DE4012277A1

DE4012277A1 - Umlenkkanal, eine vorrichtung zur verringerung des widerstandes bei einem fahrzeug, insbesondere bei kraft-, schienen-, luft-, wasser- oder anhaengefahrzeug, motor- oder fahrrad

Info

Publication number: DE4012277A1
Application number: DE4012277A
Authority: DE
Inventors: Adolf G Dipl Ing Warth
Original assignee: WARTH ADOLF G DIPL ING FH
Current assignee: WARTH ADOLF G DIPL ING FH
Priority date: 1990-04-17
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1991-10-24
Also published as: DE4012277C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Umlenkkanal für Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Prinzip und die Form und Art der technischen Anwendung ist grundlegend und neu.

Bei Fahrzeugen entstehen an ihren Rollelementen Strömungen, die Wirbel und Widerstände erzeugen, die es zu vermeiden bzw. zu verringern gilt.

Hierzu liegt der Erfindung folgender Gedanke zu Grunde: Ein Antriebs- oder Rollelement, z. B. ein Rad, hat an seinem Auflage- oder Berührungspunkt z. B. mit der Straße im Betrachtungszeitpunkt stets die Geschwindigkeit 0 km/h. Hätte er dies nicht, müßte er rutschen oder gleiten. Der Achsmittelpunkt und der auf gleicher Höhe jeweils zu betrachtende vordere oder hintere Punkt eines Rollelements bewegt sich genau so schnell wie das Fahrzeug, hat also die Geschwindigkeit V_F des Fahrzeuges. Demzufolge muß die Geschwindigkeit am höchsten Punkt des Rollelements z. B. eines Rades gleich der 2 fachen Geschwindigkeit des Fahrzeuges, also 2×V_F sein. Dies läßt sich ganz einfach beweisen. Legt man z. B. ein Seil in Fahrt- oder Bewegungsrichtung aus und umschlingt ein Rollelement um 180° so, daß es nach dem Prinzip des Flaschenzuges in der Bewegungsrichtung nach vorn gezogen werden kann, so legt das Rollelement und das Fahrzeug die Strecke X und das Seil die 2fache Strecke X zurück. Das ein bewegtes Rollelement umgebende Medium z. B. Luft wird vom Auflagepunkt mit der Geschwindigkeit 0 km/h in einer zykloidischen Bahn auf die 2fache Geschwindigkeit am oberen Punkt (8) beschleunigt. Dies ist eine besonders bedeutende Feststellung.

Da nun bei Fahrzeugen an jedem bewegten Rollelement relativ große Mediummengen mitgerissen werden und am oberen Punkt (8) sich gewaltige Strömungen bilden, die in Fahrtrichtung mit der doppelten Fahrgeschwindigkeit fließen wollen, entstehen hierbei durch den Staudruck große Verwirbelungen. Bei Regen sind diese nicht nur sichtbar, sondern besonders störend. Diese Verwirbelungen sind es, die 1. einen hohen Luftwiderstand erzeugen und Leistung verbrauchen und 2. beachtliche störende Fahrgeräusche innen und außen am Fahrzeug hervorrufen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegeben. Diese Strömungen werden am Punkt mit der größten Wirkbreite (8) mit der 2fachen Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeuges gesammelt, in den Umlenkkanal geleitet, um ca. 130-180° umgelenkt und entgegen der Bewegungsrichtung wieder ausgeleitet (15). Die Führung in den Umlenkkanal wird durch die maximale Zentrifugalkraft an diesem Punkt, der 2fachen Strömungsgeschwindigkeit und der daraus resultierenden Kraft begünstigt und dort so weitergeführt, daß Wirbelbildungen weitgehend vermieden werden können. An dem Umlenkströmungsbogen (9) entsteht ein Staudruck, welcher sich als Vortriebskraft für das Fahrzeug positiv auswirkt. Ein weiterer Vorteil entsteht bei der Teilung der Strömung, da nun der Strömungsteil über dem Fahrzeug (17) eine kürzere Wegstrecke zurücklegt als der Strömungsteil (18) welcher über den Umlenkkanal geführt wird, da dieser hierbei eine längere Wegstrecke zurücklegt und die Bodenhaftung erhöht (1).

Gestaltung und Ausführung der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anwendungen und Vorteile, die damit verbunden sind, ergeben sich aus den nachstehenden Beschreibungen. Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung im Prinzip dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt in Längsrichtung eines Rollelements eines Fahrzeuges mit dem Umlenkkanal und dem Strömungsverlauf am Rollelement und Umlenkkanal.

