CN115315386A - 一种减少移动车辆的阻力的设备和方法 - Google Patents

一种减少移动车辆的阻力的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于减少诸如道路运输车辆、摩托车和包括电动自行车的自行车的移动车辆后面的阻力和尾流形成的设备，包括一个或多个通风口，这些通风口中的每一个都具有近端和远端，两端均开口并在行进方向上定位和纵向对齐，以这种方式来处理移动车辆的尾流和边界层的形成，所述通风口定位成与车辆的湍流后表面间隔开并且通过一个或多个连接构件固定到车辆的主体。

Description

一种减少移动车辆的阻力的设备和方法
技术领域
本发明涉及减少移动车辆(诸如道路运输车辆、摩托车、滑板车和包括电动自行车的自行车、以及其他电动道路运输车辆)的阻力和尾流形成。
背景技术
空气阻力是骑自行车者和汽车驾驶员在道路上骑行或行驶时要克服的最大障碍之一。已经进行了各种尝试来减少这种阻力，并取得了不同程度的成功。然而，大多数自行车和其他车辆(其中，骑手坐直身子)仍然具有很差的空气动力学和高阻力系数。虽然在设计较新的自行车和其他车辆时，考虑到了更好的空气动力学，但人体就没有被很好地设计成穿过空气。自行车和其他车辆设计者和发明人已经尝试开发替代车辆设计和HPV(人力车辆)，重点是更好的空气动力学性能。
自行车框架建造商和其他车辆设计者一直致力于创造更符合空气动力学效率的设计。一些最近的设计集中于从圆形管转变为椭圆形或泪状管。在保持良好的强度-重量比和改进空气动力效率之间存在微妙的平衡做法。
同样地，汽车制造商也面临着改进燃油效率和对二氧化碳(CO2)和其他排放物进行更严格管理的挑战。在减少行使阻力和由此的机动车辆的燃料消耗性能方面付出了显著努力。使用空气动力学原理的适当设计发挥着重要作用，因为空气阻力是70km/h及以上速度时总行驶阻力的主要贡献者。
自行车或其他道路车辆上的空气动力阻力由两部分组成：气压阻力(也称为形阻力)和直接摩擦(也称为表皮阻力、表面摩擦或表皮摩擦)。一个钝的、不规则的物体会扰乱它周围的空气流动，导致气流与物体表面分离。低压区域形成在物体后部，导致压力阻力。由于前部压力高、后部压力低，骑自行车者或机动车辆被向后拉。流线型设计帮助空气在这些主体周围更流畅地闭合并减少压力阻力。通过空气与运动中的骑手和自行车的表面的接触，会产生直接摩擦。竞速的骑自行车的人经常穿“紧身衣”，以便减少直接摩擦。在道路车辆的总阻力中，直接摩擦或“表皮阻力”与气压阻力或“形阻力”相比是小的组成部分。
机动道路车辆一般为钝头体，其中空气阻力的主要来源是压力阻力。这种阻力涉及尾流区域的形成，并且随着速度的增加，车辆前部和后部之间的压力差也会增加。因此，了解尾流在时间和空间上的行为，对于实现阻力减少的目标至关重要。
车辆的尾流显著影响其空气动力学性能，并可能影响高速行驶的稳定性。因此，优化车辆尾流是改进其空气动力学性能、进一步改进操纵稳定性和燃油经济性的有效途径。当车辆高速行驶时，尾流影响其性能的许多要素。换句话说，尾流优化是改进车辆性能的有效方法。应当注意的是，尾流是移动通过流体的固体主体下游的扰流(通常是湍流)区域，由围绕主体的流体流动引起。
一些较早的减少移动车辆阻力的方法包括将襟翼固定在尾部边缘，这会引起尾流的不同变化，从而对升力和阻力产生不同的影响。另一种常见的方法是在尾部表面安装空气导流板。通过改变空气导流板的方向和角度，可以改变尾流的速度和结构。然而，尾流的优化得到了进一步的改善。例如，可以在尾部处安装鼓风机来优化尾流。还有一些用于优化尾流的其他的主动控制方法。
移动的车辆周围的压力变化表明，发现汽车前端的压力最大，而汽车后端的压力达到最小。这反映了车辆后端处存在尾流区域，这会增加车辆的阻力。减少的尾流区域对车辆的整体空气动力学效率有直接影响。随着机动车辆的空气动力学不断改进，车辆经济性也随之改进。
发明内容
