ФАРТУК АВТОМОБИЛЯ Российский патент 2003 года по МПК B62D37/02 

Предлагаемое изобретение относится к области устройств, улучшающих аэродинамическими средствами обтекание и устойчивость самоходного колесного транспортного средства, имеющего две колеи по передней оси, или по полуосям передних колес, преимущественно автомобиля.

Встречный воздушный поток, затекающий под днище автомобиля во время его движения через передний просвет между нижней поверхностью автомобиля и поверхностью дороги, вызывает ряд отрицательных явлений.

- Cоздает дополнительное аэродинамическое сопротивление автомобиля из-за торможения потока, испытываемого при обтекании устройств, расположенных под днищем автомобиля, например осей автомобиля, или просто из-за трения о днище. Воздух, не прошедший под днище, обтекает корпус автомобиля снаружи, где, например, у легкового автомобиля имеется удобообтекаемый кузов, и создает значительно меньше сопротивление движению.

- Создает повышенное давление под днищем, которое ухудшает сцепление колес автомобиля с полотном дороги, что соответственно ухудшает устойчивость автомобиля на ходу.

- Приводит к выдуванию потока воздуха через боковые зазоры между корпусом автомобиля и поверхностью дороги, из-за чего вдоль бортовых поверхностей автомобиля возникают вихревые жгуты. А при езде по мокрой и грязной дороге вытекающие с боков кузова воздушные вихри смешиваются с каплями воды и грязи и покрывают грязью бортовые поверхности корпуса автомобиля.

Для борьбы с этими явлениями уменьшают, насколько возможно, просвет между лобовой поверхностью конструкции автомобиля и поверхностью дороги. На автомобилях, например, устанавливают передние бамперы или спойлеры с минимально допустимым просветом между нижней поверхностью бампера или спойлера и поверхностью дороги. Однако возможность опустить бампер или спойлер ниже определенного уровня ограничена высотой препятствия, которое может встретиться по пути или которое должен преодолевать автомобиль. Это ограничение имеет место как для легковых автомобилей, предназначенных для езды по шоссейным дорогам, так и особенно для внедорожников и грузовых автомобилей и не позволяет в нужной мере перекрыть вход воздуха под автомобиль во время движения.

На легковых автомобилях, предназначенных для движения по шоссейным дорогам, устанавливают передний бампер или спойлер, выполненный из материала пониженной прочности, такого, что при наезде на препятствие некоторой высоты бампер или спойлер разрушается сам, но не передает разрушающих усилий на основную конструкцию автомобиля.

Однако применение бампера или спойлера пониженной прочности не решает проблемы полностью, потому что при уменьшении просвета между нижним краем бампера или спойлера и поверхностью дороги ниже определенного уровня резко повышается вероятность разрушения бампера или спойлера. Такой бампер или спойлер предъявляет повышенные требования к качеству дороги и накладывает жесткие ограничения на условия эксплуатации автомобиля.

В предлагаемом устройстве при перекрытии переднего дорожного просвета вместо эффекта безопасного разрушения специальной конструкции используется явление потери устойчивости тонкостенной конструкции под нагрузкой с последующим восстановлением формы устройства после снятия нагрузки.

Предлагаемое устройство представляет собой фартук, который установлен в дорожном просвете автомобиля впереди передних колес или подкрыльевых обтекателей передних колес. Фартук полностью или частично перекрывает передний дорожный просвет и закрывает протекание потока воздуха под днище автомобиля во время движения. Рабочим органом фартука являются заслонки, которые представляют собой с конструктивной точки зрения тонкостенные профилированные стержни или балки, закрепленные верхним концом на конструкции автомобиля любым известным способом. Заслонки выполнены из упругого или эластичного материала таким образом, что при наезде на препятствие они теряют устойчивость на изгиб и допускают отклонение на высоту препятствия без разрушения и передачи разрушающих усилий на конструкцию автомобиля, а благодаря профилировке, во время движения, выдерживают воздействие встречного потока воздуха без потери устойчивости на изгиб.

На приведенных ниже фигурах схематически показаны конструктивные особенности и размещение заслонок, которые обеспечивают работоспособность данного устройства.

