DE4207501A1 - Vorrichtungen zur verringerung des luftwiderstandsbeiwertes und des auftriebes von schnellfahrenden fahrzeugen, insbesondere von automobilen - Google Patents

Description

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Luftwiderstandsbeiwert C_w schneller Fahrzeuge zu verringern und ihren Auftrieb zu beseitigen.

Es sind sogenannte Spoiler, vor allem Heckspoiler, bekannt, die, entweder unbeweglich montiert oder ab einer bestimmten Geschwindigkeit automatisch ausfahrbar, dazu dienen, den Anpreßdruck der Räder auf die Fahrbahn bei hoher Geschwin­ digkeit zu erhöhen.

Bekanntlich erzeugt die das Fahrzeug umströmende Luft bei hohen Geschwindigkeiten einen aerodynamischen Auftrieb, der den Druck der Räder auf die Fahrbahn verringert und die Straßenlage verschlechtert.

Die bekannten, zusätzlich angebauten Spoiler, die oft noch an ihrem hinteren Ende mit einer Windabrißkante versehen sind, sollen dem unerwünschten Auftrieb entgegenwirken. Die bekannten automatisch ausfahrbaren Heckspoiler gehen bei niedriger Geschwindigkeit selbsttätig wieder in ihre Aus­ gangsstellung zurück, weil sie sonst beim Rangieren und Ein­ parken die Sicht nach hinten behindern würden.

All diese bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß sie den C_w-Wert erhöhen und damit den Energiebedarf und den Kraftstoffverbrauch, besonders bei höheren Geschwindigkeiten, unnötig steigern. Dieser Nachteil wird von den Herstellern bei den technischen Daten verschwiegen, weil er Käufer ab­ schrecken könnte. Statt dessen wurden die Spoiler zu einem Mode-Accessoire und einem äußerlich auffallenden Merkmal sportlicher Autos hochstilisiert, was bei bestimmten Käufer­ kreisen das Image und den Verkauf fördert.

Wohl wird bei hoher Geschwindigkeit damit die Straßenlage verbessert, aber vom aerodynamischen Verhalten her sind die­ se Vorrichtungen falsch.

Wie erfindungsgemäß der Auftrieb ohne Erhöhung des C_w-Wertes vermieden werden kann, wird unten näher beschrieben.

Ein weiterer konstruktiver Fehler ist nach der Lehre der Ae­ rodynamik das sogenannte Stufenheck, auch dieses oft mit ei­ ner Windabrißkante versehen. Die Windabrißkante, die angeb­ lich den Luftstrom günstig beeinflussen soll, kann man nur als eine Fehllösung ansehen, die keinen aerodynamischen Ge­ winn im Sinne einer Verringerung des C_w-Wertes bringt. Auch sie ist nicht viel mehr als eine Modeerscheinung, die dem Fahrzeug das Bild eines Kraftprotzes verleihen soll und das Stufenheck dient in erster Linie der Erzielung des erwünsch­ ten großen Kofferraum-Volumens mit ladefreundlicher großer Heckklappe herunter bis auf die hintere Stoßstange. Bei der verlangten bestmöglichen Ausnutzung des Fahrzeugin­ nenraumes bei vorgegebenen, nicht zu verändernden Außenma­ ßen kann der Konstrukteur nichts anderes machen, und der C_w-Wert bleibt beim Kompromiß auf der Strecke. So nähert sich die Form heutiger Automobile zwangsläufig dem Quader (Blechkasten), und der Käufer hat sich daran gewöhnt.

Wie anhand einer Abbildung unten gezeigt wird, hat Professor Ferdinand Porsche mit seinem für die Massenproduktion kon­ struierten Volkswagen in Seiten-, Front- und Draufsicht den besten bis heute erreichten Luftströmungsfluß erzielt, der im Windkanal einen C_w-Wert von sicher 0,27 erreicht hätte, wenn nicht durch die Stoßstangen vorn und hinten, durch Scheinwerfer und Rückleuchten, die Beleuchtung des polizei­ lichen Kennzeichens, durch nicht oberflächengleiche Fenster u. a. m. der Luftwiderstandsbeiwert leider wieder verschlech­ tert worden wäre. Bei den damaligen niedrigen Geschwindig­ keiten war das wahrscheinlich nicht so wichtig wie heute.

