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Die
Erfindung betrifft ein Landfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung Landfahrzeuge,
bei denen auftretender Seitenwind starke Kräfte hervorruft, die mit der
Gefahr verbunden sind, dass die Landfahrzeuge außer Kontrolle geraten. Dies
gilt insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten der Landfahrzeuge.
Zu den Gefahren des Außerkontrollegeratens
gehören
der Spurverlust und das Umkippen bei Straßenfahrzeugen und das Entgleisen bei
Schienenfahrzeugen.
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STAND DER TECHNIK
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Viele
Hochgeschwindigkeitszüge
und Doppelstückzüge dürfen wegen
ihrer Seitenwindempfindlichkeit bei starkem Seitenwind nur noch
sehr langsam fahren. So gilt für
den TGV bei starkem Wind eine Höchstgeschwindigkeit
von 60 km/h statt der normalen Reisegeschwindigkeit von 300 km/h.
Müssen
Züge wegen
Seitenwind langsamer fahren, führt dies
zu Verspätungen.
Um das aerodynamische Rollmoment des Seitenwinds zu kompensieren,
dürfen Züge nicht
zu leicht sein. Dies steht jedoch im Widerspruch zu dem Bestreben,
durch Gewichtsreduktion Beschleunigungsenergie bei Zügen einzusparen. Hochgeschwindigkeitsdoppelstockzüge haben
wegen ihrer Seitenwindempfindlichkeit extreme Zulassungsschwierigkeiten.
Hauptproblem ist die Entgleisungsgefahr durch Sturmböen.
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Ähnliche
Probleme treten auch bei Lastkraftwagen auf, insbesondere wenn diese
Güter geringer Dichte
transportieren.
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Aus
dem Kraftfahrzeugbau ist es bekannt, aerodynamische Profile zur
Reduktion des Strömungswiderstands
aber auch zum gezielten Erzeugen eines Abtriebs zwecks Traktionsverbesserung einzusetzen.
Bei einem bekannten Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des unabhängigen Patentanspruchs
1 sind die Spoiler in unterschiedlichen Anstellwinkeln zur Fahrtrichtung
des Landfahrzeugs anstellbar, um den Abtrieb erst bei höheren Geschwindigkeiten
des Kraftfahrzeugs oder bei stärkeren
Beschleunigungen des Kraftfahrzeugs gezielt hervorzurufen.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Landfahrzeug mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem die Seitenwindempfindlichkeit
deutlich reduziert ist.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Landfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Landfahrzeugs sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
13 definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Landfahrzeug sind die aerodynamischen Profile in mindestens
zwei über
die Länge
des Landfahrzeugs verteilten und in unterschiedlichen Richtungen
zu der Längsmittelebene des
Landfahrzeugs versetzten Gruppen vorgesehen. Zumindest bezüglich dieser
Gruppen sind die aerodynamischen Profile auf unterschiedliche Anstellwinkel
anstellbar, um bei der Fahrt des Landfahrzeugs ein Rollmoment zur
Kompensation von Seitenwindkräften
hervorzurufen. Bei der Fahrt des Landfahrzeugs werden die aerodynamischen
Profile von dem Fahrtwind angeströmt. Indem sie auf beiden Seiten der
Längsmittelebene
unterschiedliche Anstellwinkel aufweisen, rufen sie auf den beiden
Seiten der Längsmittelebene
unterschiedliche Auf- oder Abtriebe hervor, die in das Rollmoment
resultieren. Das stärkste
Rollmoment wird dann erzeugt, wenn die aerodynamischen Profile auf
der einen Seite der Längsmittelebene
einen Auftrieb und auf der anderen Seite der Längsmittelebene einen Abtrieb
erzeugen. Mit Hilfe dieses Rollmoments können Seitenwindkräfte bzw.
ein aus diesen resultierende gegenläufige Rollmoment auf das jeweilige
Landfahrzeug im Sinne einer Reduktion des Gesamtrollmoments bis
hinab zu null kompensiert werden. Damit werden die mit Seitenwindkräften, insbesondere
bei Sturmböen,
auftretenden Gefahren im Wesentlichen beseitigt. Dabei wird erfindungsgemäß mit Hilfe
der aerodynamischen Profile nicht nur eine punktuelle Kraft auf
das Landfahrzeug ausgeübt.
