-
Die Erfindung betrifft ein Landfahrzeug mit mehreren Rädern und mindestens einem Antrieb für eines oder mehrere der Räder sowie vorzugsweise einer Fahrerkabine, wobei das Landfahrzeug eine in seiner Längsrichtung verlaufende Längsachse, eine in seiner Querrichtung verlaufende Querachse und einen Schwerpunkt aufweist, wobei der Bereich des in Fahrtrichtung dem Schwerpunkt vorgeordneten Abschnitts einen Vorderbereich und der Bereich des in Fahrtrichtung dem Schwerpunkt nachgeordneten Abschnitts einen Rückbereich bildet.
-
Bei landgebundenen Fahrzeugen, die mit großer Geschwindigkeit fahren sollen, ist es bekannt, Flügelelemente zu verstellen, um die Aerodynamik der Fahrsituation anzupassen. Hierzu ist es bekannt, einen Heckflügel im Anstellwinkel und/oder in der Höhe zu variieren, um gewünschte aerodynamische Effekte zu erzielen. Derartige Heckflügel sind beim Porsche 918, beim LaFerrari und dem McLaren P1 vorhanden. Jedoch sind bisher keine Konstruktionen bekannt geworden, bei denen größere aerodynamische Kräfte mittels verstellbarer Flügelelemente beherrscht werden konnten. Der geometrische Anstellwinkel (auch Anströmwinkel genannt) ist in der Aerodynamik der Winkel α zwischen der Richtung des anströmenden Fluids und der Profilsehne des jeweilige Flügelelements, wobei unter einer Profilsehne die gedachte Verbindungslinie zwischen der Profilnase und der Profilhinterkante verstanden wird (s. 13).
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Landfahrzeug mit besser kontrollierten aerodynamischen Kräften zur Verfügung zu stellen.
-
Die Aufgabe wird bei einem Landfahrzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im Vorderbereich gegen die Fahrtrichtung gesehen mindestens drei Vorderflügelelemente hintereinander angeordnet sind, wobei ein vorderes Vorderflügelelement, ein hinteres Vorderflügelelement und mindestens ein mittleres Vorderflügelelement vorgesehen sind, wobei der geometrische Anstellwinkel zumindest des mindestens einen mittleren dieser drei Vorderflügelelemente während der Fahrt verstellbar ist, um den aerodynamischen Abtriebsbeiwert des Landfahrzeugs durch Umlenkung von Luftströmung zwischen mindestens zwei Vorderflügelelementen zu ändern. Hierbei ist das besagte mindestens eine mittlere Vorderflügelelement zum Zwecke der Reduzierung des Abtriebsbeiwerts in eine Stellung mit einem positiven geometrischen Anstellwinkel gegenüber der Horizontalen überführbar. Auf diese Weise wird Strömungsluft unter das Fahrzeug geleitet, um den Abtrieb in bestimmten Fahrsituationen zu verringern.
-
Wenn vorliegend von einem Vorder- oder Rückflügelelement in der Einzahl die Rede ist, dann sind damit auch Ausführungsformen umfasst, bei denen jeweilig auf der anderen Seite der Längsachse des Landfahrzeugs entsprechende Vorder- und Rückflügelelemente vorgesehen sind.
-
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine adaptive, d.h. während der Fahrt einstellbare Aerodynamik von mindestens einem optimiert angeordneten Vorderflügelelement vorgesehen ist, mit dem die Fahrzeugperformance signifikant erhöht werden kann. Das Einstellen übernimmt zweckmäßigerweise der Fahrer, dem hierfür die notwendigen Einstellmittel in der Fahrerkabine zur Verfügung gestellt werden.
-
Ein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist die Einstellbarkeit des geometrischen Anstellwinkels zumindest des mindestens einen mittleren der drei Vorderflügelelemente. Der oder die verstellbaren Vorderflügelelemente in ihrer spezifischen Anordnung erlauben es, die Abtriebskraft und die Balance, d.h. den Kraftangriffspunkt, des Landfahrzeugs genau zu kontrollieren.
-
Wenn vorliegend von „mindestens einem mittleren Vorderflügelelement“ die Rede ist, sind damit alle Ausführungsformen umfasst, bei denen lediglich ein mittleres oder mehrere mittlere (d.h. zwischen dem vorderen und dem hinteren Vorderflügelelement angeordnete) Vorderflügelelemente vorgesehen sind, deren geometrischer Anstellwinkel veränderbar sind. Wenn mehrere mittlere Vorderflügelelemente vorgesehen sind, können diese separat angeordnet oder gekoppelt sein (bei mehr als zwei mittleren Vorderflügelelementen auch paarweise).
-
Benachbarte, hintereinander in Fahrtrichtung angeordnete Vorderflügelelemente sind hierbei vorzugsweise derart beabstandet zueinander angeordnet, dass ein signifikanter Luftstrom zwischen ihnen hindurchtreten kann, wenn die im geometrischen Anstellwinkel verstellbaren Vorderflügelelemente in eine entsprechend gewinkelte Position in Bezug auf die benachbarten Flügelelemente gebracht werden.
-
Durch die Verstellung des mindestens einen mittleren Vorderflügelelements kann der Volumenstrom von dessen Oberseite zu dessen Unterseite geleitet werden. Vorzugsweise werden hierbei bis zu zwei von drei Volumenteilen von der Oberseite zur Unterseite geleitet. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit auf der Unterseite des vorderen und des mindestens einen mittleren Vorderflügelelements bis zur Umgebungsgeschwindigkeit und sogar darunter abgebremst. Nach den Gesetzen von Bernoulli wird in diesem Extremfall dann auch der Abtrieb dieser (mindestens) zwei Vorderflügelelemente zu Null und sogar positiv.
-
Der geometrische Anstellwinkel des mindestens einen mittleren Vorderflügelelements wird vorzugsweise durch Verschwenken dieses Vorderflügelelements um eine Schwenkachse verstellt, die im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung oder mit wenigen Grad Verschränkung gegenüber der Fahrzeugquerrichtung verläuft.
