CN111959620A - 一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置 - Google Patents

一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置 Download PDF

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张鹤
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Abstract

一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，通过对客车经过物体行驶时的流场进行分析，借鉴鱼摆动鱼鳍进行自身平衡的方式，提出的一种减小侧向气流干扰的装置。该装置在车辆前车后视镜处布置视觉传感器，车尾布置鳍板驱动电机和仿鱼鳍板，视觉传感器检测客车环境信息，并将数据传输到ECU，判断是否将靠近物体行驶并作出是否转动鳍板驱动电机的决策，最后将数据传输至仿鱼鳍板鳍板驱动电机上，控制其执行相应动作，以改变客车在接下来的靠近物体行驶时的空气流场，减少侧向气流干扰，降低经过物体时侧向气流作用产生的侧向力。同时对于正常直线行驶的客车，控制仿生鱼鳍结构装置的鳍板展开角度，可以有效减低空气阻力系数提高客车燃油经济性。

Description

一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置
技术领域
本发明涉及汽车安全及节能技术领域，特别是一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置。
背景技术
我国公路客车运输服务在极大地方便交通出行的同时，客车行驶过程的安全性、稳定性和燃油经济性也越来越受到重视。然而，行驶过程工况复杂，安全问题频频发生，导致客车运输出现安全事故的因素也层出不穷，其中，客车的气动特性可能对其产生强烈的侧向力干扰，严重影响其行驶稳定性和安全性。具体而言，这种影响主要来源于车身周围气流的瞬态变化，行驶中的客车，当车身周围的流场突然发生变化时，就会使车身受到突然变化的气动力的影响，而客车宽而长的侧向区域，在侧向气动力作用下，对侧倾稳定性和横摆稳定性带来较大隐患，极易诱发客车侧滑或侧翻等危险。由于车速不断提高，加之交通路况复杂，在客车发生会车/超车/并行(尤其是与同样具有宽而长的车身侧向区域的车辆)，或者经过物体(如靠近高速道路隔音板、隧道侧壁、大型广告牌等)等状况时，都会产生类似气流剧烈的变化，易带来车辆行驶与交通安全问题。总而言之，这类安全事故与客车气动稳定性密切相关，如何合理的提高客车抗侧向气流干扰进而提高其稳定性问题变得尤为重要。
发明内容
未解决背景技术中合理的提高客车抗侧向气流干扰进而提高其稳定性问题，本发明提供了一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，包括视觉传感器、仿鱼鳍板、鳍板驱动端和ECU；所述视觉传感器设置在在客车后视镜处；所述仿鱼鳍板有两块，且分别状态安装在客车尾部两侧；所述ECU设置在车身内部，且ECU与视觉传感器电性连接；所述鳍板驱动端包括转动齿轮、固定轴、传动齿轮以及电机输出轴，客车内的驱动电机通过鳍板驱动端传动，能够带动仿鱼鳍板转动。
优选的，仿鱼鳍板可转动的连接在客车尾部；仿鱼鳍板通过第一轴、第二平面与客车尾部的第一轴孔、第一平面相连接，第一轴***第一轴孔中，第二平面与第一平面相贴合，实现仿鱼鳍板安装的稳定性。
优选的，仿鱼鳍板与客车相连接的轴面的中间部位设置有固定轴，所述固定轴的上端通过第一花键固定连接有转动齿轮，客车尾部与仿鱼鳍板相连接的轴面的中间部位设置有电机输出轴，所述电机输出轴的上端通过第三花键固定连接有传动齿轮，所述传动齿轮与传动齿轮向啮合。
优选的，电机输出轴中间位置设置有圆形的限位块，传动齿轮通过限位块限制在电机输出轴上；所述电机输出轴的下端设置有第二花键，第二花键与客车内的驱动电机的输出端相连接，并通过第二花键传导转动力。
优选的，在客车靠经物体行驶时，因客车与物体间的气流干扰使客车靠近物体侧压力小，经视觉传感器和ECU判断后，驱动电机输出扭矩到电机输出轴，通过传动齿轮传递给传动齿轮使仿鱼鳍板发生转动，使客车远离物体侧进入车尾低压区，从而抵消气流干扰产生的侧向力，提高车辆的行驶稳定性，实现安全行驶的目的。
优选的，在客车靠经物体行驶时，靠近物体侧的仿鱼鳍板关闭，远离物体侧的仿鱼鳍板张开一定角度θ。
优选的，为了适应不同的行驶工况，视觉传感器、仿鱼鳍板、鳍板驱动端采用对称布置。
优选的，在客车正常行驶时，即客车不经过物体时，客车尾部两侧的仿鱼鳍板张开一定角度θ，与未安装该装置的客车相比，可实现更低的空气阻力，提高客车的燃油经济性。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
在靠近物体行驶时，靠近物体侧的仿鱼鳍板关闭，远离物体侧的仿鱼鳍板开启到预设角度，使客车受到的侧向力减少，改善客车行驶稳定性。
在其他工况行驶，即未经过侧向物体时，客车两侧仿鱼鳍板同时展开一定的角度，减少客车空气阻力，提高车辆燃油经济性。
附图说明
图1为本发明用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置的示意图；
图2为图1所示的抗侧向气流干扰装置传动机构；
图3为图1所示的抗侧向气流干扰装置仿鱼鳍板；
图4为图1所示的抗侧向气流干扰装置车身；
图5为图1所示的抗侧向气流干扰装置传动轴；
图6为图1所示的抗侧向气流干扰装置电机输出轴；
图7为未配备(右)/配备装抗侧向气流干扰装置(左)的客车压力分布；
图8为仿鱼鳍板打开角度和侧向力大小的关系；
图9为抗侧向气流干扰装置工作模式1；
图10为抗侧向气流干扰装置工作模式2；
图11为未配备(右)/配备装抗侧向气流干扰装置(左)的客车速度分布；
图12为抗侧向气流干扰装置工作模式3；