Die vorliegende Erfindung löst ihre Aufgabe dadurch, daß sie die Form der Karosserie so weit wie möglich der aerodynami­ schen Idealform nähert.

Damit senkt sie den C_w-Wert, den Leistungsbedarf und den Kraftstoffverbrauch ohne aber den Auftrieb bei hohen Ge­ schwindigkeiten zu erhöhen.

Dafür werden erfindungsgemäß zwei Maßnahmen vorgeschlagen.

• 1.) Anordnen einer verschieb- und/oder schwenkbaren Strö­ mungsleitfläche am Heck des Wagens, dort wo die schäd­ lichen Wirbel im Totraum des Strömungsbildes entstehen, wobei das Ausfahren dieser Leitfläche aus ihrer An­ fangsposition ab der, für den Luftwiderstand von Fahr­ zeugen kritischen Geschwindigkeit von 80 km/h selbsttä­ tig, ohne Einwirken des Fahrers erfolgt, und anderer­ seits das Gerät bei sinkender Geschwindigkeit ab 60 km/h wieder automatisch in die Ausgangsstellung zurückgeht, um die Fahrzeuglänge für das Einparken wieder auf das alte Maß zurückzuführen.
  Dabei soll diese Vorrichtung zusammen mit ihrem Antrieb auch nachträglich als Sonderzubehör eingebaut werden können, falls das Fahrzeug vom Hersteller ohne dieselbe geliefert wurde.
• 2.) Änderung der Seitenkontur der Karosserie im Sinne einer wirksamen Verringerung des Auftriebs bei hoher Geschwin­ digkeit, was natürlich kaum anders als beim Entwurf vom Hersteller schon berücksichtigt werden kann, obwohl er­ findungsgemäß auch hierfür Anbauteile denkbar sind, die aber einen erheblichen Aufwand erfordern.

Um die wirtschaftliche und ökologische Bedeutung des C_w-Wer­ tes aufzuzeigen, sei hier am Beispiel eines großen Reisewa­ gens (325 PS oder 240 kW, Höchstgeschwindigkeit 250 Km/h, Fehrzeuglänge 5200 mm, Luftwiderstandsfläche 2,03 m², C_w= 0,33) mit Hilfe einer einfachen Rechnung der Energiebe­ darf zur Überwindung des Luftwiderstandes bei verschiedenen Geschwindigkeiten dargestellt.

Bekanntlich steigt der Luftwiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Die einfache Näherungsformel lautet:

Darin ist W der Luftwiderstand in kg, F die wirksame Stirnflä­ che in m², ρ die Dichte der Luft in Meereshöhe bei 10°C in kg · s²/m⁴. ρ ist bei diesen Bedingungen 0,127 oder unge­ fähr 1/8.

C_w ist der dimensionslose Luftwiderstandsbeiwert, der sich nur als Quotient der im Windkanal gemessenen anderen Größen errechnen läßt. v ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in m/s.

Im Beispiel wird damit

Tabelle

Nach dieser Rechnung werden mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung bei 169 Km/h fast 10 PS weniger für die Überwindung des Luftwiderstandes benötigt.

Dabei ist zu beachten, daß für die, der Berechnung zugrunde liegende Geschwindigkeit von nur 160 Km/h bei einer Drehzahl von nur etwa n = 4000 lediglich ein Anteil von 180 kW der Nennleistung von 240 kW gebraucht wird, die nur bei 250 Km/h und n = 5700 voll beansprucht wird.

Deshalb darf man bei der Beurteilung der Tabellenwerte die Leistungseinsparung von 10 PS nicht zur Höchstleistung des Motors ins Verhältnis setzen sondern nur zur Teillast von 180 kW. Dadurch erfährt die Einsparung eine höhere Bewertung.

Der auf der linken Seite genannte C_w-Wert wie auch die Ver­ brauchswerte wurden vom Hersteller angegeben. Alle anderen C_w-Werte der Rechnung sind geschätzt und können mit Sicher­ heit nur im Windkanal festgestellt werden. Weil aber die notwendige Leistung für die Überwindung des Luftwiderstandes meist unterschätzt wird, sollte die vereinfachte Rechnung die Bedeutung der aerodynamischen Gestaltung unterstreichen. Sicher ist, daß der Luftwiderstand einen großen Teil der Mo­ torleistung verbraucht, im Beispiel 50 PS ohne und 40,8 PS mit der erfindungsgemäßen Strömungsleitfläche.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert, wobei die eingetragenen Ziffern und Hilfsbuchstaben bei allen Zeichnungen die gleichen Gegenstände bezeichnen.

