DE3620843A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen optimierung der aerodynamischen eigenschaften eines fahrzeugs - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur automatischen optimierung der aerodynamischen eigenschaften eines fahrzeugsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der
aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs nach der
Gattung des Hauptanspruchs sowie eine Vorrichtung zur
Ausführung des Verfahrens nach der Gattung des Anspruchs
7.
Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung der aerodynami
schen Eigenschaften, insbesondere der Bodenhaftung und
des Luftwiderstandsbeiwerts c w sind bekannt.
In einer japanischen Autozeitschrift (JAT, Japan
Autotech Report) vom 20. April 1986 ist eine Steuerung
beschrieben, die über entsprechende Stellmotoren die
Stellung von an einem Fahrzeug angebrachten Spoilern
u.a. in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit
verändert.
Es ist auch bekannt, zur Verbesserung der aerodynami
schen Fahrzeugeigenschaften, die Stellung eines elek
trisch verstellbaren Spoilers per Handsteuerung zu
verändern (Prospekt der Firma AMG).
Schließlich ist eine elektronisch geregelte Luftfederung
für Personenkraftwagen der Robert Bosch GmbH bekannt,
mit deren Hilfe die Bodenfreiheit bzw. das Fahrzeug
niveau bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten zur Verminde
rung des Luftwiderstands gesenkt werden kann.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben den Nach
teil, daß sie nur zu einer pauschalen Verbesserung des
Luftwiderstandsbeiwertes c w und der Bodenhaftung führen.
Eine wesentliche Verbesserung der aerodynamischen
Eigenschaften des Fahrzeugs wird bestenfalls bei einer
bestimmten Geschwindigkeit erreicht. Bei allen anderen
Geschwindigkeiten wird eine deutlich geringere Verbesse
rung der aerodynamischen Fahrzeugeigenschaften, in
manchen Fällen sogar eine Verschlechterung dieser
Eigenschaften erzielt.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs und die Vorrichtung der
erfindungsgemäßen Art haben demgegenüber den Vorteil,
daß eine automatische Optimierung der aerodynamischen
Eigenschaften, insbesondere ein optimaler Strömungsver
lauf und auch eine optimale Bodenhaftung bei allen
Geschwindigkeiten erreicht wird, indem über mindestens
einen, mit dem Spoiler zusammenwirkenden Drucksensor der
Luftdruck am Fahrzeug gemessen und die ermittelten
Meßwerte an eine Steuereinrichtung weitergegeben werden,
die anhand dieser Meßwerte die aerodynamisch optimale
Spoilerstellung ermittelt und einstellt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind in
Fahrtrichtung vor und hinter dem Spoiler mindestens je
ein Drucksensor angeordnet. Die Steuereinrichtung
bestimmt anhand der Meßwerte dieser Sensoren die
Differenz des vor und hinter dem Spoiler herrschenden
Drucks und anhand des Differenzdrucks die optimale
Spoilerstellung.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ermittelt die
Steuereinrichtung aus dem Vergleich der von dem Drucksen
sor und von einem Geschwindigkeitssensor zur Erfassung
der Fahrzeuggeschwindigkeit als Ist-Daten gelieferten
Daten mit in einem Speicher der Steuereinrichtung in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit als Soll-Daten
gespeicherten fahrzeugspezifischen, optimalen Druckwer
ten die aerodynamisch optimale Spoilerstellung. Die
Steuereinrichtung bringt durch Aktivierung des Verstell
glieds des Spoilers diesen aufgrund dieser Vergleichsda
ten in die aerodynamisch optimale Stellung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind in dem
Speicher der Steuereinrichtung die fahrzeugtypischen,
optimalen Niveauwerte in Abhängigkeit von der Geschwin
digkeit und/oder dem an dem und um das Fahrzeug herr
schenden Druck als Soll-Daten gespeichert, die mit den
von einem Niveausensor, dem Geschwindigkeitssensor
und/oder dem Drucksensor gemessenen Ist-Daten verglichen
werden. Die Steuereinrichtung aktiviert Stellorgane zur
Veränderung der Bodenfreiheit des Fahrzeugs, so daß die
Bodenfreiheit anhand der Vergleichswerte aerodyna
misch optimal an die Geschwindigkeits- und/oder Druckver
hältnisse angepaßt wird, indem beispielsweise die
Bodenfreiheit des Fahrzeugs mit steigender Geschwindig
keit reduziert wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der
Vorrichtung möglich, insbesondere kann das Druckprofil
des Fahrzeugs von zahlreichen, an verschiedenen,
geeigneten Stellen des Fahrzeugs angeordneten Drucksenso
ren erfaßt und die Meßwerte an die Steuereinrich
tung als Ist-Daten weitergegeben werden, um so einen mög
lichst genauen Vergleich mit den Soll-Daten im Speicher
zu erzielen. So lassen sich optimale Strömungseigenschaf
ten des Fahrzeugs bei allen Geschwindigkeiten und Windan
strömungsrichtungen erreichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert. In den verschiedenen Figuren sind gleiche
oder entsprechende Teile jeweils mit gleichen Bezugszei
chen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrich
tung zur automatischen Optimierung der aerodynamischen
Fahrzeugeigenschaften; und
Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einem Fahrzeug, bei dem die automatische
Regelung der Spoilerstellung mit der automatischen
Regelung der Bodenfreiheit kombiniert ist.
