DE3213000A1 - Vehicle body with good aerodynamic properties - Google Patents
Vehicle body with good aerodynamic propertiesInfo
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Abstract
Description
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Die Erfindung bezieht sich auf eine strömungsgünstige Karosserie für Fahrzeuge, insbesondere für Personenkraftwagen, der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.The invention relates to an aerodynamically favorable body for vehicles, in particular for passenger cars, of the type specified in the preamble of claim 1.
Die Karosserie derartiger Fahrzeuge soll einen möglichst kleinen Widerstandsbeiwert (c -Wert) aufweisen. Gleichzei-The body of such vehicles should have the smallest possible drag coefficient (c value). At the same time
tig sind an eine brauchbare Karosserie jedoch noch weitere Forderungen zu stellen, so soll die Seitenwindempfindlichkeit (Seitenkraft und Giermoment) und der Auftrieb ebenfalls möglichst gering sein. Ferner soll die Karosserie bei geringer Stirnfläche und geringer Länge ausreichend Platz und gute Sichtverhältnisse nach vorn und hinten bieten.However, there are still further requirements to be made of a usable body, such as sensitivity to crosswinds (Lateral force and yaw moment) and the lift should also be as low as possible. Furthermore, the body should be at low The frontal area and short length offer sufficient space and good visibility to the front and rear.
Bei den heute üblichen Personenkraftwagen hat sich die Pontonform mit unterschiedlichen Heckformen wie Stufenheck, Fließheck, Kastenheck und abgeschrägtes Kastenheck weitgehend durchgesetzt. Mit Kraftwagen mit Pontonform und den üblichen Heckformen erreicht man Widerstandsbeiwerte in der Größenordnung von etwa 0,4. Es ist bekannt, den Widerstandsbeiwert durch verschiedene Maßnahmen weiter zu verkleinern.. So kann .man z. B. durch starkes Schrägstellen der Front- und Heckscheibe, durch Abrunden aller Kanten und Vermeidung von Vor- und Einsprüngen den Widerstand weiter absenken. Auch durch eine noch weitere Annäherung der Karosserie an einen tropfenförmigen Stromlinienkörper, dessen Form allerdings wegen des Vorhandenseins des Erdbodens von der üblichen rotationssymmetrischen Tropfenform abweicht, kann man d'en Widerstandsbeiwert weiter senken. Diese Maßnahme! sind jedoch auch mit Nachteilen behaftet, die einer Anwendung entgegenstehen. So kann z. B. die Seitenwindempfindlichkeit und der Auftrieb zunehmen. Durch schräg gestellte Scheiben können sich die Sichtverhältnisse stark verschlechtern und gleichzeitig die Sonneneinstrahlung stark zunehmen, so daß die Fahrgästzelle unzumutbar aufgeheizt wird. Bei den beschriebenen Maßnahmen kann auch eine Vergrößerung der Fahrzeuglänge eintreten, was zuweilen unerv/ünscht ist. Schließ-In today's passenger cars, the pontoon shape with different rear shapes such as notchback, Hatchback, box rear and beveled box rear largely prevailed. With pontoon-shaped cars and the With the usual stern shapes, drag coefficients of the order of magnitude of about 0.4 are achieved. It is known the drag coefficient further downsizing through various measures. B. by strong inclination of the front and Rear window, by rounding off all edges and avoiding protrusions and recesses, lower the resistance further. Even by bringing the body closer to a teardrop-shaped streamlined body, although its shape deviates from the usual rotationally symmetrical teardrop shape because of the presence of the ground, one can derive the drag coefficient lower it further. This measure! however, they also have disadvantages which prevent them from being used. So z. B. increase sensitivity to crosswinds and lift. By inclined discs you can the visibility deteriorate sharply and at the same time the solar radiation increases sharply, so that the passenger cell is heated up unreasonably. With the described Measures can also be taken to increase the length of the vehicle, which is sometimes undesirable. Closing
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lieh kann besonders bei tropfenförmiger Karosserie auch die Stirnfläche des Fahrzeuges zunehmen, was ebenfalls eine Widerstandserhöhung bedeutet, die sich zwar im C„-Wert nicht bemerkbar macht.Can also be borrowed, especially with a teardrop-shaped body the frontal area of the vehicle increase, which also means an increase in resistance, although this is reflected in the C "value not noticeable.
