一种汽车尾翼结构及其设计方法与流程

本发明汽车构件领域；特别是涉及一种汽车尾翼结构及其设计方法。

背景技术：

随着汽车工业的不断发展，人们对于汽车性能的要求也越来越苛刻，空气动力学性能作为影响汽车行驶稳定性、动力性及燃油经济性的重要特性一直得到研究者的大量关注。其中，通过给汽车加装合理的空气动力学套件来改善汽车的空气动力学性能是一种比较常用的手段。

汽车尾翼其实就是倒置的机翼，其一般装配在汽车后背箱盖上方，属于汽车空气动力学套件中的一部分。其主要作用是为了减少车辆尾部所受的升力，确保汽车后轮拥有足够的法向载荷，以防止汽车在加速、高速过弯等情况下打滑。汽车尾翼由于能够梳理流过汽车尾部的气流并且提供充足的下压力，其至诞生之初就受到了广泛的研究与应用。如今，尾翼得益于其优秀的空气动力学性能已经在越来越多的车型上得到了使用。

常规的汽车尾翼结构，包括一个安置于汽车尾部上方的平直主翼(又称主扰流板)，尾翼主翼下表面通过一个竖向设置的连接件将尾翼固定在汽车后部。用于在车辆行驶时，尾翼需要利用绕翼环量在尾翼上下表面产生流速差而形成压力差为尾翼提供下压力，因此，汽车尾翼表面的气流也会像普通机翼一样在翼面上发生强烈的横向流动并在翼尖形成三维绕流最后向后拖出翼尖涡产生额外的诱导阻力。为了减翼尖小翼尖涡的影响，人们设计了一种新的汽车尾翼结构，通过在常规汽车尾翼的翼尖两侧加装与尾翼展向平面垂直的翼尖端板，翼尖端板中部位置与尾翼主翼固定在一起。

翼尖端板通过阻隔尾翼主翼上下表面气流的汇合，抑制翼尖处的三维绕流，而达到减翼尖小翼尖涡强度的目的，但翼尖端板本身并不具备任何有利的气动性能，它的加装甚至会对主翼翼尖处的气流流动产生额外的干扰，诱发干扰阻力，同时，气流在流过端板时产生的绕流也会形成形状阻力，如果处理不当，端板加装所带来的干扰阻力和形状阻力甚至会大于翼尖端板减小的翼尖诱导阻力。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种比起携带翼尖端板的普通尾翼为汽车提供更大下压力的同时还能减小阻力，进一步提高汽车气动性能的汽车尾翼结构及其设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种汽车尾翼结构，包括一个安置于汽车尾部上方的平直板状的主翼，尾翼的主翼下表面通过一个竖向设置的连接件将尾翼固定在汽车后部，其特征在于，主翼翼尖两侧各向外固定安装有一个翼尖小翼，翼尖小翼外端呈向外下方弯曲延伸形状。

翼尖小翼装配到汽车尾翼主翼翼尖后，其本身科学合理的形状过渡能够大大减小主翼翼尖产生的诱导涡，同时，其还可以利用主翼翼尖的畸变流场在翼尖小翼翼面上产生向内的侧向力，该侧向力可以分解为向下的下压力与一个向前的推力，进一步帮助汽车减升和减阻，这是翼尖小翼区别于翼尖端板的一个重要标志。

作为优化，所述汽车尾翼用翼尖小翼，按照以下步骤设计获得：

步骤1、在确定目标车型和设计时速后，对设计目标进行确定，确定助力系数和升力系数；

步骤2、对航空器用原始翼型进行翼尖小翼翼型的初始选取；

步骤3、再对翼尖小翼外形进行参数化表征；分别确定翼尖小翼主体部分外形的参数化表征方式，以及翼尖小翼与尾翼主翼衔接的过渡弯曲段部分外形的参数化表征方式；

步骤4、根据步骤1确定的设计目标，在计算机中利用cfd(计算流体力学)的仿真手段模拟对应车型、设计时速下的三维流场环境，并计算装配有新型尾翼汽车的气动特性；

步骤5、通过步骤3中确定的翼尖小翼外形的参数化表征方式进行调整以改变小翼主体的基本外形，使其能够达到步骤1中设定的设计目标，由于只有特定的小翼形状参数与翼型所对应的流场特性能够满足要求，特定的小翼形状参数又能确定唯一的小翼过渡弯曲段形状，因此，翼尖小翼外形也就完成了设计。