-
Zusätzlich zu den besagten drei Vorderflügelelementen können noch ein oder mehrere weitere Vorderflügelelemente vorgesehen sein, die vor und/oder hinter den besagten drei Vorderflügelelementen angeordnet und starr oder beweglich (insbesondere verschwenkbar) ausgebildet sein können.
-
Es ist besonders bevorzugt, dass das in Fahrtrichtung vordere der drei Vorderflügelelemente starr angeordnet ist. Dieses vordere Vorderflügelelement ist zudem vorzugsweise das vorderste aller Vorderflügelelemente. Sowohl das besagte vordere starre und das unmittelbar nachgeordnete verstellbare Vorderflügelelement können auf diese Weise zusammenwirken. Hierbei wird die in z-Richtung (Richtung der Hochachse des Landfahrzeugs) wirkende Kraft des vorderen starren Vorderflügelelements durch Verstellen des geometrischen Anstellwinkels des nachgeordneten Vorderflügelelements kontrollierbar.
-
Durch diese Anordnung, d.h. einem in Fahrzeugrichtung vorgeordneten starren Flügelelement (das vordere Vorderflügelelement) und mindestens einem nachgeordneten, im geometrischen Anstellwinkel einstellbaren Flügelelement (das mindestens eine mittlere Vorderflügelelement), ergibt sich der technische Vorteil, dass lediglich das hintere dieser beiden Flügelelemente (im Falle nur eines mittleren Vorderflügelelements vorhanden ist) beispielsweise mit Hilfe von einem oder mehreren Aktuatoren, wie beispielsweise elektrischen Motoren, Hydraulikeinrichtungen und/oder Linearantrieben, verstellt werden muss, während das vordere Flügelelement ebenfalls zur Balance und zum Abtrieb beiträgt, aber nicht eigens verstellt werden muss.
-
Vorzugsweise ist das in Fahrtrichtung vorderste aller Vorderflügelelemente starr angeordnet. Eine diesbezügliche bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass dieses vorderste, starre Vorderflügelelement das vordere der besagten drei hintereinander angeordneten Vorderflügelelemente ist.
-
Besonders bevorzugt ist der geometrische Anstellwinkel des mindestens einen mittleren Vorderflügelelements im Bereich zwischen zwei Winkelstellungen, vorzugsweise stufenlos, positionierbar, wobei der besagte geometrische Anstellwinkel in einer ersten Winkelstellung im Bereich zwischen 10° und - 10°, vorzugsweise zwischen 5° und -5°, besonders bevorzugt zwischen 2° und -2°, und/oder in einer zweiten Winkelstellung im Bereich zwischen 5° und 35°, vorzugsweise zwischen 7° und 25°, besonders bevorzugt zwischen 9° und 20°, beispielsweise 15°, liegt. Gemessen wird der Anstellwinkel hierbei jeweils gegenüber der Horizontalen. Der geometrische Anstellwinkel in der ersten Winkelstellung ist hierbei kleiner als in der zweiten Winkelstellung. In der ersten Winkelstellung entsteht vorteilhafterweise beim Fahren eine im Wesentlichen geschlossene Strömungsfläche oberhalb der drei Vorderflügelelemente, so dass der Abtrieb sehr groß ist. Beim Verstellen des geometrischen Anstellwinkels bis hin zur zweiten Winkelstellung gelangen hingegen größere Luftmengen über den Vorderbereich des Fahrzeugs und verringern den Abtrieb.
-
Generell kann gesagt werden, dass die Winkelgröße des positiven geometrischen Anstellwinkels kleiner ausfallen kann, je größer das mindestens eine mittlere Vorderflügelelement ausgebildet ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das in Fahrtrichtung hintere der drei Vorderflügelelemente starr ausgebildet. Eine diesbezügliche Ausführungsform sieht vor, dass somit mindestens ein im geometrischen Anstellwinkel einstellbares mittleres Vorderflügelelement zwischen zwei starren Vorderflügelelementen angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass zumindest das mindestens eine mittlere Vorderflügelelement in der Draufsicht und in einem kaum - gegenüber der Horizontalen - ausgelenkten, flachen Zustand das vordere Vorderflügelelement teilweise überdeckt und/oder vom hinteren Vorderflügelelement teilweise überdeckt wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind ist das mindestens eine mittlere der drei Vorderflügelelemente im Bereich seiner umlaufenden Kanten von starren Bereichen umgeben. Wenn beispielsweise das mindestens eine mittlere Vorderflügelelement vom Rumpf des Landfahrzeugs absteht, sind dessen freien Kanten jeweils von allen Seiten mit starren Elementen umgeben, die insbesondere ebenfalls am Rumpf befestigt sein können. Insbesondere kann in dieser Konstellation eine Schwenkachse des mindestens einen mittleren Vorderflügelelements außen an seiner freien rumpffernen Kante zum Zwecke des Verschwenkens gelagert sein.
-
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens zwei der Vorderflügelelemente und vorzugsweise alle drei Vorderflügelelemente im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet sind, um die optimalen Abtriebsbedingungen in verschiedenen Fahrsituationen zu realisieren. In dieser Konstellation können die Vorderflügelelemente sehr effektiv im Bodeneffekt arbeiten. Aufgrund der Anordnung im Wesentlichen in einer Ebene bzw. auf gleicher Höhe verändert sich die Strömung im Bodeneffekt und demzufolge der Abtrieb substantiell.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine mittlere Vorderflügelelement in eine Stellung mit positivem geometrischen Anstellwinkel überführbar, bei der Luft von oben zwischen dem vorderen und dem mindestens einen mittleren Vorderflügelelement nach unten hindurchtritt. Wenn Luft zwischen diesen Vorderflügelelementen hindurchströmt, wird die Druckdifferenz an diesen stark verändert. Es kommt dann insbesondere lokal an (mindestens) diesen beiden Vorderflügelelementen zur Abtriebsverringerung bis hin sogar zu Auftriebsbedingungen.