Der Widerstand eines Fahrzeuges setzt sich u.a. aus zwei Anteilen zusammen. Der Widerstand wird einerseits durch die idealisierte Grundform der Karosserie bestimmt und zum anderen durch verschiedene Anbauten und .Einsprünge an der Karosserie festgelegt, wie sie z.B. von den Rädern, den Radkästen, den Stoßstangen, der Auspuffanlage, von Außenspiegeln, von Dachrinnen usw. herrühren. Die Erfindung bezieht sich auf den Anteil des Widerstands, der aus der idealisierten Grundform herrührt.The resistance of a vehicle is made up of two parts, among other things. The resistance is on the one hand by the The idealized basic shape of the body is determined and, on the other hand, through various attachments and jumps on the body determined, for example, by the wheels, the wheel arches, the bumpers, exhaust system, exterior mirrors, gutters, etc. The invention relates to the proportion of the resistance that results from the idealized basic form.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strömungsgünstige Karosserie der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, deren idealisierte Grundform einen möglichst kleinen Widerstand aufweist, um auf diese Weise den Gesamtwiderstand derartiger Fahrzeuge zu senken.The invention is based on the object of showing a body of the type described above that is favorable in terms of flow, whose idealized basic shape has the lowest possible resistance, in order to reduce the total resistance to lower such vehicles.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß vor und/oder nach der Fahrgastzelle der Höhenänderung der Karosseriequerschnitte in Längsrichtung eine derartige Breitenänderung dieser Querschnitte zugeordnet ist, daß nur eine kleine Kantenumströmung (Querumströmung der oberen Fahrzeuglängskante) ohne Ablösung der Strömung oder eine solche ohne wesentliche Ablösung auftritt. Die Erfindung geht von der an sich bekannten Tatsache aus, daß relativ große Kantenumströmungen mit Strömungsablösungen und Wirbelbildung dort auftreten, wo sich in Längsrichtung die Höhe der Karosseriequerschnitte schnell ändert, während die Breite annähernd konstant bleibt. Bei den heute üblichen Karosserieformen tritt dies besonders im Bereich der. Frontscheibe und im Bereich der Heckscheibe auf. Nach der vorliegenden Erfindung soll nun nur eine kleine Kantenumströmung ohne Ablösung oder ohne wesentliche Ablösung zuge-lassen werden und dadurch der Widerstand wesentlich reduziertAccording to the invention this is achieved in that before and / or after the passenger compartment of the change in height of the body cross-sections in the longitudinal direction such a change in width of these cross-sections is assigned that only a small one Flow around the edge (transverse flow around the upper longitudinal edge of the vehicle) occurs without flow separation or without substantial separation. The invention is based on what is known per se Fact that relatively large air flows around the edges Flow detachments and vortex formation occur where the height of the body cross-section changes quickly in the longitudinal direction changes while the width remains approximately constant. With the body shapes customary today, this occurs particularly in the area the. Front window and in the area of the rear window. According to the present invention, only a small flow around the edges should be be allowed without detachment or without substantial detachment, thereby significantly reducing the resistance
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werden. Da die Kantenumströmung an sich nicht nachteilig ist, insbesondere dann nicht, wenn sie an der Karosserie anliegt, kann eine solche Kantenumströmung in gewissen Grenzen durchaus zugelassen werden; sie muß sich nur in solchen Grenzen halten,, daß eine wesentliche Strömungsablösung nicht auftritt. Man kann zwar durch eine entsprechende Breiten zunähme und Breitenabnahme abgestimmt auf die Höhenänderung der Karosseriequerschnitte eine Form schaffen, bei der die seitliche Umströmung der pberen.-Fahrzeugkanten gänzlich vermieden wird. Dabei gelangt man jedoch zu Karosserieformen, die in anderer Hinsicht ungünstig sind und daher für den praktischen Gebrauch weniger in Frage kommen. Es ist somit erforderlich, gewisse Kompromisse zu schließen, also gewisse Kantenumströmungen ohne wesentliche Strömungsablösung zuzulassen und trotzdem nach der Grundkonzeption zu handeln. Theoretische Berechnungen und .Experimente zeigen, daß z\ir vollständigen Vermeidung der Kantenuiuströmung eine beträchtliche Vergrößerung der Breite im Bereich der Frontscheibe und eine entsprechende Verminderung im Bereich der Heckscheibe erforderlich ist. Dies führt zu Karosserieformen, die zwar im Bereich der Fahrgastzelle ein ' vergleichbares Platzangebot liefern wie die üblichen Formen, die aber ansonsten insbesondere hinsichtlich der Spurweite im Bereich der Vorderräder ungünstig sind. Zur Vermeidung dieser Nachteile wird die Breitenänderung im Bereich der Front- und/oder Heckscheibe schwächer ausgeführt als es zur vollständigen Vermeidung der Kantenumströmung erforderlich wäre.will. Since the flow around the edges is not disadvantageous per se, in particular not when it is in contact with the body, such a flow around the edges can certainly be permitted within certain limits; it only has to be kept within such limits that a substantial flow separation does not occur. By increasing and decreasing the width accordingly, it is possible to create a shape in which the lateral flow around the pberen.-vehicle edges is completely avoided. However, this leads to body shapes that are unfavorable in other respects and are therefore less suitable for practical use. It is therefore necessary to make certain compromises, i.e. to allow certain flow around the edges without significant flow separation and nevertheless to act according to the basic concept. Theoretical calculations and .Experimente show that z \ ir complete avoidance of Kantenuiuströmung a considerable enlargement of the width in the portion of the panel and a corresponding reduction in the area of the rear window is required. This leads to body shapes which, in the area of the passenger cell, provide a 'comparable amount of space as the usual shapes, but which are otherwise unfavorable, in particular with regard to the track width in the area of the front wheels. To avoid these disadvantages, the change in width in the area of the front and / or rear window is made weaker than would be necessary to completely avoid the flow around the edges.
