CN101378950A - 涡流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡流发生器，其在一个实施例中包括：具有第一宽度的顶端；具有第二宽度的背面，第二宽度大于第一宽度；第一和第二侧壁，其分别从顶端的第一宽度延伸至背面的第二宽度，其中第一和第二侧壁中的每一个的至少一部分具有包括凸面的顶沿；以及工作凹面，其被定位在第一和第二侧壁的顶沿之间，其中所述工作凹面在顶端处具有进气口并且在背面处具有出气口。在另一个实施例中，侧壁的外部面包括平坦的表面。

Description

涡流发生器

相关申请的交叉引用

本发明要求于2006年1月31日提交的美国临时专利申请60/764,080的优先权，该临时专利申请的全部内容和公开文本以参考的方式全文并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种结构，所述结构在一个实施例中减弱了运输系统中的空气动力学阻力。

背景技术

空气动力学阻力通常是由某种形式的分离引起的，例如气流分离等。气流分离通常出现在机动车辆的侧向表面上和运动车辆10的后缘表面之后，并且通常导致形成其流动轴线与机动车辆的运动方向M1垂直的涡流1，正如图1所描述的那样。气流分离一般与在运动车辆10的背面2的后面形成的逆压梯度有关。另外，随着车辆10的前面4上的气流压力3变大，车辆10的前进运动M1所受到的阻力也变大。

发明内容

总体上说，本发明提供一种减弱机动车辆的空气动力学阻力的涡流发生器。在一个实施例中，本发明的涡流发生器包括：

具有第一宽度的顶端；

具有第二宽度的背面，第二宽度大于第一宽度；

第一和第二侧壁，其分别从顶端的第一宽度延伸至背面的第二宽度，其中第一和第二侧壁中的每一个的外部面的至少一部分具有包括凸面的顶沿；以及

工作凹面，其位于第一和第二侧壁的顶沿之间，其中所述工作凹面具有在顶端处的进气口并且在背面处的出气口。

本发明的涡流发生器的第一和第二侧壁的凸面可以位于侧壁的上部处，其中在侧壁的下部设有凹面。所述工作凹面的特征可进一步在于具有锥形弯曲部分，在所述锥形弯曲部分中，弯曲部分的半径从涡流发生器的顶端处的进气口到涡流发生器的背面处的出气口逐渐变大。在一个实施例中，一个或多个涡流为被引导成环绕旋转轴线进行运动的气流。

在另一个实施例中，根据本发明的涡流发生器包括：

具有第一宽度的顶端；

具有第二宽度的背面，第二宽度大于第一宽度；

第一和第二侧壁，其分别从顶端的第一宽度延伸至背面的第二宽度；以及

工作凹面，其位于第一和第二侧壁之间，其中所述工作凹面具有在顶端处的进气口和在背面处的出气口。

在一个实施例中，所述凹面还在从涡流发生器的顶端的进气口延伸至涡流发生器的后部的出气口的凹面的底部上包括大致平坦的通道。

在一个实施例中，涡流发生器安装成其顶端朝向车辆向前运动的方向，其中气流流过各侧壁的外部面，流入工作凹面并且沿着工作凹面继续运动，其中各侧壁产生气流旋动，从而导致形成涡流，更具体地形成两个涡流，每个侧壁对应一个涡流，所述涡流具有与涡流发生器的纵向轴线大致平行的气流旋转轴线。在一个实施例中，工作凹面上从涡流发生器的顶端到涡流发生器的背面的倾斜角选定成使得涡流具有成角度的旋转轴线，以将气流引导到位于安装有涡流发生器的位置后面的高压表面的上方。