In Fig. 1 ist eine Steuereinrichtung 2 mit verschiede
nen Sensoren, nämlich Drucksensoren 4, einem Geschwindig
keitssensor 6 und Niveausensoren 8 dargestellt. Die
Sensoren 4 bis 8 sind über mit Pfeilen angedeutete erste
Leitungen 10 mit einem A/D-Wandler bzw. einem Multi
plexer 12 verbunden, der seinerseits eine mit einem
Doppelpfeil skizzierte Verbindung 14 zu einem Mikropro
zessor 16 aufweist. Mit diesem sind über zweite Leitun
gen 18 verschiedene Stellglieder 20 bis 24 zur Verstel
lung eines oder mehrerer, in Fig. 1 nicht dargestellter
Spoiler, eines in Fig. 1 nicht gezeigten Stellorgans
zur Veränderung der Bodenfreiheit des Fahrzeugs und
sonstiger Organe verbunden. Aus Fig. 1 ist außerdem
ersichtlich, daß der Mikroprozessor 16 über einen
mit einem Doppelpfeil angedeuteten Datenbus bzw. über
dritte Leitungen 26 mit einem Speicher 28 verbunden ist.
Fig. 2 zeigt skizzenhaft ein Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung zur automatischen Optimierung der aerodynami
schen Fahrzeugeigenschaften mit einem Fahrzeug 30. An
dem Fahrzeug 30 sind ein Frontspoiler 32, ein Dach
spoiler 34, ein oberer Heckspoiler 36 und ein unterer
Heckspoiler 38 angebracht, die durch in Fig. 2 nicht
dargestellte Verstellorgane 20 verstellbar sind. In
Fahrtrichtung vor und hinter jedem Spoiler 32 bis 38 ist
je ein Drucksensor 4 angebracht. Ein weiterer ist vor
der Frontscheibe des Fahrzeugs 30 angeordnet. Neben den
Niveausensoren 8 an den Vorderrädern und im Bereich der
Hinterachse des Fahrzeugs 30 befindet sich ein Geschwin
digkeitssensor 6 vorne im Fahrzeug 30, das im übrigen an
jedem Rad mit Stellorganen zur Veränderung der Bodenfrei
heit, hier mit zu einer Luftfederung 40 gehörenden
Luftfederbeinen 42, versehen ist. Die Luftfederung 40
umfaßt neben nicht dargestellten Magnetventilen eine
Druckluft-Erzeuger-Einheit 44, beispielsweise einen
Elektrokompressor.
Die Signale der Sensoren 4 bis 8 werden der Steuerein
heit 2 über die skizzierte Verbindung 14 zugeführt. Die
Steuereinheit 2 gibt ihrerseits über die zweiten
Leitungen 18 ihre Steuersignale an die nicht dargestell
ten Verstellglieder 20 der Spoiler 32 bis 38, an die
Druckluft-Erzeuger-Einheit 44 bzw. die Magnetventile der
Luftfederung 40 ab.
Die von den Drucksensoren 4 erzeugten und über die
ersten Leitungen 10 weitergeleiteten Signale werden von
dem A/D-Wandler 12 umgewandelt und über die Verbindung
14 dem Mikroprozessor 16 zur Verarbeitung weitergelei
tet. Auch die Signale des Geschwindigkeitssensors 6,
welcher der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 30 entsprechen
de Signale erzeugt, und die Daten der Niveausensoren 8,
die hier so ausgelegt sind, daß sie den Abstand des
Fahrzeugaufbaus von den Achsen erfassen und entsprechen
de Meßdaten abgeben, werden auf diese Weise über den
A/D-Wandler bzw. den Multiplexer 12 an den Mikro
prozessor 16 weitergeleitet. Die Niveausensoren 8 können
auch direkt den Abstand des Fahrzeugs 30 von dem
Untergrund erfassen und entsprechende Meßsignale an den
Mikroprozessor 16 abgeben. Bei entsprechender Auslegung
der Sensoren 4 bis 8 und des Mikroprozessors 16 kann der
A/D-Wandler bzw. der Multiplexer 12 entfallen.
