CN107380271A - 一种汽车高速行驶自适应调节气动升力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,主要包括尾翼装置12、车载信息系统8、悬挂系统传感器7,所述的尾翼装置12设置在汽车尾翼10上,所述悬挂系统传感器7设置在汽车悬挂上,所述车载信息系统8连接所述悬挂系统传感器7和所述尾翼装置12,所述的尾翼装置12主要包括尾翼受风板1、支座杆2、安装杆3、连杆4、摇杆5、步进电机6,能根据汽车车速和车身气动升力变化信号,动态控制气动升力,车辆稳定性得到改善,提高了操作的平稳性,且不影响车身造型风格。
Description
技术领域
本发明涉及一种调节汽车气动升力的装置,尤其涉及一种汽车高速行驶自适应调节气动升力装置。
背景技术
汽车行驶过程中,与空气相互作用产生气动阻力、气动升力、气动侧力等三个力矩。气动力与车速平方成正比,车速越高,气动力越大,将影响到汽车的行驶安全性、稳定性、燃油经济性。其中的气动升力与汽车高速行驶安全性和稳定性紧密相连。如车速由60km/h增加到120km/h后,数秒钟内气动力则由3600个单位力增加到14400个单位力,虽然气动力增加4倍,但数量级和绝对值增量上已显著变化,这种变化产生高速气动不稳定现象,表现出部分正升力车型在高速行驶中,产生“发飘”现象,轮胎与路面接触的附着力削弱,尤其是在转弯时,发生过度转向,也因转弯时附着力不够而出现甩尾现象,转弯半径变小,瞬间性的离心力增大,严重时发生侧倾趋势,增加了驾驶员心理恐慌和压力,从而增大误判和误操作几率,增大了高速行驶交通事故概率。汽车空气动力学认为,越流线型的车身,具有较低的气动阻力,却往往气动升力较大,在实际汽车车型开发和使用中,三厢车车型尾部较低,高速行驶中产生的湍流涡结位置也较低,故更容易表现出正升力,产生发飘现象。
然而,长期以来,汽车车身设计主要是从降低气动阻力,减小油耗角度出发,甚少关注气动升力。随着车身轻量化技术广泛应用,新能源汽车也不断出现,生活节奏加快,出行速度攀升,超速、高速行驶日益频繁,为保障行车安全,抑制气动升力过大,通过车身附加装置解决容易出现正升力的三厢车车型高速发飘问题显得尤为重要了。
目前汽车车身设计,往往是基于造型风格和款式(如suv、轿跑车、两厢车、三厢车),结合风洞实验和数值仿真计算交互式调整车身造型,以达到气动风阻系数设计预期目标,最终确定其车身造型。一旦车身造型确定后,是不宜再添加改变其造型风格的其他附加装置的,否则将影响到汽车车身美学特性。同时,在现实生活中,三厢车车身结构设计的线条流畅。
基于以上背景,需要解决汽车高速行驶中,部分正升力车型因气动升力过大而影响其高速行驶稳定性的难题,且在解决过程中,应尽量不破坏其车身造型风格。目前已经有以下文献涉及了相关问题。
专利对比文献1(申请号201610937196.6),公开了一种降低升力、降低阻力并增程的电动汽车,通过在电动汽车顶部尾部和底部设置空气流道减弱了气体边界层的分离,减小了车后尾流区,把气体最终引入车后尾流区,降低了形状阻力,达到了电动汽车通过空气流道抑制气体分离以增加行驶里程的效果;同时在电动汽车车底设置空气流道,降低了车底空气密度,设置的流道通往左右后翼子板、后保险杠、车尾行李箱盖增长了空气流程,增加了空气流速,降低了汽车升力,空气最终引入车后尾流区,减小了尾流区,降低了形状阻力,同时达到了电动汽车通过空气流道来降低汽车升力、增加行驶里程的效果。由于汽车车身属于完整的整体,在车身上增加流道,不仅从车身空间结构上会增加难度,在钣金安装、制造、生产中,技术和经济性能也比较困难。
专利对比文献2(申请号201320811042.4),公开了一种汽车后扰流板,该后扰流板本体设置在后备箱顶盖上,后扰流板本体沿其长度方向呈与后备箱顶盖后边缘相匹配的月牙形,沿其宽度方向呈前部迎风面低于后部出风面的楔形,后扰流板本体的上表面均匀间隔的设有多个用于延迟气流分离的涡发生器。由于汽车气动升力大小于车速有关,在低速行驶时,气动力对行驶性能影响并不大。