附图说明

以下详细说明将结合附图得到最好地理解，所述详细说明是以举例的方式给出的，而不希望单独地限制本发明，其中相同的附图标记标识相同的元件和部件，图中：

图1是描绘了向前运动的牵引车和拖车主体中的气流分离的侧视图；

图2是描绘了包括根据本发明的涡流发生器的一个实施例的牵引车与拖车的组合中的空气动力学气流的侧视图；

图3是根据本发明的涡流发生器的一个实施例的立体图；

图4是图3所描绘的涡流发生器的一个实施例的横截面图，其中所述横截面图是沿着平面ABCD取到的；

图5是图3所描绘的根据本发明的涡流发生器的一个实施例的前端横截面视图；

图6是根据本发明的涡流发生器的一个实施例的前端视图，其描绘了从涡流发生器的侧壁流至中央工作表面的涡流的形成；

图7是具有大致平坦的侧壁的涡流发生器的一个实施例的立体图；

图8是根据本发明的、具有扩大的顶端部分的涡流发生器的一个实施例的立体图；

图9是图8所描绘的涡流发生器的一个实施例的侧视图；

图10是一个横截面端视图，其描绘了在图3所描绘的涡流发生器的一个实施例中的涡流的形成；

图11是根据本发明的涡流发生器的一个实施例的侧视图，其描绘了从涡流发生器的侧向表面流至工作凹面的涡流的形成；

图12是根据本发明的涡流发生器的一个实施例的立体图；

图13是图12所描绘的涡流发生器的实施例的涡流发生器的后端横截面图；

图14是牵引车和拖车组合的侧视图，其中涡流发生器被配置成引导气流经过驾驶室和拖车的前面；

图15是涡流发生器的布置方式的一个实施例的顶视图，其中多个涡流发生器被配置成车顶整流装置设计；

图16是涡流发生器的布置方式的一个实施例的立体图，其中在相邻的涡流发生器之间没有间隙；

图17是配置用于与相邻的涡流发生器成邻接关系的涡流发生器的一个实施例的立体图；

图18是根据本发明的涡流发生器的一个实施例的立体图；

图19是一个后端横截面视图，其描绘了在图18所描绘的涡流发生器的一个实施例中的涡流的形成；

图20是根据本发明的涡流发生器的一个实施例的立体图；

图21是图20所描绘的涡流发生器的一个实施例的侧视图；

图22是描绘了铸造涡流发生器的一个实施例的横截面端视图。

具体实施方式

本发明的具体实施例在此被公开；然而应理解：所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式来实现。此外，结合本发明的各种实施例给出的各个示例希望是说明性的，而不是限制性的。另外，这些附图不一定是成比例的，某些特征可能会被放大以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体的结构细节和功能细节不应被解释成限制，而仅仅是用于教示本领域技术人员从多个方面使用本发明的代表性原理。

在下文中为了进行描述，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词将按附图所描绘的实施例中设定的朝向来述及本发明。

参见图2，在一个实施例中，空气动力学阻力的减小是通过设置涡流发生器15和通过引导气流13(也叫作空气幕)以减小车辆前表面处的压力上升来提供的，所述涡流发生器15减弱了车辆10的侧向表面12和后缘11处的气流分离效应。所述侧向表面包括车辆的顶部表面和侧面。例如，在拖车结构中，所述侧向表面包括拖车的顶部表面(也叫作车顶)和侧壁，其在至少一个实施例中是大致平坦的。

在一个实施例中，车辆10的侧向12和后缘11处的分离和车辆10的前表面4处的压力下降之一是由提供气流涡流的涡流发生器15产生的，所述气流涡流的旋转轴线与车辆10向前运动的方向D1大致平行。

在一个实施例中，通过减小车辆10的前表面4的压力和减弱运动车辆的侧向表面12的气流分离而形成的涡流装置提供了空气幕13，所述空气幕13产生空气动力学效应。在一个实施例中，术语旋转轴线指：空气流在离开涡流发生器以提供涡流时以旋转的方式环绕的轴线。在一个实施例中，本发明通过产生其旋转轴线与车辆运动方向大致平行的涡流来减弱其旋转轴线与车辆运动方向垂直的涡流的作用。