Fig. 1 zeigt das Strömungsbild der nahezu erreichten aero­ dynamischen Idealform eines Automobils am Beispiel des Volkswagens. Obwohl die Stoßstange 7 vorn und die hintere Stoßstange 8 sowie Scheinwerfer, Rück­ leuchten usw. den C_w-Wert ungünstig beeinflussen bleibt der verwirbelte Totraum "a" bemerkenswert klein.

Fig. 2 zeigt das Strömungsbild eines großen Reisewagens in seiner unveränderten Form mit einer Länge von 5200 mm, einer größten Höhe von fast 1500 mm und einer wirksamen Stirnfläche gegen den Fahrtwind von 2,03 m² sowie einer Motorleistung von 240 kW bei n = 5700 und bei der Höchstgeschwindigkeit von 250 Km/h. Der Hersteller nennt einen C_w-Wert von 0,33.

Deutlich erkennbar ist der große verwirbelte Tot­ raum "a" hinter dem Stufenheck.

Man sieht daran, daß der größte Effekt zur Verbes­ serung des C_w-Wertes durch die Änderung der Heckform erzielt werden kann, was durch die vorliegende Er­ findung erreicht wird.

Dagegen bleibt die wirksame Stirnfläche eine unver­ änderbare, vorgegebene Größe ebenso wie der unver­ meidbare Wasserkühler mit seiner schädlichen Luft­ strömung.

Der Auftrieb entsteht auf der Oberseite des Fahr­ zeugs wie bei einem Flugzeugflügel, bei dem bekannt­ lich 2/3 des Auftriebs über und nur 1/3 unter dem­ selben erzeugt wird.

Die Strömungslinien "b" sind eng zusammengedrückt und zeigen dort nach den Regeln der Strömungslehre eine zunehmende Geschwindigkeit der Luft bei abneh­ mender Dichte an, wodurch der Sog nach oben, also der Auftrieb entsteht, der den Reifendruck auf die Fahrbahn mindert und bei höheren Geschwindigkeiten die Straßenlage verschlechtert.

Fig. 3 zeigt dasselbe Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der verschiebbaren oder mit Hilfe von nicht abgebildeten Gelenken längs einer Kurve schwenkbaren starren Strömungsleitfläche 1 und einem an ihrer Unterseite befestigten elasti­ schen Teil 2 , das sich auf der Oberkante der hin­ teren Stoßstange 8 abstützt, sobald der Kofferraum­ deckel geschlossen wird.

Die Zeichnung zeigt die Anfangsstellung der Strö­ mungsleitfläche 1 mit ihrem elastischen Teil 2 bei geschlossenem Kofferraum im Stand oder bei Geschwin­ digkeiten bis 80 Km/h. Schon in dieser Position be­ wirkt diese Vorrichtung eine deutliche Verbesserung und Verkleinerung des Totraumes "a".

Fig. 4 zeigt dasselbe Fahrzeug mit der vollständig ausge­ fahrenen starren Strömungsleitfläche 1 bei Geschwin­ digkeiten ab 80 Km/h und mehr, wobei die Verschie­ bung der Leitfläche 1 selbsttätig, ohne Einwirken des Fahrers erfolgte und der elastische untere Teil 2, weiterhin abgestützt gegen die Oberkante der hinteren Stoßstange 8, sich federnd gestreckt hat. Der Totraum "a" hat bei diesem Ausführungsbeispiel seine kleinste Ausdehnung erreicht.

Fig. 5 zeigt dasselbe Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Variante der, bei Geschwindigkeiten von mehr als 80 Km/h ausgefahrenen starren Strömungsleitfläche 1, die an ihrer Unterseite zwei elastische Teile 2 und 3 besitzt. Die starre Leitfläche 1 ist durch das Ge­ lenk 6 mit dem elastischen Teil 3 verbunden, welches seinerseits durch das Gelenk 5 mit dem elastischen, federnden Teil 2 Verbindung hat.

Das federnde Teil 2 ist am unteren Rand des Koffer­ raumdeckels 9 mit Hilfe des Gelenkes 4 befestigt. Das gesamte System hebt sich in der Anfangsstellung mit dem Kofferraumdeckel 9 und macht dabei den Kof­ ferraum frei zugängig.