Mit Hilfe der Drucksensoren 4 lassen sich die Strömungs
verhältnisse am und um das Fahrzeug 30 herum eindeutig
durch verschiedene Luftüberdruck- bzw. Luftunterdruckwer
te beschreiben, wobei an vom Fahrtwind angeströmten
Flächen gegenüber strömungsabgewanden Flächen in der
Regel ein erhöhter Luftdruck herrscht. Das von den
Drucksensoren 4 gemessene Druckprofil des Fahrzeug 30
kann umso genauer und besser gemessen werden, je mehr
Drucksensoren 4 sich an geeigneter Stelle am Fahrzeug 30
befinden.
In einfachen Fällen genügt auch schon ein im Wirkungsbe
reich eines Spoilers 32 bis 38 angeordneter Drucksensor
4, um die aerodynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs 30
zu optimieren. Eine Verfeinerung der Anpassung der
aerodynamischen Eigenschaften wird durch zwei in
Fahrtrichtung vor und hinter dem Spoiler 32 bis 38
angeordnete Drucksensoren 4 erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgelegt sein,
daß die Drucksensoren 4, ebenso wie die übrigen Sensoren
6 und 8 kontinuierlich Daten an die Steuereinrichtung 2
abgeben. Es ist aber auch möglich, die Meßwerte der
Sensoren 4 bis 6 nur in bestimmten, diskreten Zeitabstän
den abzufragen und zu verwerten.
Aus den von den Sensoren 4 bis 8 erzeugten Signalen, den
Ist-Daten, ermittelt der Mikroprozessor 16 der Steuerung
2 den Ist-Zustand des Fahrzeugs 30, also die am und um
das Fahrzeug 30 herrschenden Druckverhältnisse, die
Geschwindigkeit sowie die Bodenfreiheit des Fahrzeugs 30.
Der Soll-Zustand des Fahrzeugs 30, d. h. die gewünschten
Strömungs- und Druckverhältnisse am und um das Fahrzeug
30 herum sowie dessen Bodenfreiheit, werden mittels
Soll-Daten beschrieben, die in Windkanalversuchen für
jedes Fahrzeug bzw. für jeden Fahrzeugtyp gewonnen
werden. Diese Daten werden zusätzlich in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit festgehalten und -
beispielsweise in einem Kennfeld - in einem Speicher 28
gespeichert, der z.B. als Festwertspeicher ausgebildet
ist. Der Soll-Zustand wird also insgesamt durch die
Druck-, Niveau- und Geschwindigkeitswerte, die bei den
Windkanalversuchen gewonnen werden, erfaßt.
Diese im Speicher 28 gespeicherten Soll-Daten stehen dem
Mikroprozessor 16 jederzeit zur Verfügung und sind über
die dritten Leitungen 26 abrufbar. Soll- und Ist-Daten
werden im Mikroprozessor 16 kontinuierlich oder in
bestimmten Zeitabständen verglichen. Dabei gibt der
Mikroprozessor 16 über die zweiten Leitungen 18 Steuer
befehle an die verschiedenen Stellglieder 20 bis 24 ab.
Diese verstellen die Stellung oder auch die wirksame
Fläche der Spoiler 32 bis 38 und die Bodenfreiheit des
Fahrzeugs 30. Die Stellglieder bzw. Stellorgane zur
Verstellung der Bodenfreiheit sind hier als verstellbare
Luftfederbeine 42 einer Luftfederung 40 des Fahrzeugs 30
ausgelegt. Dabei wird die aerodynamisch optimale
Bodenfreiheit durch Aktivierung der Druckluft-Er
zeuger-Einheit 44 bzw. der nicht gezeigten Magnetventile
eingestellt. Die Steuereinrichtung 2 regelt also die
Bodenfreiheit entsprechend den am und um das Fahrzeug 30
herrschenden Druckverhältnisse bzw. entsprechend der
Fahrzeuggeschwindigkeit.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der
Vorrichtung werden bei allen Geschwindigkeiten optimale
aerodynamische Eigenschaften des Fahrzeugs erreicht, d.
h. der Luftwiderstandsbeiwert c w ist ebenso wie die
Bodenhaftung optimal.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung
gemäß der Erfindung sind nicht nur bei PKW′s, sondern
auch beispielsweise bei PKW-Karawan- bzw. PKW-Anhän
ger-Gespannen sowie bei LKW′s, Gliederzügen und Sattel
kraftfahrzeugen einsetzbar. Dabei können Spoiler nicht
nur an dem Zugfahrzeug, sondern auch an dem gezogenen
Fahrzeug angebracht und bei entsprechenden elektrischen
Verbindungen zur Steuereinrichtung auf optimale aerodyna
mische Werte eingestellt werden. Der in Fig. 2 darge
stellte Dachspoiler 34 ist vorzugsweise für LKW′s,
Gliederzüge und Sattelkraftfahrzeuge sowie für PKW-Kara
wan- bzw. PKW-Anhänger-Gespanne geeignet. Auch die
Bodenfreiheit des gezogenen Fahrzeugs ist bei entspre
chenden elektrischen Verbindungen zur Steuereinheit
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens regelbar und
auf optimale aerodynamische Werte einstellbar.
