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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Luftleitelement an oder in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem derartigen Luftleitelement.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Luftleitelemente sind im Fahrzeugbau übliche aerodynamische Wirkmittel, die den das fahrende Fahrzeug anströmenden Fahrtwind nutzen, um ihn unter aerodynamischen Gesichtspunkten abzulenken und dadurch die aerodynamischen Eigenschaften und das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu beeinflussen.
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STAND DER TECHNIK
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Derartige Luftleitelemente können entweder starr am Fahrzeug, beispielsweise als Frontspoiler oder als Heckspoiler, oder verstellbar angebracht sein. Verstellbare Luftleitelemente weisen in der Regel zumindest einen Aktuator auf, mit dem das Luftleitelement oder einen Teil davon aus einer Standardposition für niedrigere Fahrgeschwindigkeiten in eine Hochgeschwindigkeitsposition für höhere Fahrgeschwindigkeiten verstellbar ist. Feststehende Luftleitelemente, die bei höheren Geschwindigkeiten aerodynamisch wirksam sein sollen, haben den Nachteil, dass sie im niedrigen Geschwindigkeit, wenn eine aerodynamische Wirksamkeit nicht oder nur geringfügig gegeben ist, dennoch einen erhöhten Strömungswiderstand aufweisen und dadurch den Kraftstoffverbrauch erhöhen. Insbesondere im Frontspoilerbereich wird zudem der Böschungswinkel des vorderen Fahrzeugüberhangs in unerwünschter Weise reduziert. Aktiv angetriebene Luftleitelemente hingegen benötigen einen Aktuator und eine aufwendige Betätigungsmechanik oder -pneumatik und sind daher kompliziert und teuer.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes gattungsgemäßes Luftleitelement anzugeben, das bei niedrigen Geschwindigkeiten nur einen geringen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat und dennoch bei höheren Geschwindigkeiten aerodynamisch wirksam ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein Luftleitelement an oder in einem Fahrzeug, wobei das Luftleitelement aus zumindest einem Faserverbundwerkstoff mit mehrschichtigem Sandwich-Aufbau gebildet ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass zumindest eine der Schichten des Sandwich-Aufbaus eine elastische Schicht ist, die aus einem ein Elastomer aufweisenden Werkstoff besteht oder diesen aufweist und dass die Schichten des Sandwich-Aufbaus mit einem Kunststoffmatrixmaterial miteinander verbunden sind.
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VORTEILE
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Diese in Sandwich-Konstruktion mit zumindest einer elastischen Schicht aufgebaute Luftleiteinrichtung ist zwar starr mit dem Fahrzeug verbunden oder verbindbar, aber durch die elastische Schicht in geringem Maße biegbar. Trifft nun der Fahrtwind auf die Luftleiteinrichtung auf, die in ihrer Ausgangsposition zumindest geringfügig gegen den Fahrtwind geneigt am Fahrzeug vorgesehen ist, so übt die Strömungskraft des Fahrtwindes auf die Oberfläche der Luftleiteinrichtung eine Normalkraft aus, die ein Biegemoment erzeugt, das die Luftleiteinrichtung um ihren Wurzelabschnitt, mit dem sie am Fahrzeug befestigt ist, biegt und zwar umso stärker, je höher die Anströmgeschwindigkeit ist. Durch die Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit steigt nicht nur der Betrag der auf die Luftleiteinrichtung wirkenden Kräfte, sondern die stärker werdende Ausbiegung der Luftleiteinrichtung erhöht auch den in Normalenrichtung auf die Luftleiteinrichtung wirkenden Anteil der Anströmungskräfte. Bei wieder geringer werdender Fahrgeschwindigkeit nimmt auch die Strömungsgeschwindigkeit des Fahrtwindes ab und die in Normalenrichtung auf die Luftleiteinrichtung wirkenden Anströmungskräfte werden geringer. Die zunächst zusammen mit der elastischen Schicht ausgebogenen steifen Schichten des Sandwich-Aufbaus sorgen mit ihren Rückstellkräften dafür, dass sich die Luftleiteinrichtung bei niedriger Fahrgeschwindigkeit wieder in ihre Ausgangsposition zurückbewegt.
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Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Luftleiteinrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.
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Von Vorteil ist es, wenn der Sandwich-Aufbau zumindest eine obere unelastische Schicht und zumindest eine untere unelastische Schicht aufweist, die jeweils aus einem Fasergelege, einem Fasergewirke oder einem Fasergewebe bestehen oder ein solches aufweisen, und wenn zwischen der zumindest einen oberen unelastischen Schicht und der zumindest einen unteren unelastischen Schicht die elastische Schicht angeordnet ist.
