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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen aktiven Luftdiffusor für ein Kraftfahrzeug.
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HINTERGRUND
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Bei einem Diffusor handelt es sich in einem kraftfahrzeugspezifischen Zusammenhang um einen geformten Abschnitt des Fahrzeugunterbodens, welcher die aerodynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs verbessert, indem er den Übergang zwischen der Luftströmung mit hoher Geschwindigkeit unterhalb des Automobils und der beträchtlich langsameren, frei strömenden Luftströmung der umgebenden Atmosphäre optimiert. Im Allgemeinen hat der Diffusor eine Auswirkung auf den Druck unter der Fahrzeugkarosserie, während sich das Fahrzeug durch die Luft bewegt, und zwar insofern, als er die effektive Abtriebskraft auf das Fahrzeug erhöht.
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Der Diffusor befindet sich in der Regel im hinteren Teil eines Fahrzeugunterbodens und hat die Funktion, die Geschwindigkeit der Luftströmung unterhalb des Fahrzeugs zu beschleunigen. Der Diffusor hat die Funktion, einen Raum bereitzustellen, in welchem sich die Unterboden-Luftströmung verlangsamt und in einen von dem Fahrzeug bedeckten Bereich hinein ausdehnt, während die Luftdichte konstant bleibt. Im Spezifischen nutzt der Diffusor den Bernoulli-Effekt, dem zufolge der Druck eines Fluids mit zunehmender Geschwindigkeit des Fluids abnimmt. Daher bewirkt der Diffusor, dass der Druck unterhalb des Fahrzeugs geringer als seitlich und oberhalb des Fahrzeugs ist, wodurch ein gewisses Maß an Abtriebskraft erzeugt wird.
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Beim Einsatz eines Diffusors kommt es zu einem Einströmen von Luft aus dem Bereich vor dem Fahrzeug und aus den Seitenbereichen des Fahrzeugs in den Unterbodenraum, in dessen Folge die Luft eine Beschleunigung erfährt und sich der Druck unterhalb des Fahrzeugs verringert. Eine Sogspitze bildet sich an dem Übergang von dem Unterboden zu dem Diffusor. Der Diffusor erleichtert anschließend eine Rückführung der mit hoher Geschwindigkeit strömenden Unterbodenluft auf die Geschwindigkeit der frei strömenden Luftströmung, die sich an dem Fahrzeug vorbeibewegt, und trägt außerdem dazu bei, den Sogbereich unmittelbar hinter dem Fahrzeug zu füllen. Folglich führt der Diffusor zu einer Verringerung des Luftwiderstands und zu einer Erhöhung der auf das Fahrzeug wirkenden Abtriebskraft, indem er den gesamten Fahrzeugunterboden zu einer effizienteren abtriebskrafterzeugenden Vorrichtung macht. Überdies verleiht der Diffusor der Luft hinter dem Fahrzeug eine Aufwärtsdynamik, wodurch der Abtrieb auf das Fahrzeug weiter erhöht wird.
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KURZFASSUNG
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Ein Fahrzeug umfasst eine Fahrzeugkarosserie, welche ein erstes Karosserieende aufweist, das dafür ausgelegt ist, einer ankommenden Umgebungsluftströmung ausgesetzt zu sein, wenn das Fahrzeug relativ zu einer Straßenoberfläche in Bewegung ist, und welche außerdem ein zweites Karosserieende aufweist, das dem ersten Karosserieende entgegengesetzt ist. Das Fahrzeug umfasst außerdem einen Unterbodenabschnitt, welcher dafür ausgelegt ist, eine Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten Karosserieende zu überbrücken und einen Zwischenraum zwischen der Fahrzeugkarosserie und der Straßenoberfläche zu definieren. Das Fahrzeug umfasst zusätzlich eine aktive Diffusoranordnung, die an dem zweiten Karosserieende angeordnet ist und so ausgelegt ist, dass sie die Luftströmung an dem Unterbodenabschnitt vorbei durch den Zwischenraum zwischen der Fahrzeugkarosserie und der Straßenoberfläche hindurch und in die Umgebungsluft hinaus steuert. Die aktive Diffusoranordnung umfasst ein Flächenelement, das so ausgelegt ist, dass es sich hinter dem zweiten Karosserieende, d. h. in dem Bereich hinter diesem, selektiv in die Umgebungsluftströmung hinein ausfahren und aus dieser zurückziehen lässt. Die aktive Diffusoranordnung umfasst außerdem eine erste Vorrichtung, die so ausgelegt ist, dass sie das Flächenelement ausfährt.