本发明限定了一种改进的且便宜的减少阻力的方式，适用于诸如自行车的露天车辆或诸如机动车的封闭式道路车辆。本发明的主要方面是在这样的位置提供通风口，以减少车辆的阻力，尤其是来自尾流形成的阻力，并且通风口的长度足以从相邻表面产生层流度。根据本发明，通风口的定位是关键的。基本方向会是放置一个带有入口的通风口，该入口处理后表面和相邻的边界层。通风口应与车辆纵向对齐地放置，目的是减少尾流形成并产生推力。
本发明用于减少移动的车辆(诸如道路运输车辆、摩托车、滑板车和包括电动自行车的自行车)后面的阻力和尾流形成，包括一个或多个通风口，这些通风口中的每一个都具有近端和远端，两端开口并在行进方向上纵向定位和对齐，以这种方式来处理移动车辆的尾流和边界层的形成，所述通风口与车辆的湍流后表面间隔开定位并且通过一个或多个连接构件固定到车辆的主体。
从车辆的第一次移动开始，通风口中所包含的空气被排出，与车辆的行进方向相反。随着车辆的持续移动，流过后向表面的空气通过通风口被吸入，然后被排出。通过与车辆的行进方向对齐，通过通风口增加的正面区域可最小化。
本发明与现有技术方法的不同之处在于，现有技术方法集中于将空气泵送到车辆的后表面而不是从这些表面抽出。具体地，本发明的通风口从后表面和相邻边界层抽出空气，其中其他装置(如侧通风口)将空气引导到车辆的后部，但不从后表面抽出空气。本发明的方法直接处理了湍流的主要区域，尤其是后表面处的近尾流区域，在该区域，其他装置具有不太直接的影响，并且影响尾流区域的有限部分。
本发明的另一方面是通风口可以适用于车辆的各种尺寸或形状，例如骑自行车者的后表面。
在本发明的另一个实施方式中，螺旋桨或风扇附件可以位于通风口内部，并且风扇或螺旋桨的旋转由下游气流引起，并且其效率得到改进。在这个实施方式中，通气口的长度比螺旋桨长，从螺旋桨的后表面产生大的下游流。螺旋桨或风扇也可以由外部电源(诸如可充电电池)供电。
附图说明
现在参照图1至32说明本发明的优选实施方式。
图1至14中所示的实施方式是诸如自行车的露天车辆，其中骑手形成空气动力学表面，从该空气动力学表面发生湍流和尾流形成。
图1、3、6、8、12和14涉及通常在骑手的后向表面(尤其是在下背部和腿部之后)之后发现的停滞区域，以及使用本发明的通风口，层流在这些区域中的发展。
图1说明了附接到自行车的本发明的使用。本发明的通风口有助于在骑手-自行车系统的后向表面(特别是下背部和腿部的表面)之后继续空气流动，从而减少尾流区域的形成，并产生推力。通风口可以通过任何合适的手段附接到自行车上，诸如使用紧固件或螺钉。
图2示出了本发明的通风口的后视图。它说明了通风口的开方式设计和通过通风口的空气流量。
图3是本发明的通风口的俯视图，其示出了骑行时的空气分布。
图4是连接到车辆之前的通风口的等距视图。
图5是可以附接到自行车上的通风口的侧视图。
图6示出了本发明的通风口的不同实施方式。它示出了在自行车骑手的后向表面之后持续的空气流动，该骑手处于直立姿势。该附图进一步示出了通过使用这个实施方式的通风口促进层流而不是湍流尾流区域以及发展推力。这个实施方式中所示的通风口比图1-5中所示的实施方式高得多。
图7是图6所示的通风口的后视图，示出了开口设计，其提供了空气通过量。
图8是图6所示的通风口的俯视图，示出了骑自行车者周围的气流分布。
图9是自行车通风口(如图1、4和5所示)的侧视图，示出了合适的尺寸。
图10是自行车通风口(如图1、4和5所示)的后视图，示出了合适的尺寸。
图11是自行车通风口(如图6所示)的后视图，展示了骑自行车者的直立身体、最小和最大宽度(15cm和25cm)以及高度(110cm)。
图12是自行车通风口(如图6所示)的后-上-左立体图的实例，示出了骑自行车者的直立身体，较细的箭头线表示空气流过，粗箭头线表示最小和最大长度(25cm厘米和60cm)和高度(110厘米)。
图13是用于骑手-自行车系统的通风口(如图1所示)的后视图，处理下背部和大腿处的气流，标记有高度(50cm)以及最小和最大宽度(15cm和30cm)。
图14是用于骑手-自行车系统的通风口(如图1所示)的后-上-左立体图，处理下背部和大腿处的气流，标记高度(60cm)、以及顶部长度和全长(30cm和60cm)。