对小翼主体基本外形的调整，以及小翼过渡弯曲段形状的确定具体指的是调整准均匀b样条曲线的控制点坐标和在步骤3中确定好的小翼形状参数取值区间内取不同的值以改变小翼主体的基本外形，当为了满足设计目标而确定了对应的小翼形状参数与翼型后，翼尖小翼过渡弯曲段的前缘线x1、x2、x3与r也就得到了确定，翼尖小翼外形也就完成了设计。

这样，采用本设计方式，可以科学快速地优化调整翼尖小翼外形参数，使其性能效果达到最优。

作为优化，步骤1中，确定设计目标采用以下要求：安装带翼尖小翼的汽车尾翼后汽车具有的阻力系数不大于安装有带端板普通尾翼的汽车，同时其升力系数要最小，或安装带翼尖小翼的汽车尾翼后汽车具有的升力系数不大于安装有带端板原普通尾翼的汽车，同时其阻力系数要最小。其中，带端板的普通尾翼其主翼几何参数与带小翼的汽车尾翼相同，区别仅仅是翼尖附加端板还是翼尖小翼。

当采用上述设计目标要求时，能够充分保证尾翼翼尖换装上翼尖小翼后能够提供比带端板的普通尾翼更加优秀的气动性能，气动性能的提高意味着：带小翼的汽车尾翼为汽车带来的附着性能的提升与带端板的普通尾翼等价，同时还能最大限度的降低加装尾翼后对汽车气动阻力带来的影响，或者保证带小翼的汽车尾翼能够为汽车提供附着性能上的最大提升，同时保证其对汽车气动阻力产生的影响不会在加装带端板的普通尾翼基础上有所增加。

作为优化，步骤2中，翼型选取的规范应该满足翼尖小翼能最大程度的提供向前的附加推力并具有最低的自身巡航阻力，因此参考航空器翼尖小翼的选取规范选取最大弯度大于8％，相对厚度低于8％的航空器原始翼型，原始翼型仅以数据坐标点云的形式存在。

作为优化，步骤3中，确定翼尖小翼主体部分外形的参数化表征包括两个部分：

1)小翼翼型的参数化表征：使用准均匀b样条曲线的方式来对选取的翼型数据点云进行参数化拟合，通过从步骤2中已选定的原始航空器翼型的点云数据中抽取数量合适的坐标点作为准均匀b样条曲线的控制顶点p0、p1……pn，n为大于1的自然数，控制顶点的具体数量根据实际情况而定，需要保证拟合翼型与实际翼型的相对误差在2％以内；

2)小翼形状参数取值区间的初步确定：当翼尖小翼的翼型被初步选定并用准均匀b样条曲线进行拟合后，就需要对翼尖小翼的形状参数取值区间进行初步确定，各形状参数的取值范围应满足：翼尖小翼梢根比的取值范围为0.5-1，展弦比的取值需要满足在最小翼尖小翼展长时，主翼翼尖未见明显翼尖诱导涡，最大展长时整个尾翼的宽度不超过带后视镜的原车车宽，以满足行车安全的要求，外倾角φ取固定值20°，安装角α则需要保证在0°与取最大值时翼尖小翼翼面不发生流动分离的范围内进行选取。

这样，采用上述方式进行翼尖小翼主体部分外形的参数化表征，首先可以使小翼翼型在调整的过程中始终保持光滑连续，不至于发生不合理的形状变化而产生翼面气流的分离，从而出现不合理的优化结果，影响优化效率，而小翼形状参数取值区间的合理选定，既能够限定新型尾翼的几何尺寸，不影响其它车辆的行驶安全，又能与高效的翼型参数化表征方式相互配合，进一步提高新型尾翼的优化效率。

作为优化，步骤3中，确定过渡弯曲段部分外形的参数化表征方式具体步骤如下：

翼尖小翼过渡弯曲段的形状被前缘线x1、x2、x3及后缘线曲率半径r控制，其中x1、x2、x3为三条二次多项式曲线，它们的定义式如下：

x1＝a1y+b1y²，a1＝tan∧a.

x2＝a2+b2y，b2＝tan∧b.

x3＝a3+b3y+c3y²，a3＝tan∧c.