图13为俯视图，显示仿鱼鳍板安装角度θ。
图中：1、视觉传感器；2、仿鱼鳍板；3、鳍板驱动端；4、转动齿轮；5、固定轴；6、传动齿轮；7、电机输出轴；1a、第一轴孔；1b、第一平面；2a、第一轴；2b、第二平面；2c、第一槽面；2d、第一底面；2e、第一螺纹孔；2f、第三平面；5a、第一花键；5b、第一轴面；5c、第二螺纹孔；5e、第四平面；5f、第二底面；7a、第二花键；7b、限位块；7c、第三花键。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。
下面结合图说明本发明的实施方式。
一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，由视觉传感器1、仿鱼鳍板2、鳍板驱动端3、转动齿轮4、固定轴5、传动齿轮6、电机输出轴7和位于车身内部的ECU组成，如图1和图2。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，当客车侧面靠近物体行驶时，通过视觉传感器1传输信号至ECU，进而驱动鳍板驱动电机3，并依次通过电机输出轴7、传动齿轮6、转动齿轮4、固定轴5、仿鱼鳍板2，控制仿鱼鳍板2转动，降低客车侧面靠近物体时产生的侧向力，改善车辆操作稳定性。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，如图3-5所示，仿鱼鳍板2通过第一轴2a和第一轴孔1a、第二平面2b和第一平面1b贴合与车身实现定位，以满足仿鱼鳍板2转动需求。固定轴5通过第一轴面5b和第一槽面2c、第三平面2f和第二底面5f贴合，此外，通过第二螺纹孔5c和第一螺纹孔2e穿入螺栓，以实现车身和仿鱼鳍板2的刚性连接。转动齿轮4通过第一花键5a与固定轴5连接，且转动齿轮4下端面与第四平面5e贴合以实现定位。转动齿轮4与固定轴5连接后装配在仿鱼鳍板2上，转动齿轮4的下端面与第一底面2d相贴合。转动齿轮4和传动齿轮6啮合。传动齿轮6通过第三花键7c与电机输出轴7连接，传动齿轮6下端面与限位块7b贴合以实现定位。电机输出轴7通过第二花键7a由驱动电机驱动。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，视觉传感器1安装在客车后视镜处；仿鱼鳍板2安装在车尾处，鳍板驱动电机安装在车尾，和车身刚性连接。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，ECU主要接收来自视觉传感器1的数据，进而来判断在客车行驶过程中是否靠近物体。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，ECU主要控制驱动电机工作，通过驱动电机输出扭矩，使电机输出轴7转动，通过传动机构使仿鱼鳍板2转动。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，为了适应不同的行驶工况，对视觉传感器1，仿鱼鳍板2，鳍板驱动端3采用对称布置。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，当仿鱼鳍板2关闭时，即打开角度(见图13)为0度时，若客车靠壁行驶，会在靠壁侧产生低压，在压差的作用下，客车会产生一个靠壁面的侧向力(称为侧向气动力)。结合图7，在布置的仿鱼鳍板2展开一定的角度后(左右侧鳍板打开角度视需要而确定)，仿鱼鳍板将在靠壁侧产生高压，形成一个远离壁面的侧向力(称为鱼鳍板侧向力)，鱼鳍板侧向力将与侧向气动力方向相反，降低靠壁带来的侧向作用力影响。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，图7为左侧靠壁行驶时关闭左侧仿鱼鳍板2和未安装此装置的压力云图对比，其中云图数值为相对于大气压的大小，且颜色越深，压力越小。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，合力的大小和其张开角度有关，结合图8，张开适当角度θ，可实现最佳的侧向气流干扰控制效果，使侧向力合力最小。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其具体工作模式如下；
(1)安装于车后视镜内的视觉传感器1会对周围环境进行实时监测，当左后视镜视觉检测发现靠近物体时，将此数据传输到ECU，判断为左侧靠壁行驶，并使左侧鳍板驱动电机3开始工作，从电机输出轴7输出扭矩使左侧仿鱼鳍板2打开角度为0，且使右侧鳍板保持θ度，生成鱼鳍板侧向力来减少左侧靠近物体时产生的侧向气动力。其模式图9所示。
(2)安装于车后视镜的视觉传感器1会对周围环境进行实时监测，当右车后视镜内的视觉传感器检测发现靠近物体时，将此数据传输到ECU，判断为右侧靠壁行驶，并使右侧鳍板驱动电机3开始工作，从电机输出轴7输出扭矩使右侧仿鱼鳍板2打开角度为0，且使左侧鳍板保持θ度，生成鱼鳍板侧向力来减少右侧靠近物体时产生的侧向气动力。其模式如图10所示。
(3)安装于车后视镜内的视觉传感器1会对周围环境进行实时监测，当车后视镜内的视觉检测检测不到物体时，将此数据传输到ECU，判断为正常无靠壁行驶，使鳍板驱动电机3维持张开扭矩θ，即，使两侧仿鱼鳍板呈张开状(如图11所示)，防鱼鳍板同时张开减小了尾涡的大小，可以有效减低空气阻力系数，提高燃油经济性。其模式如图12所示。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，图11为正常行驶时左右侧的仿鱼鳍板2同时张开和未安装此装置的速度云图对比，其中云图数值为速度的大小，且颜色越深，速度越小。
对于该用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，左侧靠近物体，关闭左侧鱼鳍板2，结合图11，可在鳍板内部产生涡流导致鳍板内侧气流速度降低，根据伯努利方程，结合图7可知鳍板左侧的压力高于右侧，因此产生一个向右的鱼鳍板侧向力。

