+进行尾翼的仿真分析，根据实际比赛赛道以及赛车的特点，选择入口风速为20m/s，而网格大小及边界层的设计通过边界层计算器选取Y＋值为30进行计算。

所选边界类型有速度进口，压力出口、对称面和壁面。为了使仿真更贴近实际，地面设置为滑移壁面，滑移速度为20m/s。将除地面外的其余壁面，均设计成对称面，减少不必要计算资源的浪费，节省时间。

所选计算域长度为尾翼的10倍，高度为翼行半宽的5倍，以此保证不会出现回流确保精度。

根据已有结论，在确保不失速的情况下，主翼经分析角度确定为10°，根据往年经验襟翼攻角大约为主翼的两倍，又因为襟翼弦长较大，根据整车的布置，襟翼的攻角最大为28°，因此在此区间内寻找最优解。

由结果可知，尾翼的最佳解为襟翼22°，此时对应的升阻比最大，符合预期要求，此时为尾翼襟翼受力最大的情况，因此我们以此工况所对应的结果为参考进行执行机构的设计以及舵机的选择，确保可行性以及稳定性。

与此对应的我们将襟翼布置尽可能的水平，此时分析的得到尾翼空气阻力为37.842N，对于尾翼单个部件而言，整体空气阻力下降了54.6%，有大幅度下降。

而为了验证襟翼攻角的变化对于整车空气动力效应的影响，对RISE-20c整车进行仿真。仿真结果表示：当尾翼襟翼近乎水平时，整车在风速为20m/s的情况下，空气阻力为209.7N，较初始整车空气阻力256.1N下降了14.1%，取得较好的减阻效果。

四、执行机构设计

为了满足能够在短时间内达到角度变换的要求，选用的舵机应满足响应速度快、力矩大、稳定、可靠的基本要求。连杆与翼片之间采用刚性连接，各杆件之间采用铰链连接。为了满足襟翼角度变换所需最大扭矩，根据国内外FSAE车队的可调尾翼的设计经验，选取堵转扭矩3N.m，舵机型号为SM30BL，工作电压12v，采用车载电池供电。

舵机外形尺寸54x28x40.1（mm），整体质量96g，对整车影响较小。因为翼片采用龙骨蒙皮结构，要把舵机设置在翼片内部来达到角度变换的要求，不容易实现。因此将根据主翼与襟翼间的相对位置关系以及襟翼的运动行程，设计一组连杆机构来保证襟翼攻角的变化。连杆机构的设计要尽可能对空气的流态影响小，减少对实际行车时对空气动力学效应的影响，结构要尽可能的小巧紧凑。舵机两侧双耳圆孔设计，方便固定，因此舵机选取安装位置位于端板内侧，襟翼正下方的位置。

为了尽可能减小舵机的尺寸，根据舵机堵转扭矩的大小，并防止和梁翼干涉，驱动曲柄的长度不宜过长，因此初选驱动曲柄的长度为 50mm，舵机位于连杆和襟翼连接点正下方218mm处，通过作图法，利用杆件间的相对位置关系，确定其他两杆长度为 182.5mm和 50mm。因为最短杆长度＋最长杆长度≤其余两杆长度之和，同时固定杆为最短杆的邻边，因此该机构为曲柄摇杆机构，制作简单，容易加工装配。

舵机由驾驶员控制，在方向盘设一开关按钮控制，根据赛道具体情况应变，简单易操纵，实现机构角度的转变，从而实现尾翼襟翼角度的改变，达到我们的要求。

五、实际验证

打开电源开关，通过按钮输入信号控制机构，襟翼被连杆机构控制，旋转22°，达到弯道所需状态，再一次按下时，襟翼旋至水平，达到直道所需状态。通过人工多次测试，验证了该系统能够稳定工作，可以顺利实现尾翼襟翼攻角快速变换，满足我们的要求，基本实现系统以及机构的最初设计目标。

六、结论

本文基于上海工程技术大学20赛季油车RISE-20C整车以及其尾翼进行整车流体仿真，根据仿真情况，确认了尾翼攻角的最优解。以最优解为参考，完成了舵机的选型与设计，连杆机构的结构与杆长设计与校核。通过驾驶员根据赛道情况进行自主操控，依靠方向盘上的按钮输出信号控制舵机转动，从而能够快速稳定的使襟翼转动所需角度，满足所需要求。