一种仿生型汽车尾鳍外壳的制作方法与流程

本发明涉及一种汽车尾鳍，具体涉及一种具有仿生型汽车尾鳍外壳的制作方法。

背景技术：

汽车尾鳍作为汽车的功能与装饰件越来越得到大众的喜爱与推崇。尾鳍具有释放静电、放大通讯信号、扰流、提高GPS系统精度等功能，同时兼有收音机FM天线、GSM通讯天线、GPS天线等作用；尾鳍还能够有效消除空气的气流噪音，使行驶更加安静，彰显豪华、立体个性。天气干燥时，汽车容易产生静电，早先时通过在排气管处安装拖地条链方式释放静电，有了尾鳍天线后，这一问题得到了高效解决，尾鳍天线充分利用电子走尖端的特性，将静电电子导入到尾鳍的尾尖上释放。常用的汽车尾鳍主要有杆式与鲨鱼鳍式。

汽车尾鳍作为车身造型的重要组成部分，它在一定程度上决定了一辆汽车的气质与个性，同时它又是影响汽车空气动力学、燃油经济性、动力性的重要因素之一。研究表明，汽车在高速行驶时其主要阻力为空气阻力。当汽车以80km/h的速度行驶时，引擎60％的功率用来克服空气阻力；当汽车以150km/h的速度行驶时，其空气阻力是滚动阻力的2-3倍。如车身空气阻力系数降低10％，则可节省燃油7％左右。车身表面附件、孔眼、凹槽及缝隙等引起的气流干涉阻力约占总空气阻力的5％～16％。尾鳍作为重要的表面附件裸置于汽车外空气流场中，其所引起的阻力为整车空气阻力的2％-5％，同时改变车顶盖附近的空气流场。这意味着通过优化尾鳍几何形状能够有效改善整车的动力性与燃油经济性。

尾鳍作为与空气接触的直接部件，如果设计合理，则能够有效消除气流产生的哨子音，同时彰显汽车气质。目前比较流行的汽车尾鳍为宝马公司设计的鲨鱼式尾鳍，其灵感来源于鲨鱼鳍。鲨鱼鳍能够改善车身整体流线性，同时起到接收信号的作用。然而，试验表明，鲨鱼式尾鳍在风洞试验时并不能表现出良好的空气动力学性能，主要原因是鲨鱼式尾鳍在设计时主要考虑的是其外观造型与信号接收，并没有过多的考虑其空气动力学性能。另外，鲨鱼为水生动物，其尾鳍在水中可能具有很好的减阻降噪性能(即具有很好的流体性能)，但在空气中未必会有好的空气动力学特性。

自然界生物经过亿万年的进化，具有很好的环境适应能力，这为人类的发明创造提供了灵感，仿生设计能够让车身更具视觉冲击力和美感，同时能够拉近了人与自然的距离，在一定程度上诠释了人与自然的和谐相处。素有“老家贼”之称的麻雀经过长时间的生物进化能飞善跳、动作灵敏，研究表明其嘴部经过长时间的生物进化在飞行时呈现一定的几何形状，能够大大降低空气阻力使其自由飞翔。因此，有必要将“仿生设计”理念应用于汽车尾鳍的设计上，研究开发一种仿生型汽车尾鳍外壳，增加整车的隔音降噪、空气导流等性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、造型流线、外型美观、风阻系数小、能够隔音降噪的仿生型“麻雀嘴式”汽车尾鳍外壳，该外壳能够改善汽车的燃油经济性，减少了汽车的行驶阻力。

为实现上述目的，本发明所述的一种具有麻雀嘴部几何特征的仿生汽车尾鳍外壳的制备方法，包括以下步骤：

1、麻雀嘴部特征的采集：获取若干只成年麻雀，并筛选出嘴部特征完全裸露在外、外形完整的麻雀，经表面清洁处理后将麻雀嘴剪掉，取上嘴，沿中心线剖开，将麻雀嘴纵剖面外轮廓曲线绘制于坐标纸上；绘制的麻雀嘴部特征纵剖面外轮廓曲线有两条，即上轮廓曲线与下轮廓曲线，用最小二乘法拟合出麻雀的嘴部特征纵剖面上轮廓曲线的准线方程(式1-1)