Bei einer Fahrgastzelle mit einem Höhen-Breitenverhältnis von etwa 1 : 1,2 bis 1,3 kann eine seitliche Verbreiterung der .Karosserie im Bereich der Frontscheibe·von etwa 50 bis 150 Prozent der Höhenänderung im Bereich der Frontscheibe vorgesehen sein. Eine entsprechende Verminderung der Breite ergibt sich im Bereich der Heckscheibe. . · -In the case of a passenger compartment with a height-to-width ratio of about 1: 1.2 to 1.3 can result in a lateral widening of the body in the area of the windshield by about 50 to 150 Percentage of the change in height must be provided in the area of the windshield. A corresponding reduction in width results in the area of the rear window. . -
Die Karosserie kann im Bereich der schräggestellten Frontscheibe rasch zunehmende Breite und im Bereich der Fahrgastzelle im wesentlichen konstante Höhe und Breite aufweisen. Sie kann im Bereich der an die Fahrgastzelle anschließenden Heckpartie in Richtung auf das Karosserieende abnehmende Höhe und abnehmende Breite besitzen, um auch hier eine' möglichst kleine Kantenumströmung ohne wesentliche Strömungsablösung zu erzielen. Die Abnahme der Höhe und der Breite an der Heckpartie soll allmählich vorgesehen sein, vorzugsweise mit Winkeln ,im Bereich von etwa 15° bis 20°, um auch hier die normale Strömungsablösung zu vermeiden, die auch bei vollkommener Vermeidung jeder Kantenumströmung durch zu schnelle Höhen- und Breitenänderung und den damit verbundenen Druckanstieg auftreten kann.The body can rapidly increase in width in the area of the inclined windshield and in the area of the passenger cell have substantially constant height and width. You can in the area of the adjoining the passenger compartment Rear end towards the body end have decreasing height and decreasing width in order to as well here a 'as small as possible flow around the edge without substantial To achieve flow separation. The decrease in height and width at the rear end is intended to be gradual be, preferably with angles ranging from about 15 ° to 20 ° in order to avoid the normal flow separation here too, even with complete avoidance of any flow around edges due to rapid changes in height and width and the associated pressure increase can occur.
Zur Realisierung einer großen Spurweite im Bereich der'Vorderräder kann die Karosserie im Ubergangsbereich zwischen dem Vorderteil und der Frontscheibe eine Einschnürung in der Breite aufweisen. Diese Einschnürung muß freilich so allmählich verlaufen, daß dort keine Ablösung der Strömung erfolgt,, und daß der Teil der Einschnürung, der eine Zunahme der Breite des Fahrzeuges erbringt, etwa im Bereich der Frontscheibe, angeordnet ist. Um keine zusätzliche Umströmung der unteren Fahrzeuglängskante hervorzurufen, und das Grundkonzept möglichst dort anzuwenden, wo es erheblichen Nutzen bringt, ist die Einschnürung im wesentlichen im oberen Bereich vorgesehen und in Richtung auf das Bodenblech auslaufend angeordnet. Damit wird oben am Fahrzeug, also in Richtung auf den ~ Bereich der Frontscheibe, die wesentliche Wirkung erzielt, während das Fahrzeug unten im Bereich des Bodenbleches etwa konstante Breite zwischen Vorderteil bis in den Fahrgastraum hinein aufweist. :To achieve a large track width in the area of the front wheels the body can be constricted in the transition area between the front part and the windshield the width. This constriction must, of course, be so gradual that there is no separation of the current takes place, and that the part of the constriction which results in an increase in the width of the vehicle, for example in the area of the windshield, is arranged. So as not to cause any additional flow around the lower longitudinal edge of the vehicle, and the basic concept To be used wherever possible where it is of considerable benefit, the constriction is essentially provided in the upper area and arranged tapering in the direction of the floor panel. This is at the top of the vehicle, i.e. in the direction of the ~ Area of the windshield that has a significant effect, while the vehicle is down in the area of the floor panel has a constant width between the front part into the passenger compartment. :
Bei einer ebenen Ausführung des Bodenblechs, also des Fahrzeugbodens, tritt im Bereich der Front- und Heckscheibe wegen der Querschnittsänderungen auch eine Umströmung der unteren Kanten des Fahrzeuges auf, die durch das Vorhandensein des Erdbodens bzw. der Straße aber abgeschwächt wird. Man kann dieser Umströmung dadurch entgegenwirken, daß im Bereich vor der Frontscheibe der Bodenabstand abnimmt und im Bereich der Frontscheibe wieder zunimmt. Diese Querschnittsänderungen sind aber wesentlich geringer als die zuvor beschriebenen seitlichen Querschnittsänderungen. Am Bodenblech kann also im Übergangsbereich zwischen dem Vorderteil und der Frontscheibe eine eingezogene Delle vorgesehen sein, deren stärkste Einschnürung etwa am Beginn der Frontscheibe angeordnet ist.In the case of a flat design of the floor panel, i.e. the vehicle floor, In the area of the front and rear windows, there is also a flow around the lower one because of the changes in cross-section Edges of the vehicle, which is weakened by the presence of the ground or the road. One can counteract this flow around the ground by decreasing in the area in front of the windshield and in the area of the Front windshield increases again. These changes in cross-section are, however, much smaller than those described above lateral cross-section changes. So on the floor panel, in the transition area between the front part and the windshield a drawn-in dent can be provided, the greatest constriction of which is approximately at the beginning of the windshield is arranged.
