具有自适应截面和可伸缩襟翼的车辆后翼的制作方法

本申请要求提交于2016年1月11日的美国临时申请no.62/277,045的优先权，并且其以引用方式并入本文。

本发明涉及一种可展开的车辆后翼，所述车辆后翼在操作期间自适应地优化其横截面形状，并同时延伸后缘格尼襟翼。可展开的后部空气动力学元件一般不能提供高的操作效率，因为它们的几何横截面通常受到车辆造型的限制。本发明通过在空气动力学元件展开时自动地修改其几何形状来克服该限制，从而使用简单的机械连杆来产生具有延伸的格尼襟翼的高效翼型截面。

背景技术

众所周知，安装在车辆后部上的翼截面是期望的，因为它增加了空气动力学的下压力，这最终提高了操纵性能。然而，还已知的是辅助翼增加了空气动力学阻力，并因此降低了车辆的燃料经济性和最大速度能力。因此，利用可展开的空气动力学元件变得常见，所述空气动力学元件可以缩回以实现相对较低的阻力并在需要更高的车辆动态性能时延伸。然而，大多数可展开的空气动力学元件的局限性在于，通常它们的几何横截面被迫与车辆造型相一致，这限制了效率。在翼元件的情况下，空气动力学效率指的是升力与阻力的比值，或l/d，其中升力与下压力相反，因此在车辆上表示为负数。相对于给定的阻力可以实现的负升力或下压力越高，计算的效率就越高。相反，相对于给定的下压力可以实现的阻力越低，计算的效率就越高。在使用由伯努利原理以及连续流场的性能所描述的基本流体力学定律来优化翼的横截面形状方面，航空器工业已经付出了相当多的精力。在固定翼车辆应用中，通过精细开发截面和翼展(span)形状，可实现高达4的l/d效率。然而，这些截面和形状是高度专用的，并且因此不符合道路车辆的造型形状。

在deaver的us4558898和murkett等人的us5678884中都描述了车辆上的固定翼应用，并清楚地示出了高效翼截面所需的专用形状。它们的截面和形状显然不符合它们所附接的车身的造型表面。williams的us7213870描述了一种固定在车辆上的新型可调节后翼，其中该截面的弦长和迎角可以使用致动器和控制器自适应地改变。以这种方式，后翼的l/d可以在车辆操作期间自动地修改。通常理解的是，增加翼截面的弦长产生更高的下压力且对阻力影响最小，从而导致更有效的l/d，而增加翼截面的迎角产生更高的下压力但对阻力有显著影响，从而导致效率较低的l/d。应当注意，专利us4558898、us5678884和us7213870利用了目的性研发的横截面，这些横截面与其所安装到的车身的造型形状不一致，并且被永久地展开为使得在车上总是产生相关的阻力。

schleicher等人的us4773692描述了一种可展开的后扰流器，可以使用新型机械装置将所述后扰流器在缩回位置和延伸位置之间移动，该新型机械装置产生将可展开的后扰流器或空气偏导器移动远离车身并移动到倾斜位置的双重运动。机械装置由弧形调节器和引导通道连同电动机和缆索驱动器组成。然而，空气偏导器的横截面显然不是优化的翼型形状，因为空气偏导器已经被设计成当处于其缩回位置时与车身的造型形状相一致。当展开时，空气偏导器提供的优势在于相对于其收起位置以增加的迎角定向(这是取决于必须与车身的造型形状相匹配)，使得其产生的下压力比简单的竖向平移将产生的下压力更高。然而，尽管潜在地能够产生足够的下压力，但us4773692扰流器的非翼型截面将具有非常低效的l/d，因此在展开时产生显著的阻力。

