CN104494711B - 风阻调节机构及应用该风阻调节机构的运输设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风阻调节机构以及应用该风阻调节机构的运输设备。基于本发明，流向运输设备的迎风面的气流，能够通过冲压风道加速流经设备本体前部外周面，以对迎风面所在的设备本体前部形成冲压效应、并由此降低空气对迎风面形成的压力，从而降低运输设备行驶过程中的风阻，以节省运输设备克服风阻所消耗的发动机功率。而且，电机驱动气流加速装置所消耗的发动机功率远小于节省的发动机功率。其中，气流流速可以等于或高于运输设备的行驶速度，以形成行驶速度与风阻的平衡、或对运输设备形成正拉力，并且，气流流速可以匹配行驶速度变化导致的风阻变化。另外，本发明还可以利用导流板实现设备本体各方向上的压力调节。

Description

风阻调节机构及应用该风阻调节机构的运输设备

技术领域

本发明涉及适用于例如汽车、火车、船舶等运输设备的一种风阻调节机构、以及应用该风阻调节机构的一种运输设备。

背景技术

汽车行驶时受到阻力主要包括摩擦阻力和空气阻力。其中，空气阻力主要是由于气流在车身前部的迎风面形成的压力所致，空气阻力通常也被称为风阻。

风阻在汽车行驶过程中并不是固定不变的，而是随着汽车行驶速度的提升而增加。相应地，克服风阻所要占用的发动机功率比例也会随之增加。经试验测得：

汽车行驶速度达到40～80公里/小时，克服风阻需要占用约10～20％的发动机功率；

汽车行驶速度达到80～90公里/小时，克服风阻需要占用约40％的发动机功率；

汽车行驶速度达到100～120公里/小时，克服风阻需要占用约50％的发动机功率；

汽车行驶速度达到120～160公里/小时，克服风阻需要占用约60％的发动机功率；

汽车行驶速度高于160公里/小时，克服风阻需要占用约70％以上的发动机功率。

可见，对于高速行驶的汽车来说，风阻会大量消耗其发动机功率，因而不利于汽车的节能减排。同样地，例如普通火车、或高铁的动力车组等常处于高速行驶状态的其他运输设备，其设备本体前部的迎风面同样会受到较大的风阻，并由此存在需要消耗大量动力来克服风阻的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种风阻调节机构，该风阻调节机构应用于运输设备，并且，应用该风阻调节机构的运输设备的设备本体前部形成迎风面，其中，该风阻调节机构装设于运输设备的设备本体前部、并包括导风罩；

导风罩从设备本体前部的迎风面向设备本体后部延伸、并与设备本体前部的外周面之间形成有冲压风道；

冲压风道在迎风面处具有入风口、并在导风罩的延伸末端具有排风口。

可选地，该风阻调节机构进一步包括气流加速装置，该气流加速装置装设设备本体前部的迎风面、并与冲压风道的入风口密封连通，并且，该气流加速装置由运输设备的电机驱动。

可选地，冲压风道中的气流流速被气流加速装置约束为高于或等于汽车的行驶速度。

可选地，冲压风道中的气流流速被气流加速装置约束为随汽车的行驶速度单调变化。

可选地，气流加速装置包括轴流风扇。

可选地，电机在汽车制动时停止对轴流风扇的驱动、并在轴流风扇的驱动下发电。

可选地，冲压风道在导风罩的延伸末端形成多个排风口，并且，多个排风口分布在设备本体的前部外周面的顶部、底部、以及两侧。

可选地，每个排风口均装设有倾斜角度可调节的导流板，其中，每个排风口的出风面积及出风角度由装设于该排风口的导流板的倾斜角度确定。

可选地，分布在设备本体的前部外周面的顶部、底部、以及两侧中每一方位的排风口处装设的导流板的倾斜角度，随设备本体从相反方位受到的压力大小单调递增。

本发明的实施例提供了一种运输设备，包括如上所述的风阻调节机构。

如上可见，基于本发明的上述实施例，流向运输设备迎风面的气流能够通过冲压风道加速流经设备本体前部的外周面，以对设备本体前部形成冲压效应、并由此降低空气对运输设备迎风面形成的压力，从而降低运输设备行驶过程中的风阻，进而节省运输设备克服风阻所消耗的发动机功率。而且，电机驱动气流加速装置形成上述冲压效应所消耗的发动机功率，远小于节省的发动机功率，尤其是运输设备的行驶速度越高，节省的发动机功率的比例就越多。

