DE102018007994A1

DE102018007994A1 - Traktionsflügel für ein fahrzeug

Info

Publication number: DE102018007994A1
Application number: DE102018007994.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit einer Längsmittelachse (x), dessen stromlinienförmige Hülle (10) in einer von der Fahrtgeschwindigkeit (A) hervorgerufenen Strömung (S) einen Widerstand bewirkt und eine Frontpartie (100) mit einem Scheitel (V), eine Heckpartie (102) mit einem für den Abriss der Strömung (S) ausgebildeten Heck und einen Längsabschnitt mit einer maximalen, auf die Front- und Heckpartie (100,102) projizierbaren Profilkontur (101) besitzt. In Fahrtrichtung erweitert sich die Frontpartie (100) ausgehend von dem Scheitel (V) bis zu der maximalen Profilkontur (101) hin kontinuierlich, wobei sich die Strömung (S) an dem Scheitel (V) in Bezug zu der Längsmittelachse (x) mit einem divergenten Strömungswinkel (α) teilt. Die Frontpartie (100) des Fahrzeugs (1) weist mindestens einen innerhalb der projizierten maximalen Profilkontur (101) spiegelsymmetrisch zu der Längsmittelachse (x) angeordneten und entweder starr mit der Hülle (10) verbundenen oder um eine Rotationsachse (y) rotierbaren Traktionsflügel (2) auf, der ein asymmetrisches Flügelprofil (22) mit einer der Hülle (10) zugewandten Druckseite, mit einer konvexen Saugseite, mit einer bevorzugt tangential zu der stromlinienförmigen Hülle (10) ausgerichteten Profilsehne (p) und mit einer parallel zu der jeweiligen Profilkontur der Frontpartie (100) verlaufenden Druckpunktlinie (q) hat. Die Druckpunktlinie (q) umfasst die Hülle (10) in einem gleichmäßigen Abstand so, dass der Traktionsflügel (2) zusammen mit der Hülle (10) stromab des Scheitels (V) eine durchströmte Spaltöffnung definiert, wobei der divergente Strömungswinkel (α) die resultierende Anströmung (C) des Traktionsflügels (2) derart bestimmt, dass aus dem Auftrieb (D) des asymmetrischen Flügelprofils (22) eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft (G) resultiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Längsmittelachse, dessen stromlinienförmige Hülle in einer überwiegend von der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs bewirkten Strömung einen Widerstand hervorruft. Die Hülle umfasst eine Frontpartie mit einem Scheitel, eine Heckpartie mit einem für den Abriss der Strömung ausgebildeten Heck und einen Längsabschnitt mit einer maximalen, auf die Front- und Heckpartie projizierbaren Profilkontur. Die spiegelsymmetrisch zu der Längsmittelachse ausgebildete Frontpartie erweitert sich in Fahrtrichtung, ausgehend von dem Scheitel, kontinuierlich bis zu einem Längsabschnitt der Hülle mit der auf die Front- und Heckpartie projizierbaren maximalen Profilkontur. An dem Scheitel teilt sich die Strömung und wird stromab des vorderen Scheitels mit einem divergenten Strömungswinkel von der Längsmittelachse weggelenkt. Mindestens die Frontpartie des Fahrzeugs weist mindestens einen entweder starr mit der Hülle verbundenen oder einen um eine Rotationsachse rotierbaren Traktionsflügel auf, der innerhalb der projizierten maximalen Profilkontur mit einem gleichbleibenden Abstand zu der Hülle angeordnet ist und ein asymmetrisches Flügelprofil mit einer konvexen Saugseite und an der Frontpartie einer der Hülle zugewandten Druckseite sowie eine bevorzugt tangential zu der Hülle ausgerichtete Profilsehne und eine in einem gleichmäßigen Abstand parallel zu der jeweiligen Profilkontur der stromlinienförmigen Hülle verlaufende Druckpunktlinie hat. Stromab des vorderen Scheitels definiert der Trakionsflügel zusammen mit der Hülle eine durchströmte Spaltöffnung. An der Frontpartie bestimmt der divergente Strömungswinkel die resultierende Anströmung des Traktionsflügels derart, dass aus dem Auftrieb des asymmetrischen Flügelprofils eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft resultiert, die dem Fahrtwiderstand des Fahrzeugs entgegenwirkt. An der Heckpartie bestimmt ein konvergenter Strömungswinkel die resultierende Anströmung eines mit der Heckpartie des Fahrzeugs verbundenen Traktionsflügels, sodass aus der konvergenten Anströmung des Traktionsflügels ebenfalls eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft resultiert, wobei die Saugseite des Traktionsflügels an der Heckpartie der Hülle zugewandt ist. Der Traktionsflügel ist entweder als ein gerader Flügel oder als ein einseitig offener Bogenflügel oder als ein in sich geschlossener Ringflügel ausgebildet. Der Oberbegriff „Fahrzeug“ steht im Rahmen der Erfindung allgemein für angetriebene Fahrzeuge und betrifft Schienen- und Straßenfahrzeuge ebenso wie Wasser- und Luftfahrzeuge.
Stand der Technik
Ein Flügel, der in einem Abstand zu einer nach strömungsdynamischen Gesichtspunkten gestalteten Hülle eines Fahrzeugs angeordnet ist, ist bei einem Straßenfahrzeug als sog. Front- oder Heckflügel bekannt. Die Aufgabe derartiger Flügel, deren Saugseite zur Fahrbahn gerichtet ist, besteht darin, an der Front- oder Heckpartie einen an den Reifen wirksamen Anpressdruck zu erzeugen, der die Bodenhaftung des Fahrzeugs verbessert. Die Profilsehne eines bekannten Front- oder Heckflügels ist entweder parallel zu der Fahrbahn ausgerichtet, um möglichst wenig Widerstand zu bewirken, oder die Profilsehne ist mit einem Anstellwinkel zur Fahrbahn geneigt, um möglichst viel Anpressdruck zu erzeugen. Verstellbare Heckflügel, an denen, abhängig von der jeweiligen Fahrsituation, der Anpressdruck und damit auch der Widerstand des Flügels einstellbar ist, sind ebenfalls bekannt. Von der Hülle eines Fahrzeugs sind die Flügel weitgehend freigestellt, um im Sinne ihrer Aufgabe eine optimale Wirksamkeit entfalten zu können. Ein Haubenspoiler verbessert als Windabweisfläche die Aerodynamik an den stufenförmigen Übergängen der Frontpartie eines Straßenfahrzeugs zwischen Kühler und Haube oder zwischen Haube und Windschutzscheibe. Luftleitvorrichtungen sind dazu ausgebildet, Luft in Öffnungen der Fahrzeughülle, wie z.B. an den Radhäusern oder an der Motorhaube, gezielt einzuleiten und sind als Spoiler ausgebildet. Flügel, die mit einem Wasser- oder Luftfahrzeug verbunden sind, wirken als Tragflächen oder als Stabilisierungsflossen. Wasservögel, die dicht über der Wasseroberflache fliegen, nutzen den Bodeneffekt, um Energie zu sparen. Zwischen der Wasseroberfläche und der Flügelunterseite staut sich die Luftströmung und wird dadurch langsamer, sodass an der Flügeloberseite im Vergleich zu einem frei umströmten Flügel mehr Auftrieb erzeugt wird. Zuerst von Otto Lilienthal an einem Albatros beobachtet, wird der Bodeneffekt heute für schnell über der Wasseroberfläche fliegende Wasserfahrzeuge genutzt. Im Bereich der Straßenfahrzeuge ist ein umgekehrter Bodeneffekt bekannt, um die Bodenhaftung eines Fahrzeugs zu verbessern und um in der Formel 1 höhere Kurvengeschwindigkeiten zu ermöglichen. Aus der DE 10 2016 007 273 A1 geht eine Verkleidungseinrichtung für ein Frontende eines Personenkraftwagens hervor, das einen Frontspoiler in Flügelform mit einer zur Fahrbahn gerichteten Saugseite aufweist.
Aus der DE 10 2016 102 678 A1 geht ein Strömungsleitelement für ein Fahrzeug hervor, das ein Hohlprofil mit einem druckstabilen Schaumkern aufweist und von mindestens einer Laminatschicht umschlossen wird.
Aus der DE 10 2016 115 514 A1 geht ein Aerodynamikbauteil für die Montage an einem Frontabschnitt eines Fahrzeugs hervor, das eine Einlass- und eine Auslassöffnung am vorderen Radhaus eines Fahrzeugs aufweist.
Aus der DE 10 2004 049 042 A1 geht ein fahrdynamischer Front- und Heckflügel mit einer Neigungsverstellung hervor, um den aerodynamischen Abtrieb abhängig von der jeweiligen Fahrtgeschwindigkeit für die Fahrstabilität eines Fahrzeugs zu nutzen.
Aus der EP 0 882 642 A1 geht ein Kraftfahrzeug mit einer heckseitigen Luftleitvorrichtung hervor, die einen Heckspoiler mit einer Strömungsabrisskante und einen ausfahrbaren Heckflügel aufweist.
