陈承杰 胡恩锴 许圳淇 田尚睿 张洪源

摘 要：目前市面上有各种类型的汽车尾翼，但没有一种仿生尾翼。鉴于此，根据孔雀开屏带来的启示，设计了一种折扇形两向可变汽车尾翼，该设计具有减少风噪的功能。运用三维软件进行模型制作，给出了尾翼形状的选取方法;通过计算以及运用CFD分析翼片的受力，评价了其性能指标。

关键词：汽车尾翼;折扇结构;仿生;仿真分析

中图分类号：T-19;TH128;TH122    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）10-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.010

0    引言

尾翼作为一种汽车空气动力性部件，可显著影响汽车燃油经济性、操纵稳定性、舒适性等。对于高速行驶的汽车而言，空气动力特性对燃油经济性和操纵稳定性有着极其重要的影响[1]。

汽车尾翼能够提供除自重之外的额外下压力，以提高汽车的抓地力和稳定性。

可变尾翼不同于固定式尾翼，其角度可调：可在过弯时升起，提供较大下压力，帮助车辆过弯;可在刹车时立起，提高阻力，帮助车辆减速;可在直道上放平，降低阻力，提高直线速度，降低油耗，是一个综合了过弯性能和直线性能的优秀解决方案。

现有可变尾翼基本为旋转或升降结构，可以调整翼片攻角或高度，或两者皆可调，未发现有与本设计相同的扇形展开结构。在飞机上存在具有类似功能的专利（公开号CN107499498A）[2]，但此飞机上用的折叠机翼，主要功能是收窄飞机停放尺寸，其用途、尺寸、机构与本设计的可变尾翼差异较大。因此，孔雀开屏式两向折扇可变汽车尾翼依然具有创新性。

1    设计思路及其优缺点

1.1    设计思路

孔雀开屏式两向折扇可变汽车尾翼设计思路来源于孔雀开屏。求偶时，雄孔雀将尾屏下的尾部竖起，从而将尾屏竖起及向前，完成展开。开屏时其运动类似于折扇结构，这种形状在折起之后，状态为一块叠一块前后分布，能将翼片顺着车辆行驶方向折叠并隐藏起来，故迎风面较小，有较强降低阻力的能力。同时，遵循普通可变尾翼“迎角越大，下压力越大，同时阻力越大”的机理，另外在旋转方向上设计了迎角可调。这样一来尾翼就有两向可变：一向是折扇结构的折起和展开，一向是相对气流方向的迎角增大和减小。

1.2    优缺点

（1）优点：可调性强，且汽车左右两侧翼片可分别控制。两侧翼片同一迎角能决定尾翼产生的下压力范围，扇形结构的展开角度能进一步确定产生下压力的大小。两侧翼片同时缩到最小即阻力最低，适合直线;同时展开至最大即阻力最高，适合刹车;过弯时展开角和迎角共同控制尾翼产生下压力，能够左右不同角，为汽车过弯提供额外转向能力。

（2）缺点：由于扇形展开过程中翼片相对气流的角度在变化，而翼片形状无法改变，故不能在全时段用最佳形状迎风，效能降低。并且设计翼片时由于各翼片展开后迎风角度不同，必须采用每片不同的形状才能使翼片以较优的形状迎风，故翼片形状较为复杂。

2    尾翼设计

2.1    机械结构设计

机械装置三维模型如图1所示。

机械结构简图如图2所示。

图2（a）为总体的机械简图，拥有两个自由度，通过两个舵机A和B实现控制。图2（b）为扇形结构示意图，最左杆为主动拉杆，受舵机B带动，通过低副、高副组合带动剩余杆件相继转动。只有杆1相对杆2旋转达到18°时滑槽滑到另一顶点，才会带动杆2转动，这个运动方式和孔雀开屏相同。5根杆中只有杆1是原动件，用花键和舵机B传动，其余杆件2～5都由轴承和转动轴结合，无动力。扇形折回时依然是杆1为原动件，当杆1转回，和杆2重合时，杆2上的滑槽对杆2不产生推力。在杆2～5四根被动杆上设计了接触板，杆1收起，碰到杆2上的接触板，推动杆2继续转回，依此类推。

对两台舵机的扭矩进行计算，得到在最极限的情况下，舵机A应当输出109.07 N·m扭矩，舵机B应当输出至少20.79 N·m扭矩。109.07 N·m扭矩，约等于1 090 kg·cm，在数码舵机上发现了能输出100 N·m的SRC-MXT舵机，由于109.07 N·m的情况比较极限，可以规避这种极限情况，故舵机A依然使用SRC-MXT舵机，电压为24 V，可在0.25 s内旋转60°，单个重量5.8 kg。舵机B选用SRC-R4舵机，电压为24 V，扭矩为40 N·m，可在0.4 s内旋转60°，单个重量0.78 kg。

