一种适配轻型两栖车的水翼装置
技术领域
本发明涉及到一般水翼装置，具体地说是一种可持续增加水陆两栖车的水升动力、具有显著的减阻增速效能的水翼装置。
背景技术
水陆两栖车的水面运行速度，是衡量其综合性能的重要指标；影响水陆两栖车水面时速的首位因素、是车体浸入水中的体积与形态所引起的所谓“形状阻力”；研究与实验证明，科学运用“水漂原理”、“势流理论”和“粘性流体力学”的基本原理，为水陆两栖车设装一套能持续产生水升动力的“水翼装置”，这是在不增加发动机功率的前提下，显著提高水陆两栖车水面时速的最经济最有效的科学方法。
水翼现已广泛应用于舰船行业中的舵、桨、减摇鳍、潜艇和水雷的鳍翼、导弹稳定环、喷水推进器旋叶等，它对舰船工业、特别是高速水翼船、船舶新型推进翼和控制翼的发展，正发挥着非常重要的作用；目前对水翼的研究日趋深入，方法也日趋先进，运用势流理论就可准确地预报水翼的水升动力性能；在其基础上，应用FLUENT软件就可模拟观察水翼在有攻角时的周围流场；运用粘性流体力学的计算公式还可对水翼的水动力性能进行详细的计算分析。
专利号 ZL201010158215.8，名称为“两栖车辆折叠式水翼装置”的发明专利，其公开的技术方案为：该装置为一种自由度为1的6杆机构，它加装在履带式两栖车辆车体两侧，当两栖车辆在水中航行时，水翼装置在液压缸的驱动下展开，连接在折叠机构上的平板用作水翼，以增大两栖车辆在水中行驶时的迎水面积，使两栖车辆尽快地从水中升起，从而间接起到减少水阻力、提高航速的目的；当两栖车辆在陆上行驶时，液压缸退回，折叠机构收起，平板呈和车体侧边平行的竖直状态；其折叠机构包括第一液压缸1，第一加固横梁2，第一液压缸圆柱销3，水翼平板4，第一竖杆5，第一连接螺栓6，第一滑块下圆柱销7，第一滑块8，第二加固横梁9，第二连接螺栓10，第二竖杆11，第三连接螺栓12，第二滑块下圆柱销13，第三加固横梁14，二滑块15，第三竖杆16，第二液压缸圆柱销17，第四加固横梁18，第二液压缸19，第四立柱20，第三长滑块圆柱销21，第三长滑块22，第三固定滑块槽23，连接横杆24，第二连杆25，第二滑块上圆柱销26，第二长滑块圆柱销27，第二长滑块28，第二固定滑块槽29，第一连杆30，第一长滑块圆柱销31，第一长滑块32，第一固定滑块槽33，第一滑块上圆柱销34，第一立柱35，履带36，车体37，第二立柱38和第三立柱39等部件。
专利号 ZL201010248926.4，名称为“规避履带式两栖车辆行动系统的折叠式水翼装置” 的发明专利，其公开的技术方案为：当两栖车辆在水中航行时，水翼装置在液压缸的驱动下展开，连接在折叠机构上的平板用作水翼，以便增大两栖车辆在水中行驶时的迎水面积，提高两栖车辆受到的升力，使两栖车辆尽快地从水中升起，从而间接起到减少两栖车辆所受到的阻力、提高航速的目的；当两栖车辆在陆上行驶时，液压缸退回，并在弹簧的辅助作用下使折叠机构收起，平板呈和车体侧边平行的竖直状态；其折叠机构包括平板4、第一立柱32、第二立柱31、第三立柱29、第四立柱16、第一加固横梁2、第二加固横梁9、第三加固横梁14、第四加固横梁19、第一液压缸 1、第二液压缸20、第一滑块8、第二滑块30、第一竖杆5、第二竖杆11、第三竖杆15、第一长滑块58、第二长滑块47、第三长滑块24、第一钢丝绳35、第二钢丝绳44、第三钢丝绳21、第一滑轮36、第二滑轮53、第三滑轮40、第一弹簧56、第二弹簧49和第三弹簧41等部件。