Aus der EP 1 659 050 A2 geht eine Luftleitvorrichtung für ein Heck eines Personenkraftwagens hervor, die einen Heckflügel und einen Diffusor aufweist.
Aus der DE 10 2017 207 742 A1 geht ein Fahrzeugflügel mit positionswahrenden Endplatten hervor, an denen der Flügel schwenkbar gelagert ist.
Aus der DE 10 2015 013 046 A1 geht ein heckseitig angeordnetes Luftleitelement mit einer integrierten Bilderfassungseinheit für ein Fahrzeug hervor.
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein wechselwirkendes System zwischen der stromlinienförmig ausgebildeten Hülle eines Fahrzeugs und mindestens einem mit der Frontpartie der Hülle verbundenen Traktionsflügel anzugeben, das dazu ausgebildet ist, einen Anteil aus der in die Fahrtgeschwindigkeit und der damit verbundenen Verdrängung des das Fahrzeug umgebenden Fluids investierten Antriebsenergie zurückzugewinnen. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den aus der jeweiligen Profilkontur der stromlinienförmigen Hülle abgeleiteten Strömungswinkel für die Anströmung des mindestens mit der Frontpartie der Hülle verbundenen Traktionsflügels zu nutzen, um aus dem resultierenden Auftrieb des Traktionsflügels eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft abzuleiten, die wesentlich größer ist als der Formwiderstand des Flügels selbst.
Diese Aufgaben werden mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen der Erfindung erfüllt. Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Im Einzelnen löst die Erfindung die folgenden Aufgaben:

- Angabe eines starr mit der Frontpartie eines Fahrzeugs verbundenen Traktionsflügels, der eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft bewirkt.
- Angabe eines starr mit der Heckpartie eines Fahrzeugs verbundenen Traktionsflügels, der eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft bewirkt.
- Angabe eines rotierbar mit der Frontpartie eines Fahrzeugs verbundenen, kreisringförmigen Traktionsflügels, der eine in Drehrichtung des Ringflügels wirkende tangentiale Antriebskraft und eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft bewirkt.
- Angabe eines rotierbar mit der Heckpartie eines Fahrzeugs verbundenen, kreisringförmigen Traktionsflügels, der gegensinnig rotiert und eine in Drehrichtung des Ringflügels wirkende tangentiale Antriebskraft und eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft bewirkt.
- Angabe eines als Hohlkammerprofil ausgebildeten, asymmetrischen Flügelprofils für einen Traktionsflügel, das Leuchten und Sensoren für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs aufnimmt.
- Angabe eines in sich verwundenen Traktionsflügels, der in einem gleichbleibenden Abstand an die jeweilige Profilkontur der Front- und/oder der Heckpartie eines Fahrzeugs angepasst ist.
- Angabe einer stromlinienförmig gestalteten Fahrzeughülle, die einen Anströmwinkel gegenüber der Längsmittelachse von mindestens 7 Grad und maximal 45 Grad bewirkt.
- Angabe einer von einem bug- und einem heckseitigen Traktionsflügel gebildeten Ruderanlage für ein Wasser- und für ein Luftfahrzeug
- Angabe einer Schar von Traktionsflügeln am Bug und Heck eines Schiffs, die der Ausbildung von Querwellen entgegenwirken und den Abstrom im Totwasserbereich des Schiffs verbessern.
- Vermeidung der Wirbelbildung und Wirbelablösung an den Enden der Traktionsflügel
- Angabe einer Generator-Motoreinheit für die Energierückgewinnung und für den Antrieb eines Fahrzeugs
- Rekuperation von bis zu 50% der in die Verdrängung eines Fluids investierten Energie
- Reduktion des Fahrwiderstands eines Fahrzeugs
- Beibehaltung einer vorgegebenen Fahrleistung mit einer reduzierten Antriebsleistung
- Verbesserung der Fahrleistung unter Beibehaltung einer vorgegebenen Antriebsleistung
- Reduktion des Wellenwiderstands durch den gezielten Abbau von Druck- und Sogzonen an dem Rumpf eines Schiffs

Die stromlinienförmige Gestaltung der Hülle eines Fahrzeugs
Die strömungsdynamische Wirkung eines erfindungsgemäßen Traktionsflügels ist an unterschiedlichen Fahrzeugen nutzbar, wie z.B. an einem Schienenfahrzeug, das als Lokomotive oder als Hochgeschwindigkeitszug ausgebildet ist, oder an einem Straßenfahrzeug, das als Pkw oder als Lkw oder als einspuriges Zweirad ausgebildet ist, oder an einem Wasserfahrzeug, das als Schiff oder als U-Boot ausgebildet ist, oder an einem Luftfahrzeug, das als Flugzeug oder als Luftschiff ausgebildet ist. Der Begriff „Frontpartie“ bezieht sich im Rahmen der Erfindung auf den vorderen, nach strömungsdynamischen Gesichtspunkten gestalteten Längsabschnitt des Fahrzeugs. Bei einem Schienenfahrzeug bildet die Frontpartie den zugespitzten Übergang von der Nase bis zu der maximalen Profilkontur des Schienenfahrzeugs. Bei einem Straßenfahrzeug bezeichnet die Frontpartie denjenigen Längsabschnitt des Fahrzeugs, der von der Vorderkante der Stoßstange bis zu dem oberen Ende der Windschutzscheibe reicht, sich aber auch auf einen Teil der Frontpartie, wie z. B. der unteren Hälfte beziehen kann und in diesem Fall von der Vorderkante eines Pkw bis zu dem oberen Ende der Kotflügel reicht. Bei einem Schiff betrifft die Frontpartie den stromlinienförmig gestalteten Bug, der als Löffelbug oder als Klipperbug oder als Wulstbug oder als sogenannter umgekehrter Bug (x-bow) ausgebildet sein kann und sich mit einer wechselnden Profilkontur bis zu der maximalen Profikontur - dem Hauptspant - des Schiffs erweitert. Bei einem Luftfahrzeug betrifft die Frontpartie die Nase eines Flugzeugs oder eines Luftschiffs. Als gemeinsames Merkmal besitzt die Frontpartie bei den genannten Fahrzeugen einen mittigen, punktförmig oder linienförmig ausgebildeten Scheitel, an dem sich die Strömung teilt und an der Frontpartie verdrängt wird. Wird die Frontpartie von einem konzentrisch und koaxial zu der Längsmittelachse des Fahrzeugs angeordneten Abschnitt eines Rotationskörpers gebildet, ist der Scheitel punktförmig ausgebildet und lenkt die divergierenden Stromlinien der Strömung gleichmäßig in alle Richtungen ab. Weist die Frontpartie in Fahrtrichtung eine Neigung auf, ist der Scheitel mittig angeordnet und linienförmig ausgebildet und lenkt die Stromlinien der Strömung mindestens in zwei divergierende Richtungen ab. Die dabei geleistete Verdrängungsarbeit bewirkt einen Strömungswinkel, der im Rahmen der Erfindung als Anströmwinkel für einen Traktionsflügel genutzt wird. Ein als Bogenflügel ausgebildeter Traktionsflügel umfasst die Frontpartie an mindestens zwei aneinander grenzenden Seiten, während ein als Ringflügel ausgebildeter Traktionsflügel die Frontpartie allseitig einfasst. Um den Formwiderstand der Stirnfläche nicht zusätzlich zu erhöhen, ist der Traktionsflügel innerhalb der auf die Frontpartie projizierten, maximalen Profilkontur der Hülle des Fahrzeugs angeordnet. Der Begriff „Heckpartie“ bezieht sich im Rahmen der Erfindung auf den hinteren, sich von der maximalen Profilkontur bis zu dem Heck erstreckenden, nach strömungsdynamischen Gesichtspunkten gestalteten Längsabschnitt eines Fahrzeugs. Zum Heck hin verjüngt sich die Heckpartie kontinuierlich, wobei die Strömung mit einem konvergenten Strömungswinkel zur Längsmittelachse hingelenkt wird, um sich im Totwasserbereich wieder zu vereinigen. An einem Schiff bezieht sich die maximale Profilkontur auf den Hauptspant, der sich im Bereich der Heckpartie, wie z.B. in 25 gezeigt, bis zu einem Heckspiegel kontinuierlich verjüngt. Alternative Heckformen betreffen ein Yachtheck, ein Rundgatt, ein Spitzgatt und auch moderne Formen wie einen sog. „Ducktail“.
