SE1500111A1 - Utformning av fordon på fyra hjul för erhållande av lågt luftmotstånd - Google Patents

Abstract

Uppfinningen innebär en ny form för fordon på fyra hjul för att uppnåavsevärt lägre luftmotstånd jämfört med dagens fordon. Fordonet består avtvå längsgående fordonskroppar vardera uppifrån utformad som en vingprofil,symmetriskt spegelvända. Principen är att den luft som träffar fronten avfordonskroppen i huvudsak leds på fordonskroppens utsida medan den luftsom finns mellan fordonskropparna lämnas ostörd. Hjulen täcks helt avfordonskropparna med öppningar i hjulhusen endast mot marken.Fordonskropparna är förbundna med varandra med en som vingprofilutformad central plattform fästad i eller nära fordonskropparnas överkanteroch utformas som en för båda fordonskropparna gemensam huv eller som entunnare vinge och två asymmetriska huvar med form som vingprofiler seddauppifrån och eventuellt också från sidan. Ett Cd värde på 0.10 och enfrontarea på 1 kvm kan uppnås vilket innebär 12 % av luftmotståndet hos en vanlig bil. Elbilar med denna design får tillräcklig aktionradie med tillgängligbatteriteknik.

Description

1 UTFORMNING AV FORDON MED FYRA HJUL FÖR ERHÅLLANDE AVLÅGT LUFTMOTSTÅND Tekniskt område Föreliggande patentansökan relaterar till ett fordon innefattande fyrahjul, ett chassi och en kaross anordnad på nämnda chassi, varvid karosseninnefattar en central del och två, ifordonets färdriktning, längsgåendefordonskroppar.

Uppfinningens bakgrund Luftmotståndet är proportionellt mot fordonets frontarea, enluftmotståndskoefficient (Cd) som beror på fordonskroppens form ochproportionell mot kvadraten på hastigheten.

Effekten som fordras for att övervinna luftmotståndet = luftmotståndetx Hastigheten, d.v.s. proportionell mot hastigheten upphöjt till tre.

Ett fordon som förflyttas med konstant hastighet på en väg utanhöjdskillnad har att övervinna två motstånd, rullmotstånd och luftmotstånd.Rullmotståndet är proportionellt mot hastigheten , fordonets vikt och enkoefficient som är omvänt proportionell mot vägens och däckens hårdhet ochmot hjulens diameter. Ju hårdare väg och däck och ju större hjul ju lägrerullmotstånd.

En modern småbil har Cd-värde på cirka 0,3, frontarea på ca 2kvadratmeter och vikt på cirka 1000kg.

I 100 km /tim krävs 12 hkr för att övervinna luftmotståndet och 2 hkrför att övervinna rullmotståndet , totalt 14 hkr på en slät asfaltväg utanhöjdskillnad.

I 200 km/tim är motsvarande siffror 95 hkr, 4 hkr och 99 hkr.

I 250 km/tim är motsvarande siffror 175 hkr, 5 hkr och 180 hkr.

Av detta framgår att det huvudsakliga motståndet som skall övervinnasav fordon även i normala hastigheter är luftmotståndet. Flygplan harluftmotståndskoefficient 0,012. Om bilar hade samma luftmotståndskoefficientskulle motståndet minska till en tjugofemtedel. :ao-i fß--ozf-:ze soft E:\2o14o204___1101645“Uippiauaiimiranjisïr' - kopia isf, dom 2 Med den layout för bilar som föreligger idag med ett centraltpassagerarutrymme kan man inte nå mycket lägre Cd- värde än 0,22, vilketär det lägsta Cd-värdet för en serieproducerad bil idag, en Mercedes.

I ett försök att åstadkomma så lågt luftmotstånd som möjligt medbibehållet koncept med förare och passagerare sittande bredvid varandra mitti bilen har VW-koncernen med projektet L1 kommit ned till Cd 0,186.Spårvidden bak är markant minskad och bilens bredd är minskad till bara 168cm. Frontarean uppgår till 1,5 kvm och bilen är 118 cm hög. Bilen säljs i bara250 exemplar till priset 111 000 Euro.