图3-6描绘了涡流发生器15的一个实施例，所述涡流发生器15包括：顶端14、工作凹面16以及第一和第二侧壁17、18。顶端14代表涡流发生器15的前面，其朝向车辆10向前运动的方向。在一个实施例中，顶端14的宽度W1可以在10mm至40mm之间。在一个实施例中，顶端14的宽度W1可以约为30mm。在一个实施例中，顶端14可以包括进气口，所述进气口具有延伸到第一和第二侧壁17、18的上缘20、21的侧壁，所述第一和第二侧壁17、18从涡流发生器15的顶端14延伸至大致在后部19处的出气口。

在一个实施例中，第一和第二侧壁17、18沿着由点H和G限定的水平轴线逐渐偏离从点A延伸至点B的中心线，从涡流发生器15的顶端14处的第一宽度W1变为后部19的底部处的第二宽度W2。在一个实施例中，由在点H与G之间定义的尺寸所定义的涡流发生器15的后(出气口)部19的底部宽度W2可以在约85mm至约115mm之间。在一个实施例中，涡流发生器15的后部19的底部宽度W2可以约为100mm。在一个实施例中，从涡流发生器15的顶端14测量到后部出气口表面19所得到的涡流发生器15的纵向长度L1可以在140mm至190mm之间。在一个实施例中，纵向长度L1可以约为165mm。应注意：本发明已经考虑到了涡流发生器15的顶端宽度W1、后部宽度W2和纵向长度L1的其他尺寸，并且这些尺寸也落在本发明的范围内。

工作凹面16被定位在第一和第二侧壁17、18之间，并且沿着涡流发生器15的纵向方向从涡流发生器15的顶端14延伸到背面19。在一个实施例中，工作凹面16由从第一和第二侧壁17、18中的每一个的上缘20、21伸出的弧面限定，其中工作凹面16的弧面的最低点22对应于涡流发生器15的中心线A-B。在一个实施例中，工作凹面16具有锥形弯曲部分。术语锥形弯曲部分指：工作凹面16上最靠近顶端14的那部分具有其半径最小的弯曲部分，而凹面16上具有最大半径的那部分对应于涡流发生器15上涡流从那里离开的后部，其中凹面16的弯曲部分从涡流发生器15的顶端14到后部19逐渐变大。

参见图7，在一个实施例中，工作凹面16还包括通道30，所述通道30在工作凹面的底部具有平坦的表面。术语平坦指：所述通道大致没有弯曲部分。在一个实施例中，通道表面30的宽度W3在约10mm至约40mm之间。在一个实施例中，通道表面30的宽度W3约为30mm。

参见图3-6，第一和第二侧壁17、18在第一和第二侧壁17、18中的每一个的上缘20、21处与工作凹面16连接，其中所述上缘20、21也叫做第一和第二侧壁17、18的顶沿。参见图5，在一个实施例中，第一和第二侧壁17、18中的每一个的外部面可以包括凸面17a、18a。涡流发生器15的侧壁17、18的所述外部面从侧壁的下缘26、27延伸到上缘20、21。侧壁17的上缘也叫做侧壁的上部顶沿。在一个实施例中，第一和第二侧壁17、18中的每一个的外部面可以包括在侧壁的上部的凸面17a、18a以及在侧壁的下部的凹面17b、18b，其中所述凸面和凹面是相对于涡流发生器的中心线AB来指定的。

更具体地，凸起的侧壁部分的弯曲部分的顶端朝向远离涡流发生器15的中心线AB的方向，下凹的侧壁部分的顶端则朝向涡流发生器15的中心线AB。在一个实施例中，侧壁17、18的凹部和凸部具有锥形弯曲部分。术语锥形构造指：侧壁17、18的凹面或凸面17a、17b、18a、18b上最靠近顶端14的那部分具有其半径最小的弯曲部分，侧壁17、18的凹面或凸面17a、17b、18a、18b上具有最大半径的那部分对应于涡流发生器15上涡流从那里离开的后部19，其中侧壁17、18的凹面或凸面17a、17b、18a、18b的弯曲部分从涡流发生器15的顶端14到后部19逐渐变大。

参见图7，在一个实施例中，涡流发生器15的侧壁17、18的外部面大致平坦。侧壁17、18和平面HGEF所定义的底部安装表面之间相交限定了侧壁角θ，其中角度θ可以在约45度至约75度之间。在另一个实施例中，角度θ可以在约50度至约70度之间。