Außerdem zeigt dieses Bild die erfindungsgemäß geän­ derte Seitenkontur des Fahrzeugs, die dazu dient, den Auftrieb bei hohen Geschwindigkeiten zu beseiti­ gen oder stark zu mindern. Diese Formänderung ist mit Hilfe von Anbauteilen nur schwierig zu realisie­ ren und teuer. Sie sollte vom Hersteller beim Ent­ wurf schon berücksichtigt werden.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Hohldach 10 mindert die Luftgeschwindigkeit und den Auftrieb im Strom­ linienbereich "b". Die noch wirksamere Ausbauchung an der Unterseite 11, die sich über die ganze Län­ ge des Fahrzeugs erstreckt, erhöht dort die Luft­ geschwindigkeit im Stromlinienbereich "c" und erzeugt einen erheblichen Abtrieb nach unten. Beide erfin­ dungsgemäßen Formänderungen zusammen lassen mit stei­ genden Geschwindigkeiten den Reifendruck auf die Fahrbahn zunehmend ansteigen und führen zu einer spürbaren Verbesserung der Straßenlage.

Diese aerodynamisch vernünftige Form, manchmal gering­ schätzig "Hängebauchschwein" tituliert, ist natürlich eine Sache der Geschmacksgewöhnung, die beim Automo­ bilbau eine so große Rolle spielt. Sie kann aber bald das Image schneller Fahrzeuge erwerben und die oben beschriebenen modischen Fehlentwicklungen verdrängen, sobald der Fahrer die verbesserte Straßenlage zu schätzen lernt.

Fig. 6 zeigt eine perspektivisch ausgeführte Teilansicht des Fahrzeughecks bei geöffnetem Kofferraum mit der auf dem Kofferraumdeckel 9 auf flachen Schienen und/oder mittels einer Gelenkmechanik verschiebbar angeordne­ ten, starren Strömungsleitfläche 1 in Anfangsposition.

Das oben erwähnte elastische Teil 2 der Leitfläche 1 ist nicht abgebildet, weil es die Sicht auf den Kof­ ferraumdeckel 9 verdecken würde.

Es ist ersichtlich, daß die Vorteile eines gut zu­ gängigen Kofferraumes im geöffneten Zustand erfin­ dungsgemäß erhalten bleiben.

Der selbsttätige Antrieb der Strömungsleitfläche 1 mit ihrem Zubehör erfolgt ähnlich wie der bekannte und bewährte Antrieb von Autoschiebedächern. Bei einigen Automodellen kann es notwendig sein, den Kofferraumdeckel 9, seine Scharniere und sein Schloß zu verstärken.

Erfindungsgemäß ist für die Leitfläche 1 und die elastischen, federnden Teile 2 und 3 (aus den Fig. 3 bis 5) eine Herstellung aus durchsichtigem Mate­ rial, z. B. aus Plexiglas oder ähnlichen Kunststoffen vorgesehen. Dabei wird die Funktion der Rück- und Bremsleuchten und der Richtungsanzeiger nicht beein­ trächtigt. Innen an der Rückwand der durchsichtigen Leitfläche 1 kann das polizeiliche Kennzeichen an geeigneter Stelle als beschriftete Folie aufgeklebt werden. Immer schon ist der Fahrer verpflichtet ge­ wesen, Heckbeleuchtung und polizeiliches Kennzeichen sauber zu halten. Das ist auch hier erforderlich und gut durchführbar.

Allgemein ist noch zu sagen, daß die erfindungsgemäß automa­ tisch betätigte Strömungsleitfläche 1 bei schnellen Automobi­ len in ähnlicher Weise wie das einziehbare Fahrgestell von Flugzeugen mit seiner viel komplizierteren Mechanik zu einem gewohnten und funktionssicheren Erscheinungsbild werden kann. Insbesondere wenn man diese Vorrichtungen mit der erfindungs­ gemäßen Änderung der Außenkontur kombiniert.

In den Abbildungen Fig. 1 bis 6 sind die folgenden erfindungs­ gemäßen Konstruktionsmerkmale nicht dargestellt.