2、尾鳍外壳仿生模型的建立：将步骤(1)的纵剖面上轮廓曲线的准线方程导入SolidWorks，形成仿生曲线EF，过E点且垂直于仿生曲线EF位置建立基准面X＝151，在此基准面内建立第一轮廓线L；所述第一轮廓线L关于EV左右对称；第一轮廓线L左半部分由第一圆弧EP、第二圆弧PQ、第三圆弧SQ、第四圆弧TU、设置在第三圆弧SQ与第四圆弧TU之间的第一直线ST及设置在基准面X＝151上的第二直线UV组成；过F点在基准面Y＝0平面内建立第二轮廓线M，所述第二轮廓线M为半圆形，且左右关于FY对称，所述第二轮廓线M右半部分由第五圆弧FW及设置在基准面X＝151上的第三直线YW组成；将第一轮廓线L沿仿生曲线EF、直线VY向第二轮廓线M放样即构成初步仿生模型；为进一步拓展本发明所述汽车尾鳍的应用范围，使汽车尾鳍与车顶贴合的更紧密，在步骤(2)建立完第一轮廓线L与第二轮廓线M并放样凸台后，在基准面Z＝0的平面内建立切割轮廓线；所述切割轮廓线由第六圆弧HJ，第四直线HK及第五直线KJ组成；所述第六圆弧HJ可根据不同的车型进行调整，然后进行凸台切割，即构成底部切割的仿生模型；为了进一步降低汽车尾鳍的风阻系数，可以对制做好的尾鳍外壳顶部进行圆角切割处理，具体操作方法为：在基准面Z＝0的平面内建立圆角切割轮廓线；所述圆角切割轮廓线由第七圆弧XZ，第六直线XB及第七直线BZ组成，然后进行凸台切割，最后再进行抽壳处理，形成中空的仿生尾鳍外壳模型。

3、尾鳍外壳的制备：按照步骤(2)建好的仿生模型制作相应的模具，然后进行制备或直接将制作的仿生模型输入电脑，采用3D打印机打印即可。

为降低尾鳍质量，提高尾鳍外壳的弯曲刚度、扭转刚度和模态性能，所述步骤(3)进行模具制作时采用碳纤维增强树脂基复合材料，碳纤维是使用三层纤维混合铺设而成；其中，三层纤维层从上至下的铺层角度为[90/45/0]，0度方向为尾鳍横向。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明通过将麻雀嘴部纵剖面外轮廓曲线应用于汽车尾鳍纵剖面准线上，使制作的仿生尾鳍外壳纵剖面准线具有变曲率特性，且曲率半径梳呈现逐渐增大的变化趋势；同时，通过对轮廓线L与轮廓线M的特定曲线的设计，使汽车尾鳍具有良好空气动力学特性，风阻系数小，空气导流性好，能够显著提升燃油经济性与整体流线性，更好地起到隔音降噪效果，提高乘坐舒适性。

2、本发明所述尾鳍外壳在建立完模型后可以直接采用3D打印机进行打印，制备工艺简单。同时，本发明还可以通过制作与仿生模型匹配的模具进行加工制作，在用模具制作过程中，原料可以采用生物基材料，即使用植物纤维中的大麻、剑麻、黄麻、棕搁叶和竹纤维等非常好的增强材料，将其与可降解基体材料结合可制成可完全降解的“绿色复合材料”，这样可使汽车更加的绿色、环保。

3、本发明构成轮廓线L、M的曲线均为定曲率的圆弧或直线，这在一定程度上既降低了3D打印的工艺难度系数又兼顾了汽车的燃油经济性，使制作的实体表面造型流线、外型美观。而且，仿生型汽车尾鳍可根据需要对拟合出的麻雀嘴纵剖面外轮廓曲线进行伸缩、缩放，从而设计出不同尺寸的仿生型汽车尾鳍，满足不同车型的需要。

