CN109398071A - 一种汽车智能主动进气格栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车智能主动进气格栅，通过驱动电机可无极控制格栅叶片的开度并使其保持稳定，空气倍增装置主要通过电流的大小来控制其工作状态，另外还有压电装置被设计用来回收部分空气动能。整个装置打破了传统固定式汽车格栅的局限性，可以根据实际车况通过各种传感信号自我主动智能调节，无需人工被动干预。本发明专利具有结构紧凑、布置方便、易于集成控制等优点，可以根据需要与汽车其他系统进行协作，装置的控制主要来自于电流的大小，还符合了未来社会面向先进电工电子技术方向发展的要求。

Description

一种汽车智能主动进气格栅

技术领域

本发明属于涉及汽车进气系统、发动机舱散热技术以及汽车行驶阻力研究技术领域，该发明具体为一种利用电机转角控制格栅叶片开度和利用空气倍增装置进行辅助进气的智能主动汽车进气格栅装置。

背景技术

汽车进气格栅是车辆发动机舱的重要组成部分，它有两个重要功能：进气和散热。因此，进气格栅的质量直接关乎到汽车整车的综合性能。虽然传统固定式的进气格栅已经在汽车领域广泛使用，且基本上能满足汽车现有进气和散热法规的各项要求，但是存在着格栅开度不能调节、进气流量不能主动控制且完全取决于车速和外部环境、可能增加汽车行驶阻力以及无法与汽车其他系统集成控制等不足之处。不适合发动机舱控制智能化和集成化以及汽车行业面向先进电工电子技术的未来发展要求。

一般车型的进气格栅无法主动关闭。在刚启动冷车行驶时，空气一样会为温度并不高的水箱降温，从而使水温攀升缓慢，无法迅速使发动机进入较佳工作温度。主动进气格栅可改变进气格栅得开闭来控制进气量及风阻，从而提高燃油经济性及快速达到发动机较佳工作温度。主动进气格栅优点：1、汽车在冷车状态时，格栅关闭，有利于发动机迅速进入较佳温度状态。2、格栅开启后，在散热的同时，能在一定程度上降低空气阻力，从而提升燃油经济性。

传统固定式汽车进气格栅无论在什么车况下都不能进行主动调整，因此存在部分情况下对汽车行驶是不利的情况。即使现在已经出现了一些主动进气格栅，但是其工作模式比较单一，并且进气状态完全只取决于格栅开度和外部环境，无法主动进气，因而对于高强度的进气负荷需求无法轻易得到满足。

发明内容

为解决现有技术存在的传统固定式汽车进气格栅无法主动调整进气的缺陷，本发明提供一种汽车用智能主动进气格栅装置，其开度是无级式的，即根据汽车需要电机将会有一个线性变化的输出来满足各种车况，这样可以避免格栅开度模式固定和单一而造成的空气流量不足或浪费。另外还设有空气倍增装置和压电装置，更加符合汽车绿色发展和智能发展的理念。整个装置几乎只需要根据各种传感信号送至ECU处理后的输出信号控制的电流大小来进行相关控制。相比较传统的固定式汽车进气格栅来说已经具有极大的创新性和可靠性。综上所述：本次发明的智能主动进气格栅装置既是发明者对现有汽车进气格栅技术想法的一次大胆创新又是未来内燃机汽车或者新能源汽车格栅设计领域的又一次进步。具体设计如下：

一种汽车智能主动进气格栅，包括主动格栅的刚性内框架，其特征在于，主动格栅的刚性内框架内设置有格栅叶片，所述格栅叶片由上、下两个半叶片通过中心连接轴连接，顶杆通过橡胶连接部件与上、下两个半叶片的两端固定连接，顶杆的中部与横杆铰接，且铰接处与中心连接轴的轴孔的连线与横杆垂直，横杆的中央通过传动花键接收驱动电机的动力；