Feststehende Traktionsflügel für Fahrzeuge
Die Frontpartie weist mindestens einen mit seiner Druckseite der Hülle zugewandten Traktionsflügel auf, der stromab des vorderen Scheitels in einem gleichmäßigen Abstand zu der Hülle angeordnet ist und dabei entweder eine einseitig offene U- bzw. V-Form aufweist oder als ein in sich geschlossener Ringflügel ausgebildet ist. Die Profilsehne des asymmetrischen Flügelprofils eines Traktionsflügels ist tangential zu der Hülle ausgerichtet, während die Druckpunktlinie mit einem gleichbleibenden Abstand parallel zu der jeweiligen Profilkontur der Hülle angeordnet ist, sodass zwischen dem Traktionsflügel und der Hülle eine durchströmte Spaltöffnung gebildet wird. Ein starr mit der Front- oder Heckpartie verbundener Traktionsflügel ist mittels einer Mehrzahl von Abstandhaltern mit der Hülle des Fahrzeugs verbunden. Die Frontpartie des Fahrzeugs hat entweder einen punktförmigen Scheitel und ist als Längsabschnitt eines Rotationskörpers ausgebildet oder die Frontpartie hat einen kurvenförmigen Scheitel und weist eine in Fahrtrichtung geneigte konvexe Wölbung auf. Die stromlinienförmige Ausbildung der Frontpartie führt zu einer Verdrängung des umgebenden Fluids mit einem formspezifischen Strömungswinkel, der zusammen mit der Fahrtgeschwindigkeit die resultierende Anströmung des Traktionsflügels bestimmt. Aus dem dynamischen Auftrieb des Traktionsflügels resultiert eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft, die umso größer ist, je größer der Betrag des Strömungswinkels in Bezug zu der Längsmittelachse des Fahrzeugs ist. An einem Pkw kann der Traktionsflügel als Bogenflügel ausgebildet werden, sodass er die Frontpartie des Fahrzeugs an mindestens zwei aneinander grenzenden Seiten mit einem Abstand zu der Hülle umfasst, wobei die Saugseite des Bogenflügels im Bereich der Frontpartie den Außenumriss des Fahrzeugs bestimmt und die Flügelspitzen des Bogenflügels mit der Hülle verbunden sei können. In diesem Fall weist der Scheitel der Frontpartie eine vertikal oder horizontal ausgerichtete Kurve auf, die im Falle eines Wasserfahrzeugs den Bug eines Schiffs bildet. Ist der Ringflügel als ein Polygonring ausgebildet, umfasst er im Falle eines Dreiecks eine dreieckige Frontpartie und im Falle eines Vierecks eine viereckige Frontpartie. An einem Pkw z.B., der, wie in 10-13 gezeigt, als Van gestaltet ist, hat ein feststehender, viereckiger Ringflügel bei einer angenommenen Flügeltiefe von 30 cm eine Oberfläche von mehr als 2 m² und liefert abhängig von der jeweiligen Fahrtgeschwindigkeit eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft von 500 N bis 1500 N. Um die Sicht des Fahrers nicht zu beeinträchtigen, ist der Ringflügel im Bereich der Windschutzscheibe transparent. Das asymmetrische Flügelprofil ist als Hohlprofil ausgebildet und nimmt Installationen, wie Scheinwerfer, Blink- und Bremslichter sowie Sensoren als Abstandswarner oder als Entfernungsmesser auf.
Da der Ringflügel der Profilkontur der jeweiligen Frontpartie folgt, weist seine Druckpunktlinie eine Ringform auf, die kreisringförmig, polygonförmig, oval oder frei geformt ausgebildet sein kann. Die Druckpunktlinie eines Bogenflügels, der einen Schiffsbug umfasst, ist V-förmig, U-förmig oder polygonzugförmig ausgebildet und folgt der Profilkontur des Schiffsbugs. Weist der Bug einen regelmäßigen Rotationskörper auf, wie dies bei einem U-Boot oder bei einem Luftschiff der Fall ist, ist der Traktionsflügel als ein Ringflügel mit einer kreisförmigen Druckpunktlinie ausgebildet. An einem mit der Heckpartie des Fahrzeugs verbundenen Traktionsflügel ist die Saugseite der Hülle zugewandt, wobei sich die Heckpartie in Fahrtrichtung kontinuierlich zu dem Heck hin verjüngt. Während an der Frontpartie ein divergenter Strömungswinkel die Anströmung des Traktionsflügels bestimmt, wird die Anströmung des der Heckpartie zugeordneten Traktionsflügels von einem konvergenten Strömungswinkel bestimmt. Unter Vernachlässigung äußerer Strömungen bewirkt deshalb der Auftrieb des vorderen und des hinteren Traktionsflügels jeweils eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft, die dem Fahrzeugwiderstand entgegenwirkt. Da sich ein laminar umströmtes asymmetrisches Flügelprofil durch einen sehr kleinen Widerstandsbeiwert (Cw = 0,02) auszeichnet, ist die von dem Flügelprofil bewirkte Traktionskraft größer als der Formwiderstand.
Rotierende kreisringförmige Ringflügel für Fahrzeuge
An einem rotierenden Traktionsflügel, der sowohl an der Frontals auch an der Heckpartie eines Fahrzeugs vorgesehen sein kann, wird die Strömungsgeschwindigkeit der resultierenden Anströmung durch die Umlaufgeschwindigkeit des Ringflügels potenziert, sodass der Ringflügel in einer gegenüber der Rotationsachse geneigten Neigungsebene angeströmt wird und deshalb aus dem Auftrieb zusätzlich zu der Traktionskraft eine in Drehrichtung des Ringflügels wirkende tangentiale Antriebskraft resultiert.
Die resultierende Anströmung eines rotierenden Ringflügels erfolgt in einer gegenüber der Rotationsebene mit einem Neigungswinkel geneigten Neigungsebene als Vektorsumme aus der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs, aus der Umlaufgeschwindigkeit des Ringflügels sowie aus dem Strömungswinkel der Strömung. Aus dem Auftrieb des Ringflügels leitet sich eine in Drehrichtung des Ringflügels wirkende, tangentiale Antriebskraft und eine in Fahrtrichtung des Fahrzeugs wirkende Traktionskraft ab. Dabei ist das asymmetrische Flügelprofil in der Neigungsebene für eine bestimmte Schnelllaufzahl Lambda (A) ausgelegt, die, abhängig von der Fahrtgeschwindigkeit des jeweiligen Fahrzeugs, dem Zwei- bis Fünffachen der Fahrtgeschwindigkeit entspricht. Der aerodynamische Antrieb des Ringflügels erfolgt mittels von radialen Rotorblättern, die mit dem Läuferring einer Generator-Motoreinheit verbunden sind, sodass das von dem Ringflügel bewirkte Drehmoment unmittelbar in elektrischen Strom gewandelt wird. Zudem ist die Generator-Motoreinheit dazu ausgebildet, den Ringflügel auf die vorbestimmte Auslegungsschnelllaufzahl A zu beschleunigen, sodass der Ringflügel ab einer bestimmten Fahrtgeschwindigkeit über seinen gesamten Umfang hinweg einen maximalen Drehimpuls erzeugt, der als Drehmoment an der Rotationsachse des Generators wirksam ist. Bevorzugt ist die Generator-Motoreinheit als ein in die Frontpartie des Fahrzeugs eingelassener Ringgenerator ausgebildet, wobei der Statorring mit der Frontpartie starr und mit dem Läuferring über ein Drehlager verbunden ist. Ein Elektrofahrzeug erzeugt deshalb während der Fahrt permanent Strom, der in die Traktionsbatterie zurückgespeichert wird. Der von dem Ringflügel erzeugte Auftrieb wirkt in der Neigungsebene und ist in Drehrichtung des Ringflügels und in Fahrtrichtung geneigt, sodass aus dem Auftrieb eine tangentiale Antriebskraft und eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft resultieren. Die diagonale Überströmung des Ringflügels in der Neigungsebene führt zu einer beträchtlichen Erhöhung der wirksamen Flügeloberfläche, die einem Mehrfachen der tatsächlichen Flügeloberfläche entspricht. Der Betrag der resultierenden Anströmung ist im Falle eines rotierenden Ringflügels deutlich größer als der Betrag der Fahrtgeschwindigkeit, sodass die von dem Ringflügel bewirkten Kräfte mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit exponentiell zunehmen. An einem rotierenden Ringflügel wird der Strömungswinkel durch das Verhältnis der Fahrtgeschwindigkeit zu der Umlaufgeschwindigkeit bestimmt. Beträgt z.B. die Umlaufgeschwindigkeit ein Mehrfaches der Fahrtgeschwindigkeit, verschiebt sich durch den daraus folgenden flachen Strömungswinkel das Kräfteverhältnis zwischen der tangentialen Antriebskraft und der Traktionskraft zugunsten der tangentialen Antriebskraft. Da die Anströmung des Ringflügels an der Frontpartie innerhalb der projizierten maximalen Profilkontur eines Fahrzeugs erfolgt und der Ringflügel selbst einen optimalen Luftwiderstandsbeiwert hat, wenn seine Profilsehne parallel zu den Stromlinien der Strömung ausgerichtet ist, überwiegt die Vortriebskraft bei weitem den Widerstand des Ringflügels.
