DE69613505T2

DE69613505T2 - Vorrichtung zum Verringern des Fahrwiderstandes von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE69613505T2
Application number: DE69613505T
Authority: DE
Inventors: Nevio Di Giusto; Alberto Morelli
Original assignee: Politecnico di Torino Dipartimento di Energetica; Fiat Auto SpA
Current assignee: Politecnico di Torino Dipartimento di Energetica; Fiat Auto SpA
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2016-04-18
Also published as: EP0738650A3; EP0738650A2; ITTO950315A1; ITTO950315A0; EP0738650B1; ES2159657T3; DE69613505D1; US5820203A; IT1279132B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um den Formwiderstand von Fahrzeugen herabzusetzen.
Es ist bekannt, dass der Koeffizient des Luftwiderstands eines Autos Cx so betrachtet werden kann, dass er die Summe von drei Ausdrücken ist:
Cx = Cf + Cs + Ci
Dabei ist Cf der Koeffizient des Reibungswiderstands, Cs der Koeffizient des Formwiderstands und Ci der Koeffizient des induzierten Widerstands (induziert durch das verwirbelte "Hinunterfließen" von Luft mit einer im Wesentlichen länglichen Achse hinter dem Fahrzeug).
Es ist bekannt, dass der Cx-Wert von Autos in den 70-er Jahren in Europa im Mittel bei 0,46 lag. In den 80-er Jahren erfolgte eine drastische Reduktion von mehr als 30%, hauptsächlich infolge einer Herabsetzung des Cl-Wertes.
Die Aufteilung des Cx-Werts auf die oben erwähnten Elemente verlief etwa wie folgt:
in den 70-er Jahren:
Cx = 0,03 + 0,23 + 0,20 = 0,46
in den 80-er Jahren:
Cx = 0,03 + 0,21 + 0,06 = 0,30
Heute können weitere Fortschritte durch ein Einwirken auf den Cs-Wert gemacht werden, das heißt auf die "Form".
Derzeit scheint jedoch die Entwicklung deutlich dahin zu gehen, Karosserien auf der Basis eines Parallelepipeds herzustellen, um den für eine vorgegebene Größe verfügbaren Raum zu vergrößern. Diese Fahrzeuge werden "einvolumige Aufbauten" ("monovolumes") genannt. Das Parallelepiped, das jene Seitenverhältnisse besitzt, die in Kraftfahrzeugen Verwendung finden, und das sich in der Nähe des Bodens befindet, besitzt einen Cx-Wert von etwa 0,9. Wenn die Ecken abgerundet sind, kann der Wert auf etwa 0,25 herabgesetzt werden. Wenn man jedoch die Tatsache berücksichtigt, dass Ergänzungen und Abänderungen am Parallelepiped notwendig sind, beispielsweise:
- Räder und Radkästen;
- Kanäle für innere Strömungen von Gebläsen und Wärmetauschern;
- konstruktionsbedingte Vorsprünge am Boden sowie zur Unterbringung von mechanischen Bauteilen;
- Vorsprünge an der Oberfläche für die Verglasung, die Schlitze für die Türen und die Verkleidungen usw.
steigt der Cx-Wert wesentlich über 0,30, wobei eine Beeinträchtigung im Vergleich mit derzeitigen Werten erfolgt.
Die Ursache für diese Verschlechterung ist der Erhöhung des Formwiderstands zuzuschreiben, da es nicht schwer ist, den Ci- Wert auf ungeänderten Werten zu halten, das heißt auf etwa 0,05. Es ist bekannt, dass diese Erhöhung dadurch entsteht, dass es sich beim parallelepipedförmigen Körper um einen "gedrungenen" Körper handelt, das heißt um einen "sich nicht verjüngenden" Körper. Anders ausgedrückt: die Bereiche seiner Querschnitte verändern sich, wie dies Fig. 1 zeigt, viel rascher als bei einem "sich verjüngenden" Körper, auch wenn die Enden abgerundet sind.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der Veröffentlichung WO-A-90/050 84 beschrieben.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu liefern, um den Formwiderstand bei gedrungenen Körpern herabzusetzen, beispielsweise im Extremfall bei Parallelepipeden und auf alle Fälle bei sogenannten einvolumigen Aufbauten.