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Umlenkkanal als Beispiel für eine Form im Umlenkbereich.

Fig. 3 einen Querschnitt als Beispiel durch den Umlenkkanal im rückleitenden Kanal.

Fig. 4 ein Umlenkkanalende z. B. eines Kfz-Vorderrades mit seitlichen Schlitzen (13).

Fig. 5 im Schnittbild wie die Strömung im Umlenkkanal z. B. im Heck eines Fahrzeuges über die hintere Stoßstange (16) ausgeleitet wird.

Fig. 6 Teilansicht von Umlenkkanalaustrittsöffnungen einer Stoßstange.

Fig. 7 einen Personenkraftwagen in Seitenansicht mit Durchsicht auf Umlenkkanäle und den Strömungsverlauf über das Fahrzeug und über die Umlenkkanäle.

Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Umlenkkanal als Beispiel für die Ausführung und der seitlichen Abdeckung.

Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen Umlenkkanal mit einem Kühler und Strömungsverlauf.

Fig. 10 einen Querschnitt eines Umlenkkanals mit Querschnitt eines Kühlers und dessen Flüssigkeitszu- und -ableitungsanschlüssen, so wie einer abnehmbaren Abdeckung des Umlenkkanals.

Fig. 11 einen Querschnitt eines Umlenkkanals vor einem eingesetzten Kühler.

Fig. 12 einen Längsschnitt durch eine Fahrwerksverkleidung und einem Umlenkkanal in den ein zweiter Umlenkkanal eingeleitet wird.

Fig. 13 einen Teilquerschnitt eines Umlenkkanals entsprechend Fig. 12 mit seitlicher abnehmbarer Fahrwerksverkleidung und Zwillingsreifen.

Fig. 14 einen Längsschnitt z. B. eine Motorradvorderradverkleidung mit Umlenkkanal.

Fig. 15 einen Querschnitt einer Motorradvorder- oder -hinterradverkleidung mit Umlenkkanal.

Fig. 16 den Geschwindigkeitsverlauf eines Rollelementpunktes (25) während des Abrollvorganges auf einer Ebene und einer ganzen Umdrehung.

Fig. 17 einen Umlenkkanal mit Verkleidung eines Luftfahrzeugfahrwerks und dem Luftströmungsverlauf in einem Längsschnitt.

Fig. 18 einen Umlenkkanal mit Verkleidung eines Luftfahrzeugfahrwerks im Schnitt.

Fig. 19 ein Umlenkkanalsteilstück eines Rollelements mit Anschlußstutzen für Schalldämpfer im Längsschnitt.

Fig. 20 ein Umlenkkanalanfang in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt mit dem Strömungsverlauf und Vectorbild der am Kanaleingang auftretenden Strömungskräfte.

In der Fig. 1 ist ein Umlenkkanal eines Fahrzeuges im Längsschnitt dargestellt, der durch den angegebenen Strömungsverlauf (5) zwischen Rollelement (2) und Verkleidung (7) und dem Umlenkkanal (6) mit unmittelbar über dem Rollelement befindlichen Umlenkkanalanfang (4) das Grundprinzip der Erfindung klar erkennen läßt. Am Punkt Vmax. des Rollelements (3) mit der 2fachen Geschwindigkeit V_F wird die gesamte Strömung (5) am Mediumwendepunkt (8) in den Umlenkkanal (6) hereingeführt bzw. hereingeschleudert, denn, wie aus Fig. 20 ersichtlich, entsteht an dem vorgenannten Punkt (8) eine resultierende Kraft RU, die aus den 2 Kräften der Beschleunigungskraft F und der Zentrifugalkraft Z gebildet wird. Diese Kraft RU läßt sich folgendermaßen ermitteln: RU = . Durch die Umleitung der Strömung (5) und Weiterführung entgegen der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs werden Verwirbelungen am Rollelement weitgehend vermieden, was eine nicht unerhebliche Cw- Wert-Verbesserung darstellt und Leistung und damit Kraftstoff einspart.

Die Erfindung ist grundlegend, daher ist auch die Art der Anwendung und die Art der Ausführung bzw. Gestaltung des Umlenkkanals so vielseitig, daß hier nur einige ganz wenige Beispiele in den Zeichnungen und Figuren dargestellt werden können. Vor allem ist die Erfindung bei fast allen Fahrzeugen, bei denen Widerstandsprobleme auftreten von Bedeutung und anwendbar.