参见图3-7，与第一和第二侧壁17、18中的每一个的上缘20、21相对的是下缘26、27。下缘26、27代表侧壁上与安装表面相接触或与涡流发生器15的底部相对应的部分。下缘角α由侧壁18的下缘27限定，并且在射线51与涡流发生器15的后部拐角50的交点处进行测量，其中射线51与由平面HGEF定义的底部安装表面在同一平面上，并且与涡流发生器15的纵向中心线AB平行。在一个实施例中，下缘角α可以在约10度至约30度之间。增加下缘角会增强涡流的形成，并且还会增加涡流发生器15的内在本征空气动力学阻力。所述本征空气动力学阻力是由涡流发生器15本身引起的阻力。虽然对下缘角α的说明是参考用附图标记18标识的侧壁来进行描述的，但是应注意：对于用附图标记17标识的侧壁，也存在同样的关系。

在一个实施例中，涡流发生器在纵向中心线AB的一侧上的部分与涡流发生器上在纵向中心线AB的另一侧上的部分大致相似。更具体地，在一个实施例中，涡流发生器15在纵向中心线AB的一侧上的弯曲部分和尺寸与在纵向中心线AB的另一侧上的弯曲部分和尺寸大致相似，因此是对称的。

参见图6，在一个实施例中，涡流发生器15的第一和第二侧壁17、18以及工作凹面16产生涡流，各所述涡流具有与工作凹面16的纵向方向大致平行的平行旋转轴线，并且可以具有与气流进入及然后离开涡流发生器15的方向大致平行的旋转轴线。参见图6，受到引导经过涡流发生器15的顶端14的气流23以以下方式流动：围绕第一和第二侧壁17、18；越过第一和第二侧壁17、18中的每一个的上缘20、21；以及流入工作凹面16，然后离开涡流发生器的后部19。在一个实施例中，侧壁17、18准备气流以开始涡流的形成；上缘20、21将成形的涡流引入工作凹面16，其中在越过上缘20、21时，气流旋动形成两个涡流，所述涡流具有沿主气流方向定向的旋转轴线；工作凹面16维持涡流，并且引导涡流24离开涡流发生器15。在一个实施例中，旋转轴线γ与车辆运动方向的平行程度可以通过增加或减小工作凹面16的倾斜角β来调节。

在一个实施例中，流向工作凹面16的气流与由侧壁17、18引入工作凹面16的气流分开。图8和9描述了一个实施例，其中通过增大的顶端而增强了流向工作凹面16的气流与由侧壁17、18引入工作凹面的气流的分离。在一个实施例中，增大的顶端14a包括位于各侧壁上部的增大的侧壁凸部18c。在一个实施例中，侧壁的顶端部分的上部上的凸起边缘18c增加了将气流引向涡流发生器15的工作凹面16的程度。

参见图10，在一个实施例中，气流作为分别对应于侧壁17、18的两个大致对称的涡流离开涡流发生器15的后部19(出气口)，其中各涡流的气流环绕与涡流发生器15的纵向方向大致平行的旋转轴线，其中从涡流发生器的顶端14到涡流发生器的后部19地定义所述纵向方向。参见图11，在一个实施例中，涡流24旋动所根据的旋转轴线γ可以由工作凹面16的倾斜角β来控制。

在一个实施例中，工作凹面16从顶端14到背面19可以以角度β倾斜，所述角度β是从由平面HEFG定义的底部安装表面测量到工作凹面16的底部所得出的，其中工作凹面16的底部从涡流发生器15的顶端14延伸至工作凹面16在背面19处的最低点22，正如在图3和4中描绘的那样。在一个实施例中，工作凹面16在涡流发生器15的背面19上的最低点22的高度可以在约5mm至约15mm之间。在一个实施例中，其中工作凹面16的倾斜角β大致为0度，正如图12和13所描绘的那样，由涡流发生器15产生的涡流的旋转轴线与气流流过涡流发生器15的方向大致平行。在一个实施例中，安装到拖车侧向表面的、倾斜角β大致为0度的涡流发生器15产生具有与其上安装有所述涡流发生器15的表面的运动方向大致平行的旋转轴线的涡流。在一个实施例中，倾斜角β大致为0度的涡流发生器15安装在表面上以减弱气流分离效应。