durm等人的us4854635特别要求保护一种独特的驱动机构，所述驱动机构用于将车辆后部上的空气引导装置从缩回休止位置移动到延伸操作位置。空气引导装置本身清楚地示出为在车辆的倾斜后侧上的可移动面板，其与翼型横截面不相似，并且似乎纯用作在在车身上行进的流动空气场中形成不连续性的方法。扰流器与翼所执行的功能的明显不同之处在于其简单地构造成消除车身的造型形状产生的正升力。在us4854635空气引导装置的情况下，处于其伸展位置的可移动面板下方没有气流，而这对于翼来说是关键的操作要求。因此，面板只能够扰乱车辆后侧的气流以便消除造型形状产生的升力，并且尽管对车辆升力产生正向变化，但其实际上不会产生可量化的l/d效率。

goenueldine的us8113571描述了一种在车辆的后端部上的空气引导设备，所述空气引导设备可以使用展开机构(setting-outmechanism)而相对于后端部移动。尽管专利us8113571要求保护一种新型的方法，所述方法用于将展开机构附接到空气引导设备的下侧，从而帮助改善其空气动力学和空气声学性能，但是描述为翼和扰流器两者的空气引导设备的横截面显然不是完全优化的翼型形状。然而，车身的造型形状似乎已经形成为具有空气动力学效率的形状，使得当展开时可移动的空气引导设备更接近最优的横截面。构造成与车身相匹配的形状的方面(例如钝后缘)仍然显著地降低了空气引导设备的l/d效率。

patterson等人的us8944489要求保护一种用于车辆的可变空气动力学设备，所述空气动力学设备构造成使翼元件相对于车身在升高位置和降低位置之间移动，并且另外在需要时移动到第三气动制动状态。展开机构构造成由液压致动器经由新型的引导支杆和连杆装置来驱动，这导致在降低位置中的低迎角、在升高位置中的增加的迎角以及在气动制动位置中高阻力的极高的迎角。以这种方式，翼元件在降低位置产生最小的阻力以及下压力，在升高位置产生增加的下压力以及阻力，并且在气动制动位置产生极高的阻力以及适当增加的下压力。然而，在该第三位置的l/d效率将非常差，这是由于不期望的空气动力学特性(称为失速)所导致的，在失速时翼元件的下侧上的气流从表面分离并导致流场的显著中断，使得伯努利原则不再适用。从阐述中还可以看出，专利us8944489的翼元件不符合经典的翼型横截面以便在降低位置处与车身的造型表面相匹配，并且因此翼元件的l/d效率将远未得到优化。

通常应该理解的是，优化的翼截面的升力和阻力可以通过在称为襟翼或缝翼的主表面上增加延伸部来修改。在航空器上，这些延伸部构造成可展开并且在较低的空速下产生增加的升力以辅助起飞和着陆。这些设备的展开通常会成比例地增加阻力，并且实际上在大多数情况下降低翼的l/d效率。当不需要额外的升力并且将非常不期望增加的阻力时，设备被缩回以用于正常的飞行。在这些类型的设备的特定子设备中，已经发现在翼截面的后缘处增加相对较小的直立的薄截面襟翼使得下压力的增加不成比例地大于阻力的增加，因此导致更高的l/d效率。与为了实现增加的l/d的厚度和高度限制相关的参数是众所周知的，并且该设备通常被称为格尼襟翼。竞技车辆上的固定翼极少在没有格尼襟翼的情况下实现。然而，尚未采用在可展开的车辆后翼上使用格尼襟翼，因为直立襟翼将会在缩回位置处产生相当大的阻力并且难以匹配车身的造型表面。