Indem die aerodynamischen Profile über die Länge des Landfahrzeugs verteilt
sind, wird vielmehr ein das gesamte Landfahrzeug erfassendes Rollmoment
erzeugt.
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Die
aerodynamischen Profile bei dem neuen Landfahrzeug können aerodynamische
Profile im engeren Sinne sein, die spiegelsymmetrisch zu ihrer Längsmittelebene
ausgebildet sind und in ihrem jeweils in Fahrtrichtung vorne liegenden
Bereich gegenüber
ihrem jeweils in Fahrtrichtung hinten liegenden Bereich verdickt
sind. Konkret kann es sich um sogenannte NACA-Profile handeln. Grundsätzlich sind
auch andere Profile aerodynamisch wirksam. Es ist jedoch von Interesse,
den Luftwiderstand des Landfahrzeugs nicht unnötig zu erhöhen.
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Damit
die einzelnen längs
des Landfahrzeugs hintereinander liegenden aerodynamischen Profile
sämtlich
wirksam sind und nicht durch die vor ihnen liegenden aerodynamischen
Profile in ihrer Wirksamkeit stark beeinträchtigt werden, ist es bevorzugt,
wenn die Profile als Lamellen mit Abstand über der glatten Oberseite des
Landfahrzeugs angeordnet sind. Diese Lamellenanordnung ermöglicht eine
Erholung der Grenzschicht an der Oberseite des Landfahrzeugs über relativ
kurze Entfernungen zwischen den Lamellen.
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Konkret
kann jede Lamelle eine Profiltiefe von 2 bis 20 cm, eine Profildicke
von 2 bis 20 mm, einen mittleren Abstand von der Oberseite des Fahrzeugs
von 5 bis 50 cm und eine Profillänge
von 10 bis 100 cm aufweisen.
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Die
einzelnen Profile sind zum Anstellen gegen die Fahrtrichtung vorzugsweise
jeweils um ihre Längsachse
verdrehbar. In jedem Fall ist eine Achse, um die die Profile jeweils
verdrehbar sind, vorzugsweise horizontal und quer zur Fahrtrichtung
des Landfahrzeugs orientiert.
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Die
sinnvollen Variationsmöglichkeiten
der Anstellwinkel der Profile hängen
davon ab, ob das jeweilige Landfahrzeug nur zur schnellen Fahrt
in einer Richtung vorgesehen ist, wie dies bei LKW der Fall ist,
oder in zwei einander entgegen gesetzten Richtungen, wie dies bei
vielen Schienenfahrzeugen der Fall ist. Im ersten Fall reicht eine
Veränderbarkeit
des Anstellwinkels der Profile über
einen Bereich von etwa 60° aus.
Dieser Bereich kann auf etwa 120° ausgedehnt
werden, wenn die aerodynamischen Profile auch als Luftbremse eingesetzt
werden sollen. Bei einem Landfahrzeug, das in entgegen gesetzten
Richtungen schnell fahrbar ist, sollten die Anstellwinkel der Profile
jeweils über
einen Bereich von mehr als 180°,
vorzugsweise von mindestens 240° veränderbar
sein, um die Profile in der jeweiligen Fahrtrichtung ausrichten
zu können.
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Besonders
wirksam sind die aerodynamischen Profile, wenn sie jeweils einen
freien Abstand zu der Längsmittelebene
des Landfahrzeugs haben, da das mit ihnen erzeugbare Rollmoment
neben dem jeweiligen Abtrieb bzw. Auftrieb von dessen Abstand zu
der Längsmittelebene
abhängig
ist.
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Besonders
bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Maßnahmen
bei einem Schienenfahrzeug vorgesehen, d. h. bei einem Landfahrzeug,
dessen Räder
Schienenräder
sind.
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Es
versteht sich, dass ein Fahrer des jeweiligen Landfahrzeugs bei
auftretenden Seitenwindböen kaum
in der Lage sein wird, die aerodynamischen Profile zur idealen Kompensation
der resultierenden Seitenwindkräfte
mit der hierfür
notwendigen Geschwindigkeit in den richtigen Anstellwinkeln anzustellen.