参见图14，在一个实施例中，倾斜角β选择成向涡流的旋转轴线提供角度γ，以便引导气流流过牵引车8的前表面3(角度γ1)和拖车9的前表面(角度γ2)，所述前表面均被定位在涡流发生器的安装点之后。在一个实施例中，工作凹面16的最低部分从顶端14到背面19的倾斜角度可以在约0度至约45度之间。在一个实施例中，工作凹面16的最低部分从顶端14到背面19的倾斜角度可以在约15度至约30度之间。应注意：倾斜角β可以变化以满足牵引车9和拖车8的高度的任意组合。在一个实施例中，其倾斜角β被选定成引导气流流过牵引车9和拖车8的前表面的涡流发生器15可以结合连接到拖车8的顶部表面和侧面的、具有用于减弱气流分离效应的倾斜角β的涡流发生器15。

参见图4，在一个实施例中，涡流发生器15在其背面19(也叫作出气口部分)上的高度H由涡流发生器安装区域中的气流边界层的厚度决定。在一个实施例中，涡流发生器15的高度H可以不小于边界层的厚度以确保与具有足够能量的气流发生相互作用，从而扰乱气流以提供涡流；并且可以不这么大以避免使涡流发生器15的本征空气动力学阻力增加过度而不再具备因形成具有与车辆运动方向大致平行的旋转轴线的对称涡流而提供的优点。在一个实施例中，涡流发生器15的高度H可以在约20mm至约40mm之间。

图15描绘了设置在拖车整流装置8的表面顶上的多个涡流发生器15。应注意：各涡流发生器15可以是与相邻的涡流发生器15隔开的，如图15所描绘的那样；或者各涡流发生器15a可以被定位成与相邻的涡流发生器15b成邻接关系，正如图16所描绘的那样。邻接关系指：相邻的涡流发生器15a、15b的侧壁被定位成彼此直接接触，并且在一个实施例中增加了涡流发生器的密度以提供增大的空气幕。图17描绘了配置用于将其设置成如图16所描绘的那样与相邻的涡流发生器15b成邻接关系的涡流发生器15a的一个实施例。在一个实施例中，相邻的涡流发生器15a、15b的侧壁17、18分段以提供大致平坦的配合表面25，以便将相邻的涡流发生器15a、15b设置成邻接关系。

图18和19描绘了涡流发生器15c的另一个实施例，其中工作凹面16包括纵向间隔部28。在一个实施例中，纵向间隔部28的高度沿着气流方向变大。在一个实施例中，所述纵向间隔部28减小了在本发明的不包括这种纵向间隔部的实施例中可能会形成的、如图10所描绘的寄生涡流P的发生率。在图19中描绘了在包括纵向间隔部28的涡流发生器15c中的两个涡流的形成。图20和21描绘了根据本发明的涡流发生器15d的另一个实施例，其中通过在涡流发生器15d的出气口处设置弯曲部分19a减小了涡流发生器15的本征阻力。

在一个实施例中，可以通过对板材进行冲压来制造涡流发生器15，如图3所描绘的那样。涡流发生器15可以被制造成单个产品，所述产品将粘附地或机械地安装在与气流相互作用的结构部件上。在另一个实施例中，涡流发生器1可连同例如车体部件这样的结构部件一起被冲压成单个整体，并且可以包括多个涡流发生器15。在一个实施例中，涡流发生器15或结构部件13由铝合金制成。

参见图22，还可以通过铸造尤其是通过以单件的形式铸造来制造涡流发生器1，所铸造的涡流发生器随后被安装在与气流相互作用的其他结构部件上。在另一个实施例中，涡流发生器15可以被铸造成与例如车顶整流装置等结构部件13结合的单个或多个涡流发生器。在一个实施例中，涡流发生器15或结构部件13由铝合金制成。