图15至20所示的实施方式示出了用于封闭的机动车辆、诸如机动车的本发明。
图15是封闭的机动车辆中使用的通风口的后-上-左立体图的实例。通风口可以通过任何合适的手段(诸如连接器和螺钉)附接到汽车后部。
图16示出了封闭的机动车辆中使用的通风口的后视图。
图17是用于封闭的机动车辆的通风口的侧视图。
图18是用于封闭的车辆的通风口的后-上-左立体图，示出了合适的尺寸。
图19是用于封闭的车辆的通风口的后视图，示出了合适的尺寸。
图20是用于封闭的车辆的通风口的侧视图，示出了合适的尺寸。
图21至26说明了本发明在机动的露天车辆(诸如摩托车)中的使用。
图21是本发明的通风口附接到摩托车上的后-上-左立体图，示出了在骑手的平面上方延伸的通风口。
图22是本发明的通风口附接到摩托车的后视图，示出了在骑手的平面上方延伸的通风口。
图23是本发明的通风口附接到摩托车的侧视图，示出了在骑手的平面上方延伸的通风口。
图24是用于摩托车的通风口的后-上-左立体图，具有在骑手的平面上方延伸的通风口，示出了合适的尺寸。
图25是用于摩托车的通风口的后视图，具有在骑手的平面上方延伸的通风口，示出了合适的尺寸。
图26是用于摩托车的通风口的侧视图，具有在骑手平面上方延伸的通风口，示出了合适的尺寸。
图27至29说明了本发明在电动滑板车中的使用。
图27是本发明的通风口附接到电动滑板车的后-上-左立体图。
图28是本发明的通风口附接到电动滑板车的后视图。
图29是本发明的通风口附接到电动滑板车的俯视图。
图30至32说明了风扇螺旋桨与本发明一起的使用。
图30是本发明的通风口附接到自行车的前-上-左立体图，具有放置其中的风扇或螺旋桨。
图31是本发明的通风口附接到自行车的后视图，具有放置其中的风扇或螺旋桨。
图32是本发明的通风口附接到自行车的俯视图，具有放置其中的风扇或螺旋桨。
应当注意的是，通风口的形状不限于这些图中所示的实施方式。示意图中示出的只是一组实施例。通风口的横截面和形状可以有很大的变化，只要通风口能够在最靠近车辆主体的一端(近端)吸入空气并在另一端(远端)排出空气。理论上，通风口应当覆盖大部分后表面，并处理主要的湍流区域和潜在尾流形成。在一些实施方式中，通风口可以延伸超出车辆的平面。例如，在图21至26所示的实施方式中，通风口在骑手的垂直平面上方延伸，允许空气从骑手上方被吸入，从而促进该区域中的层流而不是湍流。
具体实施方式
在上述每个实施方式中，通风口定位成与车辆的后向外表面间隔开并且通过一个或多个连接构件固定到车辆的主体。通风口和车辆之间的空间以这种方式来确定，以便处理移动车辆的尾流和边界层的形成。
从车辆的第一次移动开始，通风口中所包含的空气被排出，与车辆行进方向相反，并且随着车辆的继续移动，流过所述车辆的后表面的空气在近端被吸入，然后通过远端被排出。
附图中所示的实施方式展示了单个通风口。但是，可以将多个通风口分成多个部分来获得相同的结果。将它们分成多个部分可能会更容易运输和组装。此外，这种结构会为通风口提供额外的强度和刚度。
应该注意的是，上述通风口的横截面积与车辆的大部分后表面纵向对齐。
通风口可以永久地完全集成到车辆的框架上，或者在需要时可拆卸。如果需要，多于一个的通风口可以附接在车辆上。
结构材料可以是任何轻质材料，诸如热塑性塑料、碳纤维增强聚合物、铝、或其他对车辆在行进过程中产生或遇到的条件具有鲁棒性的材料。材料的厚度可以从非常薄(以3mm为例)到若干厘米或更多，这取决于材料的强度和待遇到的空气阻力的水平。
通风口可以使用轻质热塑性材料、碳纤维增强聚合物或轻金属一体成型，也可以分段制造。
如前所述，可以改变通风口的尺寸和形状来优化空气通过通风口的通道。在图1所示的实施例中，通风口的高度约为60cm，而顶部和底部处的宽度约为30cm。中间最宽区域的宽度约为60cm。这些尺寸允许空气从近端顺利通向远端。
在图6所示的实施方式中，通风口的高度约为110cm。最宽区域的宽度约为60厘米。通风口顶部的宽度约为15cm。
