CN107600197B - 用于机动车的主动水平舵 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的水平舵系统包括第一水平舵和第二水平舵。该车辆包括车体，该车体具有当该车辆在运动中时面朝即将来临的周围气流的第一车体端以及第一横向车体侧和第二横向车体侧。第一水平舵安装至靠近第一车体端的第一横向车体侧以在第一横向车体侧处的第一车体端上产生空气动力学下压力。第二水平舵安装至靠近第一车体端的第二横向车体侧并且配置成在第二横向车体侧处的第一车体端上产生空气动力学下压力。该水平舵系统还包括配置成将第一水平舵和第二水平舵中的每一个相对于车体选择性且单独地移位以调整由每个水平舵在第一车体端上产生的空气动力学下压力的大小的机构。

Description

用于机动车的主动水平舵
技术领域
本公开涉及用于增强机动车的空气动力学的主动水平舵。
背景技术
空气动力学是包括汽车的车辆设计中的重要因素。汽车空气动力学是对道路车辆的空气动力学的研究。该研究的主要目标是减小阻力及风噪声，将噪声排放最小化，并且防止出现非所需升力和在高速时空气动力不稳定性的其它原因。另外，对空气动力学的研究可以用于实现高性能车辆中的下压力以改进车辆牵引和转弯能力。该研究通常用于塑形车辆的车身用于实现具体车辆使用的上述特性当中的理想折衷。
水平舵(diving plane或dive-plane)是通常用于增大道路车辆前面的下压力的大小的空气动力学装置。水平舵通常装配在车辆上且刚好在前轮前面。这些水平舵最常见于跑车上并且用于产生附加的下压力和通道气流以帮助平衡车辆的稳定性和转弯。通常，气流在水平舵的上表面处减缓，产生高压力区域。在水平舵下方，气流沿着车体改向并且加速，导致压力下降。因此，水平舵下方的压力下降结合水平舵上方的高压在车体的前端处产生下压力。通常，水平舵的面积越大，车辆前面产生的下压力就越大。
发明内容
一种用于车辆的水平舵系统包括第一水平舵和第二水平舵。该车辆包括车体，其沿着纵向车体轴线设置并且具有面向即将来临的周围气流的第一车体。该车体还具有第一横向车体侧和第二横向车体侧。该第一水平舵安装至第一横向车体侧靠近第一车体端以当车辆在运动中时在第一车体端上于第一横向车体侧处产生空气动力学下压力。该第二水平舵安装至靠近第一车体端的第二横向车体侧并且配置成当车辆在运动中时在第二横向车体侧处的第一车体端上产生空气动力学下压力。该水平舵系统还包括配置成将第一水平舵和第二水平舵中的每一个相对于车体选择性且单独地移位以调整由每个水平舵在第一车体端上产生的空气动力学下压力的大小的机构。
该机构可以配置成将第一水平舵和第二水平舵中的每一个在横向于纵向车体轴线的方向上选择性地移位，即，使第一水平舵和第二水平舵选择性地展开和缩回。
第一水平舵和第二水平舵中的每一个可沿着平行于道路表面且横向于纵向车体轴线设置的水平舵轴线设置。另外，该机构可配置成将第一水平舵和第二水平舵中的每一个相对于第一车体端绕水平舵轴线选择性地且单独地旋转以由此调整由相应的第一水平舵和第二水平舵在第一车体端上产生的空气动力学下压力的大小。
该水平舵系统还可以包括配置成调节该机构的电子控制器。
该车辆还可以包括负重轮，且该水平舵系统可以进一步包括第一传感器，其配置成检测负重轮的转速并且将负重轮的检测到的转速传达至控制器。
该水平舵系统还可以包括第二传感器，其配置成检测车体的横摆率并且将检测到的横摆率传达至控制器。
该水平舵系统还可以包括第三传感器，其配置成检测周围气流相对于车辆的速度并且将周围气流的检测到的速度传达至控制器。
该车辆另外可以包括方向盘，且该水平舵系统可以进一步包括第四传感器，其配置成检测方向盘的角度。
该控制器可以配置成在车辆转弯期间响应于检测到横摆率、方向盘的检测到的角度以及负重轮的检测到的转速和周围气流的速度中的至少一个而经由该机构将第一水平舵和第二水平舵中的至少一个在横向于纵向车体轴的方向上选择地移位，以由此改变车辆的第一车体上的空气动力学下压力并且控制检测到的横摆率。
该控制器另外可以编程为根据查找表经由该机构将第一水平舵和第二水平舵中的至少一个在横向于纵向车体轴线的方向上选择性地移位，该查找表建立第一水平舵和第二水平舵中的每一个的移位的大小与由水平舵系统在车辆的第一车体端上产生的空气动力学下压力的大小的对应关系。