Die Vorteile, die man mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhält, können jedoch auf sogenannte zweivolumige und dreivolumige Aufbauten ausgedehnt werden, die mit einem mehr oder weniger "abgestumpften Heck" versehen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden das oben erwähnte Ziel sowie weitere wichtige Ziele mit einer Vorrichtung erreicht, die jene Merkmale besitzt, die im Anspruch 1 angeführt sind.
Diese Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung eines nichteinschränkenden Beispiels sowie im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm von Bereichen der Querschnitte als Funktion der x-Koordinate in Längsrichtung für "grundlegende Karosserien" von Kraftfahrzeugen;
Fig. 2 den Schnitt durch den Mittelpunkt eines Rads mit einem zugeordneten Radkasten, die mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet sind;
Fig. 3 den abgestuften Schnitt entlang der Achse III-III von Fig. 2;
Fig. 4 den abgestuften Schnitt entlang der Achse IV-IV von Fig. 3;
Fig. 5 die Seitenansicht eines einvolumigen Kraftfahrzeugs, das mit jener Vorrichtung ausgestattet ist, die den Hauptgegenstand der Erfindung bildet;
Fig. 6 eine Teiluntersicht des Kraftfahrzeugs von Fig. 5; und
Fig. 7 die Hinteransicht des Fahrzeugs in Pfeilrichtung VII-VII von Fig. 5.
Zuerst wird auf Fig. 2 bis 4 Bezug genommen. Das Rad 1 eines Kraftfahrzeugs ist erfindungsgemäß mit Sätzen von Flügeln 2 versehen, vorzugsweise mit Sätzen von radialen Flügeln, die jener Strömung eine Richtung, die mit den Pfeilen dargestellt ist, aufprägen können, die an der Außenseite von einem Lufteinlass 3 eingefangen wird, der mit Sätzen von Flügeln 4 versehen ist, die so hergestellt werden, wie dies später erläutert wird, und die vorzugsweise die Strömung in das Innere des Radkastens 5 leiten.
Der Radkasten wird von einem Hohlraum gebildet und ist an seiner Innenseite mit einer Vielzahl von Kanälen 6 versehen, die entsprechende Einlassöffnungen 7 besitzen, die jene Strömung einfangen, die durch das Rad entsteht, wobei sie diese Strömung mit Hilfe von ortsfesten Flügelsätzen 8 gerade richten, mit denen die Kanäle begrenzt sind. Die auf diese Weise gerade gerichtete Strömung, die sozusagen keine Querkomponenten der Geschwindigkeit besitzt, wird in eine Leiteinrichtung 9 eingeleitet, die mit einer Auslassöffnung 10 versehen ist, die einen flachen Querschnitt mit horizontaler Hauptachse besitzt.
Die durch die Drehung des Rads 1 erzeugte Strömung kann so schematisiert werden, dass sie durch zwei Wirkungen hervorgerufen wird:
a) eine Reaktionswirkung, die von den Flügelsätzen 2 des Rads hervorgerufen wird, die dem strömenden Medium infolge der Drücke senkrecht auf die Wände sowohl eine axiale als auch eine zentrifugale Wirkung verleiht;
b) eine Mitnahmewirkung, die von den tangentialen Drücken hervorgerufen wird, die dann erzeugt werden, wenn die Luft mit den Wänden in Berührung tritt, das heißt mit der äußeren Fläche des Rads einschließlich des Reifens.