Obwohl die starre Strömungsleitfläche 1 mit ihren elastischen Teilen 2 und 3 als Sonderzubehör für den späteren Anbau vor­ gesehen ist, kann erfindungsgemäß der Kofferraumdeckel 9 als Ganzes gegen einen geänderten Deckel ausgetauscht werden, der auf seiner Ober- oder Unterseite eine Tasche besitzt, in wel­ cher der größere Teil der Strömungsleitfläche 1 in ihrer An­ fangsposition bei 0 bis 80 Km/h untergebracht und nicht sicht­ bar ist, bis sie bei höherer Geschwindigkeit automatisch aus­ fährt. Ebenso ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ohne Aus­ tausch des Deckels 9 der Teil der Leitfläche 1, der sich über dem Deckel 9 befindet, durch eine Abdeckplatte verdeckt wird.

Claims (14)

1. Vorrichtungen zur Verringerung des Luftwiderstandes und des Auftriebes schnellfahrender Fahrzeuge durch Verschieben von Strömungsleitflächen am Fahrzeugheck und durch Änderung der Fahrzeugkontur in der Seiten­ ansicht.

2. Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Strömungsleitflächen gerad­ linig oder auf einer Kurvenlinie erfolgt.

3. Vorrichtungen nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche aus einem starren und einem oder mehreren elastisch federnden Teilen be­ steht.

4. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Teil der Strömungsleitfläche sich auf der Oberkante der hinteren Stoßstange des Fahr­ zeugs abstützt.

5. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die starren und elastischen Teile der Strömungs­ leitfläche mit Gelenken unter sich und mit einem weiteren Gelenk am unteren Rand des Kofferraumdeckels befestigt sind.

6. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verschieb- und/oder mit Gelenken bewegbare Strömungsleitfläche von einer Anfangsposition bis in eine festgelegte Endposition beim Überschreiten einer kritischen Geschwindigkeit selbsttätig geschoben wird und daß diese Strömungsleitfläche nach Unterschreiten einer, unter der vorgenannten kritischen Geschwindig­ keit liegenden langsameren Fahrt, wieder selbsttätig in ihre Anfangsposition zurückfährt.

7. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Strömungsleitfläche, der sich über dem Kofferraumdeckel befindet, durch eine Abdeckplatte in der Farbe des Fahrzeugs verdeckt wird, wobei diese Abdeckplatte die Verschiebungsbewegungen der Strömungs­ leitfläche nicht mitmacht, sondern an ihrem Platz ver­ bleibt.

8. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kofferraumdeckel an seiner oberen oder unteren Seite eine Tasche besitzt, in welcher der größere Teil der Strömungsleitfläche in ihrer Anfangsposition un­ tergebracht ist und in die sie auch wieder zurückfährt.

9. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsleitflächen am, in Fahrtrichtung hinte­ ren Ende der starren Strömungsleitfläche aus einem elastisch federnden Material bestehen, welches die Neigung hat, unter Druck durchzubiegen und bei nach­ lassendem Druck sich wieder federnd zu strecken.

10. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das System der starren Strömungsleitfläche mit ihren Hilfsleitflächen in der Weise auf dem Koffer­ raumdeckel angeordnet ist, daß es sich in der An­ fangsposition, beim Stand des Fahrzeugs, beim Öffnen des Kofferraumes mit dem Deckel anhebt und den Kof­ ferraum frei zugängig läßt.

11. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungslinien der das Fahrzeug umströmenden Luft über dem Fahrzeugdach in größere Abstände zuein­ ander und unter der Bodenfläche des Fahrzeugs in enge­ re Abstände zueinander gezwungen werden, daß sie in ihrem weiteren Verlauf über und unter der heckseitigen Strömungsleitfläche mit ihren Hilfsleitflächen enger an diese Vorrichtungen angeschmiegt werden, indem die Dachfläche des Fahrzeugs in Seitenansicht konkav und die Bodenfläche über die gesamte Länge des Fahrzeugs, ebenfalls in Seitenansicht gesehen, nach unten ausge­ baucht, also konvex, gestaltet wird.

12. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Systems von Strömungsleitflächen von der Anfangs- zur Endposition und zurück von der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert wird, und nach der Art der elektromotorisch betriebenen Autoschiebedächer vor sich geht.

13. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleit- und Hilfsflächen aus durch­ sichtigem Material, Plexiglas oder ähnlichen Kunst­ stoffen gefertigt sind.

14. Vorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kofferraumdeckel, seine Scharniere und sein Schloß für die Aufnahme der Vorrichtungen und der Luftkräfte verstärkt wird.