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Alternativ kann der Sandwich-Aufbau vorzugsweise zumindest eine obere unelastische Schicht und zumindest eine untere unelastische Schicht sowie zumindest eine zwischen diesen gelegene weitere unelastische Schicht aufweisen, die jeweils aus einem Fasergelege, einem Fasergewirke oder einem Fasergewebe bestehen, und zwischen den unelastischen Schichten kann jeweils eine elastische Schicht angeordnet sein.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, die mit anderen Ausführungsformen kombinierbar ist, bei der zumindest eine der Schichten des Luftleitelements einen freitragenden Bereich und einen Wurzelbereich aufweist, an dem das Luftleitelement mit einer Karosserie oder einem anderen Strukturteil des Fahrzeugs verbunden oder verbindbar ist, und wobei zumindest eine unelastische Schicht zwischen dem Wurzelbereich und dem freitragenden Bereich zumindest einen lokal steifigkeitsreduzierten Biegebereich aufweist, der eine bevorzugte Knickachse bestimmt.
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Vorzugsweise weist dabei der lokal steifigkeitsreduzierte Biegebereich eine Aussparung auf, wobei die zumindest eine Aussparung die bevorzugte Knickachse bestimmt.
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Vorzugsweise ist dabei die zumindest eine Aussparung als Langloch oder Schlitz ausgebildet, dessen Längsrichtung sich parallel zur bevorzugten Knickachse erstreckt.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn zumindest eine der unelastischen Schichten zwischen dem Wurzelbereich und dem freitragenden Bereich eine Mehrzahl von sich entlang der bevorzugten Knickachse erstreckenden und entlang der bevorzugten Knickachse voneinander beabstandeten Aussparungen aufweist.
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Die Erfindung ist außerdem gerichtet auf ein Fahrzeug, insbesondere auf ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem erfindungsgemäßen Luftleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Dabei weist vorzugsweise zumindest eine der Schichten des Luftleitelements einen freitragenden Bereich und einen Wurzelbereich auf, an dem das Luftleitelement mit einer Karosserie oder einem anderen Strukturteil des Fahrzeugs verbunden ist, und zumindest eine oberhalb der zumindest einen elastischen Schicht im Hinblick auf die Anströmung des Fahrtwindes, also anströmseitig, gelegene unelastische Schicht weist zwischen dem Wurzelbereich und dem freitragenden Bereich zumindest eine Aussparung auf, wobei die zumindest eine Aussparung eine bevorzugte Knickachse bestimmt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Luftleitelement einen Frontspoiler des Fahrzeugs bildet oder an einem Frontspoiler vorgesehen ist.
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Das Luftleitelement ist dabei vorzugsweise von einer Spoilerlippe an einem Frontspoiler des Fahrzeugs gebildet.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 eine Fahrzeugfront mit einem erfindungsgemäßen Luftleitelement in einer ersten Position;
- 2 die Fahrzeugfront aus 1 mit dem erfindungsgemäßen Luftleitelement in einer zweiten Position;
- 3 die Fahrzeugfront aus 1 mit dem erfindungsgemäßen Luftleitelement in einer dritten Position;
- 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Schichtenaufbaus eines Luftleitelements nach den 1 bis 3;
- 5A bis 5C drei Varianten von nichtelastischen Schichten eines erfindungsgemäßen Luftleitelements und
- 6A bis 6D vier Varianten des Schichtenaufbaus eines erfindungsgemäßen Luftleitelements.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 bis 3 zeigen jeweils eine Frontschürze 12 der Fahrzeugkarosserie 10 eines Fahrzeugs 1, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, mit einem erfindungsgemäßen Luftleitelement 2, das einen Frontspoiler 14 bildet, der in an sich bekannter Weise im unteren, entgegen der Fahrtrichtung F nach hinten verlaufenden Bereich 12' der Frontschürze 12 vorgesehen und an dieser mit einem Wurzelbereich 2" befestigt ist und der mit einem vorderen, freitragenden Bereich 2' in Fahrtrichtung F schräg nach vorne und nach unten hervorsteht.