-
Eine ähnliche Situation wird gemäß anderen vorteilhaften Ausführungsformen erreicht, bei denen das mindestens eine mittlere Vorderflügelelement entweder an dem vorderen Vorderflügelelement oder dem hinteren Vorderflügelelement schwenkbar angelenkt ist. Im erstgenannten Fall ist bevorzugt die Vorderkante des mindestens einen mittleren Vorderflügelelements an der Hinterkante des vorderen Vorderflügelelements schwenkbar angeordnet. Im letztgenannten Fall ist die Hinterkante des mindestens einen mittleren Vorderflügelelements an der Vorderkante des hinteren Vorderflügelelements schwenkbar angeordnet. Es kommt auch hierbei insbesondere an dem vorderen und dem mindestens einen mittleren Vorderflügelelement zur Abtriebsverringerung. Es ist zudem möglich, dass zwei mittlere Vorderflügelelemente zueinander schwenkbar hintereinander angeordnet sind, wobei beispielsweise das in Fahrtrichtung weiter vorne angeordnete mittlere Vorderflügelelement an der Hinterkante des vorderen Vorderflügelelements und das in Fahrtrichtung weiter hinten angeordnete mittlere Vorderflügelelement an der Hinterkante des weiter vorne angeordneten mittleren Vorderflügelelements angelenkt ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere hintereinander angeordnete und voneinander in Fahrzeugrichtung beabstandete mittlere Vorderflügelelemente in eine Stellung mit einem positiven geometrischen Anstellwinkel gegenüber der Horizontalen überführbar.
-
Für die prinzipielle Wirkungsweise der Erfindung ist eine spezielle Ausgestaltung von einem oder mehreren Rückflügelelementen, das bzw. die im Rückbereich des Landfahrzeugs angeordnet sind, prinzipiell nicht notwendig. Im Falle von mehreren Rückflügelelementen sind diese vorzugsweise in Längsrichtung des Fahrzeugs hintereinander angeordnet. Es hat sich aber als vorteilhaft für einen optimierten Abtrieb erwiesen, dass ein oder mehrere Rückflügelelemente ebenfalls hinsichtlich ihres geometrischen Anstellwinkels verstellbar ausgebildet sind. Hierbei weist das Landfahrzeug im Rückbereich vorzugsweise mindestens zwei und besonders bevorzugt mindestens drei Rückflügelelemente in Längsrichtung hintereinander angeordnet auf, wobei mindestens eins, vorzugsweise mindestens zwei und besonders bevorzugt mindestens drei Rückflügelelemente in ihrem geometrischen Anstellwinkel verstellbar positionierbar sind. Es hat sich gezeigt, dass dann - zusammen mit der adaptiven Einstellbarkeit des geometrischen Anstellwinkels von mindestens einem Vorderflügelelement - das Landfahrzeug optimal im Bodeneffekt arbeiten kann, um die Strömung in weiten Bereichen anzupassen.
-
Dem gleichen Zweck dient es, wenn mindestens zwei der Rückflügelelemente auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind, vorzugsweise in gegen die Fahrtrichtung gesehen ansteigenden Höhen. Es hat sich gezeigt, dass bei einer solchen Anordnung und im Zusammenspiel mit den erfindungsgemäß ausgestalteten und angeordneten Vorderflügelelementen ein optimierter Abtrieb bei verschiedenen Fahrsituationen, insbesondere der Geradeausfahrt und der Kurvenfahrt, erzielbar ist. Das Hintereinanderreihen von mehreren Flügelprofilen bzw. Flügelelementen ermöglicht es, die Luft besonders stark und effizient in ihrer Flussrichtung umzulenken. Auch die sogenannte Diffusor-Funktion, bei der ein Druckanstieg erzeugt wird, kann mit dieser Ausgestaltung geometrisch sehr kompakt erzeugt werden.
-
Besonders bevorzugt zieht sich das im Vorderbereich angeordnete hinterste Vorderflügelelement bis in den Rückbereich des Fahrzeugs. Ein solches Flügelelement ist vorzugsweise das längste des gesamten Landfahrzeugs und kann insbesondere bei starrer Ausgestaltung als Zwischenglied von im geometrischen Anstellwinkel verstellbaren Vorder- und Rückflügelelementen fungieren.
-
Bei einer speziell vorteilhaften Konfiguration ist das vorderste Vorderflügelelement starr, das nachfolgende im geometrischen Anstellwinkel verstellbar, das danach folgende vorzugsweise wiederum starr und zwei aufeinander folgende, vorzugsweise drei aufeinander folgende, Rückflügelelemente in ihrem geometrischen Anstellwinkel verstellbar ausgebildet.
-
Auf je einer Seite der Längsachse sind vorzugsweise jeweils gleich ausgestaltete Vorder- und/oder Rückflügelelemente angeordnet. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung sind vorzugsweise im Vorderbereich des Landfahrzeugs auf jeder der beiden Seiten der Längsachse jeweils drei der besagten Vorderflügelelemente angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung sind demnach mindestens sechs Vorderflügelelemente im Vorderbereich des Landfahrzeugs vorgesehen und hierbei mindestens jeweils drei links und rechts von dessen Längsachse. Gleichfalls sind dementsprechend im Rückbereich des Landfahrzeugs vorzugsweise auf jeder der beiden Seiten der Längsachse jeweils mindestens zwei der besagten Rückflügelelemente angeordnet.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in Richtung der Querachse des Landfahrzeugs miteinander fluchtende Vorderflügelelemente und/oder Rückflügelelemente auf jeder der beiden Seiten der Längsachse jeweils getrennt voneinander angeordnet sind. Bei einer Alternative gehen die Vorderflügelelemente und/oder die Rückflügelelemente in Querachsen-Richtung jeweils ineinander über und/oder sind jeweils einstückig ausgebildet.
