汽车主动裙板及其控制方法与流程

本发明涉及车辆空气动力学领域，更具体来说，本发明涉及车辆主动裙板。

背景技术：

空气动力性在地面车辆的动力性方面起到非常重要的作用。正向升压是我们不想看到的，因为车轮牵引力将被降低，甚至低于安全转弯、制动、加速所需的牵引力水平。为了降低这种趋势，一系列空气动力套件如扰流板、尾翼被用来产生负升力或下压力，增强车辆的抓地力。

然而，在许多应用中，被安装在车辆上的扰流板或尾翼增加了下压力，却有造成显著的阻力，称之为升阻比(L/D)。即随着尾翼的迎角(AoA)的增加，下压力随之增加，相应的，需要增加动力来维持相应车速或加速度，进而导致油耗升高。因此仍然需要寻求新的办法来改善地面车辆的空气动力性。

技术实现要素：

本发明揭示一种布置在车身底面部的，在车辆行驶过程中启用的主动车辆地面效应系统。一旦启动主动地面效应系统，其将引导车身底部与地面之间的气流。本发明设想的一方面包括一种通过在车身底部产生负压从而增加下压力的方法。该方法与车辆尾翼和扰流板一样，均是基于伯努利原理。该原理揭示一个现象即在气流速度增加时，同时伴随着空气与物体的接触面的压力的变小。由于车身底部的气压变小，将把车辆拉向地面，并增加车辆牵引力。当气流穿过这些部件时，主动车辆地面效应系统通过运用所有安装在车身底部的移动和/或非移动部件，产生文丘里效应。

本发明的一个目的是改进轮胎的牵引力。

本发明的另一个目的是要谨慎的提高轮胎的牵引力，而无需使用扰流板或其他典型的，在车辆静止时仍可见的地面效应结构。

而本发明的另一个目的是通过主动地面效应系统增强车辆操控和转弯性能。该主动地面效应系统根据各种因素和环境调节下压力的中心。

在一个实施例中，主动车辆地面效应系统能够在车辆行驶时，引导车身底部与地面之间的气流。在一个实施例中，该系统包括至少一个导流件，该导流件安装在车身底部，通过安装在其上的致动器实现移动。该系统还包含一个控制器，当满足启动条件时，控制器通过启动致动器启动至少一个导流件，使导流件旋转和/或伸出,进而远离车身底部

在一个实施例中，当满足停用条件时，控制器通过致动器使导流件收缩或旋转至车身底部，远离地面，从而关闭系统。

在一个大多数实施方案中，导流件的全部或每个导流件的大部分结构可以布置在车身底部，介于前轴后轴之间。

所设想的主动车辆地面效应系统启动时，其将具有一种形成收缩段，喉部和扩散段的结构或外形轮廓，当气流通过车身底时，形成文丘里效应。

启动主动车辆地面效应系统需要考虑各种条件。如，一个启动条件包括:当车速等于或高于启动临界速度。相反的，一个关闭条件包括：车身等于或低于关闭临界速度。

在另一个实施例中，当车辆探测到前方的路况/障碍会与任何一个导流件发生直接碰撞的情况下，系统可以停用。在这种情况下，致动器将使导流件远离地面。车辆可以通过适用的传感器或地形阅读摄像机来探测前方路况。

导流件的构成有多种可能性。在一个实施例中，它可以是两个侧裙：安装在车身底部，沿车辆纵向布置的驾驶侧侧裙，和安装在车身底部，沿车辆纵向布置的副驾驶侧侧裙。

在其它设想的实施例中，可以两个以上的侧裙。

在大多数实施例中，每一个侧裙都具有弧形的内壁，当气流通过前轴和后轴时，会聚气流朝气流的纵向中心轴线流动，且在喉部使气流宽度变窄。

在一些实施例中，系统启动后，这些侧裙内壁可以在喉部下游的扩散段加宽气流的宽度(相较于喉部)。

在本发明的另外一些实例中，这些侧裙的横向位置考虑车轮对车身底部空气动力性的影响。在一些实施例中，侧裙布置在前车后轮轮罩的最内侧或轮罩最内侧的内侧。在另外的实施例中，侧裙布置在外侧，位于车辆门下围板下方。