该机构可以包括线性致动器、旋转式致动器以及电动马达中的至少一个。
还公开了一种采用此水平舵系统的车辆。
上述特征和优点以及本公开的其它特征和优点从实施例的以下详述和用于实行结合附图和随附权利要求书取得的所述公开的最佳模式将容易地显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的具有在车体平面中沿着纵向轴线的车体并且具有带有可移动水平舵的水平舵系统的车辆的示意俯视图。
图2是根据本公开的图1中所示的车辆的示意前视图。
图3是根据本公开的图1至2中所示的车辆的示意透视图连同水平舵系统的详图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标号指代相同的部件，图1示出了相对于路面12定位的机动车10的示意图。车辆10包括设置在车体平面P中的车体14，该车体平面基本上平行于路面12。车体14限定六个车体侧。六个车体侧包括第一车体端或前端16、相对第二车体端或后端18、第一横向车体侧或左侧20以及第二横向车体侧或右侧22、顶部车体部分24(可以包括车顶)以及车体底部部分(未示出)。
左侧20和右侧22设置成总体上彼此平行且平行于车辆10的虚拟纵向轴线X，并且横跨前端16与后端18之间的距离。车体平面P被限定为包括纵向轴线X。车辆10的乘客车厢(未示出)总体上是由车体14的前端16和后端18以及左侧和右侧界定。如本领域技术人员所理解，前端16配置成当车辆10相对于路面12运动时面朝即将来临的周围气流27。当车辆10正在运动时，即将来临的周围气流27基本上平行于车体平面P并且沿着纵向轴线X移动。
当车辆10相对于路面12移动时，周围气流27绕过车体14并且分流为相应的第一气流部分27-1、第二气流部分27-2、第三气流部分27-3以及第四气流部分(未示出)，其最终在紧靠后端18之后的尾流区域或再循环气流区域27-6中重新结合。具体地，如图1中所示，第一气流部分27-1越过顶部车体部分24，第二气流部分27-2越过左侧20，第三气流部分27-3越过右侧22，且第四气流部分流经车体14下方、介于车体底部部分与路面12之间，但没有具体示出。如本领域技术人员所理解，再循环气流区域27-6总体上在高的车速下由于周围空气在车体14的六个车体侧周围流动而造成的。
如图1和2中所示，车辆10还包括水平舵系统28。水平舵系统28包括第一或左侧水平舵30，其配置成可移动地安装至车体14的左侧20。如所示，左侧水平舵30设置成靠近前端16并且配置成当车辆10正在运动时在左侧20处的前端上产生空气动力学下压力FD1。水平舵系统28包括第二或右侧水平舵32，其配置成可移动地安装至车体14的右侧22。如所示，右侧水平舵32类似地设置成靠近前端16并且配置成当车辆10正在运动时在右侧22处的前端上产生空气动力学下压力FD2。如所示，左侧水平舵30和右侧水平舵32沿着水平舵轴线Y设置，该水平舵轴线基本上横向于车体14的纵向车体轴线X并且还可基本上平行于路面12。水平舵30、32中的每一个均可被塑形为弯曲斜坡和/或包括其被塑形为空气动力面的至少某个部分。另外，水平舵30、32中的每一个均可由刚性抗断裂材料(诸如钢、铝、碳纤维或具体配置的塑料)构造而成。
水平舵系统28另外包括配置成将左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个相对于车体14选择性且单独地移位的机构34。通过将左侧水平舵30和右侧水平舵32单独地移位，该机构34单独地调整产生在前端16上的相应空气动力学下压力FD1和空气动力学下压力FD2的大小。具体地，该机构34可以配置成将左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个在沿着水平舵轴线Y的方向上选择性地移位。左侧水平舵30和右侧水平舵32横向于纵向车体轴线X的这种移位可用于将每个水平舵选择性地展开至相应的第二气流部分27-2和第三气流部分27-3中，并且将水平舵从其中缩回并且缩回至相应的左侧20和右侧22中。另外，左侧水平舵30和右侧水平舵32横向于纵向车体轴线X的这种移位可用于选择性地增大和降低水平舵的暴露面积，以由此增大和降低前端16上的相应空气动力学下压力FD1和FD2的大小。左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个均可配置成缩回至由相应的左侧20和右侧22限定的专用凹部(未示出)中。因而，相应的左侧水平舵30和右侧水平舵32可以配置成在相应的凹部20A、22A内滑动。