以上两个发明专利所示的“将平板用作水翼”和“水翼板及其折叠机构”，结构复杂原始，部件繁多笨重，且其平板或水翼板只能纵向装配，从“水漂原理”和计算水翼水升动力的理论公式可知，该种“将平板用作水翼及其折叠机构”所能产生的“水升动力”十分有限，没有推广实用价值，也完全不适合装配轻型水陆两栖车。
申请号202011383462.8,名称为“一种可调节式T型水翼隐身复合船及其控制方法” 的发明专利，其公开的技术方案为：它包括船身、工作箱、升降装置和水翼件；所述水翼件连接设置在传动轴组件另一端，并设置在工作箱外，还包括上下旋转装置完成机翼上下旋转，通过气缸调节机翼入水深度；其发明的目的是通过将可调节式T型翼安装于隐身单体船艏部的龙骨下方，转动水翼和升降水翼功能使得水翼能够在舰船不同航行状况处于不同的位置，从而解决传统内倾型隐身船稳定性能差的缺点，改善内倾舰船的稳定性。
申请号202011415925.4，名称为“一种电动水翼” 的发明专利，其公开的技术方案为：该电动水翼包括冲浪板、推进器组件、桅杆以及电子调速装置，其中冲浪板与水翼分别设置在桅杆的两端；其发明目的在于提供一种电动水翼，用以解决现有技术中，电子调速装置设置在电动水翼底部尺寸受限、安装不便以及防水密封性能要求较高的技术问题。
申请号202011333034.4，名称为“一种水翼”的发明专利，其公开的技术方案为：其所述水翼的底面设有凹槽结构，所述凹槽结构用于减小水流流经所述底面时的流速；通过在水翼的底面设计凹槽结构，以使水流经过水翼底面时流速减缓，从而提升水翼底面的压强，增大水翼底面与水翼上表面之间的压强差，提升水翼的升力；其发明目的目是在控制成本的条件下提高水翼的效能。
申请号201910653648.1，名称为“可折叠式水翼艇”的发明专利，其公开的技术方案为：它包括艇体、至少一个与艇体连接的水翼推进机构；水翼推进机构包括支撑架、折叠臂组件、驱动组件和水翼推进组件；支撑架设置在艇体上；艇体的两侧分别布置水翼推进组件，水翼推进组件通过折叠臂组件与支撑架活动连接；驱动组件分别与支撑架和折叠臂组件活动连接，用于调节折叠臂组件相对水平面的展开角度；通过驱动组件调节折叠臂组件相对水平面的展开角度，进而调整水翼推进组件相对水平面的角度，保障行驶的平稳性及安全性；其发明目的是，能够实现在行进过程中调节水翼推进组件相对水平面的角度，保障行驶的平稳性及安全性。
申请号201510312468.9，名称为“一种T型水翼和转子翼复合减摇装置”的发明专利，其公开的技术方案为：该种T型水翼和转子翼复合减摇装置由支柱、水平主翼、襟翼和转子翼组成，支柱1上端固定于船底，下端与水平主翼 2垂直连接，转子翼3为圆柱体结构，位于水平主翼内部的副翼舱内，由液压油缸和电机驱动；其发明目的是为了改善高速船在低航速下的耐波性和适航性、以及减少乘客的不适。
申请号202011555883.4，“一种基于水翼技术的水陆两用无人运输机” 的发明专利，其公开的技术方案为：它包括机身、机翼、尾翼，机身下半部分是水密性浮力箱，机翼是外侧具有下翻功能的水翼型机翼，尾翼采用T型尾翼结构；还包括机翼布局结构、内侧 机翼结构、外侧可下反式水翼结构、机身结构、尾翼结构与起降系统；其发明目的是通过采用外翼可下反式下单翼布局，利用水翼型的下反外翼产生的水动升力平衡飞机，以及减小机身浸水体积，使起飞时飞机的水动阻力显著减小，所需最大推力下降。
以上诸项发明专利公开的技术方案，均未涉及到“水翼的内部结构”，均未提及“应对水翼预先设定合适的攻角”；也均未涉及到“水翼既可通过向上翻转90度实现折叠，同时还可通过纵向旋转实现对攻角进行适时调整”的先进技术方案。