Die Ecken der Karosseriequerschnitte können im Bereich starker Querschnittsänderungen zur Zulassung von Kantenumströmungen ohne wesentliche Strömungsablösung stark abgerundet ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere für solche Fälle, in denen eine relativ kleine Breitenänderung gewählt wird, und damit eine relativ große Kantenumströmung und evtl. sogar eine schwache Ablösung mit entsprechend schwacher Wirbelbildung und Widerstandsvergrößerung zugelassen wird.The corners of the body cross-sections can, in the area of strong cross-section changes, permit flow around the edges be formed strongly rounded without significant flow separation. This is especially true for such cases in where a relatively small change in width is selected, and thus a relatively large flow around the edges and possibly even a weak separation with correspondingly weak vortex formation and increased drag is permitted.
Die Grundidee' der Erfindung ist bereits dann verwirklicht, wenn die Breite der Karosserie vor der Frontscheibe geringer ist als hinter der Frontscheibe. Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß der Widerstand der idealisierten Grundform sehr klein gemacht wird, ohne daß die Frontscheibe allzu schräg gestellt werden muß, und ohne daß die Fahrgastzelle ihre Form wesentlich verändern muß. Auch die Fahrzeuglänge wird nicht übergebührlich groß. Seitenwindempfindlichkeit und Auftrieb bleiben gering.The basic idea of the invention has already been realized when the width of the body in front of the windshield is less than behind the windshield. The advantages of the invention lie in the fact that the resistance of the idealized basic shape is made very small, without the front pane too must be placed at an angle, and without the passenger compartment having to change its shape significantly. Also the length of the vehicle does not become excessively large. Crosswind sensitivity and Buoyancy remains low.
Die Erfindung "wird anhand einiger Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Es zeigen:The "invention" is further based on a few exemplary embodiments explained and described. Show it:
Fig. 1 einen schematisierten rechteckigen Karosseriequerschnitt mit der Darstellung einer Strömungsablösung1 shows a schematic rectangular body cross-section with the representation of a flow separation
Fig. 2 die Darstellung des Strömungsproblems an dem Karosse •riequerschnitt und an einem Spiegelbild,2 shows the representation of the flow problem on the body • rie cross section and on a mirror image,
Fig. 3 die Darstellung eines den Querschnitt und das Spiegelbild zusammenfassenden.Hilfsquerschnitt,3 shows the representation of an auxiliary cross-section summarizing the cross-section and the mirror image,
Fig. 4a, 4b, Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht auf ein-4c Doppelmodell einer Karosserieform, bei der die Kantenumströmung praktisch vermieden 'wird,4a, 4b, side view, front view and top view of a-4c Double model of a body shape in which the flow around the edges is practically avoided ',
Fig. 5 ein Diagramm des Tangentialkraftbeiwertes über dem Schiebewinkel für eine Karosserieform aus dem Stand der Technik und gemäß Fig. 4,5 shows a diagram of the tangential force coefficient over the sliding angle for a body shape from the state the technology and according to Fig. 4,
Fig. 6a, 6b, Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht einer 6c zweiten Ausführungsform eines Doppelmodells einer Karosserie ,6a, 6b, side view, front view and top view of a 6c second embodiment of a double model of a Body,
Fig. 7a, 7b, Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht einer 7c Karosserie in einer weiteren Ausführungsform und7a, 7b, side view, front view and top view of a 7c body in a further embodiment and
Fig. 8a, 8b, Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht einer 8c Karosserie in einer weiteren Ausführungsform.8a, 8b, side view, front view and top view of a 8c body in a further embodiment.