-
Bevorzugt sind die jeweiligen Vorderflügelelemente und/oder Rückflügelelemente symmetrisch zur Längsachse angeordnet. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das gesamte Landfahrzeug in Bezug auf seine Vorder- und Rückelemente sowie seinen Rumpf längssymmetrisch aufgebaut.
-
Wie von starren oder beweglichen Flügelelementen aus dem Stand der Technik bekannt, erstrecken sich auch die Vorder- und/oder die Rückflügelelemente des erfindungsgemäßen Landfahrzeugs vorzugsweise in dessen Querrichtung, wobei die in Querrichtung gemessene Breite der Vorderflügelelemente und/oder der Rückflügelelemente größer ist als deren in Längsrichtung gemessene Tiefe.
-
Besonders bevorzugt sind die geometrischen Anstellwinkel der betreffenden Vorder- und/oder Rückflügelelemente mittels elektrischer Motoren verstellbar, die beispielsweise im Rumpf des Landfahrzeugs angeordnet sind. Die Verstellung kann manuell oder durch eine automatisierte Steuerung erfolgen.
-
Eine manuelle Steuerung kann durch einen in einer Fahrerkabine des Landfahrzeugs sitzenden oder liegenden Fahrer erfolgen. Die hierfür notwendigen entsprechenden Vorrichtungen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
-
Das erfindungsgemäße Landfahrzeug weist vorteilhafterweise eine im Wesentlichen pfeilspitzenförmige oder gepfeilte Form auf, die sich als besonders vorteilhaft im Zusammenspiel mit den beschriebenen Flügelelementen gezeigt hat.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Landfahrzeugs sieht vor, dass es drei Räder aufweist, vorzugsweise ein Rad im Vorderbereich und zwei in Querrichtung des Fahrzeugs beabstandete Räder im Rückbereich des Fahrzeugs.
-
Die Erfindung ermöglicht es entsprechend dem Vorgesagten, die Abtriebskraft und die Balance (d.h. Kraftangriffspunkt) des Landfahrzeugs genau zu kontrollieren. Diese sehr großen Kräfte sind entsprechend der Erfindung mit möglichst kleinen Flügelelementen kontrollierbar, welche ihrerseits schnell und mit möglichst kleinen und leichten Aktuatoren bzw. Elektromotoren bewegt werden. Generell ist es bevorzugt, die positionierbaren Flügelelemente mittels Aktuatoren, wie beispielsweise elektrischen Motoren, Hydraulikeinrichtungen und/oder Linearantrieben, zu verstellen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Landfahrzeugs mit einer ersten Ausrichtung der Vorder- und Rückflügelelemente;
- 2 eine perspektivische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Landfahrzeug der 1 mit einer zweiten Ausrichtung der Vorder- und Rückflügelelemente;
- 3 eine geschnittene Seitenansicht des Landfahrzeugs gemäß der 1;
- 4 eine geschnittene Seitenansicht des Landfahrzeugs gemäß der 2;
- 5 eine schematische Seitenansicht nur der Flügelelemente des Landfahrzeugs gemäß der 1 und 3 in einer Strömungssimulation;
- 6 eine schematische Seitenansicht nur der Flügelelemente des Landfahrzeugs gemäß der 2 und 4 in einer Strömungssimulation;
- 7 eine äußerst schematische Seitenansicht des Vorderbereichs einer zweiten Ausführungsform eines Landfahrzeugs (nur Flügelelemente sind dargestellt);
- 8 eine äußerst schematische Seitenansicht des Vorderbereichs einer dritten Ausführungsform eines Landfahrzeugs (nur Flügelelemente sind dargestellt);
- 9 eine äußerst schematische Seitenansicht des Vorderbereichs einer vierten Ausführungsform eines Landfahrzeugs (nur Flügelelemente sind dargestellt) mit einer ersten Ausrichtung der Vorder- und Rückflügelelemente;
- 10 die vierte Ausführungsform gemäß der 9 mit einer zweiten Ausrichtung der Vorder- und Rückflügelelemente;
- 11 eine äußerst schematische Seitenansicht des Vorderbereichs einer fünften Ausführungsform eines Landfahrzeugs (nur Flügelelemente sind dargestellt) mit einer ersten Ausrichtung der Vorder- und Rückflügelelemente;
- 12 die fünfte Ausführungsform gemäß der 11 mit einer zweiten Ausrichtung der Vorder- und Rückflügelelemente, und
- 13 eine schematische Darstellung eines positiven geometrischen Anstellwinkels.
-
In den 1 und 2 ist in perspektivischer Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Landfahrzeugs 1 dargestellt, das einen langgestreckten Rumpf 2 aufweist, in dem eine Fahrerkabine 3 integriert ist. Auf der Unterseite des Landfahrzeugs 1 sind drei Räder 4 in Dreieckskonfiguration angeordnet, eines vorne und zwei hinten. Weiterhin sind ein oder mehrere Antriebe für die Räder 4 vorgesehen (nicht dargestellt), welche für den Vortrieb des Landfahrzeugs 1 sorgen. Der oder die Antriebe können insbesondere Verbrenner- und/oder Hybridantriebe und/oder Elektroantriebe sein.
-
Das Landfahrzeug 1 weist eine in seiner Querrichtung verlaufende Querachse Q und eine in seiner Längsrichtung verlaufende Längsachse L sowie einen Schwerpunkt S (s. 5 und 6) auf. In Fahrtrichtung F ist vor dem Schwerpunkt S ein Vorderbereich 8 und hinter dem Schwerpunkt S ein Rückbereich 9 angeordnet (in den 1 und 2 ist der Schwerpunkt S nicht eingezeichnet). Das Landfahrzeug 1 weist vorliegend eine gepfeilte Form auf, wobei diese Pfeilspitzenform vorliegend dadurch definiert ist, dass der Vorderbereich 8 wesentlich schmaler ausgebildet ist als der Rückbereich 9.