Claims (8)

1.一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：包括视觉传感器(1)、仿鱼鳍板(2)、鳍板驱动端(3)和ECU；
所述视觉传感器(1)设置在在客车后视镜处；
所述仿鱼鳍板(2)有两块，且分别状态安装在客车尾部两侧；
所述ECU设置在车身内部，且ECU与视觉传感器(1)电性连接；
所述鳍板驱动端(3)包括转动齿轮(4)、固定轴(5)、传动齿轮(6)以及电机输出轴(7)，客车内的驱动电机通过鳍板驱动端(3)传动，能够带动仿鱼鳍板(2)转动。
2.根据权利要求1所述的一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：
所述仿鱼鳍板(2)可转动的连接在客车尾部；
所述仿鱼鳍板(2)通过第一轴(2a)、第二平面(2b)与客车尾部的第一轴孔(1a)、第一平面(1b)相连接，第一轴(2a)***第一轴孔(1a)中，第二平面(2b)与第一平面(1b)相贴合，实现仿鱼鳍板(2)安装的稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：
所述仿鱼鳍板(2)与客车相连接的轴面的中间部位设置有固定轴(5)，所述固定轴(5)的上端通过第一花键(5a)固定连接有转动齿轮(4)；
所述客车尾部与仿鱼鳍板(2)相连接的轴面的中间部位设置有电机输出轴(7)，所述电机输出轴(7)的上端通过第三花键(7c)固定连接有传动齿轮(6)；
所述传动齿轮(6)与传动齿轮(4)向啮合。
4.根据权利要求3所述的一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：
所述电机输出轴(7)中间位置设置有圆形的限位块(7b)，传动齿轮(6)通过限位块(7b)限制在电机输出轴(7)上；
所述电机输出轴(7)的下端设置有第二花键(7a)，第二花键(7a)与客车内的驱动电机的输出端相连接，并通过第二花键(7a)传导转动力。
5.根据权利要求1所述的一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：
在客车靠经物体行驶时，因客车与物体间的气流干扰使客车靠近物体侧压力小，经视觉传感器(1)和ECU判断后，驱动电机输出扭矩到电机输出轴(7)，通过传动齿轮(6)传递给传动齿轮(4)使仿鱼鳍板(2)发生转动，使客车远离物体侧进入车尾低压区，从而抵消气流干扰产生的侧向力，提高车辆的行驶稳定性，实现安全行驶的目的。
6.根据权利要求1所述的一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：
在客车靠经物体行驶时，靠近物体侧的仿鱼鳍板(2)关闭，远离物体侧的仿鱼鳍板(2)张开一定角度θ。
7.根据权利要求1所述的一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：
为了适应不同的行驶工况，视觉传感器(1)、仿鱼鳍板(2)、鳍板驱动端(3)采用对称布置。
8.根据权利要求1所述的一种用于客车的仿生鱼鳍结构抗侧向气流干扰装置，其特征在于：
在客车正常行驶时，即客车不经过物体时，客车尾部两侧的仿鱼鳍板(2)张开一定角度θ，与未安装该装置的客车相比，可实现更低的空气阻力，提高客车的燃油经济性。
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