На фиг.1 представлена схема расположения фартука на автомобиле при виде сбоку.

На фиг. 2 схематически показан один из возможных вариантов фартука при виде спереди.

На фиг. 3 схематически показан один из вариантов заслонки при виде спереди.

На фиг. 4 схематически показаны примеры профилировки заслонки в горизонтальном сечении.

На фиг.5 схематически показаны варианты установки и исполнения заслонки при виде сбоку.

На фиг 6 показано сравнение профиля заслонки в горизонтальном сечении до и после потери устойчивости заслонки на изгиб.

На фиг.7 дан примерный график упругой характеристики резины.

На фиг.8 схематически показано размещение арматуры в горизонтальном сечении заслонки.

На фиг. 9 представлена схема расположения фартука на бампере автомобиля при виде сбоку.

Как показано на фиг. 1, фартук 1 расположен на корпусе автомобиля 2, впереди подкрыльевых обтекателей 3 передних колес 4, в просвете между днищем автомобиля 5 и поверхностью дороги 6. Для ориентировки на фигуре показано положение бампера автомобиля 7. Фартук крепится к конструкции автомобиля любым известным способом, например с помощью отдельного узла крепления 8.

На фиг. 2 схематически показан вид фартука спереди. Рабочим элементом фартука являются заслонки 9. Условно показан узел крепления 8 заслонок к конструкции автомобиля. Фартук может либо полностью перекрывать передний дорожный просвет, либо иметь промежутки между заслонками, а также между заслонками и поверхностью дороги.

Промежутки между самими заслонками и между заслонками и поверхностью дороги могут играть положительную роль, т.к. протекающий в промежутки между заслонками и между заслонками и поверхностью дороги воздух теряет свой импульс и спокойно заполняет пространство под днищем автомобиля. Такую же роль может играть и перфорация самих заслонок.

Отдельная заслонка при виде спереди показана на фиг.3. Здесь показано горизонтальное сечение заслонки по А-А.

На фиг. 4 показаны возможные варианты сечения заслонок по А-А, например простой заслонки в виде желоба 10, более сложной - с усиленными краями 11. Возможно более сложное устройство заслонки, например с двойным изгибом сечения 12.

Варьируя толщину материала и параметры профилировки заслонки, можно варьировать отношение усилий, при которых заслонка теряет устойчивость на изгиб при действии как с одной, так и с другой стороны.

На фиг.5 показаны варианты исполнения и установки заслонки при виде сбоку. Для определенности стрелка 13 показывает направление движения автомобиля. Показаны заслонки вертикальная, с наклоном вперед и с наклоном назад. Показаны: прямые заслонки и загнутые вперед и назад. Первоначальный наклон и/или изгиб заслонки влияет на характер взаимодействия заслонки с препятствием. Так, при наезде на препятствие во время движения вперед, заслонка, загнутая назад, будет мягче взаимодействовать с препятствием, чем вертикальная или отогнутая вперед. Варьируя в разных комбинациях наклон и изгиб заслонки, можно регулировать характер взаимодействия заслонки с препятствием при наезде на препятствие как при движении вперед, так и задним ходом.

На фиг.6 показано сравнение горизонтального сечения заслонки по А-А (см. фиг. 3) до потери устойчивости на изгиб 14 и после потери устойчивости 15. В зоне изгиба сечение заслонки после потери устойчивости распрямляется. На фигуре показана высота сечения до потери устойчивости - Н и после потери устойчивости - h. Т.к. площадь сечений одинакова, а распределение материала по высоте примерно одинаково, то моменты инерции сечений, которые определяют изгибающий момент при изгибе заслонки на некоторый угол, соотносятся как квадраты высот, т.е. как h²/H². Другими словами, если высота первоначального профиля заслонки превышает ее толщину в несколько раз, то после потери устойчивости жесткость заслонки падает на порядок, и также на порядок падает изгибающий момент, передаваемый заслонкой на конструкцию автомобиля при отклонении заслонки на определенную высоту во время наезда на препятствие.