导流件还可以包含一个位于车身底部，前后轴之间的底部面板，在一个实施例中，这一面板覆盖了车身底部前后轴之间的大量面积。这一面板可以有一个逐渐降低的轮廓，以降低经此气流的高度，从而形成气流的喉部。在另外一个替代实施例中，这一面板可以有两个弧形侧壁。

所设想的底部面板可以是电池盖或者安装在车身底部的电池的外箱。同时设想底部面板是可以旋转和/或可收缩的。控制器根据启动条件或停用条件(本文其他地方有讨论)来控制其动作。

实施例还可以具有一个单件，其兼具侧裙和底部面板的作用。这种实施例可以具有类似于两个侧裙和侧裙之间向下倾斜的弧面的外轮廓，通过压缩气流的高度和宽度形成文丘里效应。

或者，这个单独的面板在垂直方向的剖面上具有类似一半沙漏的轮廓。

虽然所描述的大多数实施例有一个或多个可移动的导流件，但应该特别注意的是：一些具体实施例需要静止的，不可以移动的，不可通过致动器控制的导流件。例如，当侧裙是可移动的，但是侧裙中间的底部面板却不能被致动器移动。

通过下文详细描述本发明的各种具体实施例，并结合附图将进一步阐明本发明的各种目的、特性、方面及优点。在不同附图中，相同参考标号表示相同或类似的元件。

附图说明

应当指出的是，附图可能为简图形式，此外，图式未必是按比例绘制的。本文中，为了方便和清楚的目的，此处的方向性术语，如顶部、底部、左、右、上、下、上面、下面、之下、后面、前面、远端和近端的，与附图结合使用。这些方向性术语不能视为对本发明的限制。

图1示出了本发明的一个实施例的车辆底盘的前侧底部视图，所述车辆拥有一对可收缩的侧裙。

图2示出了图1所述车辆的仰视图。

图3示出了本发明的另一个实施例的车辆仰视图，所述车辆拥有的另一种可收缩的侧裙。

图4示出了本发明的又一实施例所述的车辆的后侧视图，所述车辆未启动可收缩侧裙。

图5示出了图4所述本发明的实施例所述车辆的后侧视图，所述车辆的可收缩的侧裙已被启用。

图6示出了本发明的另一个实施例所述的车辆仰视图，所述车辆拥有一对可收缩的按一个角度布置的直线型侧裙。

图7示出了本发明的又一个实施例所述车辆的仰视图，所述车辆拥有两对按一个角度布置的可收缩的直线型侧裙。

图8A示出了本发明的又一个实施例所述车辆底盘的底部前视图，所述车辆拥有一个底部面板。

图8B示出了本发明的另一个实施例所述车辆底盘的底部前视图，所述车辆拥有一个底部面板和两个侧裙。

图8C示出了图8B所述车辆的仰视图。

图8D示出了本发明的又一实施例所述车辆的仰视图，所述车辆拥有一个底部面板和两个可收缩的侧裙。

图9示出了一个拥有底部面板和侧裙的车辆处于侧裙停用时前视图。所述侧裙仅以截面图示出。

图10示出了图9所述车辆处于侧裙启用时前视图。

具体实施方式

本发明是一个旨在主动调节车辆底盘或车身底部气流使得下压力和轮胎的牵引力增强的地面效应系统。在一个实施例中，可以实现从前到后的轮胎空气动力性负载平衡的主动控制。在另一个实施例中，系统可以通过减小局部流区面积和在沿气流流向的一些点增加流速，从而增加下压力和车轮牵引力，如文丘里效应。

本发明针对气流调节的不同方面包括至少：减少局部气压，分流、产生涡流。主动侧裙是指可以改变形状和/或可以收缩、伸出，且能在上述方面起到作用的侧裙。

本发明将空气视为工作流体，因为空气是公路车辆的典型介质。但是不能视为本发明及实施例只限制与空气产生作用。

本文中，术语“缩回”和/或“伸缩”与空气导流件的性能结合使用，指代引导导流件缩回至车辆底部的动作，与之相对的，引导导流片自车辆伸出至地面的动作。应该指出的是，这些术语不是用来定义导流件如何收缩的，也不是用来定义导流件收缩的方向。例如，“收缩”侧裙的动作可以指侧裙沿侧裙的纵向边缘旋转的旋转运动，“收缩”侧裙也可以指将侧裙沿垂直方向升高至车辆底盘却不需要沿侧裙纵向边缘旋转的运动。