Aus dem Bereich der Luftfahrt sind jedoch Steuereinrichtungen bekannt,
die ausreichend schnell ansprechen, um Flugzeuge gegenüber auftretenden
Turbulenzen und/oder Böen
aerodynamisch zu stabilisieren. Eine solche Steuerungseinrichtung
kann auch bei dem neuen Landfahrzeug vorgesehen sein. Als deren
Eingangssignal kann das Signal von mindestens einem Seitenwindsensor
verwendet werden. Konkret können
solche Seitenwindsensoren mindestens einen Drucksensor auf jeder Seite
des Landfahrzeugs umfassen. Bei sehr langen Landfahrzeugen sind
mehrere Seitenwindsensoren erforderlich, da über die Länge des Landfahrzeugs dann
sehr unterschiedliche Seitenwindverhältnisse vorliegen können. Dies
bedeutet natürlich
auch, dass die aerodynamischen Profile an der Oberseite des Landfahrzeugs
dann nicht über
die gesamte Länge des
Landfahrzeugs einheitlich in bestimmten Anstellwinkeln angestellt
werden sollten, sondern in Anstellwinkeln, die auf die Seitenwindverhältnisse
in dem jeweiligen Längenabschnitt
des Landfahrzeugs angepasst sind.
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Wie
bereits angedeutet wurde, können
die aerodynamischen Profile bei einem erfindungsgemäßen Landfahrzeug
zusätzlich
auch zur Ausbildung einer Luftbremse eingesetzt werden, in dem diese
normal zur Fahrtrichtung des Landfahrzeugs ausgerichtet werden,
Darüber
hinaus können
die auf beiden Seiten der Längsmittelebene
des Landfahrzeugs angeordneten aerodynamischen Profile auch in gleichen
Anstellwinkeln angestellt werden, um einen Abtrieb zwecks Traktionsverbesserung
des Landfahrzeugs zu erzeugen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Zugkopfs als Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Landfahrzeugs.
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2 zeigt
den Zugkopf gemäß 1 in
einer Ansicht von oben.
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3 zeigt
eine vergrößerte Seitenansicht des
Zugkopfs gemäß den 1 und 2.
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4 zeigt
eine vergrößerte Vorderansicht des
Zugkopfs gemäß den 1 bis 3;
und
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5 eine
weitere Seitenansicht des Zugkopfs, wobei verschiedene Anstellwinkel
von aerodynamischen Profilen über
der Oberseite des Zugkopfs dargestellt sind.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In
den 1 und 2 ist ein Landfahrzeug 1 dargestellt,
bei dem es sich um ein Schienenfahrzeug 2, konkret einen
Zugkopf 3 handelt. Der Zugkopf 3 weist Räder 4 in
Form von angetriebenen Schienenrädern 5 an
zwei Drehgestellen 6 auf. Die Schienenräder 5 rollen auf Schienen 7.
An der glatten Oberseite 8 des Zugkopfs 3 sind
aerodynamische Profile 9 in größerer Zahl über die Länge des Landfahrzeugs 1 verteilt
angeordnet. Die aerodynamischen Profile 9 sind auf zwei,
auf beiden Seiten einer Längsmittelebene 10 des
Landfahrzeugs 1 angeordnete Gruppen 11 und 12 aufgeteilt.
Dabei sind die Gruppen 11 und 12 spiegelsymmetrisch
zu der Längsmittelebene 10 ausgebildet;
und jedes aerodynamische Profil 9 weist einen seitlichen
Abstand zu der Längsmittelebene 10 auf.
Die aerodynamischen Profile 9 sind zumindest bezüglich der
Gruppen 11 und 12 auf unterschiedliche Anstellwinkel
zu der Fahrtrichtung 13 des Landfahrzeugs 1 anstellbar. Darüber hinaus
können
sie auch über
die Länge
des Landfahrzeugs 1 auf unterschiedliche Anstellwinkel anstellbar
sein. Indem beispielsweise die aerodynamischen Profile 9 der
Gruppe 11 so angestellt werden, dass sie während der
Fahrt des Landfahrzeugs 1 in der Fahrtrichtung 13 Abtrieb
erzeugen, während die
aerodynamischen Profile 9 der Gruppe 12 so angestellt
werden, dass sie während
der Fahrt des Landfahrzeugs 1 in der Fahrtrichtung 13 Auftrieb
erzeugen, resultiert ein Rollmoment um die Fahrtrichtung auf Höhe der aerodynamischen
Profile 9. Dieses Rollmoment wird gezielt hervorgerufen,
um Seitenwindkräfte
auf das Landfahrzeug 1 bzw. die hieraus resultierenden
Rollmomente zu kompensieren. Zur Erfassung der Seitenwindkräfte sind
Seitenwindsensoren 14 in Form von über die Länge des Landfahrzeugs 1 an
dessen Seiten angeordneten Drucksensoren 15 vorgesehen.