Поскольку в заделке заслонки зафиксирован весь профиль заслонки или его часть, то в зоне заделки профиль не может распрямиться, и у заделки заслонка не может терять устойчивость. По принципу Сен-Венана влияние заделки распространяется по высоте заслонки, грубо говоря, на половину ширины заделки. И высота заделки заслонки должна превышать высоту предполагаемого препятствия, по крайней мере, на эту величину. Если же высота препятствия окажется ниже заделки заслонки на большую величину, например, на полную ширину заделки заслонки или больше, то заслонка позволит без разрушения маневрировать над препятствием взад-вперед.

В качестве материала заслонки может быть использован либо упругий материал, например, стальной лист, который допускает отклонение заслонки на нужную высоту без превышения предела пропорциональности, либо эластичный материал, который после отклонения с превышением предела пропорциональности обеспечивает возврат формы заслонки в исходное положение, возможно через некоторое время.

Существуют эластичные материалы, у которых в некотором диапазоне деформации модуль упругости падает в несколько раз.

На фиг.7 приведена диаграмма растяжения 16 одного из образцов резины. По оси абсцисс отложено удлинение образца в процентах от первоначального размера, по оси ординат - напряжение в килограммах на квадратный сантиметр. Диаграмма носит существенно нелинейный характер. Там же приведена касательная 17 к начальному участку диаграммы растяжения 16. Сравнение показывает, что нелинейность диаграммы позволяет при сохранении жесткости заслонки в первоначальном положении дополнительно снизить еще в полтора и более раз изгибающий момент, передаваемый на конструкцию автомобиля при отклонении заслонки на высоту препятствия.

Предлагается в качестве материала заслонки использовать эластичный материал, например резину, который имеет существенно нелинейную зависимость изменения напряжения по деформации, при котором коэффициент упругости в некотором диапазоне деформации падает в полтора и более раз без разрушения и необратимой деформации материала.

Наезд на препятствие на определенной скорости создает дополнительные условия нагружения заслонки.

При наезде на препятствие заслонка перегибается в месте касания заслонки с препятствием. Контактируя с препятствием, нижняя часть заслонки, считая от места касания, захлестывает за препятствие и создает растягивающее усилие на остальной части заслонки. Величина усилия напрямую зависит от скорости движения транспортного средства и массы части заслонки, контактирующей с препятствием, которая в конечном итоге зависит от высоты препятствия.

Проблема может решаться в трех направлениях:
cнижении нагрузки на заслонку;
упрочнении заслонки при работе на растяжение;
сделать разрушение заслонки безопасным для конструкции транспортного средства.

Во-первых, следует иметь в виду, что наезд на препятствие на большой скорости опасен не только для заслонки, но и для целостности самого транспортного средства. Поэтому следует ожидать, что в эксплуатации скорость транспортного средства будет адекватно отслеживать качество дороги и высоту преодолеваемого препятствия.

Во-вторых, масса нижней части заслонки может быть значительно уменьшена, если сделать заслонку, например, равнопрочной по высоте по отношению к действию давления воздушного потока, набегающего на заслонку при движении транспортного средства. Т. к. изгибающий момент в горизонтальном сечении заслонки на каком-то расстоянии от нижнего края заслонки, грубо говоря, пропорционален квадрату расстояния от сечения до нижнего края заслонки, то в среднем сечении, например, изгибающий момент будет, по крайней мере, в четыре раза меньше, чем в верхнем сечении, у заделки.

Если ожидается эксплуатация транспортного средства с некоторой определенной скоростью на трассе с некоторой определенной высотой препятствий, когда возникают дополнительные требования к прочности материала заслонки на разрыв, то предлагается усилить материал заслонки, выполненной из резины или другого эластичного материала, кордом из нитей, проволоки, волокон и т.п., т. е. из материала, превышающего по прочности на разрыв исходный материал и перекрывать проток воздуха такими армированными заслонками.

Усиливать материал заслонки можно как в продольном, так и в поперечном направлении, чтобы избежать разрыва заслонки в продольном направлении при наезде на препятствие сложной конфигурации.

