DE3622663A1 - Selbstformender air-deflector - Google Patents

Description

Air-Deflectoren sind Windabweiser, die den Luftwiderstand fahrender Fahrzeuge reduzieren sollen. Man findet sie häu­ fig auf LKW-Fahrerkabinen, um die gegen den Fahrtwind ge­ richtete, oft sehr große Stirnfläche des Fahrzeugaufbaus aerodynamisch günstiger zu gestalten.

In der Regel sind es mehr oder weniger gebogene Platten, meist seitlich offen, oder dreidimensional verformte starre Gebilde, die zwar seitlich geschlossen aber meist nur un­ genügend dem Fahrzeugaufbau angepaßt sind. Nach Unter­ suchungen der TH Aachen können schlecht angepaßte und vor allem seitlich offene Air-Deflectoren speziell bei Seiten­ wind negative Ergebnisse bringen, d.h. der Windwiderstand des Fahrzeugs wird nicht verkleinert, sondern vergrößert.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstformenden Air-Deflector, der leicht herstellbar und den geometri­ schen Gegebenheiten des Fahrzeugaufbaus leicht anzupassen ist, und der dabei eine sehr gute Herabsetzung des Luft­ widerstands des Fahrzeugs bewirkt.

In der folgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Air- Deflectors wird auf die Fig. 1 bis 10 bezug genommen.

Fig. 1 und 2 zeigen die schematische Seitenansicht bzw. die Aufsicht eines LKW-Vorderteils mit aufgebautem erfin­ dungsgemäßem Air-Deflector mit der Stirnleitfläche (1), den Seitenleitflächen (2) und dem versteiften Bezirk (3) und der eingezeichneten Trapezhöhe (h).

Fig. 3 zeigt schematisch den Schnitt längs A-A (Fig. 2) durch einen erfindungsgemäßen Air-Deflector mit der Stirn­ leitfläche (1) im unbelasteten Zustand den durch das Ver­ steifungselement (4) versteiften Bezirk (3) dem Widerlager (5) und Gerüststreben (6), (7) und (8).

Fig. 4 zeigt in der gleichen Darstellung wie Fig. 3 die Stirnleitfläche (1) im windbelasteten Zustand mit den Strö­ mungslinien (11) des anströmenden Fahrtwindes.

Fig. 5 zeigt schematisch im Schnitt längs A-A (Fig. 2) die Stirnleitfläche (1) mit einem ebenen hinterlegten Ver­ steifungselement (4), welches kippbar gelagert ist am Widerlager (5).

Fig. 6 und 7 zeigen schematisch im Schnitt längs A-A (Fig. 2) zurückgebogene bzw. teilweise elastische Ver­ steifungselemente (4), kippbar gelagert am Widerlager (5).

Fig. 8 und 9 zeigen schematisch die Stirnleitfläche (1) in Aufsicht mit quer unterteilter Versteifung (4) bzw. einer in Querrichtung leicht biegsamen Versteifung (4) aus Stahldraht.

Fig. 10 zeigt schematisch im Schnitt längs A-A (Fig. 2) die Stirnleitfläche (1) mit Reservestreifen (9), die durch Federn (10) gespannt werden.

Der erfindungsgemäße Air-Deflector (Fig. 1) weist eine quer zur Fahrtrichtung liegende, nach hinten ansteigende, trapezförmige Stirnleitfläche (1) und seitlich abschlies­ sende dreiecke Seitenleitflächen (2) auf. Er ist so aufge­ baut, daß sich zumindest die Stirnleitfläche, vorzugsweise auch die Seitenleitflächen, bei Belastung durch Fahrtwind S-förmig verformen können (Fig. 4). Der untere, größere Teil der Stirnleitfläche bildet dann eine konkave, der obere, kleinere Teil eine konvexe Wölbung, wodurch die anströmende Luft auf einer stetigen, strömungsgünstigen Bahn über den Fahrzeugaufbau hinweggeleitet wird.

Die trapezförmige Stirnleitfläche ist symmetrisch, d.h. die nicht parallelen Seitenbegrenzungen bilden mit der längeren, parallelen Grundlinie gleiche Winkel. Das Längen­ verhältnis der parallelen Seiten der Trapezfläche liegt zwischen 1:1 bis 1:2, vorzugsweise 1:1 bis 1:1,5 und der Abstand zwischen den Parallelseiten ist die Trapezhöhe h.