Der Querschnitt des Umlenkkanals läßt sich je nach Gegebenheit für den Einbau quadratisch, rechteckig, oval oder rund ausführen (Fig. 2-8). Der Umlenkkanal gestattet auch den Einbau aller möglichen Aggregate, wie Kühler, Ventilatoren oder Turbinen. Er kann ferner auch zur Abgas- oder Abluftausleitung aus Schalldämpfer, Motor- oder Fahrgastraum zusätzlich zur Ausleitung der Strömung (5) mitverwendet werden. Die Fig. 2, 3, 4, 5, 6, zeigen Beispiele. Fig. 14 zeigt z. B. den Einbau eines Umlenkkanals in eine Motorradvorderradverkleidung, der selbstverständlich auch in die Hinterradverkleidung eingebaut werden kann.

Der Umlenkkanal ist bei allen Fahrzeugen mit Rollelementen, also Walzen, Rollen, breite oder schmale Reifen und Räder, ggf. auch in Kettenfahrzeuge und Schienenfahrzeuge wie Eisen- oder Straßenbahnen oder Achterbahnen, Motorräder, Motorroller, Fahrräder einsetzbar. Zweckmäßig wäre der Einbau an allen Rollelementen eines Fahrzeuges, also nicht nur vorne oder hinten. Fig. 12 ist ein Beispiel, wie bei einem LKW eine geschlossene Radverkleidung bei 2 Achsen mit 2 Umlenkkanälen aussehen könnte. Umlenkkanäle bringen gleich mehrere Vorteile. Die Fahrwiderstände werden verringert. Störende Verwirbelungen, vor allem für nachfolgende und überholende Fahrzeuge lassen sich wesentlich verringern. Wirbelgeräusche werden vermindert, Bodenhaftung wird erhöht, Motoren werden kleiner und leichter, bessere Reifenkühlung, Wegfall von Aufbauten wie Spoiler. Was ganz allgemein gilt und besonders zu beachten ist, die Austrittsgeschwindigkeit der Strömung (5) am Umlenkkanalende (15) kann auf die Geschwindigkeit 0 km/h gebracht werden. Es ist nämlich die Strömungsgeschwindigkeit am Punkt V max (8)=2×V_F. Da das Fahrzeug mit der Geschwindigkeit V_F sich vorwärts bewegt, ist die relative Geschwindigkeit der Strömung (5) am Anfang des Umlenkkanals gegenüber dem Fahrzeug 2×V_F-V_F also = V_F. Durch Umlenkung um 180° wird damit die Geschwindigkeit negativ also -V_F d. h. Fahrzeuggeschwindigkeit V_F - Strömungsgeschwindigkeit V_F=0 km/h d. h. ruhende Luft (15), keine Wirbel, vorausgesetzt gleiche Querschnittsflächen am Anfang und Ende des Umlenkkanals. Der Einsatz einer Vorrichtung mit Umlenkkanal an Rennsportwagen bringt wegen der wesentlichen Verringerung des Staudruckwiderstandes einen Leistungsgewinn. Bei Luftfahrzeugen kann durch den Einbau von einem Umlenkkanal in das Fahrwerk entsprechend der Fig. 17 und 18 z. B. nach dem Ausfahren desselben vor der Landung, ein selbstständiges Drehen des ungebremsten Rades erreicht werden. Dadurch kann der sonst übliche extrem starke Reifenabrieb bei Bodenberührung wesentlich verringert werden. Bei Wasserfahrzeugen sollte z. B. bei Einsatz von Umlenkkanälen an Schaufelrädern das Medium nicht über, sondern vor denselben seitlich oben ausgeleitet werden.