Erfindungsgemäß vereinigen sich die beiden Strömungen, um im Radkasten 5 ein Bewegungsfeld zu erzeugen, wie dies Fig. 2 und 3 zeigt, wobei sie in den Kanälen 6 durch die Einlassöffnungen 7 zusammenkommen. Die Kanäle 6 haben eine dreifache Aufgabe:
1) die Strömung beschleunigt zur Leiteinrichtung 9 zu richten;
2) die gesamten Energieverluste der Strömung dadurch herabzusetzen, dass sie sie in Kanäle leiten, die einen geringen Widerstand besitzen, da sie mit glatten Flügelsätzen 8 versehen sind, von denen jeder so bemessen ist, dass die Strömungen der einzelnen Kanäle 6 in der Leiteinrichtung 9 etwa mit der gleichen Geschwindigkeit (und dem gleichen Druck) eintreffen. Es sei darauf hingewiesen, dass die vom Rad aufgeprägte Energie für jeden auftretenden Winkelbereich gleich ist. Wenn sie jedoch nicht kanalisiert wird, wird sie anders und großteils in Wirbelströmungen im großen Raum des Radkastens zerlegt;
3) jene Wirbelbildungen zu beseitigen, die Abmessungen besitzen, die größer als jene Abmessungen sind, die den Querabmessungen der Kanäle entsprechen.
Um die oben erwähnten Wirkungen a) und b) zu verstärken, kann das Rad 1 erfindungsgemäß weiters mit einer Reihe von strukturellen Anordnungen versehen sein. Um die Reaktionswirkung der Flügelsätze 2 zu vergrößern, ist die Bremstrommel vorzugsweise ebenfalls mit gekrümmten Hilfsflügeln 11 versehen, wie dies die Figur zeigt, mit denen der Wirbeleffekt der austretenden Strömung herabgesetzt werden kann (analog kann eine mit Flügeln versehene Bremsscheibe verwendet werden).
Um die Mitnahmewirkungen zu vergrößern, sind auf der Radscheibe oder auf dem Reifen im Wesentlichen radiale Hilfsrippen 12 und 13 angeordnet. Die auf dem Reifen vorgesehenen Rippen 13 müssen sehr flexibel sein, wobei sie gleichzeitig als Schutz für die Seite des Reifens wirken. Da die Flügelsätze 4 des Lufteinlasses 3 in Abhängigkeit davon unterschiedlich gekrümmt sein müssen, ob die Räder auf der linken oder auf der rechten Seite des Fahrzeugs angeordnet sind, werden sie vorzugsweise in einem Stück mit der Nabe 14 hergestellt, die gleichzeitig als Nabenkappe dient, während die radialen Flügelsätze 2 für die Räder auf der linken oder der rechten Seite gleich sind, wodurch der Aufbau und die Verwendung wesentlich vereinfacht werden.
Um zu verhindern; dass die vom Rad 1 erzeugte Strömung von der Öffnung des Radkastens 5 in die entgegengesetzte Richtung nach unten fließt, wobei die Öffnung selbstverständlich notwendig ist, um die Drehung des Rads sowie dessen Rückschlag nicht zu behindern, ist am unteren Rand des Radkastens vorzugsweise eine Kante mit einer spitzen Ecke 15 ausgebildet.
Am oberen Rand 16 (Fig. 3) bedeckt der Radkasten 5 das Rad 1 umfassend, wobei er jedoch ermöglicht, dass die Strömung, bei der es sich im Wesentlichen um eine Mitnahmeströmung handelt, von der äußeren Fläche des Rads in einen Hohlraum 17 des Radkastens eindringen kann, um sich durch die kombinierte Wirkung des Mitnahmeeffekts dieser Fläche und der Reaktionswirkung der inneren Flügelsätze mit jener Strömung zu vereinigen, die die innere Fläche verlässt, wobei sie von den Öffnungen 7 eingefangen wird. Der Hohlraum 17 ist so ausgebildet, dass er eine ortsfeste Wirbelbildung aufnehmen kann, wie sie bei der Bezugsziffer 18 (Fig. 2) dargestellt ist. Ähnliche Aufgaben erfüllen die ringförmige Wirbelbildung 19 an der inneren Fläche des Rads infolge des Zusammentreffens der Mitnahmeströmung und der Reaktionsströmung auf dieser Fläche.