Im Grenzfall, wenn das Längenverhältnis der parallelen Seiten der Stirnfläche 1:1 beträgt, geht die Trapezform in die Rechteckform über. Dementsprechend kann die Stirn­ leitfläche des erfindungsgemäßen Air-Deflectors auch rechteckig sein.

Die trapezförmige Stirnleitfläche liegt so, daß die kürzere Parallelkante unten, d.h. in der Regel auf dem Dach des Fahrerhauses, aufsitzt, die längere Kante in Höhe und parallel zur vorderen, quer zur Fahrtrichtung liegenden Oberkante des Fahrzeugaufbaus verläuft.

Die Länge der obenliegenden Parallelkante der Stirnleit­ fläche beträgt zweckmäßigerweise mindestens 3/4 der Breite des Fahrzeugaufbaus, vorzugsweise ist sie gleich dieser Breite. Die Seitenleitflächen erstrecken sich zwischen der ansteigenden Stirnleitfläche und der Horizontalfläche in der die Unterkante der Stirnleitfläche liegt, d.h sie bilden einen Abschluß zwischen der ansteigenden Stirnleit­ fläche und der im wesentlichen horizontalen Dachfläche des Fahrerhauses und sie schließen mit besagter Horizontal­ fläche einen Winkel von 75 bis 90°, vorzugsweise von 85 bis 90° ein. Je nach dem Längenverhältnis der Parallelkan­ ten der Stirnleitfläche liegen die Seitenflächen in Fahrt­ richtung oder sind in einem Winkel bis zu ca. 30° ange­ stellt.

Die Stirnleitfläche (1) des erfindungsgemäßen Air-Deflec­ tors ist elastisch dehn- und verformbar und sie weist im Bereich der oberen Hälfte, vorzugsweise der oberen 2/5 ihrer Fläche einen länglichen versteiften Bezirk (3) auf, dessen Länge etwa der Breite der Stirnleitfläche und des­ sen Breite etwa 2/10 bis 4/10, vorzugsweise 3/10 bis 4/10 der Trapezhöhe h der Stirnleitfläche beträgt. Dieser ver­ steifte Bezirk der Stirnleitfläche stützt sich so auf einem linearen, horizontal quer zur Fahrtrichtung dicht unterhalb der unbelasteten Stirnleitfläche liegenden star­ ren Widerlager (5) ab, daß sich der größere Teil seiner Fläche unterhalb, der kleinere Teil oberhalb des Widerlagers befindet.

Vorzugsweise erfolgt die Abstützung so, daß das Flächen­ verhältnis der unterhalb bzw. oberhalb des starren Wider­ lagers liegenden Teile des biegesteifen Bezirks der Stirn­ leitfläche 1,5:1 bis 3:1 ist.

Die elastische Dehn- und Verformbarkeit gestattet es der Stirnleitfläche sich bei Krafteinwirkung, z.B. durch auf­ treffenden Fahrtwind, reversibel zu verformen, insbesondere ein und auszubeulen. Ein Material für die Stirnleitfläche, das dieser Forderung Rechnung trägt, ist beispielsweise ein beschichtetes, elastisches, zwischen geeigneten Befesti­ gungen gespanntes Textilmaterial, insbesondere z.B. eine gespannte beschichtete Polyesterplane. Selbstverständlich können auch andere Materialien, die ein analoges elasti­ sches Verhalten zeigen, für die Herstellung der Leitfläche eingesetzt werden, wie z.B. elastisch biegsame aber frei­ tragende Flächengebilde.