-
Insgesamt ist das Landfahrzeug 1 symmetrisch in Bezug auf eine durch die Längsachse L senkrecht verlaufende Ebene aufgebaut.
-
Im Vorderbereich 8 sind zu beiden Seiten der Längsachse L jeweils drei Vorderflügelelemente 15, 16, 17 in Längsrichtung hintereinander und im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet. Die hinteren Vorderflügelelemente 17 erstrecken sich in Längsrichtung L bis in den Rückbereich 9 des Landfahrzeugs 1. In Querrichtung Q fluchten die vorderen Vorderflügelelemente 15 jeweils miteinander, ebenso wie die mittleren und hinteren Vorderflügelelemente 16 und 17 jeweils miteinander fluchten. Die vorderen Vorderflügelelemente 15 und die hinteren Vorderflügelelemente 17 sind starr am Rumpf 2 befestigt, während der geometrische Anstellwinkel der mittleren Vorderflügelelemente 16 während der Fahrt verstellbar ist, um den aerodynamischen Abtriebsbeiwert des Landfahrzeugs 1 zu ändern.
-
Wenn nachfolgend und der Einfachheit halber von einem Vorder- oder Rückflügelelement in der Einzahl die Rede ist, dann ist damit auch das jeweilige auf der anderen Seite der Längsachse des Landfahrzeugs angeordnete Vorder- und Rückflügelelement umfasst.
-
Die Hinterkante des vorderen Vorderflügelelements 15 kann auf Abstand (in Längsrichtung des Landfahrzeugs gesehen) zur Vorderkante des vorliegend einzigen mittleren Vorderflügelelements 16 verlaufen. Alternativ ist - von oben gesehen - eine geringfügige Überdeckung zumindest von zwei aufeinanderfolgenden Vorderflügelelementen möglich.
-
Das mittlere Vorderflügelelement 16 ist randseitig an allen seinen drei Kanten von starren Bauteilen umgeben. Das schon genannte starre vordere Vorderflügelelement 15 erstreckt sich hierbei in Form eines starren Bauteils 16d entlang der Stirnseiten des mittleren Vorderflügelelements 16 und geht in das hintere Vorderflügelelement 17 über.
-
Vorteilhafterweise ist einerseits die rumpfentfernte Stirnseite des mittleren Vorderflügelelements 16 an dem starren Bauteil 16d und andererseits an seiner rumpfseitigen Stirnseite am Rumpf 2 angelenkt (mittels einer Schwenkachse, nicht dargestellt), um durch Verschwenken den jeweiligen geometrischen Anstellwinkel zu realisieren.
-
Gemäß den 1, 3 und 5 ist der Anstellwinkel des mittleren Vorderflügelelements 16 in einer ersten Winkelstellung dargestellt, in der sich seine Vorderkante auf gleicher Höhe oder nahezu auf gleicher Höhe mit der Hinterkante des vorderen Vorderflügelelements 15 befindet und ein nur geringer oder kein Abstand zwischen diesen beiden besagten Kanten vorliegt. Der geometrische Anstellwinkel, also der Winkel zwischen der Richtung des anströmenden Fluids und der Profilsehne des mittleren Vorderflügelelements 16 - d.h. deren gedachter Verbindungslinie zwischen der Profilnase und der Profilhinterkante, s. 13- beträgt demnach in dieser ersten Winkelstellung ca. 0°. In dieser Stellung strömt die Luft nahezu ausschließlich über diese beiden Vorderflügelelemente 15, 16 und wird nicht zwischen sie und unter die beiden Vorderflügelelemente 15, 16 gelenkt (s. auch die 5). Die Stellung der beiden Vorderflügelelemente 16, 17 relativ zueinander entsprechend der 1, 3 und 5 dient demselben Zweck. Auch hier sind die Hinterkante des mittleren Vorderflügelelements 16 und die Vorderkante des hinteren Vorderflügelelements 17 dicht beieinander (vorliegend mit leichter Überdeckung), so dass keine oder kaum Luft von oben nach unten zwischen sie durchströmen kann. Die Vorderflügelelemente 15, 16, 17 sind demnach ganz nah aneinander positioniert und verhalten sich, da ohne wesentliche Durchströmung, ähnlich einem einzigen Flügelelement.
-
In den 2, 4 und 6 ist das mittlere Vorderflügelelement 16 um seine Schwenkachse, die vorliegend um ca. 10 Grad gegenüber der Querachse Q verschränkt verläuft, verschwenkt, wobei seine Vorderkante nach oben und seine Hinterkante nach unten verschwenkt sind, um auf diese Weise den geometrischen Anstellwinkel des mittleren Vorderflügelelements 16 zu vergrößern, der somit positiv wird. Der geometrische Anstellwinkel beträgt gemäß den 2, 4 und 6, gemessen gegenüber der Horizontalen, ca. 15° (s. auch die 13 mit der Darstellung eines positiven geometrischen Anstellwinkels). Diese Stellung kann eine maximale zweite Winkelstellung des mittleren Vorderflügelelements 16 darstellen. Alternativ ist das mittlere Vorderflügelelement 16 gemäß den 2, 4 und 6 nicht maximal verschwenkt, sondern kann in eine zweite Winkelstellung mit einem noch größeren geometrischen Anstellwinkel, beispielsweise 25°, verschwenkt werden.
