專利名稱：一種用于交通運輸車輛的助力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陸路交通領(lǐng)域，特別涉及一種用于交通運輸車輛的助力裝置
背景技術(shù)：
目前，采用火車、汽車、地鐵、輕軌等交通工具進行客運及貨運的運輸方案已經(jīng)在
經(jīng)濟發(fā)展中占用了很重要的地位。采用上述交通工具可以方便、快捷地實現(xiàn)了客運和貨運
的經(jīng)濟發(fā)展要求，但同時也帶來了大量的能源消耗，以及環(huán)境污染的問題。 為了盡量減少能源的消耗，現(xiàn)有技術(shù)下，往往會在交通運輸車輛的動力系統(tǒng)、車廂
材質(zhì)等方面進行技術(shù)改進，以及在道路環(huán)境方面進行改善，這樣做雖然取得了明顯的節(jié)能
效果，但其耗費的成本也是可觀的。 有鑒于此，需要提供一種新的減少能源消耗的方法，在節(jié)省能源的同時，將實現(xiàn)成 本維持在一個較低范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種用于交通運輸車輛的助力裝置，，用以在節(jié)省能源的同時， 降低實現(xiàn)成本。 本發(fā)明實施例提供的具體技術(shù)方案如下 —種用于交通運輸車輛的助力裝置，包括一組助力擋板，每一個助力擋板用于設(shè)
置在所述交通運輸車輛的頂部，并沿車輛行進方向與車體形成
度的攻角。 —種交通運輸車輛，包括一組設(shè)置在所述交通運輸車輛的頂部的助力擋板，每一
個助力擋板在車輛行進時沿車輛行進方向與車體形成
度的攻角。 本發(fā)明實施例中，利用空氣動力學(xué)原理，在高速運行的火車、汽車等陸路交通運輸
車輛上，加裝類似飛機翅膀的裝置，使其獲得額外的升力，減少了車輛與鐵軌、地面之間的
摩擦阻力，從而大幅度降低了車輛在電力、油料方面的能源消耗，也減少了對環(huán)境的污染，
同時，也降低了整體方案的實現(xiàn)成本。


圖1為本發(fā)明實施例中安裝有翅膀的車廂結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為本發(fā)明實施例中翅膀受力原理示意圖； 圖3和圖4為本發(fā)明實施例中升力系數(shù)和阻力系數(shù)分別與攻角之間的關(guān)系示意 圖； 圖5為本發(fā)明實施例中車輛低速行駛時翅膀角度示意圖； 圖6本發(fā)明實施例中車輛制動過程中翅膀角度示意圖。
具體實施例方式
為減少交通運輸車輛在行駛時所消耗的能源(如電力、油耗)，本發(fā)明實施例中，利用空氣動力學(xué)的原理，在載重量大，高速運行的交通運輸車輛(如火車、汽車等陸路運輸 工具)的車頂加裝若干助力裝置，以下實施例中將該裝置稱為"翅膀"，本實施例中，所謂翅 膀，即是一組助力擋板，每一個助力擋板設(shè)置在所述交通運輸車輛的頂部，并沿車輛行進方 向與車體形成
度的攻角。這樣，交通運輸車輛在高速運行時，便可獲得一定的升力， 相當(dāng)于減輕了交通運輸車輛的載重量，從而可以減少其牽引電機、發(fā)動機的電力、油料的消 耗，進而達到節(jié)能，減排，環(huán)保的目的。 另外，如果把"翅膀"與制動控制系統(tǒng)相配合，在機車制動時，可以通過把"翅膀"的 角度調(diào)整為"負角度"，把升力變?yōu)榭諝庾枇?，達到協(xié)助制動的目的，以減少制動距離，一方 面可以并減少因此產(chǎn)生的制動剎車系統(tǒng)的磨損，另外，也可以減少緊急情況下的危險概率。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選的實施方式進行詳細說明。 現(xiàn)有技術(shù)下，飛機的翅膀產(chǎn)生的升力可以把飛機托起升空，同理，把這個原理運用
到高速行駛的陸路交通運輸車輛上，就可以利用產(chǎn)生的升力來抵消一些載重，從而降低交
通運輸車輛與地面或鐵軌間的摩擦阻力，進而達到減少能源消耗的目的。 基于上述原理，參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例中，以火車為例，在火車頂部安
裝翅膀后，將翅膀獲得的升力設(shè)置為L，將翅膀獲得的空氣阻力設(shè)置為Fd，將翅膀以及安裝
時使用的相關(guān)設(shè)備的總重量設(shè)置為G，并且假設(shè)鐵軌與車輪的摩擦系數(shù)i！ =0. l(查閱資
料所得的數(shù)據(jù))，那么上述各參量滿足以下公式顯示的關(guān)系時，本發(fā)明的技術(shù)方案便是可行