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Die erste Vorrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie das Flächenelement zusätzlich zurückzieht. In einem solchen Fall kann die erste Vorrichtung ein lineares Stellglied darstellen.
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Die erste Vorrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie das Flächenelement bei Überschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs ausfährt, und zwar um eine vorbestimmte Distanz über das zweite Karosserieende hinaus.
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Die erste Vorrichtung kann eine Lasche mit einer Oberfläche umfassen, die im Wesentlichen orthogonal zu dem Flächenelement angeordnet ist. Die Lasche kann an dem Flächenelement befestigt sein und so ausgelegt sein, dass sie eine Kraft von der Luftströmung aufnimmt, um das Flächenelement auszufahren.
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Die Oberfläche der Lasche kann so bemessen sein, dass das Flächenelement bei Überschreiten der vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit in Einsatzstellung gebracht wird.
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Überdies kann die Lasche eine Mehrzahl einzelner Laschen umfassen.
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Das Fahrzeug kann außerdem eine zweite Vorrichtung umfassen, die dafür ausgelegt ist, das Flächenelement selektiv zurückzuziehen.
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Die zweite Vorrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie das Flächenelement bei Unterschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs zurückzieht.
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Die zweite Vorrichtung kann ein Federelement mit einem ersten Federende, das an dem Flächenelement befestigt ist, und einem zweiten Federende, das an dem zweiten Karosserieende befestigt ist, umfassen.
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Das Fahrzeug kann außerdem einen Kanal umfassen, der nahe bei dem zweiten Karosserieende angeordnet ist. In einem solchen Fall kann das aktive Flächenelement über ein Lager relativ zu dem Kanal gelagert sein.
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Bei dem Kanal kann es sich um eine Mehrzahl von Kanälen handeln, während das Lager zumindest ein Lager für einen jeden aus der Mehrzahl von Kanälen aufweisen kann.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung erschließen sich mit größerer Deutlichkeit aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der Ausführungsform(en) und der besten Umsetzungsart(en) der beschriebenen Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beiliegenden Patentansprüchen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Fahrzeug mit einer aktiven Diffusoranordnung.
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2 ist eine schematische Unteransicht des in 1 gezeigten, die aktive Diffusoranordnung umfassenden Fahrzeugs, wobei die aktive Diffusoranordnung hinter einem Unterbodenabschnitt des Fahrzeugs befindlich gezeigt ist.
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3 ist eine schematische, in vergrößerter Teilperspektive dargestellte Unteransicht des hinteren Endes des Fahrzeugs mit der in 1 und 2 gezeigten, aktiven Diffusoranordnung gemäß einer Ausführungsform.
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4 ist eine schematische, in vergrößerter Teilperspektive dargestellte Unteransicht des hinteren Endes des Fahrzeugs mit der in 1 und 2 gezeigten, aktiven Diffusoranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform.
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5 ist eine schematische Teil-Seitenansicht des in 1–4 gezeigten Fahrzeugs, wobei die aktive Diffusoranordnung in einer verstauten Stellung abgebildet ist.
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6 ist eine schematische Teil-Seitenansicht des in 1–6 gezeigten Fahrzeugs, wobei die aktive Diffusoranordnung in einer Einsatzstellung abgebildet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In den Zeichnungen, auf welche nun Bezug genommen wird und in denen sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Bauteile beziehen, zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 10, das relativ zu einer Straßenoberfläche 12 positioniert ist. Das Fahrzeug 10 umfasst eine Fahrzeugkarosserie 14. Die Fahrzeugkarosserie 14 definiert sechs Karosserieseiten. Die sechs Karosserieseiten umfassen ein erstes Karosserieende oder vorderes Ende 16, ein entgegengesetztes zweites Karosserieende oder hinteres Ende 18, eine linke Seite 20 und eine rechte Seite 22, einen oberen Karosserieabschnitt 24, welcher häufig ein Fahrzeugdach umfasst, und einen Unterbodenabschnitt 26 (in 2 gezeigt). Wie es sich für den Fachmann versteht, ist das vordere Ende 16 so ausgelegt, dass es einer ankommenden Umgebungsluftströmung 25 ausgesetzt ist, wenn sich das Fahrzeug relativ zu der Straßenoberfläche 12 in Bewegung befindet.