发明内容
依据“势流理论”和“粘性流体力学”，水翼所产生的水升动力（CL）可借助通用公式：“CL=L / (1/2) ρV2S”计算；式中ρ为来流密度，V为来流速度，S为水翼平面面积，CL为升力系数。升力特性也可说是升力系数的特性，影响升力系数（CL）的因素很多，主要有来流攻角α，来流雷诺数Re，水翼弦长弗劳德数Fr和水翼沉深弗劳德数(不计水面兴波时可不考虑)以及翼的展弦长λ、后掠角αL、翼剖面类型、拱度与厚度比等等。其中攻角α对升力系数影响最大，典型的升力特性常用升力系数对攻角α的关系曲线(称升力曲线)表示。
依据“势流理论”和“粘性流体力学”，水翼所产生的阻力（D）也可借助通用公式 ：“CD=D / (1/2) ρV2S”计算；式中CD为阻力系数。不包括兴波阻力时，典型的阻力特性亦用阻力系数CD与攻角α关系曲线表示。其中CD包括粘性阻力系数Cdo和诱导阻力系数Cdi。
通过对本发明中所述水翼总成1的深入研究与模拟试验得知。
（1）水翼的失速角为15度，在15度攻角α之前，水翼的升力系数随攻角α的增加而递增，且近于呈线性变化关系；15度攻角α之后，升力系数随攻角α的增加而递减，且变化速率小于15度之前的变化速率。
（2）在一定范围内，阻力系数随攻角α的增加而递增，且变化率也不断增加，同时阻力也随之增加。所以要想得到较好的升阻性能，在选择攻角α、满足升力的同时也应注意阻力不要太大。
（3）从水翼的压力分布图可以发现：水翼的前缘压力要大于后缘，这是水翼阻力产生的主要原因；随着攻角α的增加，水翼的前缘以下附近出现一个正压区、而水翼的上表面出现一个负压区，导致水翼上下表面有一压力差．从而使水翼产生了水升动力。
本发明的目的就是要提供一种具有结构紧凑、性能可靠、装卸便捷、效果显著；“可大幅缩短两栖车的水面起滑时间，持续产生水升动力和减少水阻力，显著改善两栖车在风浪中运行时的舒适性能”等三大作用与功能；可通过翻转90度折叠置于车体后部两侧；可适时灵活地实现水翼攻角的调整；能与多种型号轻型两栖车配套的“水翼装置”。
本发明所要实际解决的技术问题是：如何实现水翼总成的特定功能、折叠收放和攻角调整。
本发明是采取如下的技术方案实现其发明目的。
一种适配轻型两栖车的水翼装置，它包括水翼总成1、铰链总成2、水翼基座3、连接座4、关节轴承5、销轴6、1#液压缸7、转轴8、转轴座9和2#液压缸10。
其中，通过系统研究和科学设计、并经SIMPLE9优化后的水翼总成1具有如下技术特征。
水翼总成1的主体结构：水翼总成1由T型骨架1a、桁条1b和蒙皮1c有序构成，其中，（若干）桁条1b有序装配焊接在T型骨架1a的预设位置上；蒙皮1c有序包覆在（若干）桁条1b的表面上。
水翼总成1的几何特征：水翼总成1的横截面总体呈机翼状，其中前部边缘呈水滴型、后部边缘呈瓦片型，能持续产生较高的水升动力效应。
水翼总成1的布局设计：（单边）水翼面积为0.45m2，展弦比1.07，翼展为0.7m，前缘后掠角为160，后缘为直线，扭转角为-3 .5°，处于折叠时的上翻角为900，水翼总成1攻角（α）的调节范围为3-150。
水翼总成1的性能指标：水翼载荷为2670kg/ m2，翼航重量2400kg（结构重量1900kg，燃油重量200kg，载重 300kg）
水翼总成1经（两个）铰链总成2、通过紧固螺栓与水翼基座3有序连接固装。
在水翼基座3的后部有序开设有（若干）安装孔3a。
（三个）连接座4分别有序设装在水翼总成1上表面的中部、以及车架总成的后下横梁B和后中横梁C的预设位置上。