GM uppnådde med sin elbil EV1 liknande Cd-värde. Den tillverkades ifå exemplar och leasades till kunderna men efter några år bestämde man sigför att skrota alla tillverkade bilar.

Det finns alltså ett behov av ytterligare arbete för att sänka Cd-värdetför ett fordon med fyra hjul.

Patent GB 652580 A från 1947 beskriver ett fordon på fyra hjul, ettchassi och en kaross anordnad på nämnda chassi , varvid varje sida avnämnda chassi i fordonets längdriktning innefattar ett framhjul och ettbakhjul, varvid karossen innefattar en central del, och två i fordonetsfärdriktning längsgående fordonskroppar , placerade på vardera sidan omden centrala delen och förbundna av den central delen, varvid varje av de tvålängsgående fordonskropparna innefattar ett utrymme för minst en person ,varav en förare av fordonet och en passagerare. Vardera fordonskroppenrymmer ett främre och ett bakre hjulhus, täckta av fordonskropparna medöppning för hjulen endast på fordonskropparnas undersidor och passagerar-respektive förarutrymmet beläget mellan framhjulet och bakhjulet. Varderalängsgående fordonskroppen utformas för lägsta luftmotstånd med form somen flygplanskropp med avrundad front och avsmalnande akter men enligtdetta patent är fordonskropparna symmetriska.

I slutet av 60 talet presenterade en italiensk tillverkare en prototyp medtvå längsgående fordonskroppar, en för föraren och en för passageraren men fordonskropparna var symmetriska med tvärt avskuren och ej avsmalnande 3 bakdel. De var förbundna av flera plattformar varav en utformad som en huvgemensam för båda fordonskropparna men inte med vingprofil.

Sammanfattning av uppfinningen Med hänsyn till ovanstående är ett syfte med föreliggande uppfinningatt tillhandahålla en ny utformning av kaross och disposition av utrymmen förett fordon med fyra hjul för att erhålla lägre luftmotståndskoefficient ochmindre frontarea.

Enligt en första aspekt är föreliggande uppfinning realiserad av fordoninnefattande: fyra hjul, ett chassi, och en kaross anordnad på nämnda chassi,varvid varje sida av nämnda chassi, i fordonets färdriktning, innefattar ettframhjul och ett bakhjul, varvid karossen innefattar: en central del, och två, ifordonets färdriktning, längsgående fordonskroppar, placerade en på varderasidan om den centrala delen och förbundna av den centrala delen, varvidvarje av de två längsgående fordonskropparna innefattar ett utrymmeanpassad för minst en person varav en förare och passagerare, varvid varjeav de två fordonskropparna vidare innefattar ett främre hjulhus och ett bakrehjulhus anordnade att inrymma ett framhjul respektive ett bakhjul, varvid defrämre och de bakre hjulhusen är täckta av fordonskropparna med öppningför hjulen endast på fordonskropparnas undersidor, d.v.s. endast motvägbanan, och av att passagerarutrymmet respektive förarutrymmet irespektive fordonskropp väsentligen är beläget mellan framhjulet ochbakhjulet. Vardera av fordonskropparna har en avrundad främre del och enavsmalnande bakre del, och varvid förhållandet mellan längd och bredd ärstörre än fem och med högst 17 graders vinkel mellan fordonets yttre sidoroch en linje i fordonets längsritning.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning är den avsmalnandebakre delen på vardera fordonskroppen utformad så att sidorna avfordonskroppen möts i fordonskroppens bakre ände.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning är varje av de tvåfordonskropparna utformade så att de sidor av fordonskropparna som är 4 belägna längst från varandra, är välvda utåt och att de sidor avfordonskropparna som är belägna mot varandra är raka d.v.s.fordonskropparna är asymmetriska men symmetriska och spegelvända iförhållande till varandra, sedda uppifrån i form av vingprofiler.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar dencentrala delen en plattform med en översida och en undersida som ärväsentligen slät, varvid plattformen har en avrundad främre kant och en ihöjdled avsmalnande bakre kant som möts i bakkanten, med längdsnitt medform som en vingprofil, varvid plattformen är placerad väsentligen parallelltmed nämnda chassi. För lägsta luftmotståndet placeras den enda plattformenså långt från marken som möjligt i eller nära fordonskropparnas överkanter.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning kan en främre del avnämnda chassi sänkas och/eller en bakre del av nämnda chassi höjas, varvidplattformen utgörande den centrala delen får lutning framåt i fordonetsfärdriktning.