的 (L-G) ii -Fd > 0 研究空氣動力學(xué)中關(guān)于機翼部分的內(nèi)容可以得知不同機翼形狀，不同攻角(攻 角，又稱ANGLE OF ATTACK,在本發(fā)明實施例中是指翅膀與水平方向產(chǎn)生的角度)的動力學(xué) 特性是不同的，其升力系數(shù)，阻力系數(shù)都不一樣。本發(fā)明實施例中，考慮到制作工藝的簡單 性，制作成本以及空間局限性等因素，較佳地，采用"平凸型(如圖l所示，即下平，上凸的形 狀)的翅膀，該翅膀的形狀、尺寸大小及受力面積可以根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境而自行調(diào)整設(shè)計， 只要其展弦比小于設(shè)定閾值即可以達到理想的技術(shù)效果。所謂展弦比(Aspect Ratio)，是 飛機空氣動力學(xué)的專有名詞，其定義為機翼的翼展平方與機翼翼面積的比值 爿^ = 其中AR為展弦比，b為翼展長度，S為翼面積。采用小展弦比(即設(shè)置展弦比小于 設(shè)定閾值)是因為翅膀的形狀、尺寸受到車廂寬度的限制，但可以通過加裝多個"翅膀"來 加大升力膀，各翅膀之間的間距最佳約為50公分。 另一方面，本實施例中，兼顧技術(shù)效果與實現(xiàn)成本，較佳地，翅膀的材質(zhì)可以采用 鋁合金最為適宜。 參閱圖3所示，圖(a)表示升力系數(shù)CL與攻角之間的關(guān)系，圖(b)表示阻力系數(shù) CD與攻角之間的關(guān)系。從圖3可以看出，隨著攻角的增加，升力系數(shù)與阻力系數(shù)均在增加， 但不是線性增加，因此，翅膀與車頂之間的角度需要控制在一定范圍內(nèi)，才可以達到理想的 效果。 從上述公式(L-G) y -Fd > 0可看出，升力L與阻力Fd之間的差值越大，減輕載重 量的效果越好，參閱圖3和圖4所示，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出，攻角在
度的范圍內(nèi)時，翅膀獲得的升力是遞增的，而在大于9度時，翼型上表面的氣流會嚴重分離，會引起的升力劇降 現(xiàn)象，稱作失速現(xiàn)象。因此，采用
度的攻角均可以實現(xiàn)為車輛"減重"的技術(shù)效果，而 且在攻角為9度時，升級取最大值，且升力L與阻力Fd的差值最大，可見，最佳攻角為9度， 即此時"減重"效果最佳。 下面以攻角為9度攻角為具體的交通運輸車輛為例對翅膀的"減重"作用進行介 紹。 假設(shè)地面的空氣密度<formula>formula see original document page 5</formula>
翅膀的升力L的計算公式為
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，L是升力，S是翅膀平面的面積，V是車輛在空氣中行進的速度，而P是空氣
密度，(^為升力系數(shù)。 翅膀的阻力D的計算公式為 <formula>formula see original document page 5</formula> 其中，D是阻力，S是翅膀平面的面積，V是車輛在空氣中行進的速度，而P是空氣 密度，CD為阻力系數(shù)。 在一個實施例中，假設(shè)動車組每編組有8組車廂，每車廂為24米長，2. 85米寬。每 個翅膀的平面面積為2. 8m(沿車廂寬度方向)X 1. 8m(沿車廂長度方向)=5. 04m2，每個翅 膀間隔2米)，動車共設(shè)計加48個翅膀，其總翅膀面積為5. 04m2X48 = 241. 92m2，通常列車 與鐵軌的摩擦系數(shù)為P = 0. 1。 當(dāng)動車組時速為200公里時(不計風(fēng)速影響)，從圖4可看出，在9度攻角時，= 1. 48， CD = 0. 08，升力L與阻力Fd的差值最大，此時，動車組可以節(jié)省的能源最多的。
根據(jù)上述升級與阻力的計算公式可以得到 <formula>formula see original document page 5</formula>
假設(shè)每個翅膀的質(zhì)量大約為50kg，則翅膀的總重量W可表示為<formula>formula see original document page 5</formula> 那么，通過安裝翅膀?qū)崿F(xiàn)的動車組"減重"效果，可以通過以下幾種方式表示
換算為節(jié)省的牽引力F可表示為 <formula>formula see original document page 5</formula>
換算為節(jié)省的牽引力功率P可表示為