Bezugszeichenliste

1 Auflagepunkt
2 Rollelement
3 Punkt Vmax am Rollelement
4 Umlenkkanalanfang
5 Strömungslauf (zum und im Umlenkkanal)
6 Umlenkkanal
7 Verkleidung
8 Mediumstromwendepunkt
9 Kanalstaudruckfläche
10 Umlenkkanalaußenseite
11 Umlenkkanalinnenseite
12 Boden-Bordsteinfreiraum
13 Umlenkkanalseitenauslaßschlitze
14 Elastische Abdichtung
15 Umlenkkanalaustrittsöffnung
16 Stoßfänger mit Umlenkkanalende
17 Strömungsteil über dem Fahrzeug
18 Strömungsteil über dem Umlenkkanal
19 Fahr- oder Rollbahn
20 Umlenkkanalabdichtung
21 Umlenkkanalabdeckung
22 Umlenkkanalkühler
23 Kühlerflüssigkeitszuleitungsanschluß
24 Kühlerflüssigkeitsableitungsanschluß
25 Geschwindigkeitsverlauf (Zykloide)
26 Teleskopgabel
27 Luftfahrzeugfahrwerk
28 Auspuffanschluß
29 Abgase
30 Umlenk- und Abgaskanal
R Bewegungsrichtung
V Geschwindigkeit
V_F Fahrzeuggeschwindigkeit
Vmax max. Geschwindigkeit (2×V_F)
V₂ Geschwindigkeit nach 90°-Drehung
V₃ Geschwindigkeit nach 180°-Drehung
a Radlaufbezeichnungspunkt
b Radlaufbezeichnungspunkt
c Radlaufbezeichnungspunkt
d Radlaufbezeichnungspunkt
r Radius
S Wegstrecke
F Fahrtwiderstandskraft
Z ZentrifugalkraftRU Resultierende Kraft im Umlenkkanal (RU =

Claims

1. Umlenkkanal, eine Vorrichtung zur Verringerung des Widerstandes bei einem Fahrzeug, insbesondere Kraft-, Schienen-, Luft-, Wasser- oder Anhängerfahrzeug, Motor- oder Fahrrad und zur Verringerung bzw. Vermeidung von Gas-, Luft- oder Flüssigkeitsverwirbelung an oder um ein Antriebs- bzw. Rollelement z. B. Rad eines Fahrzeuges durch Einbau oder Anbau eines Umlenkkanals, einer Vorrichtung über dem Antriebs- bzw. Rollelement (Fig. 1, 6, 9-11) z. B. in den Radlauf und um noch zusätzlich eine Vortriebskraft und damit eine Kraftersparnis zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkkanal eine Anordnung und eine Form ausweist (6), welche das auf die ca. 2fache Fahrgeschwindigkeit (8) beschleunigte Medium Gas, Luft oder Flüssigkeit aufnimmt, um ca. 130- 180° umlenkt und entgegen der Fahrtrichtung weiter- bzw. ableitet (5).

2. Umlenkkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Umlenkkanal sowohl für angetriebene, als auch für gezogene oder geschobene (z. B. Anhänger) oder allein rollende und bewegte Fahrzeuge verwendet wird.

3. Umlenkkanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einsetzen von Kühlern in den Umlenkkanal die Kühler von Kraftfahrzeugen bisheriger Art verkleinert werden oder entfallen können.

4. Umlenkkanal nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wegfall von Front- oder Heckkühler bei Motorfahrzeugen eine wesentliche Verbesserung der aerodynamischen Form durch Schließen der Luftein- und Luftaustrittsöffnungen der herkömmlichen Kühlung ermöglicht.

5. Umlenkkanal nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß auch Motorabgase in den Umlenkkanal eingeleitet und darin gemeinsam mit dem umgelenktem Medium abgeleitet werden.

6. Umlenkkanal nach einem der Ansprüche 1-3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in besonderen Situationen z. B. bei Gelände- oder Straßenfahrzeugen bei Schnee, starkem Schmutzanfall, zur Vermeidung von Verstopfungen des Umlenkkanals der Einlaß in diesen durch eine Klappe oder Schieber verschlossen wird.

7. Umlenkkanal nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einbau von einem oder mehreren Umlenkkanälen in längssymmetrischer Form eine Stabilisierung des Fahrzeuges erzielt wird.

8. Umlenkkanal nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einbau eines Ventilators oder Turbine in den Umlenkkanal und/oder verschieden großer Austrittsöffnungen eine größere Bodenhaftung und/oder Seitenführung des Fahrzeuges und durch Rückstoßwirkung eine Beschleunigung des Fahrzeuges erzielt wird.

9. Umlenkkanal nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den An- oder Einbau eines Luftumlenkkanals in das Fahrwerk von Luftfahrzeugen die Startstrecke verkürzt wird.

10. Umlenkkanal nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch den An- und Einbau eines Luftumlenkkanals in das Fahrwerk von Luftfahrzeugen der Landevorgang wesentlich verbessert wird, indem die Luft selbsttätig die Räder des Landefahrwerks antreibt und der Reifenabrieb beachtlich verringert wird.