4、本发明制作的汽车尾鳍制作时可采用碳纤维增强树脂基复合材料代替传统的塑料尾鳍，有效降低尾鳍质量，而且碳纤维采用三层纤维层，从上至下的铺层角度方案为[90/45/0]，提高了尾鳍外壳的弯曲刚度、扭转刚度和模态性能等，延长使用寿命。

附图说明

图1为麻雀嘴部特征纵剖面外轮廓曲线；

图2为拟合后的麻雀嘴纵剖面外轮廓曲线及其曲率变化形式；

图3为本发明尾鳍外壳仿生模型建立的示意图；

图4为第一轮廓线L的示意图；

图5为第二轮廓线M的示意图；

图6为仿生型汽车尾鳍模型的主视图；

图7为仿生型汽车尾鳍底部切割时切割轮廓线的示意图；

图8为仿生型汽车尾鳍顶部圆角切割轮廓的示意图；

图9为本发明尾鳍外壳仿生模型顶部进行圆角切割后的示意图；

图10为碳纤维层铺层顺序的示意图。

具体实施方案

为使本领域技术人员清楚理解本发明所述技术方案及其优点和效果，下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明所述的具有麻雀嘴部几何特征的仿生汽车尾鳍外壳的制作方法，包括以下步骤：

(1)、麻雀嘴部特征的采集：获取若干只成年麻雀，并筛选出嘴部特征完全裸露在外、外形完整的麻雀，经表面清洁处理后将麻雀嘴剪掉，取上嘴，沿中心线剖开，将麻雀嘴纵剖面外轮廓曲线绘制于坐标纸上(见图1)；绘制的麻雀嘴部特征纵剖面外轮廓曲线有两条，即上轮廓曲线O与下轮廓曲线I，然后用最小二乘法拟合出嘴部特征纵剖面上轮廓曲线O的准线方程(式1-1)；

(2)、尾鳍外壳仿生模型的建立：将步骤(1)的纵剖面上轮廓曲线O的准线方程导入SolidWorks，形成上轮廓曲线O(见图2)，上轮廓曲线O具有变曲率特性，且曲率半径梳呈现逐渐增大的变化趋势，将上轮廓曲线O设为仿生曲线EF(见图3)，过E点且垂直于仿生曲线EF位置建立基准面X＝151，在此基准面内建立第一轮廓线L；所述第一轮廓线L关于EV左右对称；第一轮廓线L左半部分由第一圆弧EP、第二圆弧PQ、第三圆弧SQ、第四圆弧TU、设置在第三圆弧SQ与第四圆弧TU之间的第一直线ST及设置在基准面X＝151上的第二直线UV组成(见图4)；过F点在基准面Y＝0平面内建立第二轮廓线M，所述第二轮廓线M为半圆形，且左右关于FY对称，所述第二轮廓线M右半部分由第五圆弧FW及设置在基准面X＝151上的第三直线YW组成(见图5)；将第一轮廓线L沿仿生曲线EF、直线VY向第二轮廓线M放样即构成初步仿生模型；

为保证所仿生尾鳍外壳模型的造型流线、外型美观以及后续3D打印时工艺简单，所述第一轮廓线L、第二轮廓线M的组成部分均为定曲率的圆弧或直线；同时，为进一步降低风阻系数，本发明通过对不同形状的第一轮廓线L及不同形状的第二轮廓线M的多次试验，最终确定：第一圆弧EP参数为圆心(0，-51)、E(0，-58)、P(6.5，-51)、半径6.5；第二圆弧PQ参数为圆心(59，-53)、P(6.5，-51)、Q(43，-3)、半径为53；第三圆弧SQ参数为圆心(43，-2)、S(44，-2)、Q(43，-3)、半径为1；第四圆弧TU参数为圆心(43，-1)、T(44，-1)、U(43，0)、半径为1；第一直线ST参数为S(44，-2)、T(44，-1)；第二直线VU参数为U(43，-0)、V(0，0)构成的第一轮廓线L与第五圆弧FW参数为圆心(8，0)、F(0，0)、W(8，-8)，第三直线YW参数为Y(8，0)、W(8，-8)构成的第二轮廓线M放样而成的仿生模型3D打印时制作工艺最简单，风阻系数最小，空气导流性最好。上述第一轮廓线L、第二轮廓线M所有点的坐标值均为其在各自基准面内的值，不代表其在全局坐标系内的值。

