DE69612388T9

DE69612388T9 - Aerodynamisches kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE69612388T9
Application number: DE69612388T
Authority: DE
Inventors: Ben Cowan; A. Marek KMICIKIEWICZ
Original assignee: CKE TECHNOLOGIES Inc; CKE TECHNOLOGIES Inc ST LAURENT
Current assignee: CKE TECHNOLOGIES Inc; CKE TECHNOLOGIES Inc ST LAURENT
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 2004-09-09
Also published as: WO1997011874A1; DE69612388T2; US6230836B1; DE69612388D1; EP0852549A1; EP0852549B1

Description

Erfindungsgbiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Automobile, insbesondere ein leichtes, selbst angetriebenes Personenfahrzeug, mit verbesserten Aufbau- und Karosserieeigenschaften.
Stand der Technik
Die bekannten Automobile tragen oft eine einzelne Fahrerperson, wiegen im Durchschnitt zwischen 1000 und 2000 kg und transportieren eine Person mit einem Durchschnittsgewicht von 70 kg. Es ist klar, dass die bekannten Automobile in hohem Maß unwirtschaftlich sind, insbesondere in einem Stadtgebiet im Hinblick auf die Energiemenge in Form von Brennstoff, der für die Bewegung eines derartigen Fahrzeugs erforderlich ist, und im Hinblick auf die sich ergebende Umweltverschmutzung. Es tut nichts zur Sache, wieviel Forschung in Bezug auf den Motorwirkungsgrad betrieben wird, solange das Automobil die erwähnte Masse hat.
Ferner haben die bekannten Automobile einen Luftwiderstandsbeiwert von C_d = 0,38 oder mehr. Beim Autobahnfahren lässt der Luftwiderstandsbeiwert die Anforderungen an die Leistung des Fahrzeugs ansteigen. Daher sind verhältnismäßig leistungsfähige Motoren erforderlich, um mit der Masse und dem Luftwiderstand fertig zu werden.
Solche Motoren erhöhen ferner die Gesamtmasse des Fahrzeugs. Der Brennstoffverbrauch beträgt selten unter 7 Liter/100 km.
Bei leichten Fahrzeugen tritt das Problem auf, dass die Stabilität bei höherer Geschwindigkeit fehlt. Bei einer Masse von weniger als 500 kg würde das Fahrzeug bruchempfindlich und etwas unstabil bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h oder mehr werden, hervorgerufen durch das aerodynamische Abheben, das bei den meisten bekannten Karosserieformen auftritt.
Im US-Patent 3,951,222 (Fletcher), veröffentlicht am 20.4.1976, ist ein leichtes Automobil in Form einer umgedrehten Tragfläche gezeigt. Obwohl das aerodynamische Abheben, das mit dem in diesem Patent gezeigten Automobil verbunden ist, vermindert wird, hat das in diesem Patent gezeigte Automobil eine seitliche Instabilität.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf ein Automobil mit einem Chassis und einer Außenverkleidung in Form eines aerodynamischen Profils, wobei die Dachwand die Druckfläche und die Bodenwand die Saugfläche bildet und wobei die Vorderseite des Automobils als Anströmkante und die Hinterseite des Automobils als Abströmkante wirkt. Das derartige Automobil ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei vertikale Stabilisierungsrippen in Längsrichtung, im Heckbereich und parallel zueinander verlaufen und auf beiden Seiten des Automobils angeordnet sind und damit dem Automobil in der vertikalen Ebene Stabilität verleihen, und zwar derart, dass der Druckmittelpunkt in Heckrichtung hinter dem Schwerkraftmittelpunkt liegt.
Auf diese Weise ist ein leichtes Fahrzeug mit einem niedrigen Luftwiderstandsbeiwert geschaffen. Das Fahrzeug gemäß der Erfindung kann einen billigen Aufbau aufweisen, der zu einer verminderten Wartung führt. Das Fahrzeug kann einen Luftwiderstandsbeiwert C_d von weniger als 0,2 und eine Masse von weniger als 450 kg aufweisen. Das Fahrzeug gemäß der Erfindung hat aerodynamische Eigenschaften, die es bei höheren Geschwindigkeiten stabil machen, und kann einen niedrigen Brennstoffverbrauch aufweisen. Der Motor und die Kraftübertragungsglieder können in der Fahrzeugmitte konzentriert werden, so dass ein niedriges Polmoment erreicht und die Fahrzeughandhabung verbessert wird. Das Fahrzeug gemäß der Erfindung kann eine große Sicherheit für den Fahrer und die Mitfahrenden bieten.