该机构34另外可配置成将左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个相对于第一车体端16并且围绕水平舵轴线Y选择性且单独地旋转。左侧水平舵30和右侧水平舵32的这种旋转旨在改变水平舵相对于相应的左车体侧20和右车体侧22的位置。因此，左侧水平舵30和右侧水平舵32的旋转可调整产生在前端16上的相应的空气动力学下压力FD1和空气动力学下压力FD2的大小。
该机构34可包括一组单独的装置36，其用于将左侧水平舵30和右侧水平舵32朝向和远离相应的第一横向车体侧20和第二横向车体侧22移位以及将相应的水平舵相对于车体14旋转。这样的一组单独的装置36可具有具体用于驱动左侧水平舵30的一个装置36以及具体用于驱动右侧水平舵32的另一个装置36。每个装置36均可以定位在车体14与相应的左侧水平舵30和右侧水平舵32之间用于产生相应的水平舵(诸如线性致动器、旋转式致动器和/或电动马达(未详细示出，但是为本领域技术人员所理解))的移动。如图3中所示，每个装置36均可以配置成施用力F1以将相应的左侧水平舵30和右侧水平舵32在一个方向上移位并且施用相反力F2以将主体水平舵在相反方向上移位。另外，每个装置36均可以配置成施用转矩T1以将相应的左侧水平舵30和右侧水平舵32在一个方向上旋转并且施用相反转矩T2以将主体水平舵在相反方向上移位。左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个均可以包括至车体14的辅助连接36-1以在旋转期间以稳定且可靠方式引导相应的水平舵在它们的铰接角内旋转。
如图1至3中所示，车辆还包括配置(即，构造和编程)成调节该机构34的电子控制器38。控制器38可以被配置为中央处理单元(CPU)，其配置成调节内燃机40(图1中所示)、混合动力电动传动系(未示出)或其它替代类型的动力装置以及其它车辆系统的操作；或被配置为专用控制器。为了适当地控制该机构34的操作，控制器38包括存储器，其中的至少某些是有形且非暂时性的。存储器可以是参与提供计算机可读数据或程序指令的任何可记录介质。这样的介质可以呈许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。
用于控制器38的非易失性介质可以包括(例如)光盘或磁盘和其它持久存储器。易失性存储器可以包括(例如)可以构成主存储器的动态随机访问存储器(DRAM)。这样的指令可以由一种或多种传输介质(包括同轴电缆、铜线和光纤(包括具有耦接至计算机的处理器的系统总线的导线))传输。控制器38的存储器还可以包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其它光学介质等。控制器38可配置或配备有其它所需计算机硬件，诸如高速时钟、必需品模数(A/D)和数模(D/A)电路、任何必需的输入输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和/或缓存电路。控制器38需要或从而可存取的任何算法可以存储在存储器中并且自动地执行以提供所需功能性。
水平舵系统28另外可以包括设置在车辆10上并且与控制器38进行通信的各种传感器。如图1中所示，车辆10还包括负重轮42。多个第一传感器44可以设置在车体14上用于检测每个负重轮42的转速。每个第一传感器44还可以配置成将相应的负重轮42的检测到的转速传达至控制器38，而控制器可以配置成将接收自相应的第一传感器的数据与车辆10的道路速度相关。车辆10还可以包括第二传感器46，其配置成检测车体14上相对于路面12的横摆力矩或横摆率并且将检测到的横摆率传达至控制器38。车辆另外可以包括第三传感器48，其配置成检测周围气流27相对于车辆10的速度并且将周围气流的检测到的速度传达至控制器38。第三传感器48可以是配置成检测具体位置处的周围气流27相对于车体14的压力的皮托管，且控制器38可将测量的压力与气流速度相关。