Die Versteifung des Bezirks (3) kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Erstens kann man so verfahren, daß die Versteifung ein integraler Bestandteil der Stirnleit­ fläche selbst wird. So ist es möglich den zu versteifenden Bezirk mit einer ausreichenden Menge eines erstarrenden Materials beispielsweise eines härtbaren Harzes zu impräg­ nieren und dieses auszuhärten. Geeignete härtbare Harze sind z.B. ungesättigte Polyesterharze oder Phenol- oder Melaminharze. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in dem zu versteifenden Bezirk ein Versteifungselement (4, Fig. 3) in Form einer Platte eines biegesteifen thermo­ plastischen Kunststoffs aufzuschweißen oder aufzupressen, z.B. eine Platte aus Hochdruckpolyäthylen oder Hart-PVC. Andere versteifende flächenförmige Materialien, die mit dem zu versteifenden Bezirk der Stirnfläche (1) fest ver­ bunden werden können, sind z.B. Platten aus Metall, Sperr­ holz oder Spanplatten oder Hartfaserplatten. Diese Ver­ steifungselemente können durch übliche Mittel, z.B. durch Kleben, Schweißen oder Nieten mit der Stirnleitfläche ver­ bunden werden oder man kann in dem zu versteifenden Bezirk aus dem Material der Stirnleitfläche eine Tasche ausbilden, in die das Versteifungselement eingeschoben werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, die Versteifung so vor­ zunehmen, daß sie in ihrem oberen Bereich in eine elasti­ sche Biegsamkeit übergeht.

Eine zweite Möglichkeit, die Versteifung des gewünschten Bezirks der Stirnleitfläche herbeizuführen, besteht darin, daß man der Stirnleitfläche ein Versteifungselement hinter­ legt, d.h. daß man ein flächenförmiges Versteifungselement im gewünschten Bezirk hinter der Stirnleitfläche so an­ bringt, daß sich diese auf das Versteifungselement auf­ legen und abstützen kann. Zweckmäßigerweise wird man in diesem Fall das Versteifungselement an dem starren Wider­ lager anbringen, und zwar so, daß seine Fläche um dieses Widerlager kippen kann (Fig. 5). Eine feste Verbindung zwischen dem Versteifungselement und dem Material der Stirnleitfläche, die eine Verschiebung dieser Flächen gegeneinander verhindert, ist bei diesem Aufbau nicht er­ forderlich und für den Fall, daß im Betrieb ein einseiti­ ges Materialreservoir angezapft werden soll um die Ver­ formbarkeit der Stirnfläche zu erhöhen, zu vermeiden.

Wird ein vollkommen ebenes Versteifungselement eingesetzt (Fig. 5) so ist eine Befestigung der Stirnleitfläche an dem Versteifungselement, die ein Verschieben der Flächen gegeneinander verhindert, vorteilhaft. Diese Befestigung erfolgt vorzugsweise nahe oder oberhalb der Linie, an der das System an dem starren Widerlager abgestützt, bzw. befestigt ist. Wird ein im oberen Bereich zurückgebogenes oder ein in seinem oberen Bereich federnd biegsames Ver­ steifungselement (Fig. 6 und 7) eingesetzt, so ist eine Befestigung der Stirnleitfläche auf dem Versteifungs­ element erläßlich. Sie kann jedoch bei speziellen Fahr­ zuständen (z.B. bei Seitenwind) Vorteile bieten.

Bei der Versteifung der Stirnleitfläche durch ein am Widerlager befestigtes Versteifungselement kann dieses auch in die untere Hälfte der Stirnleitfläche hineinreichen wenn man eine Befestigung zwischen Versteifungselement und Leitfläche nur in der Gegend oberhalb des Widerlagers vor­ sieht oder wenn keine Befestigung erfolgt.