Das Verfahren ist für Spoiler, die elektromotorisch,
pneumatisch oder hydraulisch verstellbar sind, verwend
bar und ist in keiner Weise auf Luftfederungen be
schränkt.
Claims (12)
1. Verfahren zur automatischen Optimierung der aerody
namischen Eigenschaften eines Fahrzeugs mit mindestens
einem mindestens ein Verstellglied aufweisenden Spoiler
und einer Steuereinrichtung zur Aktivierung des Verstell
glieds, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein mit
dem Spoiler zusammenwirkender Drucksensor zur Messung
des Luftdrucks am Fahrzeug angeordnet ist, dessen
Meßwerte zur Auswertung an die Steuereinrichtung
weitergeleitet werden, die anhand dieser Meßwerte die
aerodynamisch optimale Spoilerstellung ermittelt und
einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung aus der Differenz des in
Fahrtrichtung vor und hinter dem Spoiler herrschenden
und mittels mindestens je eines Drucksensors gemessenen
Drucks die optimale Spoilerstellung ermittelt und
einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Steuereinrichtung aus dem Vergleich der von
dem Drucksensor und einem Geschwindigkeitssensor zur
Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit als Ist-Daten
gelieferten Daten mit in einem Speicher der Steuerein
richtung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit als
Soll-Daten gespeicherten fahrzeugspezifischen, optimalen
Druckwerten die aerodynamisch optimale Spoilerstellung
ermittelt und einstellt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Drucksensoren an verschiede
nen Stellen des Fahrzeugs angeordnet sind, die dessen
Druckprofil messen, und daß diese Meßwerte an die
Steuereinrichtung weitergegeben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Niveausensor zur Erfassung der
Bodenfreiheit des Fahrzeugs vorgesehen ist, dessen
Meßwerte an die Steuereinheit weitergeleitet werden, die
anhand dieser Meßwerte die aerodynamisch optimale
Bodenfreiheit ermittelt und durch Aktivierung von
Stellorganen zur Beeinflussung der Bodenfreiheit
einstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Speicher der Steuereinrichtung als Soll-Daten
die fahrzeugtypischen, optimalen Niveauwerte in Abhängig
keit von der Geschwindigkeit und/oder des Drucks
gespeichert sind, die von der Steuereinrichtung mit den
von einem Niveausensor, dem Geschwindigkeitssensor
und/oder dem Drucksensor gemessenen Ist-Daten verglichen
werden und daß die Steuereinrichtung die Stellorgane zur
Beeinflussung der Bodenfreiheit aktiviert, so daß die
Bodenfreiheit des Fahrzeugs anhand der Vergleichswerte
aerodynamisch optimal an die Geschwindigkeits- und/oder
Druckverhältnisse angepaßt wird.
7. Vorrichtung zur automatischen Optimierung der
aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs mit
mindestens einem mindestens ein Verstellglied aufweisen
den Spoiler und einer Steuereinrichtung zur Aktivierung
des Verstellglieds, dadurch gekennzeichnet, daß minde
stens ein mit dem Spoiler (32 bis 38) zusammenwirkender
Drucksensor (4) zur Messung des Luftdrucks am Fahrzeug
(39) angeordnet ist, aus dessen Meßwerten die Steuerein
richtung (2) die aerodynamisch optimale Spoilerstellung
ermittelt und einstellt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß in Fahrtrichtung vor und hinter dem Spoiler (32 bis
38) je mindestens ein Drucksensor (4) zur Messung des
Luftdrucks angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet
durch mehrere das Druckprofil des Fahrzeugs (30)
messende Drucksensoren (4).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekenn
zeichnet durch einen der Steuereinheit (2) zugeordneten
Speicher (28), in dem die fahrzeugspezifischen, optima
len Druckwerte in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
als Soll-Daten gespeichert sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher (28) der
Steuereinrichtung (2) als Soll-Daten die fahrzeugspezifi
schen, optimalen Niveauwerte in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit und/oder des Drucks gespeichert sind,
und daß durch die Steuereinrichtung (2) Stellorgane (42)
zur Beeinflussung der Bodenfreiheit aktivierbar sind, so
daß die Bodenfreiheit entsprechend der Soll-Daten
im Speicher (28) aerodynamisch optimal an die Geschwin
digkeits- und/oder Druckverhältnisse anpaßbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Stellorgane eine Druckluft-Erzeuger-Einheit
(44) und Magnetventile einer Luftfederung (40) umfassen,
die von der Steuereinrichtung (2) zur Hebung und Senkung
des Fahrzeugs (30) ansteuerbar sind.
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