在格栅叶片迎风的表面上设置有在格栅叶片的开度限度内均可与外界气流直接接触的有气流压电装置；

在主动格栅的刚性内框架上设置有空气倍增装置，所述空气倍增装置包括设置在主动格栅的刚性内框架上的进气管道、开设在进气管道上的直径为0.5～1.6mm(优选1.0mm)的缝隙和微型空气压缩机组成，微型空气压缩机将进气管道周边的空气通过缝隙吹入主动进气格栅内部。空气倍增装置是让空气从一个0.5～1.6mm(优选1.0mm)宽、绕着圆环放大器转动的切口里吹出来。圆环放大器就是用一个涡沦增压机对进气口吸入的少量空气加压，然后在大圈的外缘的一条很细的狭缝中按照一定的方向旋转着喷出，这组旋转着喷出的流量很小但压强很大的空气流起了类似传统风扇的扇页的作用，它们会鼓动大圈中更多的空气贯穿大圈流动，从而产生“风”)。在切口之间，空气流紧贴着内壁流动的同时因为康达效应存在而带动周围大概15倍的空气流动后“吹”出清爽的凉风，时速可达35公里。康达效应(Coanda Effect)亦称附壁作用或柯恩达效应。流体(水流或气流)由离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。

微型空气压缩机的电机功率选择：生活用无叶风扇一般为50W，无刷电机吸入气体量为30L/S，出风量可达450L/S。当汽车发动机温度过高，但车速较低，格栅进风量以及发动机本身的冷却系统不能够将发动机舱温度降低时，车载空气倍增装置起作用。想要让汽车发动机舱降温，将进气量定为汽车在108Km/h格栅的进气量。本格栅最大开度时进气量为3600L/S，则车载空气倍增装置的电机吸气量大约为240L/S，因此电机最大功率选为400W。

空气倍增装置档数选择：

一档：电流4A，功率100W

适用于汽车长时间工作后，停车休息时。此时发动机温度仍然很高，于是利用空气倍增装置进行短时间小功率工作，对发动机舱进行短时间降温。

二档：电流6A，功率200W

适用于汽车在行驶过程中在停车等红绿灯时，发动机怠速工作时，发动机舱温度不是很高，在汽车行驶前让空气倍增装置以一定的功率短时间工作。

三档：电流10A，功率400W

适用于车子在长时间高速行驶后，进入市区等车速较低的区域，发动机温度较高但是进风量较小，不能够有效对发动机舱冷却的时候，此时空气倍增装置以最大功率工作，达到快速给发动机舱降温的效果。

该汽车用智能主动进气格栅装置被设计预安装在汽车发动机舱前部位置，每一台车安装一套即可。另外该装置正常工作所需要添加的部件有导线、开关、车载蓄电池、电流处理器、稳压装置等不详加赘述了。此外该装置可以根据需要让车载空调系统、汽车前大灯散热系统、车载ECU等系统协调配合工作共同组成更加智能化的汽车发动机舱的一部分

进一步的，所述的主动格栅的刚性内框架为矩形，在刚性内框架的四周均设置有独立工作的空气倍增装置。

进一步的，所述的驱动电机为步进电机。驱动电机属是格栅叶片开度调整的动力来源。经过反复甄选，在本次发明中最终决定选用步进电机，这是因为步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本次发明的装置叶片通过步进电机旋转一定的角度来调节进气格栅的开度，达到节约燃油经济性，减小风阻提高其动力性。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

在选择电机具体型号时，按以下步骤进行了计算：

1、选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。

(1)在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。

(2)但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要

外形的选择：通常根据需要的转矩大小，来选择哪种型号的电机。大致说来，扭力在0.8N·m以下，选择20、28、35、39、42(电机的机身直径或方度，单位：mm)；扭力在1N·m左右的，选择57电机较为合适。扭力在几个N·m或更大的情况下，就要选择86、110、130等规格的步进电机。进气格栅所需力矩为，故选57电机较为合适。选用VRDM368/LHA型，机身长度为79mm，导线长度450mm。

那么对于最终执行元件也就是进气格栅叶片来说，其开度的大小也十分有讲究，具体的影响因素主要是发动机舱温度以及汽车受到的行驶阻力大小(主要是空气阻力)。

发动机舱温度与进气格栅的开度可用公式a＝90-kT表示

其中a:进气格栅的开闭角度，T:发动机舱温度，k:常系数

进气格栅还有一个作用就是可以保护水箱和发动机舱里面的部件，使其避免受到外来物件的撞击。汽车的造型会考虑到空气动力学，在高速行驶时，大部分物体都会被空气中的气流弹开，也就不会对汽车发动机舱内的部件造成损坏。

在车辆的外形保持不变的情况下，车辆的风阻系数为一定值，不随车速的变化而变化。但当进气格栅的开度发生变化时，整车的外形会随之发生改变，这也就导致风阻系数发生了变化。若在高速行驶时，确保无需外来空气冷却发动机舱，关闭进气格栅则能减小风阻系数从而减少空气阻力，提高发动机的稳定性与燃油经济性。