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Die Entstehung der den Widerstandsbeiwert erhöhenden Kantenumströmungen mit Strömungsablösung ist anhand von Fig. 1 erläutert. Es ist ein Karosseriequerschnitt 1 in Rechteckform idealisierend über einer Straße 2 dargestellt. Bei der Umströmung der Karosserie normal zu dem Karosseriequerschnitt 1 tritt dort eine Verdrängungsströmung auf, wo sich die Höhe des Querschnittes sehr stark ändert, also im wesentlichen im Bereich dor Frontscheibe und der Heckscheibe. Hierdurch wird die Strömung veranlaßt, um die oberen Längskanten 3 herumzuströmen, und zwar in den Bereichen der Seitenwandung 4 des Karosseriequerschnittes 1. Dabei löst die Strömung an der Längskante 3 ab und bildet eine Trennfläche, die sich zu einem Wirbel 5 aufrollt. In Fig. 1 ist für die Strömung im Bereich der Frontscheibe die sog. Querströmung dargestellt, das ist die Strömung in einer Querschnittsebene, die entsteht, wenn man jeden Punkt der Ebene die in die Ebene fallende Komponente des Strömungsvektors zuordnet. Insbesondere bei schneller Änderung der Höhe der Querschnittsfläche und nicht sehr stark abgerundeten oder gar scharfkantigen Ecken tritt dabei die beschriebene räumliche Ablösung auf, wobei sich die entsprechende Trennfläche zu einem Wirbel 5 aufrollt. Es versteht sich, daß im Bereich der Heckscheibe, unter der dort vorliegenden Höhenabnahme eine Umströmung der Längskanten 3 in umgekehrter Richtung mit entsprechender Wirbelbildung auftritt.The emergence of the flow around the edges, which increases the drag coefficient with flow separation is explained with reference to FIG. 1. It is a body cross section 1 in a rectangular shape shown in an idealized manner over a street 2. Normal to the cross-section of the body when the air flows around the body 1 there occurs a displacement flow where the height of the cross section changes very sharply, i.e. essentially in the area of the windscreen and the rear window. This causes the flow to move around the upper longitudinal edges 3 to flow around, namely in the areas of the side wall 4 of the body cross-section 1. It releases the flow from the longitudinal edge 3 and forms a separating surface that rolls up to form a vortex 5. In Fig. 1 is the so-called cross-flow for the flow in the area of the windshield shown, that is the flow in a cross-sectional plane, which arises when looking at each point of the plane the component of the flow vector falling into the plane assigns. Especially with rapid changes in the height of the cross-sectional area and not very strongly rounded or The described spatial detachment occurs even in sharp-edged corners, with the corresponding separating surface rolls up into a vertebra 5. It goes without saying that in the area of the rear window, under the decrease in height there is a Flow around the longitudinal edges 3 in the opposite direction with a corresponding Vortex formation occurs.
Durch die Zuordnung einer entsprechenden Breitenänderung zu der jeweiligen Höhenänderung soll ereicht werden, daß mar eine kleine Kantenumströmung ohne Ablösung der Strömung oder eine solche mit nur unwesentlicher Ablösung auftritt. Um diese Auslegung vornehmen zu können, ist es .erforderlich, bei vorgegebener Höhenänderung des Querschnitts die erforderliche Breitenänderung festzulegen. Hierbei soll die idealisierte Karosserieform wenigstens näherungsweise berechnet werden. Wegen der Kompliziertheit des Strömungsvorganges ist eine genaue Berechnung des Strömungsfeldes unter Berück^-By assigning a corresponding change in width to the respective change in height should be achieved that mar a small flow around the edges without separation of the flow or one with only insignificant separation occurs. Around In order to be able to carry out this design, it is necessary, with a given change in height of the cross-section, the required Determine the change in width. The idealized body shape should be calculated at least approximately will. Because of the complexity of the flow process is an exact calculation of the flow field taking into account ^ -
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sichtigung der Grenzschichten, der beschriebenen Wirbel 5 und des Totwassers nach heutigem Wissensstand nicht möglich. Für Näherungsrechnungen kann man zunächst das Konzept der sogenannten "Slender body"-Theorie benutzen, die besagt, daß bei nicht zu schnellen Querschnittsänderungen an schlanken Körpern in Längsrichtung die Querströmung nur von jeweiligen Querschnitt und seiner Änderungsgeschwindigkeit in Längsrichtung abhängt und nicht von den sonstigen Abmessungen der Karosserie. Für eine erste Betrachtung genügt es, alle Karosseriequerschnitte als exakte Rechtecke anzusehen. Wird dann auch noch die Reibung vernachlässigt, so ergibt sich für die Querströmung das aus Fig. 2 ersichtliche potentialtheoretische ebene Strömungsproblem. Dabei tritt an den Rändern des Rechtecks bzw. des Karosseriequerschnittes 1 auf allen vier Seiten mit jeweils konstanter Normalkomponente eine Strömung.aus, wobei der Betrag der jeweiligen Normalkomponente proportional der entsprechenden Änderung der rechteckigen Querschnittsform in Fahrzeuglängsrichtung ist. Bei ebenem Fahrzeugboden oder bei in Längsrichtung sich nicht ändernder Breite wäre also die Normalkomponente an der Unterseite bzw. an den Seitenflächen gleich Null. Zusätzlich muß die Normalkomponente der Strömung auf der in Fig. 2 angedeuteten Straße verschwinden. Diese Bedingung läßt sich dadurch ersetzen, daß man eine an der Straße gespiegelte Querschnittsfläche mit gleichen Strömungsbedingungen als Spiegelbild 6 anordnet. Bei willkürlich gewählter Intensität der konstanten Normalkomponente auf den vier Seiten tritt eine Umströmung der Ecken der Querschnittsfläche auf mit unendlich hohen Geschwindigkeiten. Insbesondere tritt eine starke Umströmung der Ecken auf, wenn sich der Querschnitt nur in einer Richtung ändert. Bei einer realen Strömung führt diese Eckenumströmung (Querströmung) zu einer abgehenden Wirbelfläche, die sich zu einem Wirbel aufrollt. Um derartigen Wirbeln entgegenzuwirken, muß eine solche Querschnittsänderung der. Karosseriequerschnittes gefunden werden, bei der die Eckcnums Lr">mung möglichst klein ist oder jedenfalls nur so groß, daß koine oder nur eine un- -"Viewing the boundary layers, the vortices 5 described and the dead water is not possible according to