<formula>formula see original document page 5</formula> 換算為節(jié)約的功率百分比可表示為1689/8000 = 21. 1% 工業(yè)用電為1元/度(千瓦時)，相當(dāng)于每小時可省電1689度，節(jié)約電費1689元。 如果按每天列車行駛12小時計算，每天可以省電20， 268度，每年可省電740萬度，節(jié)省電 費740萬元。 區(qū)別于上述實施例，在另一個實施例，假設(shè)普通列車時速為100公里時(27. 78m/ s，不計風(fēng)速影響)，整個編組15節(jié)車廂，總長度396米，可安裝100片翅膀，翅膀總面積為 5X100 = 500m、那么，采用9度攻角時，根據(jù)上述升級與阻力的計算公式可以得到
<formula>formula see original document page 5</formula>
D = 1/2p V2S CD = 19， 912(N) 每個翅膀的質(zhì)量大約為50kg，翅膀總重量W可表示為
W = (50 X 100) *g = 5， 000*9. 8 = 49， 000 (N) 那么，通過安裝翅膀?qū)崿F(xiàn)的動車組"減重"效果，可以通過以下幾種方式表示 換算為節(jié)省的牽引力F可表示為 F = (L-W) ii _D = 12， 023 (N) 換算為節(jié)省的牽引力功率P可表示為P = FV = 12023X27. 78 = 334 (KW)， 相當(dāng)于每小時可省電334度，節(jié)約電費334元，如果按每天列車行駛12小時計算， 每天可以省電4008度，節(jié)約電費4008元，每年可省電146萬，節(jié)約電費146萬元。
區(qū)別于實施例，在另一個實施例中，假設(shè)貨運列車時速為100公里時(不計風(fēng)速影 響)，有60節(jié)車廂，每節(jié)車廂長度14米，列表總長840米，可安裝約200片翅膀，每片翅膀面 積為3X2 = 6!112，翅膀總面積為1200m2。那么，采用9度攻角時，根據(jù)上述升級與阻力的計算 公式可以得到L = 1/2 p V2S CL = 884， 030 (N)
D = 1/2 p V2S Cd = 47， 789 (N) 每個翅膀的質(zhì)量大約為50kg，總翅膀重量W可表示為
W = (50X200) *g = 10， 000*9. 8 = 98， 000 (N) 那么，通過安裝翅膀?qū)崿F(xiàn)的動車組"減重"效果，可以通過以下幾種方式表示 換算為節(jié)省的牽引力F可表示為 F = (L-W) ii -D = 30， 814 (N) 換算為節(jié)省的牽引力功率P可表示為 P = FV = 30814X27. 78 = 856 (KW)， 相當(dāng)于每小時可省電856度，節(jié)約電費856元，如果按每天列車行駛12小時計算， 每天可以省電10， 272元，節(jié)約電費10272元，每年可以省電375萬度，節(jié)省電費375萬元。
區(qū)別于上述實施例，在另一個實施例中，假設(shè)貨運卡車時速為80公里/小 時(22. 22m/s，不計風(fēng)速)，車身長、寬、高分別為12. 0米、2. 49米、3. 86米，可安裝3片 4m2(2X2)的翅膀，翅膀總面積為12!112。，正常干燥瀝青路面的摩擦系數(shù)為y =0.6。那么， 采用9度攻角時，根據(jù)上述升級與阻力的計算公式可以得到
L = 1/2 p V2S CL = 5， 656 (N)
D = 1/2 p V2S Cd = 305. 7 (N) 每個翅膀的質(zhì)量大約為50kg，翅膀總重量W可表示為
W = (50X3) *g = 150*9. 8=1， 470 (N)
換算為節(jié)省的牽引力功率P可表示為 那么，通過安裝翅膀?qū)崿F(xiàn)的動車組"減重"效果，可以通過以下幾種方式表示 換算為節(jié)省的牽引力F可表示為 F = (L-W) ii -D = 2206 (N) 換算為節(jié)省的牽引力功率P可表示為P = FV = 2206X22. 22 = 49 (KW)，
按照電耗計算，相當(dāng)于每小時可省電49度，節(jié)省電費電49元，如果按每天貨運卡 車每天行駛12小時計算，每天可以省電588度，節(jié)約電費588元，每年可以省電21. 5萬元 度，節(jié)省電費21.5萬元，以電耗計算成本僅為保守估計，因為實際應(yīng)用中，汽油、柴油的成 本比相同功率電的成本要高的多。 基于上述各實施例，參閱圖5所示，為了使安裝在各交通運輸車輛上的翅膀能夠 更好地發(fā)揮其作用，可以在交通運輸車輛內(nèi)安裝一控制裝置，與風(fēng)速儀連接，通過感知風(fēng)速 的變化，可自動調(diào)整翅膀的角度。例如，在交通運輸車輛低速行駛時，將翅膀放平，以降低阻 力，并在交通運輸車輛的速度達到設(shè)定閾值時，例如，火車時速達到70公里/小時)時，將 翅膀展開為9度的攻角。 