Enligt en utföringsform av nämnda uppfinning utformas den centralavingformade delen som en genomskinlig huv som täcker förarens ochpassagerarens huvud, täckande personutrymmena i de bådafordonskropparna. Huven göres gemensam för båda fordonskropparna så atthuven också överbryggar utrymmet mellan fordonskropparna. För minstaluftmotstånd utgör denna överbryggande huv den enda centrala delen avkarossen och den enda förbindelsen mellan de längsgåendefordonskropparna och utformas med i längdsnitt form som en vingprofil.

Enligt en utföringsform av nämnda uppfinning göres den centralavingformade delen av karossen tunnare än i utförandet där det också tjänarsom huv, men beläget i överkanten av fordonskropparna och i detta utförandetäckes de båda personutrymmena i de båda fordonskropparna vardera aven mot fordonets yttersida droppformad men mot fordonets insida helt rakhuv, i analogi med de asymmetriska fordonskropparna med ett förhållandelängd/bredd på minst 5. Även för huvarna och den centrala vingen gäller att de välvda ytorna belägna bakom fordonskropparnas, huvarnas och den centrala plattformens 5 bredaste ställe inte får bilda mer än 17 graders vinkel mot fordonetslängdaxel.

Enligt en utförandeform avslutas de bakersta avsmalnande delarna avfordonet tvärt vinkelrätt med längsriktningen om det krävs för att åstadkommaen vinkel på högst 17 grader mellan fordonets bakre delar och fordonetslängdaxel utan att fordonet blir opraktisk långt.

Enligt en utförandeform förses huvarna med längsgående skyddsbågarintill de raka sidor av huvarna. Dessa kan utformas som fackverkskonstruktion med ökat styvhet av fordonskropparna.

Enligt en utförandeform förses de raka mot varandra vända sidorna avhuvarna med i karossen nedfällbara rutor och därmed med möjlighet attmontera en gemensam huv mellan de båda huvarna med resultat som denbeskrivna gemensamma huven.

Enligt en utförandeform fästes en vindrutetorkare i vardera huven ivindutans övre inre hörn med torkaren riktad framåt nedåt med viloläge parallell med den inre vindrutestolpen.

Detalibeskrivningav uppfinningen Genom att placera förare och passagerare mellan fram och bakhjul pårespektive sida kan man åstadkomma ett fordon med en kaross med tvålångsmala fordonskroppar med förhållande mellan längd och bredd på långtmer än tre. Passagerarutrymmet för en passagerare kan utformas så attryggen av passageraren lutar in över utrymmet för bakhjulet, men attpassagerarutrymmet väsentligen är beläget mellan framhjulet och bakhjulet.Särskilt är sittytorna för passagerare och förare belägna mellan framhjulet ochbakhjulet. För lågt luftmotstånd skall fronten av respektive fordonskropp varaavrundad vilket medger stort utrymme för framhjulen även om de är heltinkapslade i fordonskroppen, med öppning av hjulhusen endast påundersidan. Eftersom bakhjulen inte vrids kan fordonskroppen avsmalnas i 6 bakre änden som på ett flygplan. Fordonskropparna förbinds av en central delav karossen som kan innefatta en plattform som i längdsnitt har formen av envingprofil för minsta möjliga luftmotstånd.