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Das Luftleitelement 2 ist zwar starr an der Frontschürze 12 befestigt, aber zwischen dem Wurzelbereich 2" und dem freitragenden Bereich 2' geringfügig biegbar, so dass der entgegen der Fahrtrichtung F das Fahrzeug anströmende Fahrtwind W mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 stärker gegen den freitragenden Bereich 2' des als Frontspoiler 14 ausgebildeten Luftleitelements 2 drückt und ihn nach unten auslenkt, wodurch die Angriffsfläche des Luftleitelements 2 für den Fahrwind W größer wird. Dadurch vergrößert sich der in einer vertikalen Längsmittelebene des Fahrzeugs 1 gemessene Winkel zwischen der Frontschürze 12 und dem freitragenden Bereich 2' des Luftleitelements 2. Bei geringer Geschwindigkeit ist dieser Winkel α1 (1) kleiner als der Winkel α2 bei mittlerer Geschwindigkeit ( 2) und dieser ist wiederum kleiner als der Winkel α3 bei noch höherer Geschwindigkeit (3). Wird die Geschwindigkeit wieder reduziert, so wird der Winkel α aufgrund der materialimmanenten Rückstellkräfte des Luftleitelements 2 wieder kleiner.
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In 4 ist der Sandwich-Aufbau 20 eines erfindungsgemäßen Luftleitelements 2 in vertikal auseinandergezogener Darstellung gezeigt. Eine obere unelastische Schicht 22 mit einem freitragenden Bereich 22' und einem Wurzelbereich 22" und eine untere unelastische Schicht 26 mit einem freitragenden Bereich 26' und einem Wurzelbereich 26" weisen jeweils ein Fasergelege, ein Fasergewirke oder ein Fasergewebe bestehen auf, die im gezeigten Beispiel aus einem Glasfasermaterial und/oder einem Kohlefasermaterial gebildet sind. Zwischen diesen beiden unelastischen Schichten 22, 26 ist eine elastische oder teilelastische Schicht 24 mit einem freitragenden Bereich 24' und einem Wurzelbereich 24" in den Sandwich-Aufbau 20 eingebettet, die aus einem elastischen Werkstoff besteht oder einen solchen aufweist. Beispielsweise ist die elastische Schicht 24 von einer dünnen Folie aus unvernetztem Kautschuk gebildet, wie sie zum Beispiel unter dem Markennamen Kraibon® erhältlich ist.
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Die Schichten 22, 24 und 26 werden gemeinsam mit einer Kunstharzmatrix vernetzt und bilden so den Sandwich-Aufbau 20 des Luftleitelements 2. Die aus dem Elastomer bestehende elastische Schicht 24 ist dabei in den Sandwich-Aufbau 20 des ausgehärteten Luftleitelements 2 integriert und verleiht dem Luftleitelement 2 eine Elastizität.
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Die beiden unelastischen Schichten 22 und 26, die die elastische Schicht 24 zwischen sich einschließen, sind für sich genommen im Wesentlichen steif und starr und nur aufgrund ihrer jeweiligen geringen Schichtdicke jeweils für sich genommen geringfügig biegbar. Im beschriebenen Materialverbund des Sandwich-Aufbaus 20 gestattet die elastische Zwischenschicht 24 eine geringe Relativbewegung zwischen der oberen unelastischen Schicht 22 und der unteren unelastischen Schicht 26, wodurch das Gesamtgebilde des Sandwich-Aufbaus 20, also des Luftleitelements 2, aus seiner Grundstellung der 1 geringfügig federnd auslenkbar ist.
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Zur Erleichterung dieser Auslenkbarkeit ist die obere, bei einer Verbiegung durch den Fahrtwind W außenliegende und vom Fahrtwind angeströmte Schicht 22 entlang einer dedizierten Knickachse y durch das Vorsehen von Langlöchern 22"', deren Längsrichtung sich entlang oder parallel zu der Knickachse y erstreckt. Die Reihe der Langlöcher 22"' bestimmt so einen lokal steifigkeitsreduzierten Biegebereich 21 der oberen unelastischen Schicht 22 und damit des gesamten Luftleitelements 2.
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5 zeigt drei unterschiedliche Ausführungsformen eines lokal steifigkeitsreduzierten Biegebereichs 21 der oberen unelastischen Schicht 22. Im Beispiel der 5 A ist der lokal steifigkeitsreduzierte Biegebereich 21' von einer lokalen Steifigkeitsanpassung im Sinne einer lokalen Steifigkeitsreduzierung durch den Laminataufbau gebildet. Auch kann die Dicke der Schicht 22 in diesem Bereich reduziert sein oder das Material oder die Geometrie des Faserverlaufs können in diesem Bereich eine geringfügig reduzierte Steifigkeit der oberen unelastischen Schicht 22 bewirken.