如圖5所示，上述控制裝置包括導(dǎo)軌、調(diào)整電機(也簡稱為電機)和曲柄連桿，其 中， 導(dǎo)軌，設(shè)置在所述交通運輸車輛頂部的； 調(diào)整電機，設(shè)置在導(dǎo)軌內(nèi)，并通過曲柄連桿與翅膀一端連接，用于通過所述曲柄連 桿帶動翅膀以調(diào)整所述攻角。 而上述實施例中，翅膀也需通過固定桿活動連接在交通運輸車輛頂部，以方便控 制裝置對其進行控制。 另一方面，參閱圖6所示，在交通運輸車輛剎車時，控制裝置也可以根據(jù)剎車信號 將翅膀的攻角改為負9度或更大的角度，具體描述為沿車輛行進相反方向與車體所呈角 度為[9，90]度，這樣，會增大交通運輸車輛行進時的阻力，從而減少剎車距離，以降低緊急 情況下的危險系數(shù)。另一方面，也可以減少因制動剎車系統(tǒng)而產(chǎn)生的車輛磨損，延長剎車系 統(tǒng)的使用壽命。 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明中的實施例進行各種改動和變型而不脫離 本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明實施例中的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求 及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明中的實施例也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于交通運輸車輛的助力裝置，其特征在于，包括一組助力擋板，每一個助力擋板用于設(shè)置在所述交通運輸車輛的頂部，并沿車輛行進方向與車體形成
度的攻角。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述攻角為9度。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述助力擋板為平凸型，其展弦比小于設(shè)定 閾值。
4. 如權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其特征在于，所述助力擋板材質(zhì)為鋁合金。
5. —種交通運輸車輛，其特征在于，包括一組設(shè)置在所述交通運輸車輛的頂部的助 力擋板，每一個助力擋板在車輛行進時沿車輛行進方向與車體形成
度的攻角。
6. 如權(quán)利要求5所述的交通運輸車輛，其特征在于，每一個助力擋板一端固定連接所 述交通運輸車輛的頂部，所述攻角為9度。
7. 如權(quán)利要求5所述的交通運輸車輛，其特征在于，進一步包括控制裝置，其中每一 個助力擋板一端活動連接所述交通運輸車輛的頂部，另一端連接所述所述控制裝置，所述 控制裝置用于在所述交通運輸車輛行駛速度在設(shè)定閾值以上時，將所述攻角調(diào)整為9度。
8. 如權(quán)利要求7所述的交通運輸車輛，其特征在于，所述控制裝置進一步用于根據(jù)所 述交通運輸車輛的剎車信號，將每一個助力擋板的攻角的角度調(diào)整為沿車輛行進相反方向 與車輛頂部呈[9，90]度。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的交通運輸車輛，其特征在于，所述控制裝置包括 導(dǎo)軌，設(shè)置在所述交通運輸車輛頂部的；調(diào)整電機，設(shè)置在導(dǎo)軌內(nèi)，并通過曲柄連桿與助力擋板一端連接，用于通過所述曲柄連 桿帶動助力擋板以調(diào)整所述攻角。
10. 如權(quán)利要求5-8任一項所述的交通運輸車輛，其特征在于，所述助力擋板為平凸 型，其展弦比小于設(shè)定閾值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陸路交通領(lǐng)域，公開了一種用于交通運輸車輛的助力裝置，包括一組助力擋板，每一個助力擋板用于設(shè)置在所述交通運輸車輛的頂部，并沿車輛行進方向與車體形成
度的攻角。該裝置利用空氣動力學(xué)原理，使交通運輸車輛獲得了額外的升力，減少了車輛與鐵軌、地面之間的摩擦阻力，從而大幅度降低了車輛在電力、油料方面的能源消耗，也減少了對環(huán)境的污染，同時也降低了整體方案的實現(xiàn)成本。本發(fā)明同時公開了一種在頂部按預(yù)設(shè)間距設(shè)置有若干上述裝置的交通運輸車輛。
文檔編號B62D37/02GK101708743SQ20091024184
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者劉如 申請人:劉如