其中，形成冲压效应的气流流速还可以等于运输设备的行驶速度，以在运输设备的行驶速度与受到的风阻之间形成平衡，或者，形成冲压效应的气流流速也可以高于运输设备的行驶速度，以对运输设备形成正拉力；再者，形成冲压效应的气流流速可以随运输设备的行驶速度单调变化，以匹配运输设备的行驶速度变化所导致的风阻变化。

另外，在本发明的实施例中，还可以利用导流板实现对运输设备的设备本体各方向上的压力调节，以减轻甚至消除侧风、重载、轻载等不同行驶条件对运输设备行驶安全的不利影响。

附图说明

图1a和图1b为一个实施例中应用风阻调节机构的汽车的局部结构示意图；

图2为如图1所示汽车的车身前部形成冲压效应的原理示意图；

图3a和图3b为如图1所示汽车的车身前部形成压力调节的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1a和图1b为一个实施例中应用风阻调节机构的汽车的局部结构示意图。

请参见图1a和图1b，以汽车为例，在该实施例中，汽车的车身前部10形成迎风面100，并且，汽车的车身前部10还装设有风阻调节机构。该风阻调节机构包括气流加速装置21和导风罩22。

气流加速装置21在该实施例中包括轴流风扇，其装设在迎风面100的前部、并由汽车的电机(未在图中示出)驱动；其中，气流加速装置21的入风侧21a背向迎风面100、出风侧21b朝向迎风面100。

导风罩22导风罩从车身前部10的迎风面100向车身后部延伸、并与车身前部10的外周面之间形成有冲压风道20。

冲压风道20在迎风面100处具有入风口201、并在导风罩22的延伸末端具有排风口202a～202d，并且，冲压风道20的入风口201与气流加速装置21的出风侧21b密封连通。

其中，冲压风道20的形状可以被配置为在入风口201所在的一端呈扩张形、在排风口202a～202d所在的另一端呈收敛形，从而使气流从入风口201流入冲压风道20后被加速、并以一定的压力从排风口202a～202d高速排出。也就是说，气流加速装置21是为了提升气流从入风口201进入冲压风道20时的速度，而进入冲压风道20之后的气流则是由冲压风道20本身的形状实现加速。

图2为如图1所示汽车的车身前部形成冲压效应的原理示意图。

请在参见图1a和图1b的同时再结合图2，基于上述结构，流向汽车迎风面100的气流经风阻调节机构的气流加速装置21加速后，能够在风阻调节机构的导流罩22的引导下流入冲压风道20、并通过冲压风道20加速流经车身前部10外周面，以对汽车迎风面100所在的车身前部10形成冲压效应、并由此降低空气对汽车迎风面100所在的车身前部10形成的压力，从而降低汽车行驶过程中的风阻。

其中，当冲压风道20中的气流流速等于汽车的行驶速度时，即可形成汽车行驶速度与风阻的平衡，使风阻在汽车迎风面100所在的车身前部10趋紧于0；

当冲压风道20中的气流流速为高于汽车的行驶速度时，不但能够使风阻在汽车迎风面100所在的车身前部10趋紧于0，而且还可以进一步在汽车迎风面100所在的车身前部10对汽车形成正拉力，即，上述的冲压效应不但可以用于降低风阻，还可以进一步形成汽车行驶的附加动力。