专利对比文献3(申请号201410402040.9),公开了一种提高汽车制动性能的空气动力学附加装置,该装置具有与汽车前进方向垂直并沿水平方向活动设置的尾翼,尾翼为在车辆正常行驶过程中保持与车辆行李箱盖相对静止,收到制动信号后据车速和接收的制动信号,尾翼一侧水平翼弦朝向远离车辆行李箱盖的方向绕水平方向翻转开启而形成攻角,在制动过程结束时,该尾翼从所述攻角位置反向翻转回归到与车辆行李箱盖保持相对静止的关闭位置。由于该装置虽实现了根据车速不同而动态调整,但由于附加装置影响到车身整体造型风格,一般不被采用,且在实现抑制气动升力过大的装置具体结构上,与本申请人发明的装置不同。
专利对比文献4(申请号201610066723.0),公开了一种控制具有活动的升力和下压力产生气动系统的车辆的方法,但并未给出具体的控制执行机构及执行机构的具体结构特征。
通过以上对比文献可见,目前现有技术均未涉具体动态调节装置结构,以解决汽车高速行驶中,部分正升力车型因气动升力过大而影响其高速行驶稳定性的问题,且该设计的装置不宜破坏其车身造型风格,应与原有车身浑然一体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,能根据汽车车速和车身气动升力变化信号,动态控制气动升力,且不影响车身造型风格的装置。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:
提供一种汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,主要包括尾翼装置12、车载信息系统8、悬挂系统传感器7;
所述的尾翼装置12设置在汽车尾翼10上,所述悬挂系统传感器7设置在汽车前轮悬挂上,由于汽车若因车速过高时,气动升力使得前轮离地、车头上扬,成为最危险的工况,故所述悬挂系统传感器7设置在汽车前轮悬挂上;所述车载信息系统8连接所述悬挂系统传感器7和所述尾翼装置12。
所述的尾翼装置12主要包括尾翼受风板1、支座杆2、安装杆3、连杆4、摇杆5、步进电机6。
所述的尾翼受风板1与安装杆3固定连接;所述的支座杆2一端与安装杆3中间段通过活动铰链连接,支座杆2的另一端固定安装在汽车11行李箱上盖上;安装杆3另一末端与连杆4的一端通过活动铰链连接;连杆4的另一端与摇杆5的一端通过活动铰链连接;摇杆5的另一端与步进电机6连接,步进电机6安装在三厢车行李箱内,驱动摇杆5摆动运动。
所述的尾翼受风板1与汽车11的行李箱上盖的上表面形状和曲面完全贴合。
汽车11的车速超过100km/h后,安装在车前轮悬挂上的悬挂系统传感器7将车辆垂向受力信息传递给车载信息系统8,车载信息系统8根据车速和车辆垂向受力情况,发出指令控制步进电机6驱动摇杆5转动,摇杆5带动连杆4运动,连杆4带动安装杆3运动,安装杆3以支座杆2与其连接的活动铰点为转动中心进行转动,引起尾翼受风板1产生攻角α,车速越高,尾翼受风板1产生的攻角α越大。
汽车11的车速为100km/h、105km/h、110km/h、115km/h、120km/h、125km/h时,所对应的攻角α分别为0°、3°、7°、10°、15°、21°。
汽车11的车速低于100km/h时,尾翼受风板的攻角α为0°。
尾翼装置12的材料采用树脂、钢板制作。
步进电机6采用齿轮传动驱动摇杆5摆动。
所述攻角α和汽车11的速度的计算公式为:α=87.53571-2.23071v+0.01357v2,其中v≥100km/h。
本发明有益的效果是:本发明实现了汽车高速行驶时地面附着力的增强,车辆稳定性得到改善,提高了操作的平稳性,并且与汽车行李箱盖完全重叠,因而不影响其车型风格。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释,并不限定本发明的范围。其中:
图1是本发明自适应调节气动升力装置的整体分布原理图;
图2是本发明气动升力装置的尾翼板结构固定示意图;
图3是本发明气动升力装置工作状态下的受气流作用示意图;
图4是本发明气动升力装置安装在汽车尾翼后打开状态下的示意图;
图5是本发明气动升力装置安装在汽车尾翼后闭合状态下的示意图;
图6是本发明气动升力装置攻角与车速的拟合曲线图