eger等人的us5141281要求保护一种用于车辆的新型的后端部的扰流器装置，所述扰流器装置中襟翼从与车身齐平的非操作位置移动到操作位置，所述操作位置产生经过车辆的倾斜后侧或斜背部(fastback)的气流的分离(breakingaway)。在专利的说明书和权利要求中使用术语襟翼来限定移动元件是不合适的，因为设备应该在技术上被描述为扰流器。这个移动元件以与先前引用的durm等人的专利us4854635中的描述相同的方式起作用。专利us4854635和us5141281两者的襟翼或扰流器消除了车身形成的造型形状的正升力，但处于其操作位置的元件下方没有气流，而这对于翼型翼来说是关键的操作要求。发明us5141281的另一新颖之处在于包括气流分离元件，所述气流分离元件与襟翼分开地构造并独立地在车辆的横向方向上延伸，在扰流器装置的操作位置中，分离元件邻近襟翼的后缘延伸。尽管这种分离元件是主扰流器的后缘处的薄截面的竖向取向的特征，但其不是格尼襟翼，因为所述分离元件所修改的主截面不是翼型，并且由于没有与独立元件相关的效率，因此空气动力学效果不会增加l/d。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，可展开的车辆后翼包括后部安装的可移动元件，所述可移动元件由主上部表面和铰接的下部表面构造，所述可移动元件在第一构造中与车身的周围造型表面紧密匹配，并且在第二构造中提供具有集成的格尼襟翼的翼型截面，所述第二构造构造成提供延伸位置。提升机构包括旋转连杆和滑动部件的布置，使得第一致动器构造成驱动成对的固定臂以使可移动元件在收起位置和展开位置之间移动。提升机构包括互连到可移动元件和旋转连杆的成对的第二致动器。第二致动器构造成使可移动元件在展开位置和气动制动位置之间移动。襟翼连杆包封在可移动元件内并且联接在主上部表面和铰接的下部表面之间。襟翼连杆包括相对于固定臂固定的偏心轮，使得襟翼连杆构造成响应于偏心轮和襟翼连杆之间的相对位置的变化使铰接的下部表面移动到处于延伸位置的具有格尼襟翼的第二构造。

在上述任何一个实施例的又一个实施例中，提升机构包括支撑结构。成对的提升杆可枢转地安装到支撑结构。成对的固定臂互连到提升杆。成对的引导环可枢转地安装到支撑结构。第一致动器互连到提升杆和支撑结构，并且构造成通过旋转提升杆并使固定臂上升穿过引导环而使可移动元件在收起位置和展开位置之间移动。成对的第二致动器互连到可移动元件和提升杆。

在上述任何一个实施例的另一个实施例中，偏心轮联接到固定臂的远侧端部，其中固定臂在所述远侧端部处可旋转地安装到可移动元件。驱动连杆在一个端部处可枢转地附接到主上部表面并且在另一端部处经由开槽旋转接合部可枢转地附接到铰接的下部表面，使得当提升机构展开可移动元件时：襟翼连杆使最初处于第一构造的铰接的下部表面朝向主上部表面枢转从而形成第二构造。具有第一构造的钝后截面的翼型截面将所述钝后截面转变成竖向取向的格尼襟翼。

在上述任何一个实施例的又一个实施例中，提升机构构造成沿着从收起位置到展开位置的弧形路径向上和向后移动可移动元件。

在上述任何一个实施例的另一个实施例中，提升机构构造成沿着从收起位置到展开位置的弧形路径向上和向后移动可移动元件。

在上述任何一个实施例的又一个实施例中，当提升机构在展开位置和气动制动位置之间移动可移动元件时，襟翼机构的偏心轮将铰接的下部表面驱动回第一构造。

在上述任何一个实施例的另一个实施例中，当提升机构在展开位置和收起位置之间移动可移动元件时，襟翼机构的偏心轮将铰接的下部表面驱动回第一构造。

在上述任何一个实施例的又一个实施例中，可移动元件的平面视图形状包括减小的中心横截面。铰接的下部表面在所述可移动元件的外端部处被分成两个部分。使用两个相同的襟翼连杆并且其由两个固定臂中的每一个固定臂单独地驱动。