current knowledge. For approximate calculations one can first use the concept of the so-called "Slender body" theory, which states that if the cross-section changes on slender bodies in the longitudinal direction are not too rapid, the cross-flow only occurs from the respective one Cross-section and its rate of change in the longitudinal direction depends and not on the other dimensions of the Body. For a first look, it is sufficient to view all body cross-sections as exact rectangles. It will then If the friction is also neglected, the theoretical potential shown in FIG. 2 results for the cross flow plane flow problem. It occurs at the edges of the rectangle or the body cross-section 1 on all four sides with a constant normal component in each case a flow. from, where the amount of the respective normal component is proportional to the corresponding change in the rectangular cross-sectional shape is in the longitudinal direction of the vehicle. With a level vehicle floor or if the width did not change in the longitudinal direction, the normal component would therefore be on the underside or on the side surfaces equals zero. In addition, the normal component of the flow on the road indicated in FIG. 2 must disappear. This condition can be replaced by a cross-sectional area mirrored on the road with the same Arranges flow conditions as mirror image 6. With an arbitrarily chosen intensity of the constant normal component on the four sides there is a flow around the corners of the cross-sectional area up at infinitely high speeds. In particular, there is a strong flow around the corners when the cross-section only changes in one direction. In the case of a real flow, this flow around the corner (cross flow) to an exiting vortex surface that rolls up into a vortex. To counteract such eddies, one must such change in cross-section of the. Body cross-section found at which the corner numbers noise as small as possible is or at least so large that koine or only one un- "
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wesentliche Strömungsablösung auftritt. Hierzu bringt man auf den Seiten des Querschnittes und des Spiegelbildes 6 eine solche Quellvcrteilung an, daß hieraus die gewünschte Normalkomponentenvc-rteilung hervorgeht und gleichzeitig die Eckenumströmung vermieden wird oder nur eine gewünschte Intensität besitzt. Analytisch läßt sich diese Aufgabe nicht mehr lösen. Eine Lösung kann nur auf numerischem Wege mit Hilfe eines zweidimensionalen Panel-Verfahrens gefunden werden. Um das Problem weiter zu idealisieren ohne die wesentlichen Strömungsvorgänge am oberen Teil des Fahrzeuges damit wesentlich zu beeinflussen, können die Seitenwandung 4 des Querschnitts bzw. des Fahrzeuges bis zur Straße heruntergezogen gedacht werden, d.h. es entsteht ein Fahrzeug mit einem Bodenabstand Null, so daß die vorstehend beschriebene Potential aufgäbe sich auf die Darstellung des Problems gemäß Fig.· 3 reduziert. Damit ergibt sich ein Rechteck bestehend aus dem Karosseriequerschnitt 1 und dem Spiegelbild 6, auf dessen Ober- und Unterseite die Strömung mit der gleichen konstanten Normalgeschwindigkeit austritt und auf dessen Seiten mit einer anderen konstanten Normalgeschwindigkeit austritt. Dabei muß das Verhältnis der beiden Normalge schwindigke iiai bestimmt werde bei dem keine Eckenumströmung auftritt. Offensichtlich hängt dieses Geschv/indigkeitsverhältnis nur vom Seitenverhältnis des Rechtecks ab. Zur Berechnung der Geschwindigkeitsverhältnisse kann das oben beschriebene Panel-Verfahren oder auch die Method der konformen Abbildung benutzt werden, wobei das Rechteck auf eine Halbebene abgebildet wird und die Strömungsbedingungen in der Bildebene erfüllt werden. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich in der durch die "Slender body"-Theorie gegebene Näherung, Karosserieformen so auslegen, daß keine Umströmung der Kanten auftritt oder nur eine solche mit gewünschter Inten" sität. Durch.Wahl'einer passenden Kantenabrundung kann man danr erreichen, daß keine oder nur eine unwesentliche Ablösung auftritt. Für Karosserieformen mit einem heute üblichen Höhen-substantial flow separation occurs. To this one brings on the sides of the cross-section and the mirror image 6 such a source distribution that from this the desired Normal component distribution emerges and at the same time the flow around corners is avoided or only a desired one Possesses intensity. This task can no longer be solved analytically. A solution can only be found numerically Found with the help of a two-dimensional panel process will. To further idealize the problem without the essential flow processes in the upper part of the vehicle can significantly influence the side wall 4 of the Cross-section or the vehicle can be thought of being pulled down to the street, i.e. a vehicle is created with a Ground clearance zero, so that the potential described above would result in the illustration of the problem according to FIG. 3 reduced. This results in a rectangle consisting of the Body cross section 1 and the mirror image 6, on its Top and bottom the flow exits with the same constant normal speed and on its sides with a other constant normal speed exits. The ratio of the two normal speeds must be determined in which there is no flow around the corner. Obviously this speed ratio depends only on the aspect ratio of the Rectangle. The above-described panel procedure or the method of the conformal mapping can be used, whereby the rectangle is mapped on a half-plane and the flow conditions in the image plane are met. With the help of this procedure one can in the given by the "Slender body" theory Approximation, design body shapes so that there is no flow around them the edges occur or only those with the desired intensity " sity. By choosing a suitable edge rounding one can then achieve that no or only an insignificant separation occurs. For body shapes with a height that is common today
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Breitenverhältnis von etwa 1 : 1,2 bis 1,3 ergeben sich dabei seitliche Verbreiterungen der Karosserie im Bereich der Frontscheibe von'etwa 50 bis 150 Prozent der Höhenänderung im Bereich der Frontscheibe.The result is a width ratio of about 1: 1.2 to 1.3 lateral widening of the body in the area of the windshield of about 50 to 150 percent of the change in height in the area of the windshield.