图中:1-尾翼受风板;2-支座杆;3-安装杆;4-连杆;5-摇杆;6-步进电机;7-悬挂系统传感器;8-车载信息系统;9-攻角α;10-汽车尾翼;11-汽车;12-尾翼装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,进一步阐述本发明。在下面的详细描述中,只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑,本领域的普通技术人员可以认识到,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此,附图和描述在本质上是说明性的,而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1至图5所示,一种汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,主要包括尾翼装置12、车载信息系统8、悬挂系统传感器7,在汽车尾翼10上安装尾翼装置12,尾翼装置12大小与汽车11的尾翼10大小一致,悬挂系统传感器7设置在汽车前轮悬挂上,车载信息系统8连接悬挂系统传感器7和尾翼装置12。
尾翼装置12包括尾翼受风板1、支座杆2、安装杆3、连杆4、摇杆5、步进电机6等。
尾翼受风板1与安装杆3固定连接;所述的支座杆2一端与安装杆3中间段通过活动铰链连接,支座杆2的另一端固定安装在汽车11行李箱上盖上;安装杆3另一末端与连杆4的一端通过活动铰链连接;连杆4的另一端与摇杆5的一端通过活动铰链连接;摇杆5的另一端与步进电机6连接,步进电机6安装在三厢车行李箱内,驱动摇杆5摆动运动。
所述的尾翼受风板1与汽车11的行李箱上盖的上表面形状和曲面完全贴合,使尾翼受风板1和原车型造型风格融为一体。
汽车11一般为三厢车,当其高速行驶过程中,车速超过一定阈值后,气动升力使得前轮离地、车头上扬,成为最危险的工况,前轮上垂向力变化的变化最敏感,故所述悬挂系统传感器7设置在汽车前轮悬挂上,从而使悬挂系统传感器7在第一时间收集到垂向力变化信息。悬挂上的悬挂系统传感器7将车辆垂向受力信息传递给车载信息系统8,车载信息系统8根据车速和车辆垂向受力情况,发出指令,步进电机6驱动摇杆5转动,摇杆5带动连杆4运动,连杆4带动安装杆3运动,安装杆3以支座杆2与其连接的活动铰点为转动中心进行转动,引起尾翼受风板1产生一定攻角α,车速越高,前轮悬挂上的传感器接受到的车辆垂向受力信息变化越明显,则步进电6机驱动摇杆5转动的角度越大,进而尾翼受风板1产生的攻角α越大,则尾翼受风板1受到的空气下压力越大,进而使得汽车11地面附着力增强,车辆稳定性得到改善,提高了操作的平稳性。
当汽车11的车速低于产生发飘车速时,尾翼受风板的攻角α为0°,与三厢车行李箱盖完全重叠,因而不影响其车型风格。当车速超过阈值后,产生发飘现象,车速不同,通过步进电机6驱动而使得尾翼受风板1产生的攻角α不同。
发明人首先对现有普通汽车尾翼进行了分析。普通车型的尾翼装置多数为固定形式,而少数可升降尾翼装置只有张开和闭合两种状态,都不能达到根据实时车速控制气动升力大小的目的。
通过上述分析,要控制气动升力大小的关键问题是如何根据升力大小精准控制尾翼板的攻角α。对此,本发明人对于具体的某款车型,利用CFD流体计算软件得到其气动升力系数Cl,在已知该车型气动升力系数Cl、正投影面积S,空气密度ρ条件下,得出100km/h、105km/h、110km/h、115km/h、120km/h、125km/h六个不同速度所对应的气动升力分别为167N、184.79N、202.81N、221.67N、241.36N、261.89N。
通过自适应调节气动升力装置,采用不同攻角下产生负升力,来抵消原来增大的气动升力。通过CFD仿真,得到在100km/h时的气动升力为167N,并以此为基准,通过调节不同攻角α,以使在105km/h、110km/h、115km/h、120km/h、125km/h时产生的气动升力不超过167N,则通过CFD仿真得到对应的攻角分别为0°、3°、7°、10°、15°、21°。对此,采取2阶拟合车速与攻角曲线,如图6所示。因此本发明的自适应调节气动升力装置攻角和汽车速度的计算公式为:α=87.53571-2.23071v+0.01357v2,其中v≥100km/h。