在上述任何一个实施例的另一个实施例中，第一致动器和第二致动器是液压的。

在上述任何一个实施例的又一个实施例中，第二致动器均包括布置在盖下方的弹簧，所述盖固定到包括凸缘的缸体。每个第二致动器的杆均相对于相应的第二致动器的缸体可伸缩地布置。弹簧在处于延伸的致动器位置中的相应的第二致动器的凸缘与盖之间处于压缩状态。弹簧构造成迫使相应的杆进入相应的缸体以到达提供气动制动位置的折叠位置。

在另一个示例性实施例中，可展开的车辆后翼包括后部安装的可移动元件，所述可移动元件由主上部表面和铰接的下部表面构造。所述可移动元件在第一构造中与车身的周围造型表面紧密匹配，并且在第二构造中提供具有集成的格尼襟翼的翼型截面，所述第二构造构造成提供延伸位置。提升机构包括支撑结构。成对的提升杆可枢转地安装到支撑结构。成对的固定臂互连到提升杆，并与可枢转地安装到支撑结构的成对的引导环协作。第一致动器互连到提升杆和支撑结构，并且构造成通过旋转提升杆并使固定臂上升穿过引导环而使可移动元件在收起位置和展开位置之间移动。成对的第二致动器互连到可移动元件和提升杆。第二致动器构造成使所述可移动元件在展开位置和气动制动位置之间移动。襟翼连杆包封在可移动元件内，所述襟翼连杆包括偏心轮，所述偏心轮联接到固定臂的远侧端部，其中固定臂在所述远侧端部处可旋转地安装到可移动元件。驱动连杆在一个端部处可旋转地附接到主上部表面并且在另一端部处经由开槽旋转接合部可旋转地附接到铰接的下部表面，使得当提升机构展开可移动元件时：襟翼连杆使最初处于第一构造中的铰接的下部表面朝向主上部表面枢转从而形成第二构造。具有第一构造的钝后截面的翼型截面将所述钝后截面转换成竖向取向的格尼襟翼。

附图说明

通过结合附图参考以下详细描述可以进一步理解本公开，其中：

图1是可展开的车辆后翼的透视图，其示出为处于车身中的其收起位置。

图2是可展开的车辆后翼的透视图，其单独地示出为处于包括其支撑结构的其收起位置。

图3是可展开的车辆后翼的透视图，其单独地示出为处于不包括其支撑结构的其收起位置处。

图4是可展开的车辆后翼的局部剖视侧视图，其示出为处于其收起位置。

图5是可展开的车辆后翼的局部剖视侧视图，其示出为处于其展开位置。

图6是可展开的车辆后翼的局部剖视侧视图，其示出为处于其气动制动位置。

图7是可展开的车辆后翼的透视图，其单独地示出为处于其气动制动位置。

图8a、图8b是可展开的车辆后翼的分离的局部剖视侧视图，其分别示出为处于其收起位置和展开位置。

图9a、图9b、图9c是可展开的车辆后翼的分离的局部剖视侧视图，其分别示出为处于其收起位置、展开位置和气动制动位置。

前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案(包括它们的各个方面或相应的单独特征中的任何一个)可以独立地或以任何组合方式实施。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这些特征不相容。

具体实施方式

因此，鉴于现有技术的限制，提供一种如下的可展开的车辆后翼是有利的，所述可展开的车辆后翼在缩回位置或收起位置处紧密地与与车身的造型表面相一致，同时在展开位置处自适应地改变其横截面以提供具有集成的格尼襟翼的高效翼型截面。另外，经由连杆提供自适应横截面变化和格尼襟翼展开将是非常期望的，所述连杆利用主展开系统的驱动机构。