控制器38另外配置成响应于由第二传感器46检测到的横摆率而经由该机构34将左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个朝向和远离相应的第一横向车体侧20和第二横向车体侧22沿着水平舵轴线Y选择性地移位和/或使主体水平舵在车辆10的转弯期间旋转。例如，如果车辆10正进行大过载转弯(high-g turn)，那么左侧水平舵30和右侧水平舵32可延伸远离相应的车体侧20、22以增大作用在前端16上的下压力FD1和FD2，并且增强车辆通过转弯维持选定路线的能力。因此，可经由控制器38以与在车辆10的转弯期间通过将主体水平舵移位而产生的横摆率成比例地调节左侧水平舵30和右侧水平舵32的位置相对于相应的车体侧20、22的位置。
另外，控制器38可以配置成响应于经由第一传感器44检测到的负重轮42的转速和/或经由第三传感器48检测到的周围气流27的速度而经由该机构34将左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个朝向和远离相应的第一横向车体侧20和第二横向车体侧22沿着水平舵轴线Y选择性地移位和/或使主体水平舵旋转。例如，如果车辆10正以高的道路速度行驶，那么左侧水平舵30和右侧水平舵32可延伸远离相应的车体侧20、22以增大作用在前端16上的相应下压力FD1和FD2，并且增强车辆在这些条件下的稳定性和转向响应。另一方面，左侧水平舵30和右侧水平舵32可朝车体侧20、22缩回以降低相应的下压力FD1和下压力FD2，且因此降低车辆10的空气动力学阻力。
控制器38还可以编程为确定车辆10相对于路面12的滑移。车辆10的滑移可以包括对每个负重轮42在总体上垂直于纵向车辆轴线X的方向上滑移多远的衡量，从而识别车辆已偏离沿着路面12的期望方向或路径。可以由方向盘角度来识别车辆10的期望方向，该角度可由操作地连接至方向盘52(图1中所示)的第四传感器50检测并且传达至控制器38。另外，控制器38可以编程为比较确定的方向盘角度和横摆率以确定车辆已偏离其期望方向或路径有多远。
控制器38还可以编程为通过经由该机构34响应于车辆已偏离其期望路径有多远而控制左侧水平舵30和右侧水平舵32相对于相应的车体侧20、22的位置来控制车辆10相对于路面12的滑移。左侧水平舵30和右侧水平舵32的位置的所采用的变化接着迫使车辆10将实际车辆前进方向返回至由车辆的操作者在方向盘52处指令的理想前进方向。另外，两个第三传感器48可以设置在车体14上靠近前端16，一个这样的第三传感器在左侧20上且另一个第三传感器在右侧22上(未示出)。控制器38接着可以配置成响应于当车辆10进入且进行转弯时每个第三传感器48处的空气速度测量值之间的确定差而选择性且单独地改变左侧水平舵30和右侧水平舵32相对于相应的车体侧20、22的位置以改变车体14上的相应下压力FD1和下压力FD2。
控制器38另外可以编程有查找表54，其在先前描述的车辆参数(车辆滑移、横摆率、车辆道路速度和/或气流速度以及左侧水平舵30和右侧水平舵32的适当位置)之间建立对应关系用于影响机构34的适当调节。具体地，查找表54可对左侧水平舵30和右侧水平舵32中的每一个的移位的大小和由水平舵系统28产生在前端16上的空气动力学下压力FD1和空气动力学下压力FD2的大小建立对应关系。在车辆10的验证和测试期间可通过经验形成查找表54。由于左侧水平舵30和右侧水平舵32相对于相应的车体侧20、22的位置在转弯事件期间或高的道路速度下发生改变，水平舵系统28可调整车体14的前端处的相应的下压力FD1和下压力FD2来影响车辆10的动态行为。
