新型仿生折扇兩向可變汽車尾翼設計及分析

陳承杰 胡恩鍇 許圳淇 田尚睿 張洪源

摘 要：目前市面上有各種類型的汽車尾翼，但沒有一種仿生尾翼。鑒于此，根據(jù)孔雀開屏帶來的啟示，設計了一種折扇形兩向可變汽車尾翼，該設計具有減少風噪的功能。運用三維軟件進行模型制作，給出了尾翼形狀的選取方法;通過計算以及運用CFD分析翼片的受力，評價了其性能指標。

關鍵詞：汽車尾翼;折扇結構;仿生;仿真分析

中圖分類號：T-19;TH128;TH122? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.010

0? ? 引言

尾翼作為一種汽車空氣動力性部件，可顯著影響汽車燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、舒適性等。對于高速行駛的汽車而言，空氣動力特性對燃油經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性有著極其重要的影響[1]。

汽車尾翼能夠提供除自重之外的額外下壓力，以提高汽車的抓地力和穩(wěn)定性。

可變尾翼不同于固定式尾翼，其角度可調(diào)：可在過彎時升起，提供較大下壓力，幫助車輛過彎;可在剎車時立起，提高阻力，幫助車輛減速;可在直道上放平，降低阻力，提高直線速度，降低油耗，是一個綜合了過彎性能和直線性能的優(yōu)秀解決方案。

現(xiàn)有可變尾翼基本為旋轉或升降結構，可以調(diào)整翼片攻角或高度，或兩者皆可調(diào)，未發(fā)現(xiàn)有與本設計相同的扇形展開結構。在飛機上存在具有類似功能的專利（公開號CN107499498A）[2]，但此飛機上用的折疊機翼，主要功能是收窄飛機停放尺寸，其用途、尺寸、機構與本設計的可變尾翼差異較大。因此，孔雀開屏式兩向折扇可變汽車尾翼依然具有創(chuàng)新性。

1? ? 設計思路及其優(yōu)缺點

1.1? ? 設計思路

孔雀開屏式兩向折扇可變汽車尾翼設計思路來源于孔雀開屏。求偶時，雄孔雀將尾屏下的尾部豎起，從而將尾屏豎起及向前，完成展開。開屏時其運動類似于折扇結構，這種形狀在折起之后，狀態(tài)為一塊疊一塊前后分布，能將翼片順著車輛行駛方向折疊并隱藏起來，故迎風面較小，有較強降低阻力的能力。同時，遵循普通可變尾翼“迎角越大，下壓力越大，同時阻力越大”的機理，另外在旋轉方向上設計了迎角可調(diào)。這樣一來尾翼就有兩向可變：一向是折扇結構的折起和展開，一向是相對氣流方向的迎角增大和減小。

1.2? ? 優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點：可調(diào)性強，且汽車左右兩側翼片可分別控制。兩側翼片同一迎角能決定尾翼產(chǎn)生的下壓力范圍，扇形結構的展開角度能進一步確定產(chǎn)生下壓力的大小。兩側翼片同時縮到最小即阻力最低，適合直線;同時展開至最大即阻力最高，適合剎車;過彎時展開角和迎角共同控制尾翼產(chǎn)生下壓力，能夠左右不同角，為汽車過彎提供額外轉向能力。

（2）缺點：由于扇形展開過程中翼片相對氣流的角度在變化，而翼片形狀無法改變，故不能在全時段用最佳形狀迎風，效能降低。并且設計翼片時由于各翼片展開后迎風角度不同，必須采用每片不同的形狀才能使翼片以較優(yōu)的形狀迎風，故翼片形狀較為復雜。

2? ? 尾翼設計

2.1? ? 機械結構設計

機械裝置三維模型如圖1所示。

機械結構簡圖如圖2所示。

圖2（a）為總體的機械簡圖，擁有兩個自由度，通過兩個舵機A和B實現(xiàn)控制。圖2（b）為扇形結構示意圖，最左桿為主動拉桿，受舵機B帶動，通過低副、高副組合帶動剩余桿件相繼轉動。只有桿1相對桿2旋轉達到18°時滑槽滑到另一頂點，才會帶動桿2轉動，這個運動方式和孔雀開屏相同。5根桿中只有桿1是原動件，用花鍵和舵機B傳動，其余桿件2～5都由軸承和轉動軸結合，無動力。扇形折回時依然是桿1為原動件，當桿1轉回，和桿2重合時，桿2上的滑槽對桿2不產(chǎn)生推力。在桿2～5四根被動桿上設計了接觸板，桿1收起，碰到桿2上的接觸板，推動桿2繼續(xù)轉回，依此類推。

對兩臺舵機的扭矩進行計算，得到在最極限的情況下，舵機A應當輸出109.07 N·m扭矩，舵機B應當輸出至少20.79 N·m扭矩。109.07 N·m扭矩，約等于1 090 kg·cm，在數(shù)碼舵機上發(fā)現(xiàn)了能輸出100 N·m的SRC-MXT舵機，由于109.07 N·m的情況比較極限，可以規(guī)避這種極限情況，故舵機A依然使用SRC-MXT舵機，電壓為24 V，可在0.25 s內(nèi)旋轉60°，單個重量5.8 kg。舵機B選用SRC-R4舵機，電壓為24 V，扭矩為40 N·m，可在0.4 s內(nèi)旋轉60°，單個重量0.78 kg。