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Wie in 2 gezeigt, ist der Unterbodenabschnitt 26 so ausgelegt, dass er eine Distanz 28 zwischen dem vorderen und dem hinteren Karosserieende 16, 18 überbrückt. Der Unterbodenabschnitt 26 kann eine im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweisen und kann Bauteile von verschiedenen Subsystemen, wie beispielsweise von einem Motor-Abgassystem oder einer Fahrzeugaufhängung (nicht gezeigt) aufweisen, die derart in eigens dafür ausgelegte Spalte eingesetzt sein können, dass ein erster Luftströmungsanteil 25-1 mit begrenzter Störung an der Fahrzeugkarosserie 14 vorbeiströmen kann. Der Unterbodenabschnitt 26 definiert außerdem einen Zwischenraum 30 zwischen der Fahrzeugkarosserie 14 und der Straßenoberfläche 12 (wie in 5–6 gezeigt). Demgemäß erlaubt der Zwischenraum 30 ein Vorbeiströmen des ersten Luftströmungsanteils 25-1 unter der Fahrzeugkarosserie 14 zwischen der Fahrzeugkarosserie 14 und der Straßenoberfläche 12, während ein zweiter Luftströmungsanteil 25-2 oberhalb des oberen Karosserieabschnitts 24 vorbeiströmt. Darüber hinaus strömt ein dritter Luftströmungsanteil 25-3 um die linke und die rechte Seite 20, 22 herum. Die Luftströmungsanteile 25-1, 25-2 und 25-3 strömen hinter dem hinteren Ende 18 in einem Sogbereich oder einer Luftströmungs-Rückflussregion 25-5 unmittelbar hinter dem hinteren Ende 18 des in Bewegung befindlichen Fahrzeugs wieder zusammen. Wie es sich für den Fachmann versteht, wird die Luftströmungs-Rückflussregion 25-5 im Allgemeinen bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten durch das Strömen der Umgebungsluft um die Karosserieseiten 18, 20, 22, 24 und 26 herum verursacht.
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Wie in 2–6 gezeigt, umfasst das Fahrzeug 10 außerdem eine aktive Diffusoranordnung 32, die an dem hinteren Ende 18 nahe bei dem Unterbodenabschnitt 26 angeordnet ist. Die aktive Diffusoranordnung 32 ist so ausgelegt, dass sie den ersten Luftströmungsanteil 25-1 an dem Unterbodenabschnitt 26 vorbei durch den Zwischenraum 30 hindurch und in die Umgebungsluft hinaus steuert. Die aktive Diffusoranordnung 32 umfasst ein Flächenelement 34, das so ausgelegt ist, dass es sich in der Luftströmungs-Rückflussregion 25-5 selektiv in die Umgebungsluftströmung 25 hinein ausfahren und wieder aus dieser zurückziehen lässt. Wie in 2 und 3 gezeigt, umfasst die aktive Diffusoranordnung 32 außerdem eine erste Vorrichtung 36, die so ausgelegt ist, dass sie das Flächenelement 34 ausfährt, wenn sich das Fahrzeug 10 relativ zu der Straßenoberfläche 12 in Bewegung befindet. Die erste Vorrichtung 36 kann als ein aktives, linear ausfahrendes Stellglied (wie in 4 gezeigt) ausgebildet sein, das beispielsweise eine fluidbetätigte Vorrichtung darstellen kann, oder kann als ein Servomotor oder ein Solenoid ausgebildet sein. Überdies kann die erste Vorrichtung 36 ein einzelnes Stellglied oder eine Mehrzahl einzelner Stellglieder umfassen. Solche Stellglieder lassen sich über einen fest zugeordneten Controller 62 oder über ein elektronisches Steuergerät des Fahrzeugs 10 steuern.
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In dem Fall, in welchem eine Mehrzahl einzelner Stellglieder verwendet wird, können sich die Stellglieder symmetrisch entlang dem hinteren Ende 18 befinden, um ein gleichförmiges Ausfahren und Zurückziehen des Flächenelements 34 gleichermaßen relativ zu der linken Seite 20 und der rechten Seite 22 zu erleichtern. Das linear ausfahrende Stellglied kann eine erste, zweifach wirkende Vorrichtung 36 sein und so ausgelegt sein, dass es das Flächenelement 34 außerdem zurückzieht. Die erste Vorrichtung 36 mit zweifacher Wirkungsweise kann so ausgelegt sein, dass sie das Flächenelement 34 bei Überschreiten einer vorbestimmten (in 5–6 gezeigten) Geschwindigkeit 37 des Fahrzeugs 10 ausfährt und das Flächenelement bei Unterschreiten derselben vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit 37 oder einer anderen spezifisch bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit zurückzieht. Die vorbestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit 37 kann empirisch durch Tests in einem Windkanal oder durch ein rechnergestütztes Verfahren ausgewählt werden.