Das Automobil kann vier Passagiersitze aufweisen, die Rücken gegen Rücken angeordnet sind und bei denen die Rückenlehnen in strukturellen Trennwänden integriert sind, die eine Dreieckskonfiguration aufweisen. Der Antriebsstrang kann an der Spitze der strukturellen Trennwände aufgehängt sein, einschließlich des Motors, der in Höhe des Fahrzeugbodens angeordnet sein kann. Der Fahrzeugfußboden kann eine Doppelverkleidung sein, die die Bodenwand umfasst, und kann einen Lagerraum für den Benzintank und im Fall der Verwendung eines Elektromotors einen Lagerraum für die Batterien bilden.
Damit ist das Wesen der Erfindung generell beschrieben worden, und nun wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die bildlich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellen. Es zeigen:
1 eine teilweise geschnittene, vertikale Seitenansicht eines Fahrzeugs, die die Luftströmung um die Karosserie des Fahrzeugs zeigt,
2 eine teils schematische und teils geschnittene, vertikale Seitenansicht eines Fahrzeugs gemäß der Erfindung mit der in 1 gezeigten Ausführung, wobei einige Elemente in gestrichelten Linien dargestellt sind,
2a eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit der in 2 gezeigten Ausführung,
3 eine schematische Draufsicht auf das in den 1 und 2 gezeigte Fahrzeug,
4 eine Teilrückansicht der in den 1 und 2 gezeigten Ausführung,
5 eine perspektivische Teilansicht einer Einzelheit der vorliegenden Erfindung,
6 eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht einer weiteren Einzelheit der vorliegenden Erfindung,
7 ein vergrößerter Vertikalschnitt durch eine weitere Einzelheit der vorliegenden Erfindung längs der Linie 7-7 in 3,
8 ein schematisches, perspektivisches Schaubild eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung,
9 eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht einer weiteren Einzelheit der vorliegenden Erfindung und
10 ein vertikaler Teilschnitt längs der Linie 10-10 in 3.
Ausführungsarten der Erfindung
In den 1 bis 3 ist ein Automobil A dargestellt, das ein Chassis C, eine Bodenverkleidungswand 10 und ein Dach 12 aufweist. Die Gesamtform des Automobils A ist die einer umgedrehten Tragfläche (Profils) mit einer Anströmkante 14 und einer Abströmkante 16.
Wie in 1 gezeigt ist, erzeugt die Konfiguration der Saugfläche, nämlich der Bodenverkleidungswand 10, und der Druckfläche, nämlich des Dachs 12, eine negative, aerodynamische Hubkraft bei hohen Geschwindigkeitem, wodurch das Automobil in Richtung auf den Erdboden gedrückt wird. Dieser Druck wird durch einen vor der Karosserie A angebrachten Spoiler 18 und einen hinter der Karosserie A angebrachten Spoiler 20 vergrößert.
Der Spoiler 18 ist in 9 dargestellt. Der in 1 gezeigte Spoiler 20 hat einen ähnlichen Aufbau. Der Spoiler 18 dient auch als Stoßfänger, verläuft quer zum Chassis und ist an seinen Enden mit jeweils einem Seitenfänger 22 bzw. 24 verbunden. Der Spoiler 18 weist einen Abstand von der Bodenverkeidungswand 10 auf und trägt dazu bei, eine zusätzliche negative Hubkraft auf der Vorderseite des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Spoiler 20 erzeugt eine ähnliche negative Hubkraft auf der Rückseite des Automobils A. Ein am Chassis C befestigtes, zentrales Verbindungsglied 26 sorgt für eine Stützung des Spoilers 18 und lenkt zusammen mit den einen Abstand vom Chassis aufweisenden Seitenfängern die Luftströmung unterhalb des Automobils A.
Die Spoiler 18 und 20 haben jeweils eine horizontale Komponente P_h auf der Vorderseite und der Rückseite des Automobils, wobei diese Komponenten in entgegengesetzten Richtungen wirken. Wenn die Luftströmung an den Spoilern 18 und 20 vorbeigeht, hebt die P_h-Komponente jedes Spoilers 18, 20 die jeweils andere P_h-Komponente auf. Natürlich wirken die Kräfte auf den Automobilaufbau derart, dass dieser ausgerichtet wird. Vertikale Komponenten P_v drücken den Wagen nach unten auf den Erdboden, wobei die Stabilität erhöht wird. Die nach unten auf das Automobil wirkenden Kräfte erhöhen den Rollwiderstand, doch wird dies bei weitem durch den Stabilitätsgewinn wettgemacht.
Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Motor 28 zentral im unteren Teil des Automobils A amgeordnet. Der Motor 28 kann ein Typ sein, wie er im US-Patent 4 727 794, veröffentlicht am 1.3.1988, von Marek Kmicikiewicz beschrieben wurde. Drehmomentreaktionsglieder 29 sind vorgesehen, um dem vom Motor 28 erzeugten Drehmoment zu begegnen. Der Antriebsstrang weist auch ein Kupplungsgehäuse 30 auf, in dem eine übliche Einscheibentrockenkupplung untergebracht ist. Ein Zwischenachs-Ausgleichsgetriebe 32 ist über der Kupplung angeordnet, wobei dieses Getriebe mit einer die Leistung aufteilenden CVT-Übertragung 34 zusammenarbeitet, wie sie im US-Patent 5,121, 936, veröffentlicht am 16.6.1992, von Ben Cowan beschrieben wurde.
Die Antriebsstrangeinheit, die den erwähnten Motor 28, das Kupplungsgehäuse 30, das Getriebe 32 und die Übertragung 34 umfasst, ist an der Spitze zweier Trennwände 36 und 38 aufgehängt, die ein strukturelles Dreieck bilden, wie es in den 2 und 5 gezeigt ist.
Die Trennwände 36 und 38 bilden auch die Rückenlehnen von Sitzsätzen 60 und 62. Rücklehnenfüllungen 37 sind wegen des Zugangs zum Raum zwischen den Zwischenwänden 36 und 38 abnehmbar angeordnet, wobei in diesem Raum die Motorkraftübertragung und weitere Einrichtungen untergebracht sind. Es sei darauf hingewiesen, dass der Motor und die Kraftübertragung in weniger als 30 Minuten herausgenommen werden können. Kopfstützen 25 sind oben an Sitzen 60a, 60b, 62a und 62b angebracht, wie die 2 und 3 zeigen. Ein Aufhängesystem 40 hängt den Antriebsstrang an der Spitze der Trennwände 36 und 38 auf. Die Aufhängung des Antriebsstrangs erlaubt eine bessere Verteilung der Belastungskräfte des Chassis C.
Es wird nun auf die 2, 3, 5, 6 und 7 Bezug genommen. In diesen Fig. ist das Chassis C gezeigt, das einen Doppelverkleidungsboden mit voneinander im Abstand angeordneten Platten 10 und 11 aufweist. Es sind zwei Längsträger 42 und 44 vorgesehen, die von einem Frontquerträger 46 zu einem Heckquerträger 48 verlaufen. Die Querträger 46 und 48 sind U-förmige Stanzprofile aus Aluminium und haben nach außen ragende Schultern 55 (6) zum Zweck des Anklebens, des Punktschweißens oder des Vernietens. Der Querschnitt eines typischen Längsträgers 42 ist in 6 gezeigt, wobei Quer- oder Seitenträger 46, 48, 50 und 52 zwischen den Längsträgern 42 und 44 verlaufen. Es sind Trägerverlängerungen 46L, 46R, 48L, 48R, 50L, 50R, 52L und 52R vorgesehen, die von den Längsträgern 42 und 44 aus nach außen verlaufen und jeweils den Querträgern 46, 48, 50 und 52 zugehören. Alle Schultern 55 der Träger sind mit der Verkleidung, die beispielsweise durch die Platten 10 und 11 repräsentiert ist, verklebt, vernietet oder punktverschweißt.
Ein einen Vorderabschnitt 56 und einen Hinterabschnitt 58 aufweisender Tunnel verläuft in Längsrichtung, in der Mitte des Chassis C und innerhalb der Passagierkabine, wobei der Tunnel die zwei Sitzsätze 60 und 62 in Sitze 60a, 60b bzw. in Sitze 62a, 62b aufteilt, wie es in den 3 und 5 gezeigt ist.
Diese Tunnelabschnitte 56 und 58 schaffen den Raum für die Kraftübertragungselemente und dienen gleichzeitig zur Aufnahme von auf das Automobil wirkenden, strukturellen Kräften während Zusammenstößen, wobei die vordere Trennwand und die hintere Trennwand gestützt werden. Die Gehäuse der Tunnelabschnitte 56 und 58 versteifen die Gesamtstruktur des Chassis C zusätzlich.