Zur Prüfung der Frage, inwieweit .das der Erfindung zugrundeliegende Konzept auch richtig ist, wurde folgendes Experiment durchgeführt. An einem Modell einer heute üblichen normalen Karosserieform mit Stufenheck und an.einem Vergleichsmodell mit einer Karosserieform nach der Erfindung, wurden im Windkanal Drei-Komponentenkraftmessungen durchgeführt. Das Vergleichsmodell war dabei so ausgelegt, daß keine Kantenumströmung auftrat. Die Katenabrundung war die gleiche wie beim Normalmodell. Beide Modelle wurden als sogenannte Doppelmodelle im Windkanal untersucht. Die Fig. 4a, 4b, 4c zeigten die Seitenansicht (Fig. 4a), die Vorderansicht (Fig. 4b) und die Draufsicht (Fig. 4c) des Vergleichsmodelles mit dem Vorderteil 10, der Frontscheibe 11 und dem Heck 12. Bei den beiden im Windkanal getesteten Modellen wurde die gleiche Stirnfläche des Vorderteils 10 sowie eine gleich große Fahrgastzelle 13 eingehalten. Beide Modelle wiesen gleiche Länge auf.To examine the question of the extent to which the invention is based Concept is also correct, the following experiment was carried out. On a model of a normal today Body shape with notchback and an.a comparison model with a body shape according to the invention, were in the wind tunnel Three-component force measurements carried out. The comparison model was designed so that there was no flow around the edges occurred. The rate rounding was the same as in the normal model. Both models were examined as so-called double models in the wind tunnel. FIGS. 4a, 4b, 4c show the side view (FIG. 4a), the front view (FIG. 4b) and the top view (FIG. 4c) of the comparison model with the front part 10, the windshield 11 and the rear 12. In the two models tested in the wind tunnel, the the same end face of the front part 10 and a passenger compartment 13 of the same size are observed. Both models were the same length.
Fig. 5 zeigt nun anhend eines Diagramms des den Beiwert der Tangentialkraft (Cm, der bei ß = 0 mit dem C„-Wert übereinstimmt) über dem Schiebewinkel ß die Ergebnisse für eine normale Karosserieform, in durchgezogener Linienführung und für die Karosserieform des Vergleichsmodells gemäß Fig. 4a, 4b, 4c nach der gestrichelten Linienführung. Der Tangentialkraftbeiwert ist über dem Schiebewinkel ß (Seitenwindeinfluß) für zwei verschiedene Anströmgeschwindigkeiten aufgetragen, überraschenderweise ist der Widerstandswert der neuen Karosserieform gemäß Fig. 4a, 4b, 4c nur etwa ein Fünftel so groß wie der der Normalform. Der Tangentialkraftbeiwert-Anstieg mit dem Schiebewinkel ß ist ebenfalls wesentlich kleiner als bei einer Normalform, so daß' der Widerstandsvorteil auch bei Seitenwind erhalten bleibt. Die Seitenkraft istFIG. 5 now shows a diagram of the coefficient of the tangential force (Cm, which at ß = 0 corresponds to the C "value) the results for a normal body shape over the sliding angle ß, in solid lines and for the body shape of the comparison model according to FIGS. 4a, 4b, 4c according to the dashed line Line management. The tangential force coefficient is above the slip angle ß (influence of crosswinds) for two different approach velocities plotted, surprisingly, is the resistance value the new body shape according to FIGS. 4a, 4b, 4c only about a fifth as large as that of the normal shape. The increase in the tangential force coefficient with the sliding angle ß is also much smaller than with a normal shape, so that 'the drag advantage is maintained even in cross winds. The side force is
bei der neuen Karosserie etwa auf die Hälfte reduziert, während das Giermoment (bezogen auf einen Punkt in Fahrzeugmitte) bei beiden Formen etwa gleich ist.in the new body is roughly halved, while the yaw moment (based on a point in the center of the vehicle) is is about the same in both forms.