För att ett fordon på 4 hjul skall ha en fordonskropp med Cd-värdenärmare den för flygplan så kan fordonet med fördel utformas enligt följande: Fordonet innefattar fyra hjul, ett chassi, och en kaross anordnad pånämnda chassi. Varje sida av nämnda chassi, i fordonets färdriktning,innefattar ett framhjul och ett bakhjul. Karossen innefattar två längsgåendejämförelsevis smala fordonskroppar, en på var sida av, och förbundna av, encentral del. Vardera fordonskropp täcker sin sidas fram och bakhjul.Förhållandet mellan längd och bredd är större än tre. Fordonskropparna harenligt vissa utföringsformer sedda uppifrån vingprofilform med avrundadefronter och avsmalnande bakre delar. Enligt ytterligare utföringsformer är denavsmalnande bakre delen på vardera fordonskroppen utformad så att sidornaav fordonskroppen möts i fordonskroppens bakre ände. Enligt enutföringsform är det högst 17 graders vinkel mellan fordonskropparnas sidoroch längsriktningen. För att minska luftmotståndet kan fordonskropparnagöras så låga och smala som möjligt men inte smalare och lägre än attframhjulen har tillräckligt utrymme att fjädra och vridas innanför karossen somendast har öppning för hjulet mot marken och så att förare och passageraresitter bekvämt. Det kan innebära minst ca 45 cm bredd av fordonskroppennedtill och ca 60 cm i axelhöjd samt ca 60 cm höjd av fordonskropparna tillförarens och passagerares axelhöjd. Dessa mått medger tämligen stora hjul,även fram, vilket ger ökad komfort och lägre rullmotstånd än små hjul, dettatill skillnad från dagen småbilar där hjulen görs små för att få mer utrymme ikupén. En marginell ökning av höjd och bredd iförhållande till ovan nämndautföringsform, för att öka rymligheten och komforten i fordonet, påverkar baraluftmotståndet marginellt då det endast ökar frontarean men inte påverkar Cd-värdet.

Förare och passagerarutrymme, motorutrymme och eventuellt ocksåbagageutrymme är belägna mellan respektive sidas fram och bakhjul i de 7 längsgående fordonskropparna. Utrymmena perifert om hjulen kan användastill batteri och baggage.

Fordonskropparna är asymmetriskt utformade, där sidorna avfordonskropparna mot mitten av fordonet utformas i det närmaste raka förostörd luftpassage mellan fordonskropparna och med välvda yttersidor, sombakåt välver sig inåt mot insidans sida så att formen av fordonskroppen settuppifrån har formen av en vingprofil. Fronten av de båda fordonskropparnautformas för att få den mötande luftströmmen att passera på utsidan avfordonet, inte under eller ovanför och den luft som träffar mellanfordonskropparna lämnas ostörd mellan de raka parallella innersidorna avfordonskropparna. ln och utsida möts i bakkanten av karossen och vinkelnmellan utsidan och fordonets längsriktning är högst 17 grader för att undvikaluftsläpp från karossen.

Hjulhusens sidor utformas för erhållande av lågt luftmotstånd som helttäckta med öppningar för hjulen endast på fordonskropparnas undersidor,men givetvis med möjlighet att komma åt hjulen för service och reparationer.Andra öppningar i fordonskropparna, till exempel för ventilation och kylning,görs med fördel så små som möjligt.