Die Kraftübertragung zu den Hinterachsen und den Vorderachsen erfolgt mittels Zahnriemen 64 und 66, die in den entsprechenden Tunnelabschnitten 56 und 58 verlaufen. Diese Zahnriemen 64 und 66 können von der Art sein, wie sie als Uniroyal-HTD-II-Synchronriemen-Antriebssystem bekannt ist. Ein derartiges System ist in einer Uniroyal-Veröffentlichung mit dem Titel "PowerTrain", Oktober 1985, beschrieben worden. Ein weiteres System, das PowerGrip-HTD-Riemensystem, wird von The Gates Rubber Company hergestellt und ist in den Gates Industrial Belt Products/List Prices vom 2.1.1990, Nr. 19996-000, beschrieben worden. Das Zwischenachs-Ausgleichsgetriebe 32 sieht eine Drehmomentaufteilung mit den Antriebsriemen 64 und 66 vor. Der Grad der Drehmomentaufteilung hängt von der Lastverteilung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse, der Höhe des Schwerkraftmittelpunkts des Automobils und der Art des Fahrbetriebs, nämlich hauptsächlich auf Stadtstraßen oder auf Autobahnen, ab. Der in der 2a schematisch gezeigte Zahnriemen 66 ist nach Art der Möbius-Kurve ausgebildet und verdrillt, um das Drehmoment von Vertikalachs-Zahnrädern 33 des Zwischenachs-Ausgleichsgetiebes 32 zur Horizontalachse des Endantriebsgetriebes zu übertragen. Der Zahnriemen 64 hat einen entsprechenden Aufbau. Diese Anordnung ist ein Antriebssystem für leichte Fahrzeuge, das sehr wirksam und kostensparend ist sowie Geräusche und Schwingungen vermindert.
Der Benzintank 68 ist unter dem rechten Passagierrücksitz 62b und vom rechten Längsträger 44 aus nach innen angeordnet. Der Benzintank 68 hat ein Fassungsvermögen von 15 bis 21 Litern und ist vor Stößen geschützt, die von beiden Seiten und von der Rückseite des Fahrzeugs kommen. Der Tankinhalt gestattet dem Automobil eine Fahrstrecke von 500 bis 700 km.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Verkleidungsboden 10 mit einer Öffnung unter dem Antriebsstrang für den Zugang zum Antriebsstrang versehen sein kann.
Die obere Bodenplatte 11 kann mit Versteifungssicken und Öffnungen versehen werden, die Zugang zu einigen Funktionsteilen gewähren, die im Doppelbodenraum angeordnet sind. Wie vorher bereits erwähnt wurde, erlaubt das Doppelbodenkonzept die Unterbringung von Batterien im Fall der Umstellung auf einen elektrischen Antrieb.
Die Höhe und die Distanz eines Lenksäulen- und Instrumentenblocks 70 (2) sind einstellbar, weil die Sitze 60 fest eingebaut sind. In ähnlicher Weise ist ein Pedalblock (nicht gezeigt) horizontal einstellbar, um eine Anpassung an verschiedene Beinlängen zu ermöglichen. Da diese beiden Blöcke, nämlich der Lenksäulen- und Instrumentenblock 70 und der Pedalblock, in Bezug auf den festen Sitz 60a voneinander unabhängig einstellbar sind, kann eine bessere Fahrposition für verschiedene Personen erreicht werden, einschließlich für solche Personen, die kürzere Arme und längere Beine oder umgekehrt haben.
Ein Lufteinlass 72 (1, 3) ist an der Vorderseite des Automobils A gemäß den 2 und 3 vorgesehen. Die Luft strömt durch einen Luftkanal zum Motor 28, so dass dieser luftgekühlt wird. Der Lufteinlass 72 ist am Staupunkt an einer Anströmkante 14 des Automobils A aerodynamisch angeordnet, wo sich der höchstmögliche, statische Druck entwickelt. Ein Luftauslass 74 (1) hat die Form von tangentiell ausgerichteten Schlitzen an der Hinterseite des Automobils A, wo die Luftgeschwindigkeit hoch ist und daher die Saugkraft hoch ist, der die Luft aus dem Luftauslass zieht. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Ventilator im Luftauslass 74 vorgesehen wird, um den Saugdruck im Belüftungssystem für den Motor zu erhöhen.