关节轴承5由GE型轴承5a和带外螺纹的杆端5b组装而成，倾角范围3-15度；其中GE型轴承5a经销轴6有序套装在位于水翼总成1上表面中部的连接座4中，杆端5b经销轴6与1#液压缸7下端的螺纹孔有序连接装配。
1#液压缸7的上端设有耳环、经销轴6与位于车架总成的后下横梁B上的连接座4有序连接装配。
转轴8的一端有序故装在水翼基座3的中部，另一端有序套装在转轴座9中。
转轴座9有序焊装在车架总成的后下侧梁A的预设位置上。
2#液压缸10的两端均设有耳环，2#液压缸10下端的耳环、经销轴6与水翼基座3后部的安装孔3a有序连接装配，其上端的耳环经销轴6与位于车架总成的后中横梁C上的连接座4有序连接装配。
对于某些无需调整攻角（α）的两栖特种车，所述水翼总成1也可通过两个所述铰链总成2、经紧固螺栓直接装配在位于车架总成后下侧梁A的预设位置上。
本发明由两套如上所述的“水翼装置”组成，并以对称方式有序装配在车体后下部两侧的预设位置上。
本发明的工作原理是：经人为操控相应的油缸控制器，可使1#液压缸7伸出或缩回、带动水翼总成1以铰链总成2的连接点为中心向上或向下翻转90度、从而实现水翼总成1的折叠或展开，故两栖车装配本发明后，完全不影响车辆的陆地行驶性能。
同理，经人为操控相应的油缸控制器，可使2#液压缸10伸出或缩回、带动水翼总成1以转轴8为中心，向上或向下旋转3—15度，从而适时获得所需的最佳水翼总成（1）攻角（α）。
装配了上述“水翼装置”的两栖车在水面运行时，因为预先为水翼总成1设定了一个合适的攻角（α），所以一旦水翼总成1打开，就可大幅缩短两栖车的水面起滑时间；当两栖车进入高速运行阶段后，又因水翼总成1的横截面设计为机翼状，使流经水翼上下表面水流形成压差、从而能持续产生水升动力将船体底部大部分托出水面，故能显著减少水阻力、提高两栖车的水面运行时速；此外，又因水翼总成1浸入水面较深、从而又能改善两栖车在水面运行的稳定性，再加上此时两栖车的船底绝大部分已离开水面，故海浪水花对车辆的冲击拍打很小，因此又显著地改善和提高了驾乘的舒适性。
本发明所要实际解决的技术问题如下。
（1）将T型骨架1a、桁条1b和蒙皮1c，通过有序装配焊接包覆加工成水翼总成1；并将水翼总成1的横截面设计为机翼状，使流经水翼上下表面水流形成压差、从而能持续产生水升动力，显著减少两栖车水面运行时的水阻力。
（2）由铰链总成2、水翼基座3、连接座4、关节轴承5、销轴6和1#液压缸7组成水翼总成1的“折叠机构”；通过人为操控与1#液压缸7相关的控制器、使1#液压缸7有序伸出或缩回，实现对水翼总成1的展开或折叠。
（3）由水翼基座3、连接座4、销轴6、转轴8、转轴座9和2#液压缸10组成水翼总成1的“攻角调整机构”；通过人为操控与2#液压缸10相关的控制器，使2#液压缸10有序伸出或缩回，实现对水翼总成1攻角（α）的适时调整，使其尽快产生水升动力，缩短两栖车的水面起滑时间。
（4）尽可能地增加水翼总成1在水下的深度，持续提高水翼总成1的水升动力；显著减少波浪对车辆造成的震动、改善和提供驾乘人员的舒适性能。
由于采用了上述技术方案，本发明较完美的实现了其发明目的。
水陆两栖车装配本发明后，能大幅缩短水面起滑时间；可持续产生水升动力；并能显著改善在风浪中运行的舒适性；与类似产品比较更具有以下突出优点即有益效果。
1、设计科学、结构先进、性能可靠、减阻增速效果十分显著。
2、部件的标准化程度高，制造技术先进，易于装卸维保。
3、可便捷地与多种轻型水陆两栖车配套，适用范围广泛。
附图说明