-
Durch die in den 2, 4 und 6 dargestellte Stellung des mittleren Vorderflügelelements 16 entsteht einerseits ein Spalt zwischen dem vorderen Vorderflügelelement 15 und dem mittleren Vorderflügelelement 16 und andererseits ein weiterer Spalt zwischen dem mittleren Vorderflügelelement 16 und dem hinteren Vorderflügelelement 17. Durch beide Spalte kann Luft von der Oberseite der Vorderflügelelemente 15, 16 auf deren Unterseite hindurchtreten, um auf diese Weise den aerodynamischen Abtriebsbeiwert zu verringern (s. 6 und vgl. mit 5). Auch werden hierdurch die Reifen weniger beansprucht, was deren Lebensdauer erhöht bzw. es erlaubt, stärker haftende Gummimischungen einzusetzen.
-
Es hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass die Anzahl der hintereinander angeordneten Vorderflügelelemente 15, 16, 17 vorteilhafterweise genau drei beträgt. Es sind aber auch vorteilhafte Konstellationen denkbar, bei denen zusätzlich zu den besagten drei Vorderflügelelementen 15, 16, 17 noch ein oder mehrere weitere Vorderflügelelemente vorgesehen sind, die vor und/oder hinter den besagten drei Vorderflügelelementen angeordnet und starr oder beweglich ausgebildet sein können. Auch sind Ausführungsformen möglich, bei denen mehrere mittlere Vorderflügelelemente zwischen dem vorderen Vorderflügelelement 15 und dem hinteren Vorderflügelelement 17 vorgesehen sind (s. 7 und 8).
-
Auch im Rückbereich 9 des Landfahrzeugs 1 sind Flügelelemente vorgesehen. Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das hinterste Vorderflügelelement 17 in den Rückbereich 9 des Landfahrzeugs 1. In entgegengesetzte Fahrtrichtung gesehen sind weitere, zu beiden Seiten der Längsachse L angeordnete und vorliegend in ansteigender Höhe hintereinander angeordnete Rückflügelelemente 21, 22, 23 vorgesehen. Die jeweils drei Rückflügelelemente 21, 22, 23 sind gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel in ihrem jeweiligen geometrischen Anstellwinkel verstellbar, was vorzugsweise realisiert ist durch entsprechende Anlenkung um Schwenkachsen, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse L und parallel zur Querachse Q des Landfahrzeugs verlaufen.
-
In den 1, 3 und 5 sind die drei Rückflügelelemente 21, 22, 23 derart zueinander verschwenkt (Veränderung des geometrischen Anstellwinkels), dass deren jeweils aneinander angrenzenden Hinter- und Vorderkanten eine nahezu geschlossene Linie bilden, aber noch geringe Luftvolumina zwischen ihnen hindurchtreten können. Diese Stellungen bedingen einen sehr hohen aerodynamischen Abtriebsbeiwert, s. auch die Strömungssimulation in der 5. Die Strömungssimulation entsprechend der 5 (und auch entsprechend der 6) zeigt hierbei unmittelbar, wie Luft entlang der verschiedenen Flügelelemente und der Fahrbahn FB, auf der das Landfahrzeug fährt, strömt. In den 2, 4 und 6 sind die drei Rückflügelelemente 21, 22, 23 derart zueinander verschwenkt (Veränderung des geometrischen Anstellwinkels), dass deren jeweils aneinander angrenzenden Hinter- und Vorderkanten jeweils einen Spalt bilden, zwischen denen Luft praktisch ohne Umlenkung hindurchtritt. Diese Stellungen begünstigen einen sehr niedrigen aerodynamischen Abtriebsbeiwert, bis hin zu einem negativen Abtriebsbeiwert, d.h. einem (positiven) Auftriebsbeiwert, s. auch die Strömungssimulation in der 6.
-
Die Strömungsbilder der 5 und 6, welche nur die Vorderflügelelemente 15, 16, 17 und die Rückflügelelemente 21, 22, 23 mit den jeweils simulierten Strömungslinien zeigen, veranschaulichen die aerodynamischen Verhältnisse. Bei den Stellungen der Vorderflügelelemente 15, 16, 17 und der Rückflügelelemente 21, 22, 23 gemäß der 5 ist der Abtriebsbeiwert für das Landfahrzeug im Schwerpunkt S sehr groß (und der Luftwiderstand auch), während bei den Stellungen der Vorderflügelelemente 15, 16, 17 und der Rückflügelelemente 21, 22, 23 gemäß der 6 der Abtriebsbeiwert im Schwerpunkt S sehr klein ist (und der Luftwiderstand ebenso).
-
Es sei hier erläutert, dass in den 5 und 6 kleine Abstände zwischen Strömungslinien einen geringen Druckbeiwert bedeuten, größere Abstände einen größeren Druckbeiwert. Da in der 5 oberhalb der Vorderflügelelemente 15, 16, 17 ein großer Druckbeiwert herrscht und unterhalb ein sehr kleiner, ist der Abtriebsbeiwert insgesamt sehr groß.
-
Gemäß dem Vorgesagten stehen in Strömungsrichtung gesehen die Flügelelemente 15, 17 fest, während die Flügelelemente 16, 21, 22, 23 bewegt werden können. Als Resultat der Flügelbewegungen, welche vorzugsweise mit Servo-Elektromotoren angesteuert werden, lassen sich die Luftkräfte in z-Richtung vollständig einstellen, und auch die Balance von vorne nach hinten ist ausreichend einstellbar.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Design kann die Abtriebskraft und die Balance bzw. der Druckpunkt (also der Angriffspunkt der Abtriebskraft) genau kontrolliert werden. Es ist zudem von Vorteil, wenn hierzu die Flügelelemente sehr klein gewählt werden, um schneller und mit kleineren Kräften die Einstellung der bewegbaren Flügelelemente vornehmen zu können. Je kleiner die benötigten Kräfte, desto leichter können insbesondere auch die entsprechenden Aktuatoren für die Verstellbarkeit der geometrischen Anstellwinkel der betreffenden Flügelelemente (hier die Flügelelemente 16, 21, 22, 23), beispielsweise Elektromotoren, gewählt werden.
-
Im Folgenden sind aerodynamische Überlegungen wiedergegeben, welche die konkrete Auslegung des Landfahrzeugs gemäß der 1-6 betreffen.