进一步的，顶杆和横杆的通过销钉铰接。

进一步的，格栅叶片的开度为60度～120度。

进一步的，所述气流压电装置由PVDF薄膜组成。如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。

聚偏氟乙烯PVDF薄膜的优点：PVDF是目前压电性能最优的压电材料之一，作为一种新型薄膜状换能材料具有质地轻软、可绕性好、压电特性好等特点。与目前常用的无机物压电材料(如石英、压电陶瓷类)相比，它还具有声阻抗小、频率响应宽、介电常数小、耐冲击性强，便于加工成任意形状等优点。

进一步的，所述气流管道采用ABS塑料制成。ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物，三种单体相对含量可任意变化，制成各种树脂。ABS兼有三种组元的共同性能，A使其耐化学腐蚀、耐热，并有一定的表面硬度，B使其具有高弹性和韧性，S使其具有热塑性塑料的加工成型特性并改善电性能。因此ABS塑料是一种原料易得、综合性能良好、价格便宜、用途广泛的“坚韧、质硬、刚性”材料。

进一步的，所述主动格栅的刚性内框架的尺寸为500～700mm*250～350mm。优选的，进气格栅的总形状参数为600mm*300mm。格栅叶片采用高刚度的碳纤维，碳纤维会在进模具前被浸于环氧树脂(一种胶状材料)之中，形成一种复合材料。大部分用于自行车行业的碳纤维都是以这种形式加工的，这种工艺叫做“预浸”。树脂会完成两个任务。第一个任务是保持碳纤维在一起。第二个任务是树脂会增加韧性和耐久性。轻微塑化后在遇到冲击(如撞击或者碎石击打)后会有所变形，从而帮助吸收猛击，而不会导致纤维的严重撕裂。

有益效果：

本发明可运用在传统内燃机汽车以及新能源汽车中增程式电动汽车、混合动力汽车和氢发动机汽车等车辆上，可安装在汽车发动机舱前部位置，该装置为实现根据发动机舱温度、车辆行驶状态和环境温度等众多因素进行主动控制调节提供条件，最终使装置执行部分达到汽车所需要的实时状态。其中，驱动电机可无极控制格栅叶片的开度并使其保持稳定，空气倍增装置主要通过电流的大小来控制其工作状态，另外还有压电装置被设计用来回收部分空气动能。整个装置打破了传统固定式汽车格栅的局限性，可以根据实际车况通过各种传感信号自我主动智能调节，无需人工被动干预。本发明专利具有结构紧凑、布置方便、易于集成控制等优点，可以根据需要与汽车其他系统进行协作，装置的控制主要来自于电流的大小，还符合了未来社会面向先进电工电子技术方向发展的要求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明汽车智能主动进气格栅装置驱动电机主视图；

图2是本发明汽车智能主动进气格栅装置中空气倍增装置的结构示意图；

图3是图2中I处的放大图；

图4实施例中的汽车智能主动进气格栅装置的整体结构示意图；

图5是本发明汽车智能主动进气格栅装置内部传动机构总体设计左视图；

图6是本发明汽车智能主动进气格栅装置内部传动机构总体设计正视图；

其中，1、驱动电机导线；2、驱动电机壳体；3、驱动电机驱动轴，4、进气管道；5、缝隙；6、主动进气格栅装置刚性内框架；7、上整体叶片；8、下整体叶片；9、中心连接轴；10、左右两半部叶片连接处间隙；11、销钉；12、顶杆和横杆的铰接点；13、顶杆；14、橡胶连接部件；15、半叶片；16、叶片转动中心轴孔；17、横杆；18、顶杆；19、传动花键。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

一种汽车智能主动进气格栅，包括主动格栅的刚性内框架6，主动格栅的刚性内框架6内设置有上整体叶片7、下整体叶片8、上、下整叶片又由左右两半部分叶片连接而成；左右两半部分叶片内部又由上、下两个半叶片15通过中心连接轴9连接形成，顶杆13通过橡胶连接部件14与上、下两个半叶片15的两端固定连接，顶杆13的中部与横杆20铰接，且铰接处与中心连接轴9的轴孔的连线与横杆20垂直，横杆20的中央通过传动花键19接收驱动电机驱动轴的动力；