本文中，术语“车辆”是指任何陆地车辆：机动、电动或混合车辆。并包括所有类型的车辆：轿车，跑车，旅行车，越野车，卡车，货车，和拖车。

图1示出了本发明的一个实施例：一个车辆(100)的底盘(105)的前端，其有4个轮胎(115)。车辆(100)有一对安装在前轴125和后轴135之间的侧裙145，每个侧裙145的前端144和每个侧裙145的后端146可以安装在靠近轮罩130内侧的位置。这些侧裙145可以有一个边条一样的结构，这样可以为通过驾驶侧侧裙145和副驾驶侧侧裙145间的气流提供一个导流通道。在一个具体实施例中，侧裙145有一个弧形的内壁147，形成收缩段185和喉部190(或气流的局部最小区域的点)和扩散段195。当气流通过底盘105时，空气将经历一个流速和静压的变化。

在收缩段185处气流流速增加，相应压力降低，最高流速和最小气压在喉部190处生成。当空气流经扩散段195，压力逐渐升高，相应流速降低。

详细内容将在后面讨论，这些侧裙145可以伸出和/或旋转它们自身，使其暴露在气流中。从而产生所期望的文丘里效应。当满足停用条件时，这些侧裙145可以收缩回车辆100的底盘105内。

如将在整个说明书中提到的，本发明的各种实施例可以允许：当启动条件被检测到或遇到时，控制器启动至少一个气流导流件。所述启动条件可以包括以下的至少一种：车辆行驶速度，天气状况，道路状况，由于乘客或货物形成的载重分布状况，或轮胎的牵引力。

车辆行驶速度方面，当车速达到或超过45英里/小时时，或当车速达到或超过55英里/小时时，或当车速达到或超过65/小时时，可以启动导流件；

同样，在车辆行驶速度方面，当车速达到或超过60公里/小时时，或当车速达到或超过75公里/小时时，或当车速达到或超过90公里/小时时，可以启动导流件；

在天气状况方面，可以当有降雨时，可以启动导流件。

在道路条件方面，可在道路被确定为滑路时，可以启动导流件。

在载重分布方面，可当检测到载重分布不平衡或不安全时，可以启动导流件。

在轮胎的牵引力方面，可在检测到车辆轮胎打滑时，可以启动导流件。

在进一步设想的实施例中，侧裙145的形状和/或喉部190的位置可以被控制，使得所述压力分布和最小压力的相对中心可沿着车辆的纵向中心线前后变化，因此，除了诱导车辆下压力度以外，从前至后的空气动力平衡也可以被主动地控制。在一个实施例中，侧裙145由韧性材料制成，则当侧裙145的相对位置保持不变，而沿着侧裙145轴线长度方向的弧度的曲率和位置可根据致动器(未示出)或侧裙145下方的移动框架而发生改变。在另外一个实施例中，侧裙145的曲率不发生改变，侧裙145可以整体向前(未示出)或向后(未示出)移动，以此前后移动喉部190位置。

图2为图1所示同一实施例。两个侧裙145的前端144和后端146可以布置在底盘105上，位于在前轴125和后轴135之间，在汽车横向内侧区域内，大致靠着盖住轮胎115的轮罩130内侧。换言之，主动侧裙145可以平行于彼此，并可以被安装在轮罩130的内侧。

当底盘的气压的降低时，存在我们所不希望的从车辆两侧的流入车辆100下方的高压气流120，其呈上升趋势以保持平衡，这一现象是伴随着平衡底盘气压下降和下压力增加的。所以，为了弥补上述气流的调节机制，侧裙145还可以起到减少绕着车辆100侧面泄漏至底盘低气压区的高压气流的作用。