2.2    翼片形状设计

2.2.1    翼形选择

翼片采用标准化飞机翼形（上下翻转，使升力变为下压力，阻力不变）。通过在Profili软件的翼形库中选型，确定翼形为OAF117（图3），为法国航空航天研究院和法国国家航空宇航公司设计的翼形。这种翼形较扁较长，有较大失速临界迎角，下压力调节范围较大，在攻角为8°～10°区间效率最高（即升阻比最大），10°～12°时产生升力（下压力）最大。

2.2.2    降噪细节

猫头鹰翅膀的锯齿形结构能够在翼片末端锯齿内产生小的涡流，促使流到翼片后面的空气变得平稳，同时可以减小噪声。因此，仿照这种锯齿形结构，在翼片末端切出了锯齿形（图4），增加翼片的降噪能力以及气流疏导能力，效果图如图5所示。

3    性能参数

3.1    下压力及阻力计算

通过Profili软件获得不同弦长对应的不同雷诺数下OAF117翼片在不同攻角下（0～13°）的数据，13°以上的攻角该软件无法计算，需通过Xfoil软件进行计算。但到20°以上由于发生失速，边界层假设失效，此时Xfoil軟件算法误差较大，攻角在30°以上的数据参考性很低。故选择攻角为12°的位置对应的数据进行计算，此攻角处翼片效能较高，且产生下压力最大。

车速选取40 m/s（144 km/h），因为跑车过弯速度在40 m/s属于比较适中的水平。计算最大下压力时，将40 m/s替换成大部分超跑的极速参考值83.33 m/s（300 km/h）即可。

通过升力公式Y=■ρClSv2以及软件计算得到的升力系数Cl、阻力系数Cd、升阻比■三个数据，可获得如下五块翼片的下压力、阻力计算结果。

第一块翼片：

Y=■ρClSv2

其中，ρ=1.2 kg/m3，Cl=1.494 5，S=■×（0.038 99+

0.194 952）×0.48≈0.056 15 m2，v=40 m/s（144 km/h过弯速度）。

Y=■×1.2×1.494 5×0.056 15×402≈80.56 N

F阻=CdqS

其中，Cd=0.047 14（α=12°），q=■ρv2=■×1.2×402=

960 Pa，S=0.056 15 m2。

F阻=0.047 14×960×0.056 15≈2.54 N

■≈31.703 4

压力/升阻比=■=■≈2.54 N

可见F阻=压力/升阻比，因此后面四块翼片均用F阻=■来计算。

第二块翼片：

Cl=1.486 6，Cd=0.031 8，■≈46.748 4。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.486 6×0.056 15×402

≈80.13 N

F阻=■=■≈1.71 N

第三块翼片：

Cl=1.512，Cd=0.029 1，■≈51.958 8。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.512×0.056 15×402≈81.50 N

F阻=■=■≈1.57 N

第四块翼片：

Cl=1.561 4，Cd=0.023 9，■≈65.330 5。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.561 4×0.056 15×402≈84.17 N

F阻=■=■≈1.29 N

第五块翼片：

Cl=1.599 3，Cd=0.019 3，■≈82.865 3。

Y=■ρClSv2=■×1.2×1.599 3×0.056 15×402≈86.21 N

F阻=■=■≈1.04 N

在40 m/s车速下五块翼片可分别产生80.56 N、80.13 N、81.50 N、84.17 N、86.21 N的下压力，单边共412.57 N，整套系统由于在车辆两边各有一套装置，共825.14 N。五塊翼片产生阻力分别为2.54 N、1.71 N、1.57 N、1.29 N、1.04 N，两边共16.3 N。即本套系统在40 m/s的车速下可提供82.514 kg下压力和1.63 kg阻力。将40 m/s替换成83.3 m/s可得，在300 km/h的极速下本套系统可为汽车带来357.85 kg的下压力和7.07 kg的阻力，属于中等性能尾翼。

3.2    流体力学分析

运用CFD进行流体力学模拟，分析了处于中间位置具有代表性的第三块翼片，获得结果如图6所示，可见翼片上表面压力总体大于下表面，翼片能够正常工作。

4    结语

相比于传统的汽车尾翼，此款尾翼在外观上有很大的不同，新颖奇特，其机械结构则是根据孔雀开屏时类似折扇打开的方式进行设计。由计算及CFD受力分析可知，其满足尾翼对车身提供下压力的性能要求，下压力能在一定范围内进行调节，且对车身的阻力影响小。传统汽车尾翼在行驶过程中往往会产生较大的噪声，而此款尾翼将末端改成了锯齿形状，能够打散高频涡流，从而实现降噪的功能，噪声相比于传统尾翼会有所改善。因此，此款尾翼可以说是一款性能较为优良的尾翼，有一定的研究和应用价值。

[参考文献]

[1] 刘慷慷，李福洋，郭巍.某款汽车尾翼的结构设计与优化[J].汽车实用技术，2016（7）：95-98.

[2] 谭俭辉，王志成.一种扇形机翼可折叠的飞行器：CN107499498A[P].2017-12-22.

收稿日期：2022-03-04

作者简介：陈承杰（1998—），男，广西人，研究方向：车辆工程。