下面结合给出的附图来对本发明作进一步描述。
图1为本发明的主体结构示意图。
图2为本发明折叠状态的示意图。
图3为本发明打开状态的示意图。
图4为本发明直接装配在后下侧梁A上的示意图。
具体实施方式
由图１、图2和图3可知，本发明由水翼总成1、铰链总成2、水翼基座3、连接座4、关节轴承5、销轴6、1#液压缸7、转轴8、转轴座9和2#液压缸10组成，具有“设计科学、结构先进、性能可靠”等显著技术特征。
由图１、图2和图3还知，为使水翼总成1能持续产生水升动力，特将其横截面设计成了机翼状；此时水流经过水翼底面时流速较小，对水翼底面的压强增大，从而在水翼上下表面之间就形成一个压力差，由此可使水翼能持续产生水升动力；依靠水翼总成1所产生的水动升力，可使两栖车在较低的速度下就能实现将原浸在水中的车体托出水面，从而可迅速减少车辆在水中的浸湿面积和减少水阻力。
由图１、图2和图3还知，为了显著改善在水面运行时的驾乘舒适性，特将转轴座9有序焊装在车架总成的后下侧梁A的预设位置上，通过转轴8、水翼基座3和铰链总成2、从而使水翼总成1尽可能深的浸入水中。
实践证明：水翼总成1的升力系数（CL）与水翼总成1浸入水下的深度密切相关。当水翼总成1的上表面不在水下时则处于滑行状态，滑行状态下水翼总成1的升力系数（CL）只有全浸状态时的50%，这也就极大的降低了水翼总成1所起到的作用；此外，由于水翼总成1浸入水下深度很小，在海上波浪比较大的时会使得车辆的振动比较大，驾乘人员的舒适性将大幅下降。
由图１、图2和图3还知，为了适应和满足水翼总成1攻角（α）的调整,特在水翼总成1表面的连接座4中设装了关节轴承5，并在水翼基座3的后端设装了2#液压缸10。
通过深入研究与模拟试验得知。
（1）在15度攻角之前，水翼的升力系数随攻角（α）的增加而递增，且近于呈线性变化关系；15度攻角之后．升力系数随攻角的增加而递减，且变化速率小于15度之前的变化速率，通常称这个15度为失逑角，失速角时的升力系数为最大升力系数（即升力最大可能获得值）；大约在-1.5度时，升力系数为零，通常这个攻角为零攻角，表示升力起始角。
（2）阻力系数随攻角（α）的增加而递增，且变化速率也不断增加。因此，在一定范围内，随攻角的增加，升力不断递增，但同时阻力也随之增加，所以要想得到较好的升阻性能，在选择攻角时，在满足升力的同时也应注意阻力不要太大。随着攻角的增加，升阻比L／D逐渐增大，此时曲线斜率较大，此后达到峰值，当攻角（α）继续增大时，升阻比变小。这说明水翼有—个最佳攻角（α），此时水翼的升力最大，阻力最小。
（3）当攻角（α）在0度时，流线平滑的沿着水翼表面流动，此后随着攻角（α）的增大，流线逐渐离开翼表面，同时在水翼尾缘处的流线逐渐聚集成为三部分：即上翼端、下翼端和翼中部，如攻角（α）进步增大，水翼表面的流线分离现象更为严重，同时水翼尾缘中部流线逐渐向两端聚集，中部流线消失，仅剩水翼两端的流线。
通过人为操控与2#液压缸10相关的控制器，使2#液压缸10有序伸出或缩回，实现对水翼总成1攻角（α）的适时调整；调整水翼总成1攻角（α）的目的，就是使其尽快产生水升动力，缩短两栖车的水面起滑时间。
由图１、图2和图3还知，为了更好满足两栖车陆地驾驶所需的通过性能，特将水翼总成1呈折叠状时的上翻角设计成了900。
由图4可知，所述水翼总成1也可通过两个所述铰链总成2、经紧固螺栓直接装配在位于车架总成后下侧梁A的预设位置上。
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