虽然已经描述了本发明的多个实施例，但是应理解：这些实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的，并且应理解：对于所属技术领域的技术人员而言，许多改进都是显而易见的。

Claims (19)

1.一种涡流发生器，其包括：

具有第一宽度的顶端；

具有第二宽度的背面，所述第二宽度大于所述第一宽度；

第一和第二侧壁，所述第一和第二侧壁分别从所述顶端的第一宽度延伸至所述背面的第二宽度，其中所述第一和第二侧壁中的每一个的外部面的至少一部分具有包括凸面的顶沿；以及

位于所述第一和第二侧壁的顶沿之间的工作凹面，其中所述工作凹面具有位于所述顶端处的进气口和位于所述背面处的出气口。

2.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述第一和第二侧壁的顶沿位于所述侧壁的上部中，并且所述第一和第二侧壁还包括位于所述第一和第二侧壁的下部中的凹部。

3.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述第一和第二侧壁的所述顶沿的凸面呈锥形几何形状，所述凸面具有从所述涡流发生器的顶端处的初始半径增长到所述涡流发生器的背面处的最终半径的弯曲半径。

4.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述侧壁的凹面包括锥形弯曲部分，所述凹面包括从所述涡流发生器的顶端处的初始半径增长到所述涡流发生器的背面处的最终半径的弯曲半径。

5.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述工作凹面包括锥形弯曲部分，所述锥形弯曲部分包括从所述涡流发生器的所述顶端处的初始半径增长到所述涡流发生器的所述背面处的最终半径的弯曲半径。

6.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述工作凹面包括大致平坦的通道，所述通道居中地位于从所述第一和第二侧壁中的每一个的顶沿处伸出的下凹的弯曲部分之间。

7.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述凹面还包括在凹面的底部上从所述涡流发生器的所述顶端的进气口延伸至所述涡流发生器的所述后部的出气口的、大致平坦的通道。

8.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述工作凹面包括与所述涡流发生器的中心线相对应的纵向间隔部。

9.如权利要求1所述的涡流发生器，其中：

所述工作凹面具有可在约0度至45度之间的倾斜角。

10.如权利要求1所述的涡流发生器，其具有在约140mm至约190mm之间的纵向长度。

11.如权利要求1所述的涡流发生器，其包括铝合金。

12.一种涡流发生器，其包括：

具有第一宽度的顶端；

具有第二宽度的背面，所述第二宽度大于所述第一宽度；

第一和第二侧壁，所述第一和第二侧壁分别从所述顶端的第一宽度延伸至所述背面的第二宽度；以及

位于所述第一和第二侧壁之间的工作凹面，其中所述工作凹面具有位于所述顶端处的进气口和位于所述背面处的出气口。

13.如权利要求11所述的涡流发生器，其中：

所述第一和第二侧壁中的每一个都具有大致平坦的外部面。

14.如权利要求11所述的涡流发生器，其中：

所述工作凹面包括锥形弯曲部分，所述锥形弯曲部分包括从所述涡流发生器的顶端处的初始半径增长到所述涡流发生器的背面处的最终半径的弯曲半径。

15.如权利要求11所述的涡流发生器，其中：

所述凹面还包括在凹面的底部上从所述涡流发生器的所述顶端的进气口延伸至所述涡流发生器的所述后部的出气口的、大致平坦的通道。

16.如权利要求14所述的涡流发生器，其中：

所述大致平坦的通道具有在约10mm至约40mm之间的宽度。

17.如权利要求11所述的涡流发生器，其中：

由所述第一和第二侧壁与平坦安装表面相交所限定的内角在约45度至75度之间。

18.如权利要求11所述的涡流发生器，其中：

使所述第一和第二侧壁的底部边缘从所述涡流发生器的所述顶端的第一宽度发散到所述涡流发生器的所述后部的第二宽度的发散角在约10度至约30度之间。

19.如权利要求11所述的涡流发生器，其包括铝合金。

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