Die aus der Leiteinrichtung 9 austretende Strömung ist durch jene Arbeit mit Energie angereichert, die von allen rotierenden Rippensätzen und Flügelsätzen des Rads ausgeführt wird, wobei durch den Ausstoß ein Teil der Energie zu jener Strömung übertragen wird, die den Boden des Fahrzeugs beeinflusst, wobei diese Strömung andererseits im Wesentlichen kein Energiepotential mehr besitzt und sie infolge der Verluste daran leidet, dass sie entlang des Fahrzeugbodens streicht, wo sich Vorsprünge befinden, die von Elementen gebildet werden, die in Übereinstimmung mit Kriterien der Fertigung, des Aufbaus usw. und dabei fast immer in Übereinstimmung mit Kriterien der Aerodynamik geformt sind. Diese Elemente setzen der Strömung daher einen beträchtlichen Widerstand entgegen.
Genauer gesagt: im Zusammenhang mit Fig. 5 bis 7, in denen drei Ansichten eines einvolumigen Kraftfahrzeugs beispielhaft dargestellt sind, ist ersichtlich, dass jede Rad/Förder-Einheit, beispielsweise RCA und RCB, ihren eigenen begrenzten Bereich des Bodens, das heißt die Bereiche Zi bzw. Ze, mit dem Ziel beeinflusst, das Energiepotential des strömenden Mediums gleichförmig zu machen, das von der Bodenfläche im Bereich des hinteren stumpfen Teils B abgetrennt werden soll.
Die Bemessung des gesamten Systems gemäß der Erfindung erfolgt vorzugsweise auch so, um das oben erwähnte Energiepotential mit jener Strömung gleichförmig zu machen, die entlang der anderen Flächen des Fahrzeugs, den Seitenwänden F und dem Dach T streicht, deren Verlauf mit der Oberfläche des stumpfen Teils den Umriss P bestimmt. Dadurch, dass gleichartige Geschwindigkeits- und Druckzustände entlang des gesamten Umrisses des stumpfen Teils sichergestellt werden, wird es möglich, einen Wirbelring R zu erzeugen, der gegenüber dem Fahrzeug ortsfest ist. Diese Wirbelbildung, die daher auf dem stumpfen Teil "sitzt", induziert in der externen Strömung eine Konvergenz, die jener Konvergenz ähnlich ist, die man dann erhält, wenn das (starre) Heck des Fahrzeugs nicht vom stumpfen Teil entfernt wurde.
Der schraffierte Bereich L von Fig. 5 und 6 kennzeichnet die Trennungslinie zwischen dem äußeren und dem inneren Bewegungsfeld, das im Wesentlichen zum Fahrzeug stillsteht, wobei eine Art Heckströmung erzeugt wird, die hinsichtlich einer Herabsetzung des gesamten Widerstandskoeffizienten Cx des Fahrzeugs sehr vorteilhaft ist.
Damit die gesamte Energiebilanz positiv ist, ist es notwendig, dass die durch die Herabsetzung des Cx-Koeffizienten des Fahrzeugs erzielte Energieeinsparung größer als die zusätzliche Energie ist, die an den Rädern durch die Flügelsätze benötigt wird.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Ansaugung durch die Lufteinlässe, die an den Rädern vorgesehen sind, auch dazu dient, um die Grenzschicht der Strömung am unteren Teil der Seitenwände zu beseitigen, die im Allgemeinen dadurch ziemlich stark ist, dass vorher die Strömung im konvergierenden Teil der Seitenwände abgetrennt wird, der hinter den Rädern liegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Räder normalerweise bereits mit Einrichtungen für eine Gebläsewirkung versehen sind, vor allem zum Kühlen der Bremsen. Jene Vorrichtung, die den Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt, ersetzt daher auch die oben erwähnte Einrichtung, da sie auch dazu dient, um die Bremsen und die Räder zu kühlen.