De två fordonskropparna är enligt vissa utföringsformer förbundna medvarandra med en plattform. Plattformen kan fördelaktigt utformas med så slätöversida och undersida som möjligt och kommer aerodynamiskt att fungerasom en vinge, helt integrerad i fordonskroppen. Tjockleken bör vara minst10% av längden och i längsnitt utformad som en vingprofil med rak undersidaoch välvd ovansida, avrundad främre kant och en i höjdled avsmalnandebakre kant, så att översida och undersida möts i bakkanten. Med en sådanutformning kan ett mycket lågt Cd-värde for plattformen erhållas. Om fordonetär utformat för mycket höga prestanda kan hjulfjädringen göras justerbar ochvarierbar med hastigheten så att bilens chassi och kaross lutas mer framåt ihögre hastigheter vilket medför att mer undertryck skapas under plattformen.Några ytterligare vingar, som på andra högprestandabilar, för att trycka bilenmot vägbanan i höga hastigheter, men som medför ökat luftmotstånd, behövs 8 således inte. Motsvarande konstruktion med att ändra lutningen på fordonetär känd sedan tidigare men effekten med nedåttryck av bilen om den lutasframåt är med denna utformning av fordonet ytterst påtaglig eftersom de bådafordonskropparna avskärmar luften på fordonskropparnas utsidor från attjämna ut undertrycket under den mycket stora centrala vingen om bilen lutasframåt. Genom att luften med denna design pressas åt sidorna förstärksundertrycket under den centrala vingen om bilen lutas framåt. I konventionellabilar där luften först tvingas uppåt, för att längre bak sugas nedåt, uppstårIyftkrafter som ger upphov till ökat luftmotstånd.

Lägsta luftmotstånd nås om det bara finns en plattform och dennaplattform är belägen så långt från marken som möjligt i fordonet, i eller näraöverkanten av fordonskropparna. Plattformen kan samtidigt utgöra en huvgemensam för personutrymmena i båda fordonskropparna. Huven göresvingformad i längdsnitt med förhållande mellan längd och bredd större än 5och får då ett mycket lågt Cd-värde men frontarean ökar med ca 15 % jämförtmed om var fordonskropp förses med en separat huv. Förare ochpassagerare upplever sig sitta i samma rum och kan samtala med varandrapå vanligt sätt.

I utförandeform med separata huvar utformas också huvarnaasymmetriska med avrundade fronter, välvda yttersidor och raka insidor däryttersida och insida möts i bakkanten så att huven uppifrån har formen av envingprofil, huvarna utformade symmetriska men spegelvända i förhållande tillvarandra i analogi med utformningen av de längsgående fordonskropparna.Genom denna utformning fås samma aerodynamiska fördelar som förfordonskropparna.

I en utförandeform avslutas de bakre avsmalnande delarna av fordonettvärt i rät vinkel mot Iängaxeln om det behövs för att de yttre sidorna inte skallha större vinkel än 17 grader mot längdaxeln utan att fordonet blir opraktisktlångt.

I vindtunnelprov på Chalmers tekniska universitet uppnåddes på en modell, utformad enligt beskrivningen ovan men med en gemensam huv och 9 utan tvär avslutning av karossen Cd 0,12 men det anmärkningsvärda var attman samtidigt fick nedåtriktade krafter som översteg luftmotståndet 3 ggr. Cdvärdet av en modell med symmetriska flygplansliknande fordonskroppar ochhuvar mättes till 0,18. Med förfining och vidareutveckling kan man medasymmetriska fordonskroppar förmodligen nå ned mot Cd 0,10 och nå enfrontarea på ca 1 kvadratmeter. Det innebär att luftmotståndet reduceras tillca 12 % av luftmotståndet för en vanlig bil. Luftmotståndet genereras meddenna design i huvudsak kring hjulen. Enligt vissa utföringsformer kanfordonet innefatta vindavvisare kring hjulen vilket kan bidra ytterligare tillminskat luftmotstånd. Modellen var försedd med normalbreda däck. Smalaredäck kan minska både luftmotstånd och rullmotstånd.

Effektkravet vid hastighet 100 km/timme för ett fordon med Cd 0.12,frontarea 1 kvm och vikt 1000 kg i konstant hastighet på slät asfaltsväg utanhöjdskillnad blirför rullmotståndet 2 hästkrafter (hkr) och för luftmotståndet 2hkr, totalt 4 hkr eller 25 % av effektkravet i samma hastighet i en vanlig bil ochinnebär en bensinförbrukning på ca 1 l per 100 km eller elförbrukning 3 kW.Hänsyn har då inte tagits till att detta fordon kan göras lättare (vilket utvecklasnedan) än ett konventionellt fordon med minskat rullmotstånd som följd.