Traktionsflügel als Ruderanlage für ein Fahrzeug
Die Profilsehne des Traktionsflügels ist bevorzugt tangential zum Verlauf der gekrümmten Hülle ausgerichtet, sodass an der Frontpartie sowohl die Saugseite als auch die der Hülle zugewandte Druckseite des asymmetrischen Flügelprofils innerhalb des Bereichs der laminaren Umströmung der Hülle liegen. Um den Strömungswiderstand gering zu halten, ist die Druckseite des Traktionsflügels möglichst parallel zu der jeweiligen Profilkontur der Hülle ausgerichtet, sodass die Spaltöffnung zwischen dem Traktionsflügel und der Hülle keinen zusätzlichen Widerstand verursacht. Mehr Widerstand innerhalb der Spaltöffnung bedeutet mehr Auftrieb. An einem verstellbaren Traktionsflügel, der temporär als Stauflügel wirkt, kann der durchströmte, freie Querschnitt der Spaltöffnung in Fahrtrichtung so verengt werden, dass die Strömung unter dem gesamten Flügel abgebremst wird. Der damit verbundene Druckanstieg führt zu einem größeren dynamischen Auftrieb, weil sich der Auftriebsschwerpunkt des Traktionsflügels nach hinten verlagert. Der sich dabei unter dem Traktionsflügel bildende Stau wird mit dem Fahrzeug vorwärtsbewegt, wobei sich das Auftriebs-Widerstandsverhältnis auf das 2,5- bis 3-fache erhöht und der Traktionsflügel deshalb mehr Auftrieb liefert, weil die Strömung unter den Traktionsflügel gelenkt wird und an der Oberfläche der Hülle strömt, sodass sich der induzierte Widerstand an einem als Stauflügel wirkenden Traktionsflügel verringert. Verstellbare Flügelklappen oder das Verschwenken eines Flügelsegments zwischen zwei starr mit der Hülle verbundenen Abstandhaltern sind dafür geeignet, die Spaltöffnung zwischen der Hülle und dem Traktionsflügel in Fahrtrichtung gezielt zu verengen, wobei Teile des Traktionsflügels als Ruderanlage für das Fahrzeug ausgebildet werden können. Besonders wirksam ist dabei das Zusammenwirken. von einem vorderen und einem hinteren Traktionsflügel, wobei z.B.an einem Schiff ein Kurswechsel nach Steuerbord dadurch eingeleitet wird, dass die Spaltöffnung in der vorderen rechten Hälfte und die Spaltöffnung in der linken hinteren Hälfte des Traktionsflügels gleichzeitig jeweils in Fahrtrichtung verjüngt werden, sodass der erhöhte Auftrieb an den einander gegenüberliegenden Abschnitten des vorderen und des hinteren Traktionsflügels eine Drehung des Schiffs nach Steuerbord bewirkt. Entsprechend kann ein Luftschiff gesteuert werden, bei dem die Ruderanlage aus verstellbaren einander gegenüberliegenden Abschnitten eines vorderen und eines hinteren Ringflügels besteht, um ein herkömmliches Leitwerk durch die als Ringflügel ausgebildeten Traktionsflügel zu ersetzen. An einem Hochgeschwindigkeitszug kann das abschnittsweise Verengen der Spaltöffnung an einer Hälfte des Traktionsflügels an der Frontpartie eine durch Seitenwind hervorgerufene und unerwünschte Asymmetrie der Luftkräfte ausgleichen. Ein rotierender Ringflügel wird dadurch zu einem Stauflügel, dass die Spaltöffnung von der Hülle aus in einem linken und einem rechten, jeweils dem Ringflügel zugewandten Bereich der Hülle durch geeignete Maßnahmen, wie verstellbare Klappen oder durch aufblasbare Schläuche, in Fahrtrichtung verengt werden kann. Trotz Vergrößerung der benetzten Oberfläche und eines erhöhten Reibungswiderstands kann durch die Traktionsflügel der Gesamtwiderstand z.B. eines Containerschiffs um mehrere Hundert kN reduziert werden.
Die Figuren zeigen eine Auswahl der zahlreichen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung an unterschiedlichen Fahrzeugen.
Es zeigen:

1 die Frontpartie eines Hochgeschwindigkeitszugs mit einem Traktionsflügel als feststehender Ringflügel in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung und in einem Detailschnitt
2 den Hochgeschwindigkeitszug nach 1 in der Vorderansicht
3 die Frontpartie des Hochgeschwindigkeitszugs nach 1-2 in der Seitenansicht
4 die Frontpartie einer Lokomotive mit einem Traktionsflügel als rotierender Ringflügel in der Vorderansicht
5 die Frontpartie der Lokomotive nach 4 in der Seitenansicht
6 die Lokomotive nach 4-5 in einer perspektivischen Darstellung mit einer Ausschnittsdarstellung des Ringflügels
7 die Frontpartie eines Hochgeschwindigkeitszugs mit einem Traktionsflügel als rotierender Ringflügel in der Vorderansicht
8 die Frontpartie des Hochgeschwindigkeitszugs nach 7 in der Seitenansicht
9 die Frontpartie des Hochgeschwindigkeitszugs nach 7-8 in einer perspektivischen Darstellung mit einer Ausschnittsdarstellung des Ringflügels
10 die Frontpartie eines PKWs mit einem Traktionsflügel als feststehender Ringflügel in der Vorderansicht
11 die Frontpartie des PKWs nach 10 in der Seitenansicht
12 die Frontpartie des PKWs nach 10-11 in der Aufsicht
13 die Frontpartie des PKWs nach 10-12 in einer perspektivischen Darstellung mit einer Ausschnittsdarstellung des Ringflügels
14 die Frontpartie eines PKWs mit einem Traktionsflügel als Bogenflügel in der Vorderansicht
15 die Frontpartie des PKWs nach 14 in der Seitenansicht
16 die Frontpartie des PKWs nach 14-15 in einer perspektivischen Darstellung mit einer Ausschnittsdarstellung des Bogenflügels
17 die Frontpartie eines dreirädrigen PKWs mit einem Traktionsflügel als rotierender Ringflügel in der Vorderansicht
18 die Frontpartie des PKWs nach 17 in der Seitenansicht
19 die Frontpartie des PKWs nach 17-18 in der Aufsicht
20 die Frontpartie des PKWs nach 17-19 in einer perspektivischen Darstellung mit einer Ausschnittsdarstellung des Ringflügels
21 die Frontpartie eines einspurigen Zweirads mit einem Traktionsflügel als Bogenflügel in einer Perspektive und in einem horizontalen Detailschnitt
22 die Frontpartie eines LKWs mit einem Traktionsflügel als rotierender Ringflügel in der Vorderansicht
23 die Frontpartie des LKWs nach 22 in der Seitenansicht
24 die Frontpartie des LKWs nach 22-23 in einer perspektivischen Darstellung mit einer Ausschnittsdarstellung des Ringflügels
25 ein Schiff mit jeweils einem Traktionsflügel an der Front- und der Heckpartie in der übersichtlichen Seitenansicht und in Detailausschnitten
26 die Frontpartie eines Schiffs, dessen Bug drei als Bogenflügel ausgebildete Traktionsflügel aufweist, in einem Horizontalschnitt unter der Wasserlinie
27 die Frontpartie des Schiffs nach 25 in der Vorderansicht
28 die Frontpartie des Schiffs nach 25-26 in der Seitenansicht
29 die Frontpartie des Schiffs nach 25-27 in einer perspektivischen Darstellung
30 die Frontpartie eines Schiffs mit einem Traktionsflügel als feststehender Ringflügel in der Vorderansicht
31 die Frontpartie des Schiffs nach 29 in der Seitenansicht
32 das Schiff nach 29-30 in einer perspektivischen Darstellung mit einem Detailschnitt der Frontpartie durch den feststehenden Ringflügel
33 ein U-Boot, dessen Frontpartie einen Traktionsflügel als rotierender Ringflügel aufweist, in der perspektivischen Darstellung mit einer Ausschnittsdarstellung des Ringflügels
34 ein Luftschiff, dessen Frontpartie einen Traktionsflügel als feststehender Ringflügel aufweist, in der perspektivischen Darstellung mit einem Detailschnitt durch den Ringflügel

1 zeigt einen Hochgeschwindigkeitszug 131 als Magnetschwebebahn mit einer nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestalteten Hülle 10, deren Frontpartie 100 einen mittigen Scheitel V aufweist, an dem sich die Strömung S teilt. Die Fahrtgeschwindigkeit A des Fahrzeugs 1 und der Formwiderstand der Frontpartie 100 bilden ausgehend von dem Scheitel V die resultierende Anströmung C des Ringflügels 21, wobei die Strömung S gegenüber der Längsmittelachse x mit dem Strömungswinkel α abgelenkt wird. Der Ringflügel 21 ist innerhalb der auf die Frontpartie 100 und auf die Heckpartie 102 projizierbaren maximalen Profilkontur 101 starr mit der Hülle 10 verbunden, wobei eine durchströmte Spaltöffnung zwischen der Hülle 10 und dem Ringflügel 21 gebildet wird. Der vektorielle Betrag der resultierenden Anströmung C hängt von der Fahrtgeschwindigkeit A des Hochgeschwindigkeitszugs 131 ab und trifft auf die Flügelnase n des mit seiner Profilsehne p parallel zu dem Strömungswinkel α ausgerichteten, asymmetrischen Flügelprofils 22. An jedem Punkt der ringförmigen Druckpunktlinie q des Ringflügels 21 bewirkt die resultierende Anströmung C einen Auftrieb D mit einer in Fahrtrichtung des Hochgeschwindigkeitszugs 131 wirksamen Traktionskraft G.