2.2? ? 翼片形狀設計

2.2.1? ? 翼形選擇

翼片采用標準化飛機翼形（上下翻轉，使升力變?yōu)橄聣毫Γ枇Σ蛔儯?。通過在Profili軟件的翼形庫中選型，確定翼形為OAF117（圖3），為法國航空航天研究院和法國國家航空宇航公司設計的翼形。這種翼形較扁較長，有較大失速臨界迎角，下壓力調(diào)節(jié)范圍較大，在攻角為8°～10°區(qū)間效率最高（即升阻比最大），10°～12°時產(chǎn)生升力（下壓力）最大。

2.2.2? ? 降噪細節(jié)

貓頭鷹翅膀的鋸齒形結構能夠在翼片末端鋸齒內(nèi)產(chǎn)生小的渦流，促使流到翼片后面的空氣變得平穩(wěn)，同時可以減小噪聲。因此，仿照這種鋸齒形結構，在翼片末端切出了鋸齒形（圖4），增加翼片的降噪能力以及氣流疏導能力，效果圖如圖5所示。

3? ? 性能參數(shù)

3.1? ? 下壓力及阻力計算

通過Profili軟件獲得不同弦長對應的不同雷諾數(shù)下OAF117翼片在不同攻角下（0～13°）的數(shù)據(jù)，13°以上的攻角該軟件無法計算，需通過Xfoil軟件進行計算。但到20°以上由于發(fā)生失速，邊界層假設失效，此時Xfoil軟件算法誤差較大，攻角在30°以上的數(shù)據(jù)參考性很低。故選擇攻角為12°的位置對應的數(shù)據(jù)進行計算，此攻角處翼片效能較高，且產(chǎn)生下壓力最大。

車速選取40 m/s（144 km/h），因為跑車過彎速度在40 m/s屬于比較適中的水平。計算最大下壓力時，將40 m/s替換成大部分超跑的極速參考值83.33 m/s（300 km/h）即可。

通過升力公式Y=■ρClSv2以及軟件計算得到的升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd、升阻比■三個數(shù)據(jù)，可獲得如下五塊翼片的下壓力、阻力計算結果。

第一塊翼片：

Y=■ρClSv2

其中，ρ=1.2 kg/m3，Cl=1.494 5，S=■×（0.038 99+

0.194 952）×0.48≈0.056 15 m2，v=40 m/s（144 km/h過彎速度）。

Y=■×1.2×1.494 5×0.056 15×402≈80.56 N

F阻=CdqS

其中，Cd=0.047 14（α=12°），q=■ρv2=■×1.2×402=

960 Pa，S=0.056 15 m2。

F阻=0.047 14×960×0.056 15≈2.54 N

■≈31.703 4

壓力/升阻比=■=■≈2.54 N

可見F阻=壓力/升阻比，因此后面四塊翼片均用F阻=■來計算。

第二塊翼片：

Cl=1.486 6，Cd=0.031 8，■≈46.748 4。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.486 6×0.056 15×402

≈80.13 N

F阻=■=■≈1.71 N

第三塊翼片：

Cl=1.512，Cd=0.029 1，■≈51.958 8。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.512×0.056 15×402≈81.50 N

F阻=■=■≈1.57 N

第四塊翼片：

Cl=1.561 4，Cd=0.023 9，■≈65.330 5。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.561 4×0.056 15×402≈84.17 N

F阻=■=■≈1.29 N

第五塊翼片：

Cl=1.599 3，Cd=0.019 3，■≈82.865 3。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.599 3×0.056 15×402≈86.21 N

F阻=■=■≈1.04 N

在40 m/s車速下五塊翼片可分別產(chǎn)生80.56 N、80.13 N、81.50 N、84.17 N、86.21 N的下壓力，單邊共412.57 N，整套系統(tǒng)由于在車輛兩邊各有一套裝置，共825.14 N。五塊翼片產(chǎn)生阻力分別為2.54 N、1.71 N、1.57 N、1.29 N、1.04 N，兩邊共16.3 N。即本套系統(tǒng)在40 m/s的車速下可提供82.514 kg下壓力和1.63 kg阻力。將40 m/s替換成83.3 m/s可得，在300 km/h的極速下本套系統(tǒng)可為汽車帶來357.85 kg的下壓力和7.07 kg的阻力，屬于中等性能尾翼。

3.2? ? 流體力學分析

運用CFD進行流體力學模擬，分析了處于中間位置具有代表性的第三塊翼片，獲得結果如圖6所示，可見翼片上表面壓力總體大于下表面，翼片能夠正常工作。

4? ? 結語

相比于傳統(tǒng)的汽車尾翼，此款尾翼在外觀上有很大的不同，新穎奇特，其機械結構則是根據(jù)孔雀開屏時類似折扇打開的方式進行設計。由計算及CFD受力分析可知，其滿足尾翼對車身提供下壓力的性能要求，下壓力能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，且對車身的阻力影響小。傳統(tǒng)汽車尾翼在行駛過程中往往會產(chǎn)生較大的噪聲，而此款尾翼將末端改成了鋸齒形狀，能夠打散高頻渦流，從而實現(xiàn)降噪的功能，噪聲相比于傳統(tǒng)尾翼會有所改善。因此，此款尾翼可以說是一款性能較為優(yōu)良的尾翼，有一定的研究和應用價值。

[參考文獻]

[1] 劉慷慷，李福洋，郭巍.某款汽車尾翼的結構設計與優(yōu)化[J].汽車實用技術，2016（7）：95-98.

[2] 譚儉輝，王志成.一種扇形機翼可折疊的飛行器：CN107499498A[P].2017-12-22.

收稿日期：2022-03-04

作者簡介：陳承杰（1998—），男，廣西人，研究方向：車輛工程。