在本发明的主要实施例中，紧密匹配车身的造型表面的可移动元件的下部表面适于围绕预定点铰接，使得当可移动元件在收起位置和展开位置之间移动时，下部表面围绕铰接轴线旋转以消除由车身限定的截面的钝后缘，从而产生具有竖向延伸的格尼襟翼的高度期望的尖锐的后缘。主提升机构产生组合的运动路径，所述主提升机构将可移动元件提升到经过车辆的自由空气流中，并同时增加所述可移动元件的迎角。横截面变化由联接到主展开运动的连杆装置驱动，以使得当可移动元件完全展开(具有相关联的竖向升力和增加的迎角)时，所述可移动元件也是具有相关联的高l/d效率的完全优化的翼型截面。以这种方式，可移动元件提供美学上喜人的形状，其与车身的造型表面相一致并且在其收起位置处产生非常小的阻力或下压力。此外，在其展开位置处，可移动元件提供具有集成的格尼襟翼的高效翼型截面，所述翼型截面位于车辆上方的自由空气流中并且具有优化的迎角以提供高水平的下压力以及高效的l/d。

提升机构的另一特征是能够在例如高制动需求的选定事件期间产生极大的(extreme)迎角，使得空气动力学阻力有助于车辆减速。该气动制动位置的结果是导致空气动力学失速但极高阻力的非常低效的状态。在这种情况下，可移动元件的下部表面返回到其收起位置形状，其中格尼襟翼缩回。

图1示出了具有集成的可移动元件16的车身10的后部，所述可移动元件16设计成与车身10的造型表面相一致。图2示出了可移动元件16和提升机构22的透视图，所述提升机构22沿着从图4中所示的收起位置到图5中所示的展开位置的弧形路径向后、向上平移可移动元件16并且使其进入正迎角。如图2最佳所示，提升机构22包括支撑结构24，所述支撑结构24固定到车身上。支撑结构24包括第一支架29和第二支架31。提升杆26对通过由第一支架29提供的第一枢转连接件28安装成用于相对于支撑结构24旋转。

包括缸体33和杆35的第一致动器30(例如液压式)在第二枢转连接件34处经由杆32在支撑结构24和提升杆26之间互连。在操作中，杆35从收起位置缩回以将可移动元件16移动到展开位置，这使提升杆26围绕第一枢转连接件28向后旋转。

固定臂36对在第三枢转连接件38处固定在每个成对的提升杆26之间。引导环40对可滑动地接收在每个固定臂36上，并且在第四枢转连接件42处经由第二支架31固定到支撑结构24。固定臂36的与提升杆26相对的端部在第五枢转连接件44处连接到可移动元件16。

第二致动器46对(例如液压式)通过固定在第六枢转连接件50处的支腿48固定在每个成对的提升杆26之间。第二致动器46包括固定到其相应的支腿48的缸体52，并且杆54从缸体52延伸并且在第七枢转连接件56处连接到可移动元件16。第二致动器46在整个收起位置和展开位置处于延伸位置。

可移动元件16包括具有后缘68的主上部表面58和铰接的下部表面60。可移动元件包括在其内部体积内横向延伸的加强肋62。铰接的下部表面60包括布置在后缘68附近的唇缘70。铰接的下部表面60在加强肋62处经由铰接件64旋转固定到主上部表面58。主上部表面58和铰接的下部表面60一起形成外表面66，处于图8a中最佳示出的第一构造的外表面与车身的环绕造型表面相一致，并且处于图8b中最佳示出的第二构造的外表面提供具有集成的格尼襟翼的高效的翼型截面。

可移动元件16的外表面66从第一构造到第二构造的转变与提升机构22从图4所示的收起位置到图5所示的展开位置的平移直接相关联。在操作中，当第一致动器30缩回时，提升杆26向上和向后旋转，使得固定臂36向上滑动穿过引导环40。由于提升机构22的部件的几何形状，当可移动元件16向后和向上平移时，其迎角也增加。

在示例性实施例中，铰接的下部表面60在不使用单独的致动器的情况下在第一构造和第二构造之间被驱动，但是如果需要的话可以使用一个单独的致动器。相反，铰接的下部表面使用通过提升机构22的改变的几何形状而移动的互连部件被被动地驱动，这将结合图8a至图8b更详细地描述。一旦可移动元件16到达如图5所示的展开位置，铰接的下部表面60移动到第二构造，其将唇缘70延伸超出后缘68。以这种方式，唇缘70在尖锐的后缘翼型上形成格尼襟翼的效果，其显著增加了展开的可移动元件的空气动力学效率。