Wird die Versteifung durch ein integrales Element der Stirnleitfläche selbst herbeigeführt, so ergibt sich natur­ gemäß nicht die Frage einer Befestigung zwischen Ver­ steifungselement und Leitfläche. Hier ist nur darauf zu achten, daß der versteifte Bezirk um das Widerlager frei kippen kann. Es ist jedoch in der Regel vorteilhaft, insbesondere wenn das integrale Versteifungselement in seinem oberen Bereich nicht biegeelastisch ist, eine Ver­ ankerung des versteiften Bezirks an dem Widerlager derart vorzusehen, daß bei erhaltener Kippfähig eine wesentliche Verschiebung der versteiften Fläche in Flächenrichtung über das Widerlager verhindert wird. Eine solche Veranke­ rung kann z.B. durch Schlaufen an der Rückseite der Stirn­ leitfläche, die das Widerlager umfassen, erreicht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Stirnleit­ fläche besteht darin, daß der versteifte Bezirk nur in Richtung der Trapezhöhe biegesteif, quer dazu jedoch leicht verformbar ist. Auch eine solche Versteifung läßt sich als integraler Bestandteil der Stirnleitfläche realisieren, z.B. indem man in dem zu versteifenden Bezirk der Stirn­ leitfläche nebeneinander eine Vielzahl von schmalen Versteifungselementen, z.B. Holzleisten oder Stahldrähten in Richtung der Trapezhöhenlinie h anordnet (Fig. 8). Die Stahldrähte sind vorzugsweise an den Enden so abgebo­ gen, daß sie die Leitfläche auch unter Windlast nicht be­ schädigen können. Sie können vorteilhaft auch so beschaf­ fen sein, daß ihre elastische Biegsamkeit im oberen Bereich erheblich größer ist als im unteren, wo sie prak­ tisch starr sind. Auch die Einlage eines wellenförmig ge­ bogenen Stahldrahtes dessen "Spitze zu Spitze-Amplitude" der gewünschten Breite des versteiften Bezirks entspricht, ist möglich (Fig. 8).

Eine Versteifung durch Imprägnieren mit einem härtenden Harz und anschließendes Aushärten kann in Richtung der Breite leicht biegsam gestaltet werden, in dem man einfach den versteiften Bezirk in Richtung der Breite mehrfach unterbricht.

Ist die Versteifung nicht ein integraler Bestandteil der Stirnleitfläche sondern wird sie durch ein separates hinter der Stirnleitfläche angebrachtes Versteifungsele­ ment bewirkt, so läßt sich die Biegsamkeit quer zu h her­ beiführen, indem anstelle eines einzelnen Versteifungs­ elements eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden schmalen sich in Richtung von h erstreckenden Versteifungselementen hinter dem zu versteifenden Bezirk der Stirnleitfläche angeordnet werden.

Die Seitenleitflächen werden vorzugsweise ebenfalls aus elastischem, dehnbarem Material hergestellt, zweckmäßiger Weise dem gleichen, aus dem die Stirnleitfläche besteht. Auch in den Seitenleitflächen sind dann versteifte und ab­ gestützte Bezirke anzuordnen für deren Geometrie und Aus­ führung die gleichen Angaben sinngemäß gelten, die oben für die Stirnleitfläche gemacht wurden. Im windbelasteten Zustand tritt dann an den Seitenleitflächen eine analoge Verformung wie bei der Stirnleitfläche auf, d.h. ein Schnitt in Richtung etwa des halben Anstiegswinkels der Stirnleitfläche durch (2) würde auch hier eine S-förmige Schnittlinie ergeben.

Die Leitflächen (1) und (2) werden getragen von einem Gerüst (Fig. 3), vorzugsweise aus Metall, das Streben (6) zumindest an den von der Stirnleitfläche und den Seitenleitflächen gebildeten Kante aufweist und das zweckmäßigerweise auch das Widerlager (5) trägt. In der Praxis wird man das Gerüst so gestalten, daß es Streben (7) auch für die untere Befestigung der Stirn und Seitenflä­ chen sowie für die Befestigung der oberen Kante der Stirnfläche aufweist. Ferner ist es vorteilhaft, das Gerüst durch Stütz und Versteifungsstreben (8) weiter zu stabilisieren.