因此，对左侧水平舵30和右侧水平舵32的位置的控制可以用于通过响应于由单独的第三传感器48检测到的第二气流部分27-2和第三气流部分27-3的速度而抵消车体14的空气动力学升力来维持车辆10在高速下与路面12的接触。另外，对左侧水平舵30和右侧水平舵32的位置的控制可以用于辅助车辆10的操纵以通过抵消和控制如由第二传感器46检测到的作用于车体14上的横摆力矩来将车辆维持在其期望路径上。
详述和附图或图支持并且描述本公开，但是本公开的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于实行所述公开的某些最佳模式和其它实施例，但是也存在用于实践所附权利要求书中界定的本公开的各种替代设计和实施例。另外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各个实施例的特性不一定被理解为实施例彼此独立。实情是，可行的是，实施例的一个实例中描述的每个特性可与来自其它实施例的一个或多个其它期望特性组合，从而产生没有以文字描述或没有通过参考图式描述的其它实施例。因此，这些其它实施例落在随附权利要求书的范围的框架内。

Claims (9)

1.一种用于车辆的水平舵系统，所述车辆具有沿着纵向车体轴线设置的车体且包括配置成当所述车辆相对于路面正在运动时面朝即将来临的周围气流的第一车体端、与所述第一车体端相对的第二车体端以及横跨所述第一车体端与所述第二车体端之间的距离的第一横向车体侧和第二横向车体侧，所述水平舵系统包括：
第一水平舵，其配置成安装至靠近所述第一车体端的所述第一横向车体侧并且配置成当所述车辆在运动中时在所述第一横向车体侧处的所述第一车体端上产生空气动力学下压力；
第二水平舵，其配置成安装至靠近所述第一车体端的所述第二横向车体侧并且配置成当所述车辆在运动中时在所述第二横向车体侧处的所述第一车体端上产生空气动力学下压力；以及
其中，所述第一水平舵和所述第二水平舵中的每一个沿着平行于道路表面且横向于所述纵向车体轴线设置的水平舵轴线设置；
机构，其配置成将所述第一水平舵和所述第二水平舵中的每一个相对于所述车体选择性地且单独地移位以由此调整由所述第一水平舵和所述第二水平舵中的每一个在所述第一车体端上产生的所述空气动力学下压力的大小，所述机构还配置成将所述第一水平舵和所述第二水平舵中的每一个相对于所述第一车体端绕所述水平舵轴线选择性地且单独地旋转以由此调整由相应的第一水平舵和第二水平舵在所述第一车体端上产生的所述空气动力学下压力的所述大小。
2.根据权利要求1所述的水平舵系统，其中所述机构配置成将所述第一水平舵和所述第二水平舵中的每一个在横向于所述纵向车体轴线的方向上选择性地移位。
3.根据权利要求1所述的水平舵系统，其进一步包括配置成调节所述机构的电子控制器。
4.根据权利要求3所述的水平舵系统，其中所述车辆包括负重轮，所述水平舵系统进一步包括第一传感器，所述第一传感器配置成检测所述负重轮的转速并且将所述负重轮的所述检测到的转速传达至所述控制器。
5.根据权利要求4所述的水平舵系统，其进一步包括第二传感器，所述第二传感器配置成检测所述车体的横摆率并且将检测到的横摆率传达至所述控制器。
6.根据权利要求5所述的水平舵系统，其进一步包括第三传感器，所述第三传感器配置成检测周围气流的速度并且将所述周围气流的检测到的速度传达至所述控制器。
7.根据权利要求6所述的水平舵系统，其中所述车辆包括方向盘，所述水平舵系统进一步包括第四传感器，所述第四传感器配置成检测所述方向盘的角度。
8.根据权利要求7所述的水平舵系统，其中所述控制器配置成响应于检测到横摆率、所述方向盘的检测到的角度以及所述负重轮的检测到的转速和所述周围气流的速度中的至少一个而在车辆转弯期间经由所述机构将所述第一水平舵和所述第二水平舵中的至少一个选择地移位，以由此改变所述第一车体端上的所述空气动力学下压力并且控制检测到的横摆率。
9.根据权利要求8所述的水平舵系统，其中所述控制器编程为根据查找表经由所述机构将所述第一水平舵和所述第二水平舵中的至少一个选择性地移位，所述查找表建立所述第一水平舵和所述第二水平舵中的每一个的移位的大小与由所述水平舵系统在所述第一车体端上产生的所述空气动力学下压力的大小的对应关系。
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