-
Die Stellung der Rückflügelelemente 21, 22, 23 gemäß der 1, 3 und 5 bedingt einen relativ großen aerodynamischen Abtrieb, der günstig ist, wenn das Fahrzeug hohe Beschleunigungseffekte aufbauen soll, wie z.B. bei Kurvenfahrten und beim Bremsen. Um diesen, z.B. bei Geradeausfahrten, zu verringern, werden die Rückflügelelemente 21, 22, 23 (die einen aerodynamischen Diffusor bilden) in ihrem geometrischen Anstellwinkel reduziert (2, 4, und 6), so dass die Luft weniger oder gar nicht nach oben abgelenkt wird, wie dies auch in 6 zu sehen ist. Bei dem in den Figuren dargestellten Fahrzeug ergibt sich daraus jedoch, dass die resultierende Abtriebskraft nach vorne wandern würde. Dies würde sich negativ auf die Fahrdynamik auswirken, da das Fahrzeug nun zum Übersteuern neigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann somit durch Verstellen des mittleren Vorderflügelelements 16 eine Balance zu der Kaskade der Rückflügelelemente 21, 22, 23 erreicht werden.
-
Allein durch Drehbewegungen des mittleren Vorderflügelelements 16 kann das vordere, starre Vorderflügelelement 15, ebenfalls vollständig „aktiviert“, bzw. „inaktiviert“ werden, obwohl es vorliegend gar nicht verstellt wird. Mit anderen Worten kann mittels der Verstellung des mittleren Vorderflügelelements 16 die Kraft in z-Richtung (Fahrzeughochachse) des vorderen Vorderflügelelements 15 mitkontrolliert werden. Dieses Phänomen beruht im Wesentlichen auf dem Bodeneffekt der Vorderflügelelemente 15, 16, 17.
-
Dementsprechend zeigt die Konstellation der Vorderflügelelemente 15, 16, 17 und der Rückflügelelemente 21, 22, 23, die insgesamt als ein Flügel angesehen werden können, gemäß der 6 nur noch einen Bruchteil des Abtriebs im Vergleich zur 5. Die Rückflügelelemente 21, 22, 23 sind in ihrem Anstellwinkel entsprechend der 2, 4 und 6 nahezu horizontal gestellt, und das mittlere Vorderflügelelement 16 ist im Uhrzeigersinn rotiert und sorgt für eine Zuströmung der Luft zur Unterseite des hinteren Vorderflügelelements 17. Es ist weiter zu sehen, dass nun unter dem vorderen Vorderflügelelement 15 ein Überdruck herrscht. Hierdurch wird der Druckpunkt gleich oder gewünscht ähnlich zu dem in 5 gezeigten eingestellt, um ihn nahe des Fahrzeugschwerpunktes S zu behalten.
-
Es resultiert vorliegend ein Landfahrzeug 1 mit mehreren hintereinander angeordneten Flügelelementen 15, 16, 17, 21, 22, 23, die insgesamt einem sehr großen, effizienten, mehrelementigen Flügel entsprechen, wobei der Druckpunkt dieses Flügels sehr gut kontrollieren werden kann. Die Abtriebskraft dieses Flügels ist hierbei in einem weiten Bereich, bevorzugt von Null bis maximal, einstellbar. Selbstverständlich geht eine Verringerung des Abtriebs auch mit einer Widerstandsersparnis einher. Weiterhin ist es bevorzugt, dass alle bewegten Flügelelemente (vorliegend die Flügelelemente 16, 21, 22, 23) durch eine günstig gewählte Drehachse mit geringer Kraft zu betätigen sind und somit sehr schnell, der Fahrsituation entsprechend, in ihrem Winkel verändert werden können.
-
In den 7 und 8 ist jeweils der Vorderbereich 8 einer zweiten und einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Landfahrzeugs dargestellt, wobei allerdings nur Flügelelemente abgebildet sind.
-
Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform ist ein weiter zum Fahrzeugheck hin angeordnetes mittleres Vorderflügelelement 16' zusätzlich zum weiter vorne angeordneten mittleren Vorderflügelelement 16 ebenfalls verschwenkbar ausgebildet, so dass nicht nur Luft zwischen den beiden Vorderflügelelementen 15, 16 von oben nach unten, sondern bei der dargestellten aufgeklappten Stellung auch zwischen den Vorderflügelelementen 16, 16' strömen kann, um hierdurch den Abtriebsbeiwert zu beeinflussen (grob angedeutet durch die geschwungene Strömungslinie). Auch strömt Luft zwischen dem Vorderflügelelement 16' und dem nachfolgenden hinteren Flügelelement 17 von oben nach unten. Die beiden Vorderflügelelemente 16, 16' werden vorzugsweise vom Fahrer gemeinsam und um jeweils gleiche Winkel verstellt; eine Einzelansteuerung der beiden Vorderflügelelemente 16, 16' mit unterschiedlichen Stellungen der geometrischen Anstellwinkel ist aber ebenfalls möglich. In der nicht gezeigten geschlossenen Stellung (vgl. 5) bilden die Vorderflügelelemente 15, 16, 16' mit dem nachgeordneten hinteren Vorderflügelelement 17 ein im Wesentlichen geschlossenes Profil aus, wobei nur geringe Luftmengen von der Ober- zur Unterseite des Fahrzeugs geleitet werden.
-
Bei der dritten Ausführungsform der 8 ist ein weiteres mittleres Vorderflügelelement 16" vorgesehen, dass in Richtung des Hecks zu den besagten drei Vorderflügelelementen 15, 16, 16' hinzukommt und vorteilhafterweise ebenfalls verschwenkbar ausgestaltet ist. Es gelten hier die analogen Ausführungen wie für die zweite Ausführungsform der 7.