Bei Einsatz eines elastisch dehnbaren aber nicht freitra­ genden Materials, für die Herstellung der Leitflächen, wie z.B. eines beschichteten Gewebes, wird dieses an den Holmen des Gerüstes straff verspannt und das Gerüst muß eine ausreichende Festigkeit aufweisen, diese Spannung, die bei elastischer Deformation der Leitflächen durch Fahrtwind noch erhöht wird, aufzunehmen. Ein geeignetes Gerüst läßt sich z.B. Stahlrohren leicht zusammenschweißen. Will man - z.B. aus Festigkeitsgründen - für die Flächen des erfindungsgemäßen Air-Deflectors ein wenig dehnbares Material oder eines mit einem sehr hohen Elastizitäts­ koeffizienten einsetzen, so kann es vorkommen, daß sich trotz Windbelastung die gewünschte Verformung der Fläche nicht ausbildet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Flächen bei Windbelastung aus einem Reservoir zu ver­ größern, so daß die Wölbungen der Flächen sich voll ausbil­ den können. Ein solches Flächenreservoir für die Stirnleit­ fläche kann beispielsweise dadurch gebildet werden, daß man die Fläche nicht direkt an den oberen und unteren Holmen des Tragegerüstes befestigt, sondern das Material so um den oberen und/oder unteren Holm herumlegt, daß dahinter noch ein ausreichend breiter Reservestreifen vor­ handen ist, dessen Rand dann federnd eingespannt wird (Fig. 10). Als Federelement wird zweckmäßigerweise ein solches mit Dehnungsbegrenzung eingesetzt. Bei Windbe­ lastung wird der Reservestreifen (9) gegen die Kraft der Feder (10) zum Teil über den Holm gezogen und die Fläche kann die gewünschte Wölbung ausbilden. In analoger Weise kann auch für die Seitenflächen ein Flächenreservoir geschaffen werden. Als Flächenreservoir können auch Strei­ fen von besonders hoher elastischer Dehnbarkeit, z.B. gummielastische Streifen, dienen, die in die Stirn- und ggf. die Seitenflächen, vorzugsweise in deren mittlerem Bereich, eingearbeitet sind.

Wird der erfindungsgemäße Air-Deflector vom Fahrtwind ge­ troffen, so wird die größere, in Fahrtrichtung vor dem starren Widerlager liegende Fläche der Stirn- und gegebe­ nenfalls der Seitenleitflächen nach hinten gedrückt, so daß sie eine konkave Form annehmen und die anströmende Luft gleichmäßig aufwärts bzw. seitswärts beschleunigen. Der starre, am Widerlager abgestützte Bezirk, kippt hierbei in einen steileren Winkel und wölbt den oberen, hinteren, flä­ chenmäßig kleineren Bereich der Leitfläche gegen den Wind­ druck konvex nach vorn. Hierbei wird eine aerodynamisch günstige sanfte Rundung auch im oberen Bereich der Leit­ fläche geschaffen, so daß auch hier die Ausbildung von energieverzehrenden Luftwirbeln vermieden wird. Der Schnitt längs h durch den belasteten Air-Deflector zeigt somit für die Stirnleitfläche eine schrägliegende S-Form.

Claims (10)

1. Air-Deflector mit einer quer zur Fahrtrichtung liegen­ den, nach hinten ansteigenden, trapezförmigen Stirnleit­ fläche (1) und seitlich abschließenden, dreieckigen Seitenleitflächen (2) dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Stirnleitfläche (1) elastisch dehn­ und verformbar ist und im Bereich der oberen Hälfte ihrer Fläche einen länglichen, versteiften Bezirk (3) aufweist, dessen Länge etwa der Breite der Stirnleit­ fläche und dessen Breite 2/10 bis 4/10 der Trapezhöhe (h) der Stirnleitfläche beträgt, und daß sich der ver­ steifte Bezirk so auf einem linearen, horizontal quer zur Fahrtrichtung dicht unterhalb der Stirnleitfläche liegenden, starren Widerlager abstützt, daß sich der größere Teil seiner Fläche unterhalb, der kleinere Teil oberhalb des Widerlagers befindet.

2. Air-Deflector gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der versteifte Bezirk im Bereich der oberen 2/5 der Stirnleitfläche liegt.

3. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des ver­ steiften Bezirks 3/10 bis 4/10 der Trapezhöhe (h) be­ trägt.

4. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhält­ nis der unterhalb bzw. oberhalb des starren Widerlagers liegenden Teile des versteiften Bezirks der Stirn­ fläche 1,5:1 bis 3:1 ist.

5. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der versteifte Bezirk nur in Richtung der Trapezhöhe (h) biegesteif, quer dazu jedoch elastisch leicht verformbar ist.

6. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung in die Stirnleitfläche integriert ist.

7. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung durch Auflegen der Stirnleitfläche auf ein flächen­ förmiges Versteifungselement erfolgt.

8. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der versteifte Bezirk auf dem starren Widerlager kippbar aber nicht verschiebbar aufliegt.

9. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitflächen unter Windlast aus einem Flächenreservoir vergrößern können.

10. Air-Deflector gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Leitflächen ein beschichtetes Textilmaterial eingesetzt wird.