在格栅叶片迎风的表面上设置有在格栅叶片的开度限度内均可与外界气流直接接触的有气流压电装置；

在主动格栅的刚性内框架6上设置有空气倍增装置，所述空气倍增装置包括设置在主动格栅的刚性内框架上的进气管道4、开设在进气管道上的直径为0.5～1.6mm的缝隙5和微型空气压缩机组成，微型空气压缩机将进气管道周边的空气通过缝隙吹入主动进气格栅内部。

主动格栅的刚性内框架6为矩形，在刚性内框架的四周均设置有独立工作的空气倍增装置。

驱动电机导线1传递接收汽车ECU的电脉冲信号，驱动电机驱动轴3受控制转过一定的角度，驱动电机驱动轴3通过传动花键19将动力传递至横杆20，然后动力通过顶杆和横杆的铰接点17传递至顶杆18，最后动力通过橡胶连接部件14传递到格栅叶片。格栅叶片随之会进行张开或缩扁的相应动作，即格栅的开闭，只要控制驱动电机驱动轴3正转或者反转，即可控制格栅叶片的无极开合。另外压电装置的压电材料装贴在上整体叶片7、下整体叶片8的迎风表面处(图中未标出)，压电材料质量轻、厚度薄且压电效应好，由空气动能转化的电能通过额外导线输送至车载蓄电池。空气倍增装置被设计安装在主动进气格栅装置刚性内框架6的外部进行辅助进气散热发动机舱，它有3个模式，每个模式(挡)的控制转换只需控制供给其电流的大小即可，

一档：电流4A，功率100W，适用于汽车长时间工作后，停车休息时。此时发动机温度仍然很高，于是利用空气倍增装置进行短时间小功率工作，对发动机舱进行短时间降温。

二档：电流6A，功率200W，适用于汽车在行驶过程中在停车等红绿灯时，发动机怠速工作时，发动机舱温度不是很高，在汽车行驶前让空气倍增装置以一定的功率短时间工作。

三档：电流10A，功率400W，适用于车子在长时间高速行驶后，进入市区等车速较低的区域，发动机温度较高但是进风量较小，不能够有效对发动机舱冷却的时候，此时空气倍增装置以最大功率工作，达到快速给发动机舱降温的效果。

进气格栅的总形状参数为600mm*300mm，格栅叶片的参数为600mm*75mm*3mm(长、宽、厚)。进气格栅叶片数量设计为：上下两片。

支撑横轴尺寸长为200mm，直径为10mm，材料：38CrMoAlA调质

顶杆尺寸为长80mm，直径为6mm，材料：40Cr

销直径为2.8mm，材料：40MoCrAl。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车智能主动进气格栅，包括主动格栅的刚性内框架，其特征在于，主动格栅的刚性内框架内设置有格栅叶片，所述格栅叶片由上、下两个半叶片通过中心连接轴连接，顶杆通过橡胶连接部件与上、下两个半叶片的两端固定连接，顶杆的中部与横杆铰接，且铰接处与中心连接轴的轴孔的连线与横杆垂直，横杆的中央通过传动花键接收驱动电机的动力。

2.如权利要求1所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，在格栅叶片迎风的表面上设置有在格栅叶片的开度限度内均可与外界气流直接接触的有气流压电装置。

3.如权利要求1所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，在主动格栅的刚性内框架上设置有空气倍增装置，所述空气倍增装置包括设置在主动格栅的刚性内框架上的进气管道、开设在进气管道上的直径为0.5～1.6mm的缝隙和微型空气压缩机组成，微型空气压缩机将进气管道周边的空气通过缝隙吹入主动进气格栅内部。

4.如权利要求3所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，所述的主动格栅的刚性内框架为矩形，在刚性内框架的四周均设置有独立工作的空气倍增装置。

5.如权利要求1-4任一项所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，所述的驱动电机为步进电机。

6.如权利要求1所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，格栅叶片的开度为60度～120度。

7.如权利要求2所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，所述气流压电装置由PVDF薄膜组成。

8.如权利要求3所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，所述气流管道采用ABS塑料制成。

9.如权利要求3所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，所述微型空气压缩机的功率设置为电流4A，功率100W、电流6A，功率200W和电流10A，功率400W三个工作档数。

10.如权利要求3所述的汽车智能主动进气格栅，其特征在于，开设在进气管道上的缝隙的直径为1.0mm。