为了防止尾翼装置12在大风高速情况下因受力集中而发生折损,尾翼装置12的材料采用树脂、钢板制作,边缘处做过渡圆角处理并采用结构支架支撑固定。
为了确保尾翼受风板1升降攻角α的精确度,尾翼受风板1升降角度由车载信息系统8控制,车载信息系统8通过传输不同角度信号给步进电机6,控制步进电机6的转动角度。
为了保证尾翼受风板1升降攻角α的准确度,步进电机6采用齿轮传动,每次齿合的角度直接决定攻角α的大小。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的,而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用,并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (9)
1.一种汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:所述自适应调节气动升力装置主要包括尾翼装置12、车载信息系统8、悬挂系统传感器7;
所述的尾翼装置12设置在汽车尾翼10上,所述悬挂系统传感器7设置在汽车前轮悬挂上,所述车载信息系统8连接所述悬挂系统传感器7和所述尾翼装置12。
所述的尾翼装置12主要包括尾翼受风板1、支座杆2、安装杆3、连杆4、摇杆5、步进电机6。
2.根据权利要求1所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:所述的尾翼受风板1与安装杆3固定连接;所述的支座杆2一端与安装杆3中间段通过活动铰链连接,支座杆2的另一端固定安装在汽车11行李箱上盖上;安装杆3另一末端与连杆4的一端通过活动铰链连接;连杆4的另一端与摇杆5的一端通过活动铰链连接;摇杆5的另一端与步进电机6连接,步进电机6安装在三厢车行李箱内,驱动摇杆5摆动运动。
3.根据权利要求1所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:所述的尾翼受风板1与汽车11的行李箱上盖的上表面形状和曲面完全贴合。
4.根据权利要求1所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:汽车11的车速超过100km/h后,安装在车前轮悬挂上的悬挂系统传感器7将车辆垂向受力信息传递给车载信息系统8,车载信息系统8根据车速和车辆垂向受力情况,发出指令控制步进电机6驱动摇杆5转动,摇杆5带动连杆4运动,连杆4带动安装杆3运动,安装杆3以支座杆2与其连接的活动铰点为转动中心进行转动,引起尾翼受风板1产生攻角α。
5.根据权利要求4所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:汽车11的车速为100km/h、105km/h、110km/h、115km/h、120km/h、125km/h时,所对应的攻角α分别为0°、3°、7°、10°、15°、21°。
6.根据权利要求4所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:汽车11的车速低于100km/h时,尾翼受风板的攻角α为0°。
7.根据权利要求1所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:尾翼装置12的材料采用树脂、钢板制作。
8.根据权利要求1所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:步进电机6采用齿轮传动驱动摇杆5摆动。
9.根据权利要求4所述的汽车高速行驶自适应调节气动升力装置,其特征在于:所述攻角α和汽车11的速度的计算公式为:α=87.53571-2.23071v+0.01357v2,其中v≥100km/h。
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