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Bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten ermöglicht es das ausgefahrene Flächenelement 34, dass sich der erste Luftströmungsanteil 25-1 in dem Raum 30 ausdehnt. Die bei ausgefahrenem Flächenelement 34 erfolgende Ausdehnung des ersten Luftströmungsanteils 25-1 durch die Diffusoranordnung 32 bewirkt jedoch kein Übermaß an Luftströmungstrennung oder Luftwiderstand auf die Fahrzeugkarosserie 14. Ein solches Ausfahren des Flächenelements 34 verbessert im Gegenteil das aerodynamische Profil der Fahrzeugkarosserie 14, indem es einen ”Sogauffüllgrad”, d. h. ein Auffüllen der Luftströmungs-Rückflussregion 25-5 unmittelbar hinter dem in Bewegung befindlichen Fahrzeug bereitstellt. Darüber hinaus bewirkt die aktive Diffusoranordnung 32, dass sich die Strömung der Luft stromaufwärts des Flächenelements 34 durch den Unterbodenabschnitt 26 hindurch beschleunigt, wodurch eine Abtriebskraft erzeugt wird und eine damit einhergehende Verringerung des auf die Fahrzeugkarosserie 14 wirkenden Luftwiderstands erfolgt.
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Die vorbestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit 37, die durch ein beliebiges der dafür geeigneten Verfahren bestimmt wird, kann die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 festlegen, jenseits von welcher durch ein verbessertes aerodynamisches Profil der Fahrzeugkarosserie 14 ein erwünschter Nutzen für die Fahrzeugeffizienz verliehen wird. Das verbesserte aerodynamische Profil der Fahrzeugkarosserie 14 kann einen Nutzen in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit bei einem durch eine (nicht gezeigte) Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeug und/oder in Bezug auf den durch die Insassen des Fahrzeugs 10 wahrgenommenen Geräuschpegel bereitstellen. Überdies kann die erste Vorrichtung 36 mit zweifacher Wirkungsweise so ausgelegt sein, dass sie das Flächenelement 34 derart um eine vorbestimmte Distanz 38 über das hintere Ende 18 hinaus ausfährt, dass die Verlängerung des Flächenelements 34 den gewünschten aerodynamischen Nutzen, d. h. die Verminderung des Luftwiderstands auf die Fahrzeugkarosserie 14, bereitstellt.
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Wie in 3 gezeigt, kann die erste Vorrichtung 36 als passives Stellglied ausgelegt sein und eine Reihe von Laschen 42 umfassen. Es sind hier zwar zwei einzelne Laschen 42 gezeigt, es kann jedoch zur Erzielung des Ausfahrens des Flächenelements 34 je nach Bedarf auch eine geringere oder eine größere Anzahl solcher Laschen 34 vorgesehen sein. Wie gezeigt, ist jede Lasche 42 an dem Flächenelement 34 befestigt und so ausgelegt, dass sie eine durch den ersten Luftströmungsanteil 25-1 erzeugte Kraft 40 aufnimmt und dadurch das Flächenelement von dem hinteren Ende 18 weg ausfährt. Eine jede Lasche 42 umfasst eine Oberfläche 44, die im Wesentlichen orthogonal zu der Ebene des Flächenelements 34, z. B. innerhalb von +/–5 Grad, verläuft. Die Oberfläche 44 einer jeden Lasche 42 ist so bemessen, dass das Flächenelement 34 bei Überschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 durch die Kraft 40 in Einsatzstellung gebracht werden kann. Das Flächenelement 34 kann aus einem Material mit angemessener Steifigkeit jedoch geringer Masse, wie beispielsweise aus technischem Kunststoff oder Aluminium, geformt sein. Darüber hinaus kann jede Lasche 42 in das Flächenelement 34 integriert sein und Teil von diesem sein und somit gemeinsam mit dem Flächenelement eine als eine Einheit ausgebildete, monolithische Struktur bilden. Ähnlich der ersten Vorrichtung 36 mit zweifacher Wirkungsweise können auch die Laschen 42 so ausgelegt sein, dass sie das Flächenelement 34 um die vorbestimmte Distanz 38 über das hintere Ende 18 hinaus ausfahren.