经试验测得，对于长6米、迎风面的面积达到5～6平方米的大型车来说，若其发动机功率最大为360马力、且其行驶速度高于80-100公里/小时，则至少需要消耗100马力的发动机功率来克服风阻。但如果在车身前部装设上述实施例中的风阻调节机构、并使冲压风道20的入风口201覆盖到迎风面中的4平方米的面积，则该车在行驶速度高于80公里/小时的情况下只需消耗3-4马力的发动机功率(用于电机驱动气流加速装置21产生上述的冲压效应)用来克服风阻，并能够由此节省约70-80马力的发动机功率(具体的计算过程可参照现有计算方式，此不再赘述)。

也就是说，上述实施例中的风阻调节机构最多只需消耗1％的最大发动机功率，即可从原本用于克服风阻的100马力发动机功率中节省出70-80％。

因此，基于上述结构，汽车克服风阻所消耗的发动机功率能够显著降低，尤其是，汽车的行驶速度越高，节省的发动机功率的比例就越多。

相应地，为了匹配汽车行驶速度的不断变化，可以实时调整气流加速装置21对气流的加速驱动力(即轴流风扇的转速)，以使冲压风道20中的气流流速被约束为随汽车的行驶速度单调变化。

而且，电机在汽车制动时停止驱动气流加速装置21的轴流风扇，此时，气流加速装置21的轴流风扇即可在气流推动下自转、并通过自转驱动电机发电。

例如，若汽车行驶速度低于80公里/小时，汽车的整车控制器可以控制电机停止驱动气流加速装置21、并切换至发电机模式，由气流加速装置21利用其在汽车迎风面受到的气流压力自转驱动电机以发电机模式发电；若汽车行驶速度达到80公里/小时及以上，汽车的整车控制器再控制电机以电动机模式驱动气流加速装置21运行，并且，随着汽车行驶速度的提升，气流加速装置21包括的轴流风扇的转速随之提高。

另外，仍参见图1a和图1b，冲压风道20在导风罩22的延伸末端形成排风口202a～202d为多个，并且，多个排风口202a～202d分布在车身前部10外周面的顶部、底部、以及两侧。

此时，从冲压风道20的入风口201流入的加速气流能够被分流至多个排风口202a～202d，即，可以认为冲压风道20被划分为分别对应排风口202a～202d的多条子风道，这些子风道在冲压风道20的入风口201相汇聚、并从冲压风道20的入风口201分别向车身前部10外周面的顶部、底部、以及两侧分散延伸。

从而，由加速气流产生的冲压效应能够覆盖车身前部10外周面的顶部、底部、以及两侧。

图3a和图3b为如图1所示汽车的车身前部形成压力调节的原理示意图。

请在参见图1a和图1b的同时再结合图3a和图3b，各排风口202a～202d均装设有对应的导流板30a～30d，并且，导流板30a～30d的倾斜角度可调节，相应地，各排风口202a～202d的出风面积及出风角度都分别由对应的导流板30a～30d的倾斜角度确定。

各排风口202a～202d的出风面积及出风角度决定加速气流流出时产生的气动力Fa～Fd的大小和方向，因此，通过调节导流板30a～30d的倾斜角度而调节各排风口202a～202d的出风面积及出风角度，能够利用加速气流流出时产生的气动力Fa～Fd调节汽车在顶部、底部、以及两侧方向上的空气压力。

其中，分布在车身前部10外周面的顶部、底部、以及两侧中每一方位的排风口202a或202b或202c或202d处装设的导流板30a或30b或30c或30d的倾斜角度，可以随车身从相反方位受到的压力大小单调递增。

例如，对于重载的情况，汽车受到自顶部向底部的较大压力差，此时，汽车的整车控制器可以调节车身前部10外周面底部的导流板30b的倾斜角度大于顶部的导流板30a，以使排风口202b的出风面积大于排风口202a，并使加速气流从排风口202b流出时产生的气动力Fb大于从排风口202a流出时产生的气动力Fa，从而形成气动力Fb和Fa之间的自底部向顶部的动力差，以利用气动力Fb和Fa之间的动力差全部或部分地抵消重载在汽车纵向方向上形成的压力差。