Man sieht aber auch an dem Modell gemäß Fig. 4a, 4b, 4c zugleich die Nachteile. Im Bereich des Vorderteils 10 ergibt sich nur eine relativ .kleine Spurweite für die Vorderräder. Hier müssen sicherlich Kompromisse dergestalt abgeschlossen- werden, daß eine gewisse Kantenumströmung durchaus zugelassen wird, die so bemessen ist, daß keine oder nur eine geringe Ablösung auftritt, die den Widerstandsbeiwert nur vergleichsweise wenig erhöht. Fig. 6a, 6b, 6c zeigen eine solche Form wiederum anhand eines DoppelmodelIs in Seitenansicht (Fig. 6a)', Vorderansicht (Fig. 6b) und Draufsicht (Fig. 6c). Beim Vergleich des Doppelmodells' gemäß Fig. 6a, 6b, 6c mit dem nach Fig. 4a, 4b, 4c fällt auf, daß die Spurbreite im Bereich der Vorderachse schon größer gewählt ist. Entsprechend der jetzt zugelassenen Kantenumströmung wurde hier die Kantenabrundung etwas größer gewählt. Auch an diesem Doppelmodell wurden Kraftmessungen durchgeführt, die zu gleich guten Ergebnissen führten.However, one can also see the disadvantages in the model according to FIGS. 4a, 4b, 4c. In the area of the front part 10 only results a relatively small track width for the front wheels. Here compromises must certainly be made in such a way, that a certain flow around the edges is allowed, which is dimensioned so that no or only a slight separation occurs, which increases the drag coefficient only comparatively little. FIGS. 6a, 6b, 6c again show such a shape on the basis of a double model in side view (Fig. 6a) ', front view (Fig. 6b) and top view (Fig. 6c). When comparing the double model according to FIGS. 6a, 6b, 6c with that according to FIGS. 4a, 4b, 4c it is noticeable that the track width in the area of the front axle has already been selected to be larger. According to the now approved In the flow around the edges, the rounding of the edges was chosen to be somewhat larger. Force measurements were also carried out on this double model carried out, which led to equally good results.
Mit der gleichen Form wurden auch Drei-Komponentenmessungen an einem normalen Modell (kein Doppelmodell) mit Bodensimulation im Windkanal durchgeführt. Die Fig. 7a, 7b, 7c zeigen dieses Modell nun in ähnlicher Anordnung wiederum eine Seitenansicht (Fig. 7a), eine Vorderansicht (Fig. 7b) und eine Draufsicht (Fig. 7c), hier jedoch als Einzelmodell, wobei die Fahrzeugräder 14 zur Verdeutlichung noch angegeben sind. An dem Modell gemäß Fig. 7a, 7b,. 7c ist noch eine eingezogene Delle 15 im Bereich des Bodenbleches an der Übergangsstelle zwischen dem Vorderteil 10 und dem Bereich der Frontscheibe 11 von besonderer Bedeutung. Hierdurch soll eine zu starke ümströmung der unteren Fahrzeuglängskante im Bereich der BreitenzunahmeThree-component measurements were also made with the same shape carried out on a normal model (not a double model) with soil simulation in the wind tunnel. 7a, 7b, 7c show this Model now in a similar arrangement again a side view (Fig. 7a), a front view (Fig. 7b) and a top view (Fig. 7c), but here as a single model, the vehicle wheels 14 still being indicated for the sake of clarity. To the Model according to Fig. 7a, 7b ,. 7c is a drawn-in dent 15 in the area of the base plate at the transition point between the front part 10 and the area of the windshield 11 of particular Meaning. This is intended to result in an excessive flow over the lower longitudinal edge of the vehicle in the area of the increase in width
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vermieden werden. Auch diese Messungen zeigten die guten aerodynamischen Eigenschaften dieser Form.be avoided. These measurements also showed the good ones aerodynamic properties of this form.
Fig. 8a, 8b, 8c verdeutlichen eine Karosserieform, bei der im Übergangsbereich zwischen dem Vorderteil 10 und der Frontscheibe 11 eine Einschnürung 16 in der Fahrzeugbreite vorgesehen ist. Diese Einschnürung ist in Richtung auf das Bodenblech auslaufend angeordnet und ist damit im wesentlichen im oberen Bereich, also an der oberen Längskante des Vorderteils 10 bzw. der Frontscheibe 11 wirksam. Die verschiedenen einander zugeordneten Linien verdeutlichen dies.8a, 8b, 8c illustrate a body shape in which in Transition area between the front part 10 and the windshield 11, a constriction 16 is provided in the vehicle width is. This constriction is arranged to taper in the direction of the floor panel and is therefore essentially in effective upper area, that is to say on the upper longitudinal edge of the front part 10 or the front pane 11. The different from each other assigned lines illustrate this.
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| JPS58211978A (en) | 1983-12-09 |
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