本发明所述系统的一个方面是提供能够在车辆车速没有达到或低于启动临界值时，可以被隐藏的侧裙145，发明所述系统的另一方面是提供一个能在凹凸不平路面上可以收缩的侧裙。

此外，大家周知一些跑车拥有永久静止的，且从跑车下围板伸出到车的横向外侧的侧裙，这使得如果不在侧裙上特意增加阶梯进出车辆将变得相对困难。所以，本发明的另外一方面是提供一种当车辆100静止是可以收缩(自动的或选择性控制)的侧裙145，以此增强车辆的进出性。收缩的侧裙145还可能防止或减少由拖车，千斤顶，千斤顶支架，升降机，有速碰撞，和坑洞对侧裙145造成的意外伤害。

虽然我们讨论了边条型侧裙145，但是本领域的技术人员能够轻易理解，侧裙145可以具有其他尺寸、厚度和外壁及内壁轮廓。在一些实施例中，如我们在本文所讨论的，侧裙145可以有一定形状的内壁147从而形成文丘里效应。如在后面将要讨论的，一些侧裙也可以是基本上是直的，没有任何弧度的表面。

图3示出了车辆100的另外一个实施例：与图2、图3所述实施例的侧裙145相比，其侧裙245布置成在远离彼此的位置。侧裙245可以布置在底盘外侧，位于下围板107正下方。

如前所述，存在我们所不希望的从车辆两侧进入车辆底部的以平衡压力的高压气流120。侧裙245位于下围板107正下方，可以阻碍高压空气120从车辆100两侧进入车辆下方。

与图2所述实施例相似，侧裙245可以有弧形内壁247，有效的形成文丘里效应：拥有一个收缩段185，喉部190和扩散段195.五条自车辆前端延伸到车辆后端的箭头曲线示出了车辆底盘105与地面之间的空气的流动通道。

图4示出了本发明的一个具体实施例的车辆100，其侧裙145收缩并被隐藏。从车辆100侧面看不到侧裙。图5示出了图4所述车辆100，其侧裙被启用，从车辆100侧面可以看到侧裙。如图2和图3所述，根据侧裙145在车辆底盘相对于轮罩130的位置，侧裙145的外壁149可能从车辆侧面完全可见，也可能不完全可见。

图6和7示出了另外一些实施例，其侧裙基本上是直的，相对于车辆的纵向轴线的固定的角度布置。图6示出了驾驶侧和副驾驶侧侧裙345，每个侧裙拥有直线结构，从车辆100的底盘105伸出。每一个侧裙345可以有一个内壁347和一个外壁349。两个侧裙345基本上沿车辆纵向布置，但是会与纵向形成一个角度以形成收缩段185，喉部190，但不形成扩散段。熟悉本领域的技术人员可以认识到，即使侧裙345没有导流壁或任何其他结构来形成扩散段，喉部190下方的气流仍然会发生扩散。由于侧裙345的突然结束而非构成扩散段，会因为高速气流卷入混合层在侧裙345下游形成涡流192。这些涡流将在两个流区之间起到减阻和/或像密封墙的作用。

与本文公开的其他实施例类似，侧裙345可通过致动器(未示出)驱动，使侧裙345朝着地面向下伸出，要么从平行于车辆底盘105旋转至垂直与车辆底盘105。

图7示出的阵列排布的侧裙445，545，可作为限流器和涡流发生器使用。如图6所述，侧裙445和545可以帮助产生涡流492，阻止空气进入后轮115，起到辅助减阻的作用。阵列中的每对侧裙可以具有单独的几何特性。如前面的实施例中描述的，侧裙445和545可以通过同一个硬件和控制器分别进行调制和控制。

然而图6和图7中的侧裙345，445，545的收缩角度是固定的，进一步设想的实施例将提供必要的控制器和相关联的致动器硬件来改变侧裙345，445，545的相对于车辆底盘105的纵向中心线的角度。本领域的技术人员可以随即想到，改变侧裙345，445，545的会聚角可能会影响特定区域的下压力。车辆100可以配备必要的电子和计算组件来主动调整会聚角，以此响应不同的车速，道路状况，牵引力，以及由于车辆100上乘客和货物引起的重量分布。例如，如果图7所示车辆100检测到前部重量重，则车辆100可以通过拉直的前一对侧裙445来自动地改变车辆100尾部下压力的中心，即只需要后面一组侧裙545在后轴135附近产生一个喉部190，从而补偿车辆100前部的载重。