-
In den 9 und 10 ist eine vierte Ausführungsform dargestellt, bei der das - hier einzige - mittlere Vorderflügelelement 16a mit seiner Vorderkante an der Hinterkante des vorderen Vorderflügelelements 15a angelenkt ist. In der 9 ist das mittlere Vorderflügelelement 16a flach angestellt, während gemäß der 10 das mittlere Vorderflügelelement 16a in eine Position mit einem positiven geometrischen Anstellwinkel zur Verringerung des Abtriebsbeiwerts verschwenkt ist. Die Darstellung der simulierten Strömungslinien entspricht derjenigen der 5 und 6.
-
In den 11 und 12 ist schließlich eine fünfte Ausführungsform gezeigt, die sich im Wesentlichen von derjenigen der 9 und 10 dahingehend unterscheidet, dass hier die Hinterkante des - wiederum hier einzigen - mittleren Vorderflügelelements 16b schwenkbar an der Vorderkante des hinteren Vorderflügelelements 17b angelenkt ist. Die 11 zeigt das in eine flache bzw. im Wesentlichen in horizontale Lage verschwenkte mittlere Vorderflügelelement 16b, bei der der Abtrieb relativ groß ist. In der verschwenkten Stellung des mittleren Vorderflügelelements 16b mit positivem geometrischen Anstellwinkel gemäß der 12 ist der Abtriebsbeiwert verringert.
-
Bei dem in den Figuren dargestellten Autodesign kann das Verhältnis von am Fahrzeug angreifenden aerodynamischen Kräften gegenüber der Eigengewichtskraft des Fahrzeuges wesentlich erhöht werden. Mathematisch gilt:
mit Cl: aerodynamischer Abtriebsbeiwert (z.B. 4, entsprechend der Erfindung einstellbar)
S: Stirnfläche des Fahrzeuges (z.B. 1 m
2)
M: Gesamtmasse des Fahrzeuges (z.B. 400 bis 800 kg)
-
Die in der Formel 1 fahrenden Fahrzeuge weisen von allen real fahrenden Autos die größten Werte zu X auf, nämlich einen X-Wert von ca. 0,005. Das erfindungsgemäße Landfahrzeug bzw. Auto kann hingegen einen X-Wert von ca. 0,02 aufweisen. Daher ist es in der Lage, aerodynamische Kräfte aufzubauen, die bezogen auf das Fahrzeuggewicht etwa viermal so groß sind wie die eines Formel 1-Autos. Dementsprechend hat die Aerodynamik des erfindungsgemäßen Landfahrzeugs 1 einen höheren Einfluss auf die Fahrzeug- und Fahrdynamik. Speziell ist der Abtriebsbeiwert bei der Stellung der Flügelelemente 16, 16a, 16b, 16', 16", 21, 22, 23 gemäß der 1, 3, 5, 9 und 11 relativ groß und wird daher bei hohen Geschwindigkeiten, insbesondere bei der Geradeausfahrt, zweckmäßigerweise abgesenkt, damit nicht zu große Kräfte auf die Struktur, das Fahrwerk und die Reifen wirken. Mit anderen Worten: Würde der Abtrieb bei hohen Geschwindigkeiten nicht in eine Stellung wie beispielhaft in den 2, 4 und 6; 7; 8; 10; 12 gezeigt abgesenkt werden, müssten Struktur, Fahrwerk und Reifen anders dimensioniert und ausgelegt werden bzw. ein Kompromiss mit kleinerem X-Wert gesucht werden, was jedoch beides zu Lasten der Fahrzeugperformance ginge.
-
Selbstverständlich können die Flügelelemente 16, 16a, 16b, 16', 16", 21, 22, 23 in Abstimmung auf die jeweilige Fahrtsituation auch in Zwischenstellungen zwischen die in den 1, 3 und 5 sowie den 2, 4 und 6 bzw. 9 und 10 bzw. 11 und 12 gezeigten Stellungen positioniert werden.
-
Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform weist die besagten drei Rückflügelelemente 21, 22, 23 auf. Für den erfindungsgemäßen Effekt sind prinzipiell keine speziellen Anforderungen an das oder die üblicherweise vorhandenen Rückflügelelemente zu stellen. Es ist noch nicht einmal zwingend, dass im Falle von einem oder mehreren vorhandenen Rückflügelelementen dieses oder einige oder alle Rückflügelelemente in ihrem geometrischen Anstellwinkel verstellbar sind. Es hat sich aber gezeigt, dass sich ein optimierter und je nach Fahrtsituation anpassbarer Abtrieb sich im Zusammenspiel der besagten Vorderflügelelemente mit drei in ihrem geometrischen Anstellwinkel verstellbar positionierbaren Rückflügelelementen erzielen lässt. Es ist aber auch selbstverständlich möglich, dass nur ein starres oder in seinem geometrischen Anstellwinkel verstellbar positionierbares Rückflügelelement vorhanden ist, oder dass mehrere Rückflügelelemente, die allesamt starr oder von denen eins oder mehrere oder alle in ihrem geometrischen Anstellwinkel verstellbar positionierbar sind, vorgesehen sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Landfahrzeug
- 2
- Rumpf
- 3
- Fahrerkabine
- 4
- Räder
- 8
- Vorderbereich
- 9
- Rückbereich
- 15
- vorderes Vorderflügelelement
- 15a
- vorderes Vorderflügelelement
- 16
- mittleres Vorderflügelelement
- 16'
- mittleres Vorderflügelelement
- 16''
- mittleres Vorderflügelelement
- 16a
- mittleres Vorderflügelelement
- 16b
- mittleres Vorderflügelelement
- 16d
- starres Bauteil
- 17
- hinteres Vorderflügelelement
- 17b
- hinteres Vorderflügelelement
- 21
- Rückflügelelement
- 22
- Rückflügelelement
- 23
- Rückflügelelement
- Q
- Querachse
- L
- Längsachse
- S
- Schwerpunkt
- F
- Fahrtrichtung
- FB
- Fahrbahn