2 zeigt die Magnetschwebebahn nach 1 in einer Vorderansicht. Die Frontpartie 100 weist einen mittigen Scheitel V auf, sodass die resultierende Anströmung C des Ringflügels 21, wie in 1 gezeigt, den Ringflügel 21 mit dem Strömungswinkel α anströmt.
3 zeigt die Magnetschwebebahn nach 1 und 2 in einer Seitenansicht. Die resultierende Anströmung C hängt von der Fahrtgeschwindigkeit A des Zuges ab und bewirkt an dem Ringflügel 21 einen Auftrieb D mit einer in Fahrtrichtung wirksamen Traktionskraft G.
4 zeigt die Vorderansicht einer elektrischen Lokomotive 130 mit einer stromlinienförmigen Hülle 10, deren auf die Frontpartie 100 projizierte maximale Profilkontur 101, wie in 5 gezeigt, eine konvexe Wölbung 103 mit einem mittigen Scheitel V aufweist.
5 zeigt die Frontpartie 100 der elektrischen Lokomotive 130 nach 4 in einer Seitenansicht mit Darstellung der konvexen Wölbung 103 und des mittigen Scheitels V, an dem die Strömung S mit einem Strömungswinkel α abgelenkt wird. Der Ringflügel 21 ist mittels von radialen Rotorblättern 12 mit einem in die Hülle 10 eingelassenen Ringgenerator 11 verbunden und rotiert um eine Rotationsachse y, die einen Anstellwinrel δ gegenüber der Längsmittelachse x der Lokomotive 130 aufweist.
6 zeigt die elektrische Lokomotive 130 nach 4 und 5 in einer perspektivischen Übersicht und einem perspektivischen Detailausschnitt mit Darstellung der von der resultierenden Anströmung C bewirkten Kräfte an dem Ringflügel 21. An dem mittleren Scheitel V der Frontpartie 100 teilt sich die Strömung S, sodass der Ringflügel 21 an jedem Punkt seiner kreisförmigen Druckpunktlinie q mit einem Strömungswinkel α angeströmt wird. Die resultierende Anströmung C des Ringflügels 21 ist als vektorielle Addition der Fahrtgeschwindigkeit A , der Umlaufgeschwindigkeit B und des Strömungswinkels α dargestellt. Die resultierende Anströmung C des Ringflügels 21 erfolgt in der Neigungsebene N, die mit einem Neigungswinkel β gegenüber der Rotationsebene R geneigt ist, sodass der Ringflügel 21 diagonal umströmt wird und einen in Drehrichtung T und in Fahrtrichtung der Lokomotive 130 orientierten Auftrieb D bewirkt. In der Neigungsebene N leitet sich aus dem Auftrieb D eine Vortriebskraft E und ein Widerstand J ab. Die Vortriebskraft E teilt sich in eine tangentiale Antriebskraft F und eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft G, während der Widerstand J sich in einen Rotationswiderstand K und einen Fahrtwiderstand L aufteilt. In der Neigungsebene N besitzt der Ringflügel 21 ein asymmetrisches Flügelprofil 22, dessen Profilsehne p parallel zu der Hülle 10 des Schienenfahrzeugs 13 ausgerichtet ist. Der regelmäßige Abstand des Ringflügels 21 zu der Hülle 10 wird durch radiale Rotorblätter 12 gewährleistet, die mit dem Läuferring 111 einer in die Hülle 10 eingelassenen Generator-Motoreinheit 11 verbunden sind. Aus dem Auftrieb D des Ringflügels 21 resultiert ein Drehmoment, sodass die von der Frontpartie 100 geleistete Verdrängungsarbeit in ein Drehmoment und mittels der Generator-Motoreinheit 11 in elektrischen Strom gewandelt wird.
7 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einer Hülle 10, dessen Frontpartie 100 eine konvexe Wölbung 103 mit einem mittigen Scheitel V aufweist, als ein Schienenfahrzeug 13, das als Hochgeschwindigkeitszug 131 ausgebildet ist. Im unteren Bereich der Frontpartie 100 ist ein Traktionsflügel 2 als Ringflügel 21 dargestellt, der über sechs radiale Rotorblätter 12 mit dem Läuferring 111 einer Generator-Motoreinheit 11 verbunden ist. Der Ringflügel 21 liegt innerhalb der projizierten maximalen Profilkontur 101 der Hülle 10.
8 zeigt den Hochgeschwindigkeitszug 131 nach 7 in einer Seitenansicht der Frontpartie 100. An dem Scheitel V der aerodynamisch gestalteten Frontpartie 100 wird die Strömung S allseitig verdrängt, sodass aus der Fahrtgeschwindigkeit A und, wie in 9 gezeigt, aus der Umlaufgeschwindigkeit B und dem Strömungswinkel α die resultierende Anströmung C des Ringflügels 21 gebildet wird. Gegenüber der Längsmittelachse x ist die Rotationsachse y des Ringflügels 21 mit einem Anstellwinkel δ geneigt. Aus der geneigten Rotationsebene R und der Frontpartie 100 mit einer konvexen Wölbung 103 resultiert aus der Anströmung C des Ringflügels 21 jeweils ein Auftrieb D mit einer in Fahrtrichtung wirkenden Traktionskraft G und einer, wie in 9 gezeigt, in Drehrichtung T wirkenden tangentialen Antriebskraft F.
9 zeigt den Hochgeschwindigkeitszug 131 nach 7 und 8 in einer perspektivischen Übersicht der Frontpartie 100 mit Darstellung des Ringflügels 21 und der sechs radialen Rotorblätter 12, die den Ringflügel 21 mit dem Läuferring 111 einer in die Hülle 10 eingelassenen Generator-Motoreinheit 11 verbinden. Die Darstellung der von der resultierenden Anströmung C an dem Ringflügel 21 bewirkten Kräfte entspricht dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel. Sowohl die von dem Ringflügel 21 bewirkte tangentiale Antriebskraft F als auch die in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft G sind jeweils wesentlich größer als der zugehörende Rotationswiderstand K und der Fahrtwiderstand L des Ringflügels 21.
10 zeigt ein Fahrzeug 1 als Straßenfahrzeug 14, das als PKW 140 in Form eines Vans ausgebildet ist, in der Ansicht von vorne. Die Frontpartie 100 weist einen Traktionsflügel 2 auf, der als polygonaler Ringflügel 21 ausgebildet ist und die Frontpartie 100 innerhalb der projizierten maximalen Profilkontur 101 der Hülle 10 umrahmt.
11 zeigt die Frontpartie 100 des PKW 140 nach 10 in der Seitenansicht. Die aus der Fahrtgeschwindigkeit A resultierende Strömung S wird an der Frontpartie 100 mit einem Strömungswinkel α gegenüber der Längsmittelachse x des Fahrzeugs 1 abgelenkt und trifft als resultierende Anströmung C auf den in einem regelmäßigen Abstand und starr mit der Frontpartie 100 verbundenen Ringflügel 21. Über den gesamten Umfang des Ringflügels 21 resultiert aus dem Auftrieb D eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft G. Abhängig von der jeweiligen Fahrtgeschwindigkeit A entspricht bei einer Flügeloberfläche von 2,1 m² die resultierende Traktionskraft G bis zur Hälfte des Fahrtwiderstands des PKW 140.
12 zeigt die Frontpartie 100 des in 10 und 11 dargestellten PKW 140 in der Aufsicht. An dem mittigen Scheitel V der Frontpartie 100 teilt sich die Strömung S und umströmt das Fahrzeug 1 jeweils links und rechts mit einem Strömungswinkel α. Abhängig von der Fahrtgeschwindigkeit A trifft die resultierende Anströmung C auf den parallel zu dem Strömungswinkel α ausgerichteten Ringflügel 21, wobei aus dem Auftrieb D eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft G resultiert.
13 zeigt den in 10-12 dargestellten Van in einer perspektivischen Übersicht mit nochmaliger Darstellung der aerodynamischen Wirkung des Ringflügels 21 und des asymmetrischen Flügelprofils 22. Die Profilsehne p ist jeweils parallel zu der aerodynamisch gestalteten Hülle 10 der Frontpartie 100 ausgerichtet, sodass die Traktionskraft G an jedem Punkt der polygonförmigen Druckpunktlinie q des Ringflügels 21 einen unterschiedlichen Wert annimmt. Der Ringflügel 21 ist als ein Polygonring ausgebildet und umrahmt die viereckige Frontpartie 100 innerhalb der projizierten maximalen Profilkontur 101, wobei die Profilsehne p des asymmetrischen Flügelprofils 22 an diesem PKW 140 30cm lang ist und der Ringflügel 21 mit einer Oberfläche von 2,1 m² eine von der Fahrtgeschwindigkeit A abhängige Traktionskraft G zwischen 500 N und 1500 N entwickelt. Installationen, wie Scheinwerfer und Blinklichter und Sensoren als Abstandswarner oder als Entfernungsmesser, können in das asymmetrische Flügelprofil 22 des Ringflügels 21 integriert werden.