На фиг. 8 схематически показано горизонтальное сечение заслонки по А-А (см. фиг.3) 18, усиленной кордом 19. Сам корд состоит из нитей, волокон и т. д. , более прочных и более жестких, чем материал заслонки. Корд, расположенный вблизи средней линии сечения, увеличит жесткость заслонки в исходном положении и незначительно скажется на изгибающем моменте заслонки после потери устойчивости заслонки на изгиб.

Если предполагается эксплуатировать транспортное средство в условиях, когда из-за нагрузки на заслонку возникает опасность повреждения основной конструкции транспортного средства, например, когда ожидается возможность наезда на препятствие определенной высоты со скоростью, превышающей определенную скорость, то прочность заслонки и/или заделки заслонки на разрыв предлагается выполнять такой, чтобы заслонка и/или ее заделка разрушались сами, не передавая разрушающих усилий на основную конструкцию транспортного средства.

На фиг.9 показан вариант предлагаемого устройства, когда проход воздуха под днище автомобиля перекрывают с помощью фартука, который устанавливают на специально приспособленном бампере 20. Этот вариант позволяет применить предлагаемое устройство на автомобиле, на котором он не был первоначально предусмотрен. Бампер или спойлер, как известно, является сменной деталью автомобиля. Тогда снимают старый неприспособленный бампер или спойлер и взамен старого ставят новый, приспособленный, с установленным на нем фартуком.

Изобретение относится к устройствам, улучшающим аэродинамическими средствами обтекание и устойчивость колесного самоходного транспортного средства, преимущественно автомобиля. Устройство полностью или частично перекрывает передний просвет между конструкцией автомобиля и поверхностью дороги фартуком, рабочими органами которого являются заслонки, представляющие собой с конструктивной точки зрения тонкостенные профилированные стержни или балки. Они закреплены верхним концом на конструкции автомобиля и выполнены из упругого или эластичного материала. При наезде на препятствие заслонки теряют устойчивость на изгиб и допускают отклонение на высоту препятствия без разрушения и передачи разрушающих усилий на конструкцию автомобиля, а благодаря профилировке во время движения выдерживают воздействие встречного потока воздуха без потери устойчивости на изгиб. Технический результат заключается в ограничении или устранении затекания потока воздуха спереди под днище автомобиля во время его движения. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство полностью или частично препятствующее затеканию воздушного потока во время движения под днище автомобиля или иного самоходного колесного транспортного средства, имеющего две колеи по передней оси или полуосям передних колес, через передний просвет между конструкцией транспортного средства и поверхностью дороги, установленное в переднем просвете транспортного средства впереди передней кромки передних колес, отличающееся тем, что оно имеет вид фартука, содержащего заслонки, которые с конструктивной точки зрения представляют собой тонкостенные профилированные стержни или балки постоянной или переменной толщины, с высотой профиля, превышающей толщину стенки заслонки, закрепленные верхним концом на конструкции транспортного средства любым известным способом и изготовленные из упругого или эластичного материала таким образом, что, с одной стороны, при движении транспортного средства выдерживают нагрузку от встречного потока воздуха без потери устойчивости на изгиб, а, с другой стороны, при наезде на препятствие теряют устойчивость на изгиб и допускают отклонение на высоту преодолеваемого препятствия.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что заслонка выполнена из эластичного материала, например, резины, имеющего нелинейную зависимость изменения напряжения по деформации, при которой коэффициент упругости в некотором диапазоне деформаций уменьшается с ростом деформации в полтора и более раз без необратимой деформации и разрушения материала.3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что материал заслонки, выполненной из эластичного материала, армирован кордом из волокон, нитей, проволоки и т.п. материала, имеющего прочность на разрыв, превышающую прочность исходного материала, и воспринимающим усилие на растяжение материала заслонки при наезде на препятствие во время движения в продольном или в продольном и поперечном направлении.4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что прочность заслонки и/или заделки заслонки на разрыв выбрана такой, что заслонка и/или заделка заслонки разрушаются сами, не передавая разрушающих усилий на конструкцию транспортного средства.5. Способ установки устройства по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на транспортном средстве, на котором изначально не было предусмотрено предлагаемое устройство, фартук устанавливают на специально оборудованном переднем бампере или спойлере, который устанавливают взамен существующего.