至此本文公开的各种实施例中，其主动侧裙145，245，345，445，545被用来限制流经车辆100底部的气流宽度以形成文丘里效应。在一些实施例中，它们可形成一个空气通道，所述通道的后端横截面比中段横截面大。下面的实施例所提到的结构，是主动或被动的限制流经车辆100底部气流通过的高度，以形成文丘里效应。

图8A示出了一个应用底部面板150的车辆地面效应系统的实施例，所述底部面板在车辆100的底盘105上提供一个向下伸出的气阻。所设想的底部面板150布置在前轴125和后轴135之间。图8A示出了了一个简化版本的底部面板150，所述底部面板有侧壁151，且其宽度大于两前轮轮距的50％。根据侧壁151的弧形，本领域技术人员可以立即认识到面板150有一个从其前端154朝其顶端155逐渐向下的轮廓，接着面板150可以有一个从其顶端155朝其尾端156逐渐向上的轮廓。

本领域技术人员能意识到，所述的底部面板105的形状可以轻易的依据具体应用的美观或空气动力需求进行更改。

在一个替代实施例中，底部面板150是静止的，并不会通过进行移动或延伸来响应启动条件。

在现代电动车辆上，电池组可以被放置在车辆的地板或底盘下，电池组可以容纳在一些刚性支撑结构内。在一些本发明的进一步实施例中，通过将底部面板150连接到这些刚性支撑结构(多个)上，所述结构可以兼作空气动力学载荷的反应结构。因此在具体的实施例中，安装有车载电池组和周边件的底盘，可以将这些结构自己作为具体实施例的良好的基础。在又一个实施例中，车身底部面板150是布置在电动或混合动力车辆置底盘上的电池组中的覆盖面板。在又一个进一步的实施方案中，车身底部面板150是电池组的外轮廓本身。

其他设想车身底部面板150可以像所述侧裙145，245，345一样启动和停用。例如，车辆100可具有必要的硬件(致动器，电机，控制臂等)朝上向车辆的底盘缩回面板150，从而为底盘下气流肃清。这些必要的硬件可由控制器控制，用来响应通过传感器检测到的启动条件(或通过其它车辆常用的方式收集信息)，向下朝地面延伸板150，从而成气阻。

在一个实施例中，车身底部面板150的顶端155可以比在底部面板前端通的气流的高度低或高5％。在一个替代实施例中，顶端155可以比前述气流高度低或高由10％。在其他实施方案中，这个百分比可以是5-45％；或10-40％；或14-35％。

进一步设想的实施例可以应用任何可缩回的侧裙145，245，345，445，545和固定的车身底部面板150组合，如图8B，8C，8D，9和10所示。

在图8B中，车身底部面板650可以一个平的底面和两个弧形侧壁651。这车身底部面板650可设置在两个可伸缩的侧裙645之间。车身底部面板650可以是底盘的电池组的外盖。图8C示出了图8B所述实施例更详细的信息。当可伸缩的侧裙645被启动时，侧裙645的内壁可以与底部面板650的两个侧壁651形成两个气流通道。当气流流经汽车100底部，一些空气可能将通过底部面板650下面，一些空气将通过底部面板650左侧，一些将通过底部面板650右侧。当侧裙645启动时，将与弧形侧壁651形成两个收缩段185，两个喉部190和两个扩散段195。

在图8D中，车辆可具有与图8C类似的车身底部面板750，以及一对可伸缩的侧裙，所述侧裙具有弧形内壁747。所述车身底部面板750可以布置在两个可伸缩的侧裙745之间。当可伸缩的侧裙745被启动时，内弧形壁747与车身底部面板750的两个弧形侧壁751形成两个空气流的通道。当气流流经车辆100底部，一些空气可能将通过底部面板750下面，一些空气将通过底部面板750左侧，一些将通过底部面板750右侧。当侧裙745启动时，将与弧形侧壁751形成两个收缩段185，两个喉部190和两个扩散段195。