14 zeigt einen PKW 140, bei dem der Traktionsflügel 2 als Bogenflügel 20 in der unteren Hälfte der Frontpartie 100 des Straßenfahrzeugs 14 angeordnet ist.
15 zeigt die Frontpartie 100 des PKW 140 nach 14 in der Seitenansicht mit Darstellung des Strömungswinkels α an einem unteren und oberen Segment des Bogenflügels 20. Der Bogenflügel 20 folgt einer Kurve, die die Nase und die Kotflügel des PKW 140 in einer C-Form zusammenfasst. An dem Scheitel V wird die von der Fahrtgeschwindigkeit A verursachte Strömung S mit dem Strömungswinkel α abgelenkt, sodass sie als resultierende Anströmung C auf den Bogenflügel 20 trifft. Das asymmetrische Flügelprofil 22 des Bogenflügels 20 bewirkt einen Auftrieb D jeweils mit einer in Fahrtrichtung gerichteten Traktionskraft G an allen Segmenten des C-förmigen Bogenflügels 20.
16 zeigt den PKW nach 14 und 15 in einer perspektivischen Darstellung des Bogenflügels 20 mit Darstellung der von dem asymmetrischen Flügelprofil 22 aerodynamisch bewirkten Kräfte an drei exemplarischen Querschnitten des mit der Hülle aerodynamisch wechselwirkenden Bogenflügels 20. Je größer der Betrag des Strömungswinkels α ist, umso größer ist die Traktionskraft G als vektorieller Anteil des von dem Traktionsflügel 2 aus der resultierenden Anströmung C bewirkten Auftriebs D.
17 zeigt ein dreirädriges Fahrzeug 1, das als PKW 140 ausgebildet ist, in der Ansicht von vorne. Ein als Ringflügel 21 ausgebildeter Traktionsflügel 2 ist mittels von sechs radialen Rotorblättern 12 mit einer in die Frontpartie 100 eingelassenen Generator-Motoreinheit 11 verbunden, die dazu ausgebildet ist, den Ringflügel 21 unabhängig von den radialen Rotorblättern 12 auf die Auslegungsschnelllaufzahl Lambda zu beschleunigen, wobei der Ringflügel 21 bei Erreichen der Auslegungsschnelllaufzahl ein aerodynamisch bewirktes Drehmoment an der Rotationsachse y erzeugt und die Generator-Motoreinheit 11 Strom für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 produziert.
18 zeigt die Seitenansicht des in 17 dargestellten PKW 140 mit Darstellung des Ringflügels 21, dessen Rotationsachse y gegenüber der Längsmittelachse x des Fahrzeugs 1 mit einem Anstellwinkel δ geneigt ist. In der Rotationsebene R wirkt über den gesamten Umfang des Ringflügels 21 eine Auftriebskraft D, die aus der resultierenden Anströmung C resultiert. Wie in 17 gezeigt, weist die Frontpartie 100 eine konvexe Wölbung 103 mit einem mittigen Scheitel V auf, die einen Widerstand in der Strömung S verursacht, sodass die Strömung S mit einem Strömungswinkel α radial verdrängt wird.
19 zeigt den in 17 und 18 dargestellten PKW 140 in einer Aufsicht mit Darstellung der von dem Ringflügel 21 bewirkten Traktionskraft G.
20 zeigt das in 17-19 dargestellte Fahrzeug 1 in einer perspektivischen Übersicht und einer detaillierten Darstellung der von dem asymmetrischen Flügelprofil 22 in der Neigungsebene N bewirkten Kräfte, die im Wesentlichen dem in 6 ausführlich erläuterten Ausführungsbeispiel entspricht.
21 zeigt einen Motorroller als Beispiel für ein Straßenfahrzeug 14, das als ein einspuriges Zweirad 142 ausgebildet ist. Die Frontpartie 100 des Fahrzeugs 1 weist eine nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltete Frontschürze mit einem mittigen Scheitel V auf, die mit einem Bogenflügel 20 verbunden ist. Der Detailschnitt zeigt die Verdrängung der durch die Fahrtgeschwindigkeit A hervorgerufenen Strömung S, die als resultierende Anströmung C auf den Traktionsflügel 2 trifft. Aus dem Auftrieb D des Bogenflügels 20 resultiert eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft G, die dem Fahrtwiderstand des Zweirads 142 entgegenwirkt.
22 zeigt einen LKW 141 als Straßenfahrzeug 14 in der Vorderansicht mit Darstellung der Frontpartie 100 und der maximalen Profilkontur 101 der Hülle 10, die einen vertikal ausgerichteten und mittig angeordneten Scheitel V aufweist und einen rotierenden Ringflügel 21 mit Drehrichtung T trägt. Radiale Rotorblätter 12 verbinden den Ringflügel 21 mit einer Generator-Motoreinheit 11.
23 zeigt die Frontpartie 100 des LKW 141 nach 22 in einer Seitenansicht mit einer konvexen Wölbung 103 als Scheitel V. An dem Scheitel V teilt sich die Strömung S Aus der Fahrtgeschwindigkeit A und der in 24 dargestellten Umlaufgeschwindigkeit B resultiert die Anströmung C, die auf den rotierenden Ringflügel 21 trifft. Wie in 24 dargestellt, resultiert aus dem in Dreh- und Fahrtrichtung geneigten Auftrieb D eine in Fahrtrichtung gerichtete Traktionskraft G. Die Rotationsachse y des in der Rotationsebene R rotierenden Ringflügels 21 ist mit einem Anstellwinkel δ gegenüber der Längsmittelachse x des Fahrzeugs 1 geneigt.
24 zeigt die Frontpartie des LKW 141 nach 22-23 in einer frontalen Perspektive und eine perspektivische Ausschnittsdarstellung des Ringflügels 21. Sechs radiale Rotorblätter 12 verbinden den in Drehrichtung T rotierenden Ringflügel 21 mit der in die Frontpartie 100 eingelassenen Generator-Motoreinheit 11. Aus der Vektorsumme der Fahrtgeschwindigkeit A und der Umlaufgeschwindigkeit B des Ringflügels 21 sowie aus dem Strömungswinkel α setzt sich die in der Neigungsebene N wirksame resultierende Anströmung C zusammen. Das Verhältnis der Fahrtgeschwindigkeit A zur Umlaufgeschwindigkeit B bestimmt den Neigungswinkel β der Neigungsebene N gegenüber der Rotationsebene R. Der aus der Anströmung C resultierende Auftrieb D ist in Fahrtrichtung und in Drehrichtung T des Ringflügels 21 geneigt und teilt sich in eine Vortriebskraft E und eine Sogkraft H. Da die Vortriebskraft E größer ist als der Widerstand J, resultieren aus der Vortriebskraft E eine tangentiale Antriebskraft F mit dem entsprechenden Rotationswiderstand K und eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft G mit dem entsprechenden Fahrtwiderstand L.
25 zeigt ein Schiff 150, dessen Frontpartie 100 und dessen Heckpartie 102 einen mittels von Abstandhaltern 23 starr mit der Hülle 10 verbundenen und jeweils als Bogenflügel 20 ausgebildeten Traktionsflügel 2 aufweist. Während die Saugseite des Traktionsflügels 2 an der Frontpartie 100 auf der der Hülle 10 abgewandten Seite liegt ist, die Saugseite an der Heckpartie 102 der Hülle 10 zugewandt, wobei der Traktionsflügel 2 jeweils innerhalb der auf die Front- und Heckpartie 100,102 projizierten, maximalen Profilkontur 101 des Hauptspants angeordnet ist. Die Strömung S teilt sich an dem vorderen Scheitel V und umströmt den Rumpf des Schiffs 150 laminar. Die Strömung S wird an der Frontpartie 100 von der Längsmittelachse x weg- und an der Heckpartie 102 zu der Längsmittelachse x hingelenkt, sodass aus dem von der resultierenden Anströmung C bewirkten Auftrieb D an beiden Traktionsflügeln 2 eine in Fahrtrichtung des Schiffs 150 gerichtete Traktionskraft G resultiert, die größer ist als der Widerstand der Traktionsflügel 2 selbst. Der Traktionsflügel 2 ist in sich verwunden und folgt an der Front- und der Heckpartie 100,102 in einem gleichbleibenden Abstand der jeweiligen Krümmung der Hülle 10, wobei die von der Flügelnase n bis zu der Flügelhinterkante e sich erstreckende Profilsehne p des asymmetrischen Flügelprofils 22 tangential zu der Hülle 10 ausgerichtet ist, sodass zwischen der Hülle 10 und dem Traktionsflügel 2 eine durchströmte Spaltöffnung gebildet wird.