同理，对于轻载的情况，汽车受到自底部向顶部的较大压力差，此时，汽车的整车控制器可以调节车身前部10外周面顶部的导流板30a的倾斜角度大于顶部的导流板30b，以使排风口202a的出风面积大于排风口202b，并使加速气流从排风口202a流出时产生的气动力Fa大于从排风口202b流出时产生的气动力Fb，从而形成气动力Fa和Fb之间的从顶部向底部的动力差，以利用气动力Fa和Fb之间的动力差全部或部分地抵消轻载在汽车纵向方向上形成的压力差。

再例如，对于侧风的情况，汽车的整车控制器可以调节车身前部10外周面两侧的导流板30c和30d的倾斜角度不同，以使排风口202c和202d的出风面积及出风角度不同，并使加速气流分别从排风口202c和202d流出时产生大小和方向不同的气动力Fc和Fd，从而利用气动力Fc和Fd之间的动力差全部或部分地抵消侧风在汽车两侧形成的压力差。

可见，基于倾斜角度可调节的导风板30a～30d，能够减轻甚至消除侧风、重载、轻载等不同行驶条件对汽车行驶安全的不利影响。

另需要说明的是，虽然上述实施例是以汽车为例，但并不意味着上述实施例中的风阻调节机构只适用于汽车。即，对于例如普通火车、或高铁的动力车组、或船舶等风阻消耗动力较大的其他运输设备来说，上述实施例中的风阻调节机构同样适用。

其中，由于高铁的动力车组的行驶速度能够达到200～300公里/小时，因此，上述实施例中的风阻调节机构应用于高铁的动力车组时，能够产生更为显著的冲压效应。而且，200～300公里/小时的行驶速度能够产生基本等速的相对气流流速，因而可以无需设置气流加速装置21即可使气流以理想的较高流速从入风口201进入冲压风道20。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种风阻调节机构，其特征在于，该风阻调节机构应用于运输设备，并且，应用该风阻调节机构的运输设备的前部形成迎风面，其中，该风阻调节机构装设于运输设备的设备本体前部、并包括导风罩；

导风罩从设备本体前部的迎风面向设备本体后部延伸、并与设备本体前部的外周面之间形成有对设备本体前部形成冲压效应的冲压风道；

冲压风道在迎风面处具有入风口、并在导风罩的延伸末端具有排风口；

冲压风道在导风罩的延伸末端形成多个排风口，并且，多个排风口分布在设备本体的前部外周面的顶部、底部、以及两侧；

每个排风口均装设有倾斜角度可调节的导流板，其中，每个排风口的出风面积及出风角度由装设于该排风口的导流板的倾斜角度确定。

2.根据权利要求1所述的风阻调节机构，其特征在于，该风阻调节机构进一步包括气流加速装置；

气流加速装置装设设备本体前部的迎风面、并与冲压风道的入风口密封连通，并且，气流加速装置由运输设备的电机驱动。

3.根据权利要求2所述的风阻调节机构，其特征在于，冲压风道中的气流流速被气流加速装置约束为高于或等于汽车的行驶速度。

4.根据权利要求2所述的风阻调节机构，其特征在于，冲压风道中的气流流速被气流加速装置约束为随汽车的行驶速度单调变化。

5.根据权利要求2所述的风阻调节机构，其特征在于，气流加速装置包括轴流风扇。

6.根据权利要求5所述的风阻调节机构，其特征在于，电机在汽车制动时停止对轴流风扇的驱动、并在轴流风扇的驱动下发电。

7.根据权利要求1所述的风阻调节机构，其特征在于，分布在设备本体的前部外周面的顶部、底部、以及两侧中每一方位的排风口处装设的导流板的倾斜角度，随设备本体从相反方位受到的压力大小单调递增。

8.一种运输设备，其特征在于，包括根据权利要求1至7中任一项所述的风阻调节机构。