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Das Fahrzeug 10 kann außerdem eine zweite Vorrichtung 48 umfassen, die dafür ausgelegt ist, das Flächenelement 34 selektiv zurückzuziehen. Wie in 3 gezeigt, kann die zweite Vorrichtung 48 eine Reihe von Federelementen umfassen. Es sind hier zwar zwei einzelne Federelemente gezeigt, es kann jedoch zur Erzielung des gewünschten Zurückziehens des Flächenelements 34 auch eine geringere oder eine größere Anzahl solcher Federelemente vorgesehen sein. Jedes Federelement umfasst ein erstes Federende 50, das an dem Flächenelement 34 befestigt ist, und ein zweites Federende 52, das an dem hinteren Ende 18 befestigt ist. Die zweite Vorrichtung 48 kann so ausgelegt sein, dass sie das Flächenelement 34 bei Unterschreiten der vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit 37 oder einer anderen vorbestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 zurückzieht. Anders ausgedrückt kann die zweite Vorrichtung 48 so angeordnet sein, dass sie mit dem Flächenelement 34 ausfährt und somit eine Kraft 54 auf das Flächenelement ausübt, die der Kraft 40 entgegengesetzt ist. Demgemäß überwindet die Kraft 54 die Kraft 40, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 unter die vorbestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit 37 absinkt, und zieht die zweite Vorrichtung 48 das Flächenelement 34 zurück.
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Das Fahrzeug 10 kann überdies Kanäle 56 umfassen, die nahe bei dem zweiten Karosserieende 18 an dem Unterbodenabschnitt 26 angeordnet sind (wie in 3 gezeigt) oder in das hintere Ende selbst integriert sind. Wie in 3 ersichtlich, kann das Flächenelement 34 über eine Reihe von Lagern 58 relativ zu dem Kanal 56 gelagert sein. Die Lager 58 können der Art nach als Kugel- oder Rollenlager ausgelegt sein. Zumindest ein Lager 58 kann dazu verwendet werden, das Flächenelement 34 in Bezug auf einen jeden der Kanäle 56 zu tragen. Die Lager 58 sollen eine verringerte Reibung während des Ausfahrens und Zurückziehens des Flächenelements 34 erleichtern und eine kontrollierte und vorhersehbare Betriebsweise des Flächenelements bei der vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit 37 und über die vorbestimmte Distanz 38 hinweg erlauben.
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Wie in 5 gezeigt, kann das Flächenelement 34 aus einer Reihe von miteinander verbundenen Abschnitten 60 aufgebaut sein. Die Abschnitte 60 können einander derart überlappen, dass sich ein oberer Abschnitt im Wesentlichen über den Abschnitt unmittelbar darunter erstreckt, wenn das Flächenelement 34 zurückgezogen ist, und diese einander nur teilweise überlappen, wenn das Flächenelement ausgefahren ist. Das Flächenelement 34 kann eine gekrümmte, d. h. entweder konkave oder konvexe, Form umfassen. Eine solche gekrümmte Form kann dafür ausgelegt sein, das Flächenelement 34 zu versteifen und zu stabilisieren, wenn dieses der durch den ersten Luftströmungsanteil 25-1 erzeugten Kraft 40 ausgesetzt ist. Infolge dieser gekrümmten Form kann ein Durchbiegen des Flächenelements 34 bedingt durch eine Kraft, zu der es durch den ersten Luftströmungsanteil 25-1 und/oder den zweiten Luftströmungsanteil 25-2 kommen kann, wenn das Fahrzeug 10 mit hohen Geschwindigkeiten unterwegs ist, minimiert werden. Überdies kann das Flächenelement 34, wie in 3 und 4 gezeigt, vertikale Abschnitte oder Rippen 64 umfassen, die in spezifischen Intervallen angeordnet sind und dafür ausgelegt sind, den ersten Luftströmungsanteil 25-1 zu kanalisieren und stromlinienförmig verlaufen zu lassen.
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Wie in 6 gezeigt, kann sich das Flächenelement 34 durch eine monolithische oder einstückige, akkordeonartige Konstruktion auszeichnen und einen Faltenabschnitt 66 umfassen. Eine solche Konstruktion kann durch ein Kunststoff-Formverfahren derart erzeugt werden, dass jede einzelne Falte ein Filmscharnier 68 umfasst. Die Filmscharniere 68 können in dem zurückgezogenen Zustand geformt sein, so dass der ausfahrbare Abschnitt 46 durch die Kraft 54 kontinuierlich in eine verstaute Stellung gedrängt wird, wie dies in 3 gezeigt ist. Somit kann in den Filmscharnieren 68 Energie gespeichert sein und dazu verwendet werden, das Flächenelement 34 vorzupositionieren oder dessen Position einer Vorspannung zu unterziehen. Darüber hinaus würde die Kraft 54 die Kraft 40 überwinden, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 unter die vorbestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit 37 absinkt, und würden die Filmscharniere 68 das Flächenelement 34 zurückziehen.
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Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren haben unterstützenden und beschreibenden Charakter für die Erfindung, der Umfang der Erfindung ist jedoch allein durch die Patentansprüche definiert. Es sind hier zwar einige der besten Umsetzungsarten und Ausführungsformen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben, es existieren jedoch verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Umsetzung der Erfindung, die in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.