26 zeigt den Bug eines Schiffs 150 mit drei in einer Formation angeordneten Traktionsflügeln 2, die als Bogenflügel 20 ausgebildet sind und stromab des Scheitels V der Frontpartie 100 den Bug steuer- und backbordseitig umfassen. An dem Scheitel V teilt sich die Strömung S und strömt die in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete Schar von Bogenflügeln 20 jeweils mit einem Strömungswinkel α als resultierende Anströmung C an. Aus dem von dem Bogenflügel 20 bewirkten Antrieb D resultiert eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft G, die dem Fahrtwiderstand des Schiffs 150 entgegenwirkt. Die Schar von Traktionsflügeln 2 kann entsprechend auch mit der Heckpartie 102 eines Schiffs 150 verbunden werden, wie in 25 für einen exemplarischen, der Heckpartie 102 zugeordneten Traktionsflügel 2 gezeigt.
27 zeigt den Bug des Schiffs nach 26 in einer Vorderansicht. Der Vorsteven des Bugs bildet den Scheitel V der Frontpartie 100. Die drei hintereinander angeordneten Traktionsflügel 2 sind als Bogenflügel 20 ausgebildet und weisen, wie in 26 dargestellt, ein asymmetrisches Flügelprofil 22 auf.
28 zeigt die Frontpartie 100 des Schiffs 150 nach 26 und 27 in einer Seitenansicht mit Darstellung der Strömung S. An der Frontpartie 100 kann eine Schar von mehreren Traktionsflügeln 2 so angeordnet werden, dass die Ausbildung von Druck- und Sogzonen an der Profilkontur der Frontpartie 100 weigehend unterbunden und damit der Wellenwiderstand drastisch reduziert wird. Entsprechend kann auch, wie in 25 gezeigt, die Abströmung an der Heckpartie 102 verbessert werden.
29 zeigt die Frontpartie 100 des Schiffs 150 nach 26-28 in einer perspektivischen Darstellung. Die drei jeweils tangential zu der Krümmung der Hülle 10 angeordneten Traktionsflügel 2 sind als in sich verwundene Bogenflügel 20 ausgebildet und sind mit ihrer Druckseite über eine durchströmte Spaltöffnung der Hülle 10 zugewandt.
30 zeigt ein Schiff 150 mit einem hybriden Rumpf, der die jeweiligen vorteilhaften Eigenschaften eines Verdrängers und eines Gleiters miteinander verbindet.
31 zeigt die Frontpartie des Schiffs nach 30 in einer Seitenansicht. Der obere Teil des Rumpfs ist als Gleiter breit und flach ausgebildet, um Container aufzunehmen, während das Unterwasserschiff als ein strömungsdynamisch optimierter Auftriebskörper, dessen Frontpartie 100 einen Rotationskörper 104 aufweist, ausgebildet ist. Ein feststehender Ringflügel 21 umfasst den Rotationskörper 104 stromab des punktförmigen Scheitels V. Die Kombination eines Gleiters mit geringem Tiefgang mit einem strömungsdynamisch optimierten Rotationskörper 104 ermöglicht dem Containerschiff eine vergleichsweise hohe Fahrgeschwindigkeit von bis zu 40 Knoten.
32 zeigt das Schiff 150 nach 30 und 31 in einer perspektivischen Übersicht mit einem Detailschnitt durch den bugseitigen Ringflügel 21. Die Strömung S trifft an der Flügelnase n als resultierende Anströmung C auf den Ringflügel 21 und bewirkt einen Auftrieb D mit einer in Fahrtrichtung wirkenden Traktionskraft G. Der Ringflügel 21 hat ein asymmetrisches Flügelprofil 22 und ist mittels von Abstandhaltern 23 in einem regelmäßigen Abstand zu dem Rumpf des Schiffs 150 angeordnet.
33 zeigt ein U-Boot 151, dessen Frontpartie 100 einen rotierenden Ringflügel 21 aufweist. Sechs radiale Rotorblätter 12 verbinden den Ringflügel mit dem Läuferring 111 einer Generator-Motoreinheit 11, die in die Hülle 10 des U-Boots 151 integriert ist, wobei die Generator-Motoreinheit 11 auch dem Antrieb des U-Boots 151 dienen kann. Die an dem perspektivischen Ausschnitt des Ringflügels 21 dargestellten strömungsdynamischen Kräfte entsprechen weitgehend dem in den 20 und 24 erläuterten Ausführungsbeispiel. Ein zweiter, hier nicht dargestellter Ringflügel kann an der Heckpartie 102 des U-Boots 151 vorgesehen werden, wobei die Generator-Motoreinheit 11 den Antrieb des U-Boots bildet und die heckseitige Schraube ersetzt.
34 zeigt ein Luftschiff 160 als Blimp mit einer durch radiale Rippen verstärkten Frontpartie 100 und einem Detailschnitt durch den mittels von radialen Abstandshaltern 23 mit den Rippen der Frontpartie 100 verbundenen Ringflügel 21. Der feststehende Ringflügel 21 kann in Leichtbauweise als Hohlkammerprofil aus Kohlefaserelementen aufgebaut werden und weist im Querschnitt ein asymmetrisches Flügelprofil 22 auf. Der Ringflügel 21 hat einen Durchmesser von 12 m und trägt im Zusammenwirken mit den radialen Rippen zur Versteifung der Frontpartie 100 des Luftschiffes 160 bei. Die aus der Verdrängung der Strömuung resultierende Anströmung C bewirkt über den gesamten Umfang des Ringflügels 21 einen Auftrieb D mit einer in Fahrtrichtung wirksamen Traktionskraft G. Bei gleicher Antriebsleistung wie ein herkömmliches Luftschiff ermöglicht der Ringflügel 21 eine erhebliche Steigerung der Fahrtgeschwindigkeit.
Bezugszeichenliste

Fahrzeug	1	Traktionsflügel	2
Längsmittelachse	x	Bogenflügel	20
Strömung	S	Ringflügel	21
Strömungswinkel	α	Schnell lauf zahl	A
Hülle	10	Asymmetrisches Flügelprofil	22
Scheitel	V	Abstandhalter	23
Frontpartie	100	Flügelnase	n
Maximale Profilkontur	101	Flügelhinterkante	e
Heckpartie	102	Profilsehne	p
Konvexe Wölbung	103	Druckpunktlinie	q
Rotationskörper	104	Rotationsachse	y
Generator-Motoreinheit	11	Rotationsebene	R
Statorring	110	Drehrichtung	T
Läuferring	111	Neigungswinkel	β
Rotorblatt	12	Anstellwinkel	δ
Schienenfahrzeug	13	Neigungsebene	N
Lokomotive	130	Fahrtgeschwindigkeit	A
Hochgeschwindigkeitszug	131	Umlaufgeschwindigkeit	B
Straßenfahrzeug	14	Resultierende Anströmung	C
PKW	140	Auftrieb	D
LKW	141	Vortriebs kraft	E
Einspuriges Zweirad	142	Tangentiale Antriebskraft	F
Wasserfahrzeug	15	Traktionskraft	G
Schiff	150	Sogkraft	H
U-Boot	151	Widerstand	J
Luftfahrzeug	16	Rotationswiderstand	K
Luftschiff	160	Fahrtwiderstand	L

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016007273 A1 [0002]
DE 102016102678 A1 [0003]
DE 102016115514 A1 [0004]
DE 102004049042 A1 [0005]
EP 0882642 A1 [0006]
EP 1659050 A2 [0007]
DE 102017207742 A1 [0008]
DE 102015013046 A1 [0009]

Claims

Fahrzeug (1) mit einer Längsmittelachse (x), dessen stromlinienförmige Hülle (10) in einer überwiegend von der Fahrtgeschwindigkeit (A) des Fahrzeugs (1) bewirkten Strömung (S) einen Widerstand hervorruft und eine Frontpartie (100) mit einem Scheitel (V), eine Heckpartie (102) mit einem für den Abriss der Strömung (S) ausgebildeten Heck und einen Längsabschnitt mit einer maximalen, auf die Front- und Heckpartie (100,102) projizierbaren Profilkontur (101) besitzt, welche Frontpartie (100) sich in Fahrtrichtung, ausgehend von dem Scheitel (V) bis zu der maximalen Profilkontur (101) hin kontinuierlich erweitert, sodass die Strömung (S) stromab des Scheitels (V) mit einem divergenten Strömungswinkel (α) von der Längsmittelachse (x) weggelenkt wird, bei welchem Fahrzeug (1) mindestens die Frontpartie (100) mindestens einen innerhalb der projizierten maximalen Profilkontur (101) spiegelsymmetrisch zu der Längsmittelachse (x) angeordneten und entweder starr mit der Hülle (10) verbundenen oder um eine Rotationsachse (y) rotierbaren Traktionsflügel (2) aufweist, der ein asymmetrisches Flügelprofil (22) mit einer der Hülle (10) zugewandten Druckseite, mit einer konvexen Saugseite, mit einer bevorzugt tangential zu der stromlinienförmigen Hülle (10) ausgerichteten Profilsehne (p) und mit einer parallel zu der jeweiligen Profilkontur der Frontpartie (100) verlaufenden Druckpunktlinie (q) hat, welche Druckpunktlinie (q) die Hülle (10) in einem gleichmäßigen Abstand so umfasst, dass der Traktionsflügel (2) zusammen mit der Hülle (10) stromab des Scheitels (V) eine durchströmte Spaltöffnung definiert, wobei der divergente Strömungswinkel (α) die resultierende Anströmung (C) des Traktionsflügels (2) derart bestimmt, dass aus dem Auftrieb (D) des asymmetrischen Flügelprofils (22) eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft (G) resultiert.