在图9中，未启动的的侧裙145被折叠在底盘105上，或缩回至底盘105下。在图10中，车辆100具有收集必要的数据的信息收集模块(例如，传感器，地形读取摄像机)108，并发送这些数据到控制器109，以确定启动条件是否已经满足。一旦满足启动条件，控制器109激活致动器160，将侧裙145朝向地面旋转。

在整个本发明中已经讨论过喉部190。设想的喉部190可具有一定宽度，该宽度等于或大于两个侧裙前端144之间或收缩段的两个对应边的前端之间的宽度的80％。在替代实施例中，这个百分比可以是75％至90％。在其他实施例中，这个百分比可以是70％至80％。

如上面已经讨论的，任何可收缩侧裙145，245，345，445，545，645，745可以与自动的和可动的车身底部面板150，650，750组合使用。侧裙的运动和底部面板150，650，750的运动可以同步进行，也可单独进行。在一个实施例中，底部面板150可以根据车速计算法则，通过硬件、控制器进行调整。

另外地或附加地，控制器可以通过地形摄像机获得输入，并通过软件逻辑快速还原地面间隙，通过暂时降低流阻，以防止车身底部与地面发生碰撞。

上述空气导流件(即，侧裙145，245，345，445，545和车身底部面板150)已经按一定外形进行了揭示。也就是说，每一个这些空气导流件都具有特定的形状，并且在伸出或收缩时保持其形状。在另一设想的实施例中，任何这些导流件可以用柔韧的材料和其下框架替代或扩容，所述框架可由控制器控制致动器进而驱动其运动。。例如，代替使用由刚性材料制成的车身底部面板150，车底面板150由柔性材料和其内部的基本框架制成。通过主动控制内部框架的运动和形状，可以有效地改变这个特定车身底部面板150的外形。控制器也可以有选择地通过改变收缩力和前后位置以改变喉部的位置，进而调整从前到后轮胎空气动力负载的分配。

柔韧或柔性的材料可以选用合适的材料以承受极端天气和温度。这样的材料包括天然的和合成的聚合物，各种金属和金属合金，天然存在的材料，纺织纤维，以及它们的所有合理组合。

在本发明的进一步设想的实施例中，形状变化或形态转换材料也可在任何前述实施例中使用。本发明的形状变化方面，可由电机和通过控制器内的车辆动态控制程序控制的致动器组成的硬件实现。形态转变或智能材料是具有可以通过外部刺激，如压力，温度，湿度，pH值，电场或磁场以受控的方式显著改变一个或多个特性的材料。

此外，本发明包括通过由任何已经讨论过的导流件的任意组合，产生下压力以改善车辆牵引力的方法。

在一个实施例中，所设想的方法包括监测车辆速度的步骤。本领域技术人员能够明白，监测步骤可以包括使用各种传感器和处理器。设想的方法还包括一个确定步骤：根据车速确定是否满足启动条件。当条件满足时，处理器可以生成和发送信号给致动器，以启动如上所述的至少一种空气导流件。在一个实施例中，致动器启动至少一个气流导流件从第一位置移动到第二位置，以及至少一个导流件具有能够在第二位置为气流形成喉部产生文丘里效应的轮廓。

所设想的第一位置可以是空气导流件向上收缩或向上旋转至车身的缩回位置。

还有另外一个监测步骤监测道路状况，天气状况，轮胎的牵引力情况，重量分布情况。收集的关于任何这些条件的数据可以由处理器处理，这个过程可以发送一个信号以改变或关闭空气导流件。

在所设想的方法的一些实施例中，还包括另一个监测步骤：本领域技术人员都能理解，可以使用各种传感器和处理器以监测车辆的速度。设想方法还包括一个确定步骤：根据车速情况确定是否满足停用条件。当上述停用条件被满足时，处理器可以生成和发送信号给致动器以停用至少一个如上所述的空气导流件。

到此，主动车辆侧裙的具体实施方式和应用已被公开。然而，显而易见的，对于本领域技术人员，除了已经描述的那些，更多的不脱离本发明的构思的修改是可能的。