r则由下式得到定义：

其中，kr为曲率系数，范围为0.35-0.5，一般取最小值；y为小翼过渡弯曲段前缘线在汽车尾翼用翼尖小翼展开图中y向方向的坐标取值，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c3均为三条二次多项式曲线表达式中的常系数,h为翼尖小翼高度，φ翼尖小翼外倾角，∧a为尾翼主翼后掠角，∧b为翼尖小翼过度弯曲段后掠角，∧c为翼尖小翼主体后掠角。

x1、x2、x3与r和小翼的形状参数有关，同时过渡弯曲段前缘线的三条二次多项式曲线、尾翼主翼前缘线、及翼尖小翼主体前缘线间要保证光滑连接并各自相切。

步骤5中，具体地说是调整准均匀b样条曲线的控制点坐标和在步骤3中确定好的小翼形状参数取值区间内取不同的值以改变小翼主体的基本外形；要使其能够达到步骤1中设定的设计目标，仅有特定的小翼形状参数与翼型所对应的流场特性能够满足，小翼形状参数与翼型确定后，翼尖小翼过渡弯曲段的前缘线x1、x2、x3与r也就得到了确定，翼尖小翼外形也就完成了设计。

本发明的有益效果是，翼尖小翼可以利用尾翼翼尖在汽车尾部复杂流场中产生的畸变三维流动帮助普通尾翼进一步提高下压力并减小阻力，使得装配有普通尾翼的汽车其气动性能得到进一步提高，该特性是翼尖小翼本身的作用机理所带来的影响，由于尾翼主翼翼尖一定会存在翼尖涡，因此翼尖小翼经过合理设计装配到主翼翼尖后就一定能提供比带翼尖端板或翼尖无任何阻隔物的普通尾翼更为优秀的气动性能，气动性能的提升具体意味着汽车在装配带小翼的汽车尾翼时要么能够获得比装配带端板或翼尖无任何阻隔物的普通尾翼更多的下压力，同时气动阻力不至于进一步增加而牺牲动力性；要么能获得与带端板或翼尖无任何阻隔物的普通尾翼等价的下压力提升，同时还能尽量减小气动阻力的影响，保持更好的动力性。

附图说明

图1是选取的原始航空器用翼型的数据坐标点云的示意图。

图2是在原始航空器用翼型的数据点云基础上利用准均匀b样条曲线对翼型进行拟合的拟合前后过程的示意图。

图3是带翼尖小翼汽车尾翼的正视方向的结构示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是图4中能够显示翼尖小翼主体截面形状的a-a剖视图。图5中虚线用来区分x1、x2、x3。

图6是汽车尾翼用翼尖小翼展开图。

图7是汽车尾翼用翼尖小翼后视图。

图中标号以及字母对应含义为：1.主翼，2.翼尖小翼过渡弯曲段，3.翼尖小翼主体，4.翼尖小翼主体前缘线，5.翼尖小翼主体后缘线，6.尾翼主翼翼尖弦长，7.翼尖小翼翼尖弦长，8.翼尖小翼主体翼根弦长，9.尾翼主翼前缘线，10.尾翼主翼后缘线，11.尾翼支架，h.翼尖小翼高度，α.翼尖小翼安装角，φ.翼尖小翼外倾角，∧b.翼尖小翼过度弯曲段后掠角，∧c.翼尖小翼主体后掠角，x1、x2、x3为三条二次多项式曲线，r为小翼过渡弯曲段曲率半径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式，如图3-7所示，一种汽车尾翼结构，包括一个安置于汽车尾部上方的平直板状的主翼1，尾翼的主翼下表面通过一个竖向设置的连接件将尾翼固定在汽车后部，其中，主翼翼尖两侧各向外固定安装有一个翼尖小翼，翼尖小翼外端呈向外下方弯曲延伸形状。其中，连接件为尾翼支架11，翼尖小翼包括翼尖小翼过渡弯曲段2和翼尖小翼主体3两个部分。

这样，翼尖小翼装配到汽车尾翼主翼翼尖后，其本身科学合理的形状过渡能够大大减小主翼翼尖产生的诱导涡，同时，其还可以利用主翼翼尖的畸变流场在翼尖小翼翼面上产生向内的侧向力，该侧向力可以分解为向下的下压力与一个向前的推力，进一步帮助汽车减升和减阻，这是翼尖小翼区别于翼尖端板的一个重要标志。

本实施方式中，所述汽车尾翼用翼尖小翼，按照以下步骤设计获得：

步骤1.在确定目标车型和设计时速后，对设计目标进行确定；

其中，确定设计目标采用以下要求：安装带翼尖小翼的汽车尾翼后汽车具有的阻力系数不大于安装有带端板普通尾翼的汽车，同时其升力系数要最小，或安装带翼尖小翼的汽车尾翼后汽车具有的升力系数不大于安装有带端板普通尾翼的汽车，同时其阻力系数要最小。其中，带端板的普通尾翼其主翼几何参数与带小翼的汽车尾翼相同，区别仅仅是翼尖附加端板还是翼尖小翼。