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Alternativ kann der lokal steifigkeitsreduzierte Biegebereich 21" gemäß dem Beispiel der 5 B eine Reihe von langen Aussparungen oder Langlöchern 27 aufweisen, die nur geringfügig voneinander beabstandet sind. Der Abstand a1 zwischen zwei benachbarten Langlöchern 27 ist hier deutlich geringer als die Länge l1 eines jeweiligen Langlochs 27; er beträgt ca. 25 % bis 30 % der Länge l1.
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Gemäß dem Beispiel der 5 C ist der einen lokal steifigkeitsreduzierte Biegebereich 21''' von einer Reihe von etwas kürzeren Aussparungen oder Langlöchern 27' vorgesehen, die weiter voneinander beabstandet sind als im Beispiel der 5 B. Der lokal steifigkeitsreduzierte Biegebereich 21'' in 5 B ist somit flexibler als der lokal steifigkeitsreduzierte Biegebereich 21''' in 5 C. Der Abstand a2 zwischen zwei benachbarten Langlöchern 27' ist hier deutlich größer als die Länge l2 eines jeweiligen Langlochs 27'; er beträgt ca. 125 % bis 150 % der Länge 12.
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Die 6 A bis 6 D zeigen jeweils einen Vertikalschnitt durch unterschiedliche jeweiligen Schicht-Aufbauten 20 mit jeweils einer äußeren oberen Schicht 22, einer darunter gelegenen inneren oberen Schicht 23, der elastischen Schicht 24, einer unter dieser gelegenen inneren unteren Schicht 25 und darunter einer äußeren unteren Schicht 26.
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Im Beispiel der 6 A sind sowohl die beiden oberen Schichten 22, 23 als auch die beiden unteren Schichten 25, 26 von jeweils einem 0,25 mm dicken Kohlefasergewebe gebildet. Die elastische Schicht 24 besteht aus einer 0,5 mm dicken Folie aus unvernetztem Kautschuk.
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Im Beispiel der 6 B sind sowohl die beiden oberen Schichten 22, 23 als auch die beiden unteren Schichten 25, 26 von jeweils einem 0,25 mm dicken Kohlefasergewebe gebildet. Die elastische Schicht 24 besteht aus einer 0,5 mm dicken Folie aus unvernetztem Kautschuk. Sowohl die innere obere Schicht 23 als auch die innere untere Schicht 25 sind mit einem in Reihe angeordnete Langlöcher oder Ausfräsungen aufweisenden lokal steifigkeitsreduzierten Biegebereich versehen, wobei die Gesamtlänge der Langlöcher oder Ausfräsungen etwa 50 % der Länge des Luftleitelements 2 in Fahrzeugquerrichtung Y beträgt.
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Im Beispiel der 6 C sind sowohl die beiden oberen Schichten 22, 23 als auch die beiden unteren Schichten 25, 26 von jeweils einem 0,25 mm dicken Kohlefasergewebe gebildet. Die elastische Schicht 24 besteht aus einer 0,5 mm dicken Folie aus unvernetztem Kautschuk. Sowohl die innere obere Schicht 23 als auch die innere untere Schicht 25 sind mit einem in Reihe angeordnete Langlöcher oder Ausfräsungen aufweisenden lokal steifigkeitsreduzierten Biegebereich versehen, wobei die Gesamtlänge der Langlöcher oder Ausfräsungen etwa 33 % der Länge des Luftleitelements 2 in Fahrzeugquerrichtung Y beträgt.
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Die Ausführungsform der 6 D entspricht in ihrem Aufbau der Ausführungsform nach 6 B, wobei jedoch unterhalb der äußeren unteren Schicht 26 eine sich in Fahrzeugquerrichtung Y und/oder in Fahrzeuglängsrichtung X verlaufende Aufdickung 29 aus einem steifen Material, vorzugsweise einem Faserverbundwerkstoff (z.B. CFK oder GFK), vorgesehen ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Luftleitelement
- 2'
- freitragender Bereich
- 2"
- Wurzelbereich
- 10
- Karosserie
- 14
- Frontspoiler
- 20
- Sandwich-Aufbau
- 21
- lokal steifigkeitsreduzierter Biegebereich
- 22
- obere unelastische Schicht
- 22'
- freitragender Bereich
- 22''
- Wurzelbereich
- 22'''
- Aussparung
- 23
- unelastische Schicht
- 24
- elastische Schicht
- 24'
- freitragender Bereich
- 24"
- freitragender Bereich
- 25
- unelastische Schicht
- 26
- untere unelastische Schicht
- 26'
- freitragender Bereich
- 26"
- freitragender Bereich
- 27
- Langlöcher
- 27'
- Langlöcher
- 29
- Aufdickung
- y
- Knickachse
- F
- Fahrtrichtung
- W
- Fahrtwind