Motsvarande siffror i hastighet 200 km per timme är 4 + 17 = totalt 21hkr dvs. en bensinförbrukning på ca 4 I per 100 km och 20 % av effektkravet ien vanlig bil i samma hastighet. l hastighet 250 km per timme är effektkravet 35 hkr mot 175 hkr i envanlig bil.

Utformningen är speciellt lämplig for eldrift. Nuvarande problem medeldrift är den begränsade aktionsradien p.g.a. lågt energiinnehåll i batteriernai förhållande till vikt, volym och pris. Om elfordonet utformas enligt ovan ökaraktionsradien 4 ggr med samma batterikapacitet. Det är mer än erforderligtför de flesta pendlare vilket kan medföra att man kan montera mindrebatterier till lägre kostnad och vikt och få ytterligare ökad aktionsradie p.g.a.lägre rullmotstånd och lägre energiåtgång vid acceleration. Vid eldrift behövsinga öppningar i fordonskroppen for kylning eftersom motorerna kan monteras i hjulen, vilket ytterligare bidrar till lägre luftmotstånd. Det mycket låga luftmotståndet medför att energiförbrukningen i högre hastigheter påmotorväg inte ökar i motsvarande grad som i en bil med konventionell formvarför man med denna utformning kan hålla samma hastighet i en eldriven bilsom med konventionella bilar utan att förlora nämnvärt i aktionsradie. Detmycket låga effektbehovet på 3 kW i 100 km/tim innebär också att en 5 hkrmotor med generator löser elbehovet på långresor till en ringa kostnad ochvikt och den dyra batterikapaciteten kan ytterligare minskas.

Designen enligt ovan har också positiv inverkan på rullmotståndet. Detfinns plats för stora hjul i hjulhusen vilket som nämnts ökar komforten ochminskar rullmotståndet. En ytterligare positiv inverkan av designen enligt ovanär det markant mindre effektbehovet vilket kan medföra att fordonet krävermindre, lättare motor, växellåda och bensintank. Det i sin tur gör att bärandedelar kan göras tunnare eftersom de dimensioneras i proportion till kubiken avden vikt de skall bära. Förare och passagerare är belägna helt mellan framoch bakhjul. Hjulen fungerar som deformationszoner vilket medför attsäkerhetsburen för att skydda vid kollision kan göras lättare. Det kanmonteras en längsgående störtbåge i fackverkskonstruktion intillinnerväggarna, där störtbågen samtidigt ökar styvheten i chassit, se nedan.Allt detta bidrar till lägre vikt och därmed lägre luftmotstånd och lägreenergiåtgång vid acceleration.

Ett tvåsitsigt fordon med denna princip kan göras ca 4 m långt. Omlängden ökas med mindre än en meter kan fordonet göras fyrsitsigt medbibehållet lågt Cd-värde.

Utförandeformen med två asymmetriska huvar ger ytterligare fördelar.Två separata huvar ger mindre frontarea än en gemensam huv och deasymmetriska huvarna ger lägre luftmotstånd än konventionella symmetriskahuvar där luftströmmarna interfererar med varandra.

Det är bättre sikt genom den raka delen av huven i regn jämfört med envälvd huv varför den motsatta sidans huv inte skymmer sikten i samma månsom en välvd huv. 11 En asymmetrisk huv ger möjlighet att göra en längsgående skyddsbågeför passagerare och förare mot insidan av fordonskroppen i form af enfackverkskonstruktion som också ökar chassits styvhet.

I bågen kan ”måsvingendörrar” fästas.

Den släta sidan av huven mot bilens mitt kan göras nedfällbar ikarossidan som rutan i en vanlig bildörr för ventilation och för att fästa en påoch avtagbar gemensam huv mellan huvarna om man så vill.

Vindrutetorkaren kan monteras vid innersidan i övre kanten avvindrutan, med torkaren riktad nedåt, vilket ger optimal svepyta och medviloläget parallellt med den inre vindrutestolpen för minsta möjligaluftmotstånd när den inte används, båda saker svåra att uppnå med ensymmetrisk huv.