步骤2.对航空器用原始翼型进行翼尖小翼翼型的初始选取；

其中，翼型选取的规范应该满足翼尖小翼能最大程度的提供向前的附加推力并具有最低的自身巡航阻力，选取相对弯度大于16％，相对厚度低于8％的航空器原始翼型，原始翼型仅以数据坐标点云的形式存在。具体参照图1进行理解，图1是选取的原始航空器用翼型的数据坐标点云的示意图。

步骤3.再对翼尖小翼外形进行参数化表征；分别确定翼尖小翼主体部分外形的参数化表征方式，以及翼尖小翼与尾翼主翼衔接的过渡弯曲段部分外形的参数化表征方式。

其中，翼尖小翼主体部分外形由小翼的翼型及形状参数：安装角α、展弦比(即翼尖小翼高度h/尾翼主翼弦长6)、梢根比(即翼尖小翼翼尖弦长7/尾翼主翼翼尖弦长6)、翼尖小翼外倾角φ共同决定，因此，其参数化表征方式主要分为两个部分：

1)小翼翼型的参数化表征。

本发明使用准均匀b样条曲线的方式来对选取的翼型数据点云进行参数化拟合，通过从步骤2中已选定的原始航空器翼型的点云数据中抽取数量合适的坐标点作为准均匀b样条曲线的控制顶点p0、p1……pn，控制顶点的具体数量根据实际情况而定，需要保证拟合翼型与实际翼型的相对误差在2％以内。图2是在原始航空器用翼型的数据点云基础上利用准均匀b样条曲线对翼型进行拟合的示意图。具体拟合过程可参见图2理解。

2)小翼形状参数取值区间的初步确定：参见图3-5.

当翼尖小翼的翼型被初步选定并用准均匀b样条曲线进行拟合后，就需要对翼尖小翼的形状参数取值区间进行初步确定，各形状参数的取值范围应满足：翼尖小翼的梢根比的取值范围为0.5-1，展弦比的取值需要满足在最小翼尖小翼展长时，主翼翼尖未见明显翼尖诱导涡，最大展长时整个尾翼的宽度不超过带后视镜的原车车宽，以满足行车安全的要求，外倾角φ取固定值20°，安装角α则需要保证在0°与取最大值时翼尖小翼翼面不发生流动分离的范围内进行选取。

步骤3中，确定过渡弯曲段部分外形的参数化表征方式具体步骤如下：参见图6-7.

翼尖小翼过渡弯曲段的形状被前缘线x1、x2、x3及后缘线曲率半径r控制，其中x1、x2、x3为三条二次多项式曲线，它们的定义式如下：

x1＝a1y+b1y²，a1＝tan∧a.

x2＝a2+b2y，b2＝tan∧b.

x3＝a3+b3y+c3y²，a3＝tan∧c.

r则由下式得到定义：

其中，kr为曲率系数，范围为0.35-0.5，一般取最小值；y为小翼过渡弯曲段前缘线在图6中y向方向的坐标取值，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c3均为三条二次多项式曲线表达式中的常系数,h为翼尖小翼高度，φ翼尖小翼外倾角，∧a为尾翼主翼后掠角，∧b为翼尖小翼过度弯曲段后掠角，∧c为翼尖小翼主体后掠角。

x1、x2、x3与r和小翼的形状参数有关，同时过渡弯曲段前缘线的三条二次多项式曲线、尾翼主翼前缘线9、及翼尖小翼主体前缘线4间要保证光滑连接并各自相切。

步骤4.根据步骤1确定的设计目标，在计算机中利用cfd(计算流体力学)的仿真手段模拟对应车型、设计时速下的三维流场环境，并计算装配有新型尾翼汽车的气动特性。

步骤5.通过调整准均匀b样条曲线的控制点坐标和在步骤3中确定好的小翼形状参数取值区间内取不同的值以改变小翼主体的基本外形。要达到步骤1中设定的设计目标，仅有特定的小翼形状参数与翼型所对应的流场特性能够满足要求，小翼形状参数与翼型确定后，翼尖小翼过渡弯曲段的前缘线x1、x2、x3与r也就得到了确定，翼尖小翼外形也就完成了设计。