Die Seitenwindkräfte
werden insbesondere als Differenz der von den Drucksensoren 15 auf
beiden Seiten des Landfahrzeugs 1 registrierten Drücke erfasst.
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3 und 4 zeigen
die Lagerung 16 der aerodynamischen Profile 9 an
der Oberseite 8 des Landfahrzeugs 1. Die aerodynamischen
Profile 9 sind jeweils um ihre Längsachse 17 verdrehbar
in einem Abstand 18 über
der Oberfläche 8 angeordnet. Dabei
sind die aerodynamischen Profile 9 aber keinesfalls frei
verdrehbar, sondern mit einer hier nicht dargestellten Steuereinrichtung
in definierte Anstellwinkel gegenüber der Fahrrichtung 13 anstellbar.
Insbesondere stellt die Steuereinrichtung unterschiedliche Anstellwinkel
der aerodynamischen Profile 9 der beiden Gruppen 11 und 12 auf
beiden Seiten der Längsmittelebene 10 ein.
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5 skizziert,
wie mit den aerodynamischen Profilen 9 bei der Fahrt des
Landfahrzeugs 1 ganz unterschiedliche Kräfte in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Anstellwinkel erzeugt werden können. Das
aerodynamische Profil 9 gemäß 5a) weist
einen negativen Anstellwinkel gegenüber der Horizontalen auf und
erzeugt so bei der Vorwärtsfahrt des
Zugkopfs 3 in der Fahrtrichtung 13 einen Abtrieb. Das
aerodynamische Element 9 gemäß 5b) ist
in der Fahrtrichtung 13 ausgerichtet und verhält sich
so bei der Fahrt in der Fahrtrichtung 13 neutral. Das aerodynamische
Profil 9 gemäß 5c)
weist einen positiven Anstellwinkel gegenüber der Fahrtrichtung 13 auf
und erzeugt so bei der Vorwärtsfahrt
des Zugkopfs 3 einen Auftrieb. Ein Rollmoment wird dann
erzeugt, wenn die aerodynamischen Profile der beiden Gruppen 11 und 12 gemäß den 2 und 4 beispielsweise
gemäß 5a)
einerseits und gemäß 5c)
andererseits, d. h. einerseits für
einen Abtrieb und andererseits für
einen Auftrieb angestellt werden. 5d) zeigt
die Verwendung eines normal zu der Fahrtrichtung ausgerichteten
aerodynamischen Profils 9 als Luftbremse. 5e)
skizziert die Ausrichtung des aerodynamischen Profils 9,
um bei der Rückwärtsfahrt
des Zugkopfs 3 einen Auftrieb zu erzeugen. 5f)
entspricht der neutralen Stellung des aerodynamischen Profils 9 für die Rückwärtsfahrt
und 5g) der Erzeugung von Abtrieb bei der Rückwärtsfahrt
des Zugkopfs 3. Grundsätzlich
könnten
für die
Rückwärtsfahrt
des Zugkopfs 3 entgegen der Fahrtrichtung 13 auch
die Ausrichtungen der aerodynamischen Profile 9 gemäß 5a)
bis c) genutzt werden. Hierdurch würde aber der Luftwiderstand
des Landfahrzeugs 1 unnötig
erhöht
werden. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, wenn die aerodynamischen
Profile 9 an der Oberseite 8 des Landfahrzeugs 1 jeweils
um einen Winkel von mindestens 240° um ihre Längsachsen 17 verschwenkbar
sind. Insbesondere gilt dies dann, wenn die aerodynamischen Profile 9,
wie dargestellt, solche mit einem verdickten vorne liegenden und
einem sich verjüngenden
hinten liegenden Bereich sind.
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- 1
- Landfahrzeug
- 2
- Schienenfahrzeug
- 3
- Zugkopf
- 4
- Rad
- 5
- Schienenrad
- 6
- Drehgestell
- 7
- Schiene
- 8
- Oberseite
- 9
- aerodynamisches
Profil
- 10
- Längsmittelebene
- 11
- Gruppe
- 12
- Gruppe
- 13
- Fahrtrichtung
- 14
- Seitenwindsensor
- 15
- Drucksensor
- 16
- Lagerung
- 17
- Längsachse
- 18
- Abstand