参考图3、图4和图5，每个第二致动器46都包括布置在盖73下方的弹簧74，所述盖73固定到缸体52。杆54与缸体52协作并且包括凸缘72。在第二致动器46处于延伸位置的状态下，弹簧74在凸缘72和盖73之间处于压缩状态。在操作中，为了将可移动元件16从展开位置(图5)移动到气动制动位置(图6)，与缸体52相关联的液压阀打开，这使得弹簧74能够迫使杆54进入缸体52，从而使第二致动器46收缩。可移动元件16上的空气动力有助于第二致动器46的收缩，所述第二致动器46附接在枢转连接件56处，所述枢转连接件56位于固定臂36的枢转连接件44的前方。在示例性实施例中，当可移动元件16移动到气动制动位置时，铰接的下部表面60返回到其第一构造，其中格尼襟翼缩回。

结合图9a至图9c更详细地解释铰接的下部表面60的致动。轴76与枢转连接件44同轴地从每个固定臂36横向向外延伸。每个轴76通过互锁特征相对于枢转连接件44可旋转地固定。

参考图9a，第一支撑支架82固定到主上部表面58，并且第二支撑支架84固定到铰接的下部表面60。襟翼连杆86联接在第一支撑支架82和第二支撑支架84之间。如图7中的虚线所示，铰接的下部表面60在可移动元件16的外端部处分成两个部分。可移动元件16的平面视图形状包括减小的中心横截面120。使用两个相同的襟翼连杆86，并且所述襟翼连杆由两个固定臂36中的每一个单独地驱动。

襟翼连杆86包括在一个端部处通过枢转件90附接到第一支撑支架82的驱动连杆88。第二支撑支架84包括槽95，所述槽95在驱动连杆88的另一个端部处接收第一销94。槽95使得铰接的下部表面60能够在与已经安装在第一支撑支架82上的驱动连杆88的组装期间固定到主上部表面58。

襟翼连杆86包括固定在轴76上的偏心轮92。从驱动连杆88延伸的第二销96接收在偏心轮92中的槽98内以提供包括倾斜表面100的开槽旋转接合部。参考图9a、图9b和图9c，第二销96被示出为在三个位置中，所述三个位置分别对应于可移动元件16处于收起位置、展开位置和气动制动位置。如附图所描绘的，轴76在可移动元件16的所有操作位置中保持偏心轮92的位置。然而，当提升机构22的几何形状改变时，可移动元件16相对于偏心轮92铰接。当可移动元件16从收起位置(图9a)铰接地移动到展开位置(图9b)时，驱动连杆88向上倾斜，使得第二销96在倾斜表面100上向上移动，这使得当第一销94在第二支撑支架84上向上拉时铰接的下部表面60围绕铰接件64朝向主上部表面58旋转。

当可移动元件16继续从展开位置(图9b)铰接地移动到气动制动位置(图9c)时，第二销96从倾斜表面100向下滑回进入槽98中，这允许铰接的下部表面60返回到缩回位置。

还应该理解的是，尽管在所例示的实施例中公开了特定的组件布置，但其它布置将从中受益。尽管示出、描述和要求保护了特定的步骤顺序，但应该理解，除非另有说明，步骤可以以任何顺序执行、分别执行或组合执行，并且仍将从本发明中受益。

尽管不同示例具有图示中示出的特定部件，但是本发明的实施例不限于这些特定组合。可以将来自一个示例的一些部件或特征结合来自另一个示例的特征或部件一起使用。

尽管已经公开了示例性实施例，但是本领域的普通技术人员将认识到，某些修改将落入权利要求的范围内。为此，应研究以下权利要求以确定其真实范围和内容。