(3)、尾鳍外壳的制备：按照步骤(2)建好的仿生尾鳍外壳模型，采用ABS树脂直接用3D打印机打印即可。

实施例2

步骤(1)与步骤(2)同实施例1；

步骤(3)、尾鳍外壳的制备：按照步骤(2)建好的仿生尾鳍外壳模型设计与其匹配的模具，然后采用碳纤维增强树脂基复合材料进行制备，所用的碳纤维是使用三层纤维混合铺设而成；其中，三层纤维层从上至下的铺层角度为[90/45/0](见图10)，0度方向为尾鳍横向。

实施例3

为了降低汽车尾鳍的风阻系数，进一步拓展仿生尾鳍的应用范围，本发明设计的汽车尾鳍仿生模型底部可根据车型需要任意切割，其目的是为了让尾鳍与车顶贴合的更紧密；同时，可以对仿生模型顶部进行圆角切割处理，制作进行圆角处理及底部切割的仿生型汽车尾鳍外壳，具体包括以下步骤：

步骤(1)同实施例1；

步骤(2)、在建立完第一轮廓线L与第二轮廓线M并放样凸台后，在基准面Z＝0的平面内建立切割轮廓线；所述切割轮廓线由第六圆弧HJ，第四直线HK及第五直线KJ组成(见图7)；例如：为使制作的汽车尾鳍外壳底部能够与A0级车顶贴合得更紧密，以F为基准点建立切割轮廓线，其中，第六圆弧HJ参数为：圆心(79，3528)、H(-15，-4)、J(173，-4)、半径3534；第四直线HK参数为：H(-15，-4)、K(75，42)；第五直线KJ参数为：K(75，42)、J(173，-4)；同时，在基准面Z＝0的平面内建立圆角切割轮廓线，所述圆角切割轮廓线由第七圆弧XZ、第六直线XB及第七直线BZ组成(见图8)；例如：第七圆弧XZ参数为：圆心(146，-51)、X(145，-57)、Z(151，-51)、半径5.5；第六直线XB参数为：X(145，-57)、B(151，-58)；第七直线BZ参数为：B(151，-58)、Z(151，-51)；所述第六圆弧HJ可根据不同的车型进行调整，之后进行凸台切割，然后再进行抽壳处理，形成中空的仿生尾鳍外壳模型(见图9)。

步骤(3)同实施例1。

试验性能测试

风洞试验表明：采用本发明所述的方法制作的仿生型汽车尾鳍能将行驶过程中产生的哨子音控制在30分贝以下，有效缓解由高分贝噪音引起的头疼，耳鸣，记忆力减退等症状。然而，传统汽车尾鳍发出的噪声一般要求不超过80分贝。同时，本发明通过试验证明能够大大降低风阻系数小，使其具备良好空气动力学特性的关键在于仿生曲线EF的设计，对于第一轮廓线L与第二轮廓线M采用实施例1设定的具体参数虽然能够降低风阻系数，进一步改善空气动力学特性，但第一轮廓线L与第二轮廓线M对尾鳍外壳整体的影响并不大。

此外，采用本发明制作的仿生型汽车尾鳍与现有鲨鱼式尾鳍共同应用在风洞试验上，本发明较鲨鱼式尾鳍能降低空气阻力0.6％-0.8％。

本发明采用上述方法制作的汽车尾鳍在建模过程中可根据需要对模型进行整体伸缩、缩放，从而设计出不同尺寸的仿生型汽车尾鳍，使其满足不同车型的需要。