Selbstverständlich bleibt die Grundlage der Erfindung gleich, wobei Einzelheiten im Aufbau sowie Arten der Ausführungsform gegenüber dem beschriebenen und gezeigten nichteinschränkenden Beispiel stark abweichen können, ohne dadurch vom Gebiet der Erfindung abzuweichen, das in den beiliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Herabsetzen des Formwiderstands von Fahrzeugen, wobei die Vorrichtung eine Gebläseeinrichtung (2, 11, 13), um entsprechende Hilfsluftströmungen zu erzeugen, sowie eine Fördereinrichtung enthält, um die Hilfsluftströmungen mit Hilfe einer Leiteinrichtung (9) zu leiten, die mit einer entsprechenden Auslassöffnung (10) versehen ist, so dass die Hilfsluftströmungen in den Bereich des stumpfen Heckteils des Fahrzeugs austreten, um zumindest teilweise eine sogenannte Heckströmung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseeinrichtung (2, 11, 13) jedem Rad (1) des Fahrzeugs zugeordnet ist, dass die Fördereinrichtung dem Radkasten (5) zugeordnet ist, und dass die Hilfsluftströmungen entlang dem Boden des Fahrzeugs streichen.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heckströmung mit Hilfe eines ortsfesten Wirbelrings erzeugt wird.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseeinrichtung (2, 11, 13), die jedem Rad (1) zugeordnet ist, von zumindest einem im Wesentlichen radialen Flügelsatz (2) gebildet wird, der eine Reaktionswirkung hervorruft, die dem strömenden Medium sowohl eine axiale als auch eine zentrifugale Wirkung aufprägt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebläseeinrichtung (2, 11, 13) eine Lufteinlasseinrichtung (3) zugeordnet ist, die entsprechende Flügelsätze (4) mit unterschiedlichen Krümmungen für die beiden Seiten des Fahrzeugs besitzt, und dass die Lufteinlasseinrichtungen (3) in einem Stück mit der Nabenkappe (14) des entsprechenden Rads hergestellt werden.

5. Vorrichtung gemäß den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung, die jedem Radkasten (5) zugeordnet ist, eine Vielzahl von Kanälen (6) besitzt, die in der Leiteinrichtung (9) zusammenlaufen, und dass die Leiteinrichtung (9) mit einer abgeflachten, horizontalen Auslassöffnung (10) versehen ist, die eine beträchtliche Mitnahmewirkung auf die Schicht des strömenden Mediums erzeugen kann, die längs des Bodens des Fahrzeugs streicht.

6. Vorrichtung gemäß den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Querausdehnung der Öffnungen (10) der Leiteinrichtungen (9) den Randbereich der stumpfen Bereiche wesentlich beeinflusst, wobei das Energiepotential dieses Bereichs angehoben wird, um es gleich dem restlichen Randbereich zu machen.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Kanälen (6) in einem Hohlraum (17) des Radkastens (5) mit ortsfesten Flügeln (8) endet, die die Hilfsströmung beschleunigt zur Leiteinrichtung (9) leiten können, um die gesamten Energieverluste der Strömung herabzusetzen und Wirbelbildungen zu beseitigen, die Abmessungen besitzen, die größer als die Abmessungen der entsprechenden Querabmessungen der Kanäle (6) sind.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (8) so bemessen sind, dass die Strömungen der einzelnen Kanäle (6) in der Heckleiteinrichtung (9) mit etwa der gleichen Geschwindigkeit und dem gleichen Druck eintreffen.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rad weitere Hilfsflügelsätze (11) enthält, die den Elementen der Bremse zugeordnet sind und die Reaktionswirkung des radialen Flügelsatzes (9) erhöhen können.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weitere Hilfsrippen (12, 13) enthält, die der Scheibe des Rads und/oder dem Reifen zugeordnet sind und die Mitnahmewirkung der Strömung erhöhen können, die durch jene Luft erzeugt wird, die mit dem Rad (1) in Berührung gelangt.

11. Vorrichtung gemäß den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet; dass jeder Radkasten (5) an seinem unteren Rand mit einer spitzen Ecke (15) versehen ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie irgendeinem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Hilfsströmungen dazu verwendet wird, um die Bremsen und die Räder zu kühlen.