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem sich die Heckpartie (102) zu dem Heck hin kontinuierlich verjüngt, wobei die Strömung (S) mit einem konvergenten Strömungswinkel (α) zu der Längsmittelachse (x) hingelenkt wird und der konvergente Strömungswinkel (α) an der Heckpartie (102) die resultierende Anströmung (C) von mindestens einem mit der Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils (22) der Hülle (10) zugewandten und entweder starr oder um eine Rotationsachse (y) rotierbar mit der Hülle (10) verbundenen Traktionsflügels (2) stromab der maximalen Profilkontur (101) derart bestimmt, dass aus dem Auftrieb (D) des Traktionsflügels (2) eine in Fahrtrichtung wirkende Traktionskraft (G) resultiert.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Traktionsflügel (2) mittels einer Mehrzahl von Abstandhaltern (23) starr mit der Hülle (10) verbunden ist und entweder als ein gerader Flügel oder als ein Bogenflügel (20) oder als ein Ringflügel (21) ausgebildet ist und der Bogenflügel (20) eine einseitig offene Bogenform mit einer U-förmigen oder einer V-förmigen Druckpunktlinie (q) und der Ringflügel (21) eine frei geformte oder eine kreisförmige Druckpunktlinie (q) aufweist, wobei die Fahrtgeschwindigkeit (A) und der Strömungswinkel (α) die resultierende Anströmung (C) des Traktionsflügels (2) bilden.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Traktionsflügel (2) als ein kreisringförmiger Ringflügel (21) ausgebildet ist, der in einer Rotationsebene (R) um die Rotationsachse (y) rotiert, wobei die resultierende Anströmung (C) des Traktionsflügels (2) aus der Fahrtgeschwindigkeit (A) des Fahrzeugs (1), der Umlaufgeschwindigkeit (B) des Ringflügels (21) und aus dem Strömungswinkel (α) gebildet wird und das asymmetrische Flügelprofil (22) in einer mit einem Neigungswinkel (β) gegenüber der Rotationsebene (R) geneigten Neigungsebene (N) so angeströmt wird, dass die resultierende Anströmung (C) an jedem Punkt der kreisförmigen Druckpunktlinie (q) des Ringflügels (21) einen Strömungswinkel (α) gegenüber der Längsmittelachse (x) und einen Neigungswinkel (β) gegenüber der Rotationsebene (R) aufweist und aus dem Auftrieb (D) des Ringflügels (21) eine in Drehrichtung (T) wirkende tangentiale Antriebskraft (F) und die in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (1) wirkende Traktionskraft (G) resultieren.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Traktionsflügel (2) als ein kreisringförmiger Ringflügel (21) ausgebildet ist, der mittels einer Mehrzahl von radialen Rotorblättern (12) mit dem Läuferring (111) einer in die Frontpartie (100) des Fahrzeugs (1) integrierten Generator-Motoreinheit (11) verbunden ist, welche Generator-Motoreinheit (11) dazu ausgebildet ist, entweder passiv Energie aus dem von dem Fahrzeug (1) verdrängten Fluid zurückzugewinnen oder aktiv das Fahrzeug (1) selbst anzutreiben, wobei der Ringflügel (21), die radialen Rotorblätter (12) und der Läuferring (111) eine in sich starre Einheit bilden, die über ein Drehlager mit dem Statorring (110) der in die Hülle (10) eingelassenen Generator-Motoreinheit (11) verbunden ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem das asymmetrische Flügelprofil (22) eines um die Rotationsachse (y) rotierenden Ringflügels (21) für eine bestimmte Schnelllaufzahl (A) ausgelegt ist, welche mittels der Generator- Motoreinheit (11) erreicht wird, indem der Ringflügel (21) bis zum Erreichen der Auslegungsschnelllaufzahl (A) beschleunigt wird.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem die Frontpartie (100) eine konvexe Wölbung (103) mit einem linienförmigen und senkrecht oder waagrecht ausgerichteten Scheitel (V) aufweist, wobei die Frontpartie (100) in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (1) geneigt ist und der Traktionsflügel (2) als ein Bogenflügel (20) oder als ein Ringflügel (21) mittels von Abstandhaltern (23) starr und in einem gleichmäßigen Abstand zu der Hülle (10) angeordnet ist, oder dass der kreisringförmige Ringflügel (21) um eine gegenüber der Längsmittelachse (x) mit einem Neigungswinkel (δ) geneigte Rotationsachse (y) rotiert.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem die Frontpartie (100) einen punktförmigen Scheitel (V) aufweist und die Front- und Heckpartie (100,102) jeweils als Längsabschnitt eines Rotationskörpers (104) ausgebildet sind, wobei der Traktionsflügel (2) als ein kreisringförmiger Ringflügel (21) ausgebildet ist, der entweder starr oder um eine koaxial und konzentrisch zu der Längsmittelachse (x) des Fahrzeugs (1) angeordnete Rotationsachse (y) rotierbar mit der Front- und mit der Heckpartie (100,102) des Fahrzeugs (1) verbunden ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Traktionsflügel (2) als ein polygonringförmiger Ringflügel (21) ausgebildet ist, der die Frontpartie (100) eines Fahrzeugs (1) umrahmt, wobei die Profilsehne (p) des asymmetrischen Flügelprofils (22) an einem Pkw (140) z.B. 30 cm lang ist und der Ringflügel (21) mit einer Oberfläche von 2,1 qm eine von der Fahrtgeschwindigkeit (A) abhängige Zugkraft zwischen 500 N und 1500 N entwickelt.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem das Fahrzeug (1) ein Schienenfahrzeug (13) aufweist und als Lokomotive (130) oder als Hochgeschwindigkeitszug (131) ausgebildet ist, oder dass das Fahrzeug (1) ein Straßenfahrzeug (14) aufweist und als Pkw (140) oder als Lkw (141) oder als einspuriges Zweirad (142) ausgebildet ist, oder dass das Fahrzeug (1) ein Wasserfahrzeug (15) aufweist und als Schiff (150) oder als U-Boot (151) ausgebildet ist, oder dass das Fahrzeug (1) ein Luftfahrzeug (16) aufweist und als Flugzeug oder als Luftschiff (160) ausgebildet ist, wobei das asymmetrische Flügelprofil (22) des Traktionsflügels (2) ein Hohlprofil aufweist und Installationen wie Scheinwerfer, Blink- und Bremslichter und Sensoren als Abstandswarner oder als Entfernungsmesser aufnimmt.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, welches als Schiff (150), als U-Boot (151) oder als Luftschiff (160) ausgebildet ist und jeweils mindestens einen bugseitigen und mindestens einen heckseitigen Traktionsflügel (2) aufweist, der als Bogenflügel (20) oder als Ringflügel (21) ausgebildet ist und die Druckpunktlinie (q) des bug- und des heckseitigen Traktionsflügels (20) die jeweilige Profilkontur der Front- und der Heckpartie (100,102) steuer- und backbordseitig jeweils in einem gleichbleibenden Abstand zu der Hülle (10) umfasst, sodass zwischen der Hülle (10) und dem Traktionsflügel (20) eine durchströmte Spaltöffnung gebildet wird.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, welches mindestens einen bugseitigen und mindestens einen heckseitigen Traktionsflügel (2) aufweist und die Spaltöffnungen zwischen der Hülle (10) und einander jeweils diametral gegenüberliegenden Abschnitten der Traktionsflügel (2) in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (1) temporär verengt werden können, sodass die Traktionsflügel (2) abschnittsweise als Stauflügel wirken und eine Ruderanlage mit Seitenrudern für ein Schiff (150) und mit Seiten-, Höhen- und Querrudern für ein U-Boot (151) oder ein Luftschiff (160) bilden, wobei der erhöhte Auftrieb (D) an den einander gegenüberliegenden Abschnitten der Traktionsflügel (2) derart genutzt wird, dass der erhöhte Auftrieb (D) des bugseitigen und des heckseitigen Traktionsflügels (2) jeweils quer zu der Längsmittelachse (x) in einander entgegengesetzte Richtungen wirkt.