Wie in den 7 und 10 gezeigt ist, sorgt ein mit dem Luftkanal 74 verbundener Luftdurchgang 76 für eine Luftströmung, die durch den Querträger 50 zum Motor 28 führt.
Vertikale Stoßfänger- und Stabilisierungsrippen 78 (1, 2, 4) sind auf beiden Seiten des Automobils angeordnet, dienen der Seitenstabilität und helfen auch dabei, den Druckmittelpunkt in Richtung auf das Automobilheck zu verlegen. Dadurch wird ein Korrekturmoment bei hohen Geschwindigkeiten während des Zugverlustes an allen vier Rädern erzeugt. Ein Überrollbügel 82 ist gemäß den 3 und 4 in der Mitte des Automobils A angeordnet und wird von Pfosten 84 getragen, die den Überrollbügel 82 mit dem Längsträger 42 bzw. 44 ver binden. Es sei darauf hingewiesen, dass der Überrollbügel 82 nach 4 vom Dachbereich bis in Gurthöhe heruntergezogen ist, um einen Schutz gegen seitlichen Aufprall zu gewährleisten.
Die 8 zeigt die Stützkonstruktion für den Dachaufbau, die sich kreuzende und in Gurthöhe gestützte Pfeiler 86 und 88 aufweist. Arme 90a und 90b stellen Windschutz- und Türarme dar.
Trennwände 92 (10) sind im Vorderteil und Hinterteil des Automobils A über den in den 3 und 5 gezeigten Seitenträgern 46 und 48 angeordnet. Diese Trennwände bilden die Konstruktionsteilungslinien des Automobils und sind derart ausgebildet, dass sie die Aufprallenergie ohne ernste Deformation der Passagierkabine aufnehmen.
Die Teile vor der Trennwand 92 und hinter einer Trennwand 94 sind Knautschzonen. Querliegende Blattfedern 96 sind in der Trennwand 92 vorgesehen und ergänzen das Aufhängesystem. Wie in 10 gezeigt ist, sind Aufhängeverbindungsstäbe 98 und 100 mit den Blattfedern 96 im Gehäuse der Trennwnd 92 verbunden.

Claims

Automobil (A) mit einem Chassis (C) und einer Außenverkleidung in Form eines aerodynamischen Profils, wobei die Dachwand (12) die Druckfläche und die Bodenwand die Saugfläche bildet und wobei die Vorderseite des Automobils als Anströmkante und die Hinterseite des Automobils als Abströmkante wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei vertikale Stabilisierungsrippen (78) in Längsrichtung, im Heckbereich und parallel zueinander verlaufen und auf beiden Seiten des Automobils (A) angeordnet sind und damit dem Automobil in der vertikalen Ebene Stabilität verleihen, und zwar derart, dass der Druckmittelpunkt in Heckrichtung hinter dem Schwerkraftmittelpunkt liegt.
Automobil (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spoiler (20) zwischen den Stabilisierungsrippen (78), in der Nähe der Bodenwand (10) und in der Nähe der Abströmkante angeordnet ist, wobei der Spoiler (20) in Querrichtugen des Automobils (A) verläuft und von der Bodenwand einen Abstand hat, so dass ein Luftströmungsdurchgang geschaffen und eine nach unten gerichtete Kraft auf das Automobil (A) erzeugt wird.
Automobil (A) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Spoiler (18) in der Nähe der Anströmkante an der Vorderseite des Automobils (A) angeordnet ist und dass die Spoiler (18, 20) jeweils die Form eines aerodynamischen Profils haben, dessen Druckfläche der Bodenwand (10) des Automobils (A) zugewandt ist und dessen Saugfläche dazu nach unten weist.
Automobil (A) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stabilisierungsrippe (78) als Stoßstange dient und jeder Spoiler (18, 20) als Stoßfänger für die Vorderseite und Rückseite des Automobils dient.
Automobil (A) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler (20) mit seinen Enden an den betreffenden, als Stoßstangen dienenden Stabilisierungsrippen (78) befestigt ist, dass eine den Spoiler stützende, zentrale Stütze am Chassis befestigt ist und dass die Luftströmung zwischen dem Spoiler und der Bodenwand durchgeführt werden kann und dabei durch die entsprechenden Stoßstangen und die zentrale Stütze geleitet wird.