另一方面，在图26所示的实施方式中，通风口的高度约为175cm，超过坐着的骑手的高度。
在图15至20所示的实施方式中，适用于机动车辆，通风口的宽度约为150cm，而高度约为130cm。它的长度约为80cm。
在图27、28和29所示的实施方式中，通风口的宽度约为30cm，而高度约为160cm。它的长度约为30cm。
在图30、31和32所示的实施方式中，通风口的高度约为110cm。最宽区域的宽度约为60cm。通风口顶部的宽度约为15cm。
用于将任何上述通风口附接到车辆的机构可以变化，并且对于相关领域的技术人员将是显而易见的。
尽管上面已经描述了本发明的各种实施方式，但应该理解的是它们仅以实施例的方式呈现，而不是以限制的方式呈现。对相关领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种形式和包括尺寸在内的细节的改变，以适应不同的车辆。因此，本发明不应受任何上述示例性实施方式的限制。

Claims (16)

1.一种用于减少诸如道路运输车辆、摩托车、电动滑板车和包括电动自行车的自行车的移动车辆的整体阻力、尤其是尾流形成的设备，包括一个或多个通风口，这些通风口中的每一个都具有近端和远端，两端均开口并在行进方向上定位和纵向对齐，以这种方式来处理移动车辆的尾流和边界层的形成，所述通风口定位成与车辆的后向外表面间隔开并且通过一个或多个连接构件固定到车辆的主体。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，从车辆的第一次移动开始，通风口中所包含的空气被排出，与车辆行进方向相反，并且随着车辆的继续移动，在所述车辆的后表面流过的空气在近端被吸入，然后通过远端被排出。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，一个或多个所述通风口的横截面积与车辆的后表面的大部分纵向对齐。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述通风口完全集成到所述车辆的框架上。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述通风口使用轻质热塑性材料、碳纤维增强聚合物或轻质金属一体成型。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，螺旋桨或风扇附件位于通风口内，在此，风扇或螺旋桨的旋转由下游气流引起。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述螺旋桨或所述风扇附件由外部电源如可充电电池供电。
8.根据权利要求3所述的设备，其中，所述通风口是可移除的。
9.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述通风口模制成若干部分。
10.根据权利要求5所述的设备，其中，当与自行车一起使用时，所述通风口的尺寸为大约高60cm，中间大约宽30cm，顶部大约长30cm，全长大约60cm。
11.根据权利要求5所述的设备，其中，当附接到客车时，所述通风口的尺寸为大约宽150cm、高130cm和长80cm。
12.根据权利要求5所述的设备，其中，当附接到摩托车时，所述通风口大约高175cm，长60cm，中间宽50cm。
13.根据权利要求5所述的设备，其中，当附接到自行车时，所述通风口大约高175cm，长60cm，中间宽50cm。
14.根据权利要求5至11所述的设备，其中，所述通风口的厚度为约1至20mm。
15.一种减少移动车辆的空气动力和阻力的方法，通过将一个或多个根据权利要求1至14所述的通风口永久地附接到车辆上。
16.一种减少移动车辆上的空气动力和阻力的方法，通过将一个或多个根据权利要求1至14所述的通风口临时地附接到车辆上。
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