Устройство для регулирования аэродинамического сопротивления транспортного средства Советский патент 1992 года по МПК B62D35/00 

Изобретение относится к транспортным средствам, преимущественно автомобилям и микроавтобусам, предназначено для создания транспортных средств скоростного движения по дорогам с неровным профилем и может быть применено как при создании новых образцов транспортных средств, так и при модификации уже изготовленных транспортных средств, находящихся в эксплуатации.

Развитие современных транспортных средств требует технических решений, сочетающих экономичность расхода топлива с ростом скорости движения по дорогам с неровным профилем и с безопасностью такого движения.

Известны устройства для уменьшения аэродинамического сопротивления транспортных средств за счет обеспечения безотрывного обтекания путем сглаживания обводов кузова и придания ему каплевидного подобия. Согласно этому аналогу на базе новейших испытаний в аэродинамических трубах для снижения сопротивления предлагается использовать обтекатели над крышей кабины грузовых автомобилей трапециевидной формы капоты двигателей, изогнутые ветровые стекла, обтекаемые крылья, утопленные фары, охватывающие бамперы.

Устраняют клепанные соединения, утапливают ручки дверей. В нижней части автомобилей закрывают обтекателями ниши колес и экранируют юбками раму шасси. Современные достижения в примене- . нии известных устройств для уменьшения аэродинамического сопротивления транспортных средств хорошо иллюстрируют моXI

GJ

ON

2

rtuib /томской фирмы Мицубиси, в которой сглаженная каплевидная форма дополнена нижними обтекателями колес с хо - тарным малым зазором между дорож- нь м полотном и нижним краем переднего об i ича геля, порядка одной восьмой радиуса колеса.

При столь малом зазоре между дорожным полотном и передним обтекателем в зоне между дорогой и дном автомобиля устанавливается пристеночное течение, способствующее устойчивому движению на виражах, но только на гладких скоростных автотрассах.

Основным недостатком вышеперечисленных аналогов является невозможность перемещения транспортного средства по дорогам с негладким профилем ввиду малого зазора между нижним краем обтекателя и полотном дороги.

Попытка устранить этот недостаток за счет увеличения зазора между нижним краем обтекателя и полотном в сочетании с сохранением сглаженных форм безотрывного обтекания приводит к повышенному давлению под днищем кузова в передней его зоне за счет увеличения массы поступающего под днище воздуха и с ростом скорости движения создаются условия опрокидывания автомобиля, особенно на виражах.

Этот недостаток особо критичен для легковых автомобилей и микроавтобусов, так как для них характерно сочетание сравнительно больших скоростей (следовательно, больших давлений в передней зоне под дном кузова) и малого (по сравнению с грузовыми авгомоСилями) удерживающего момента от веса автомобиля.

Известны устройства для уменьшения аэродинамического уменьшения сопротивления автомобилей: сглаженные каплевидные кузова, обтекатели, капоты, корпуса.

Основным недостатком известных аналогов устройств для уменьшения аэродинамического сопротивления является невозможность сочетания малого зазора между нижним краем обтекателя и полотном дороги со скоростным движением по дорогам с неровным профилем. Попытки увеличить зазор между нижним краем обтекателя и полотном дороги до величины, приемлемой с точки зрения проходимости, приводят к увеличению давления воздуха под дном кузова и способствуют опрокидыванию транспортного средства, особенно на виражах.

Наиболее близкой к предлагаемой, в которой достигнута достаточная проходимость за счет увеличения зазора между передним краем кузова и полотном дороги, может являться конструкция кузова микроавтобуса РАФ-10. Однако при хорошей проходимости этот автобус имеет большое аэродинамическое сопротивление.

Попытка сочетать удовлетворительную 5 проходимость с малым аэродинамическим сопротивлением предпринята в устройстве, имеющем зазор между полотном дороги и передним краем кузова порядка радиуса колеса и выдвижной обтекатель, закреплен0 ный к транспортному средству посредством телескопического устройства.

Однако существует возможность опрокидывания транспортного средства, особенно на виражах, обусловленная тем, что

5 все виды осесимметричных поверхностей вращения, исключая плоскость, перпендикулярную к потоку, развивают подъемную силу, усиливающую опрокидывающий момент при скоростном движении. Недостатками так0 же являются: невозможность регулирования величины аеродинамического сопротивления ввиду неизменной геометрии приведенного в рабочее состояние устройства, которое выгодно только для узкого диапазона скоростей;

5 невозможность сочетать выигрыш в аэродинамическом сопротивлении за счет установки непроницаемого экрана перед передней частью транспортного средства с отбором воздуха, необходимого для охлаждения дви0 гателя; недостаточная эффективность экстренного торможения при малом трении между колесами и полотном дороги, в том числе в неблагоприятных ме еоусловиях (гололед, дождь, снег), а также при скоростях

5 более 90 км/ч, что приводит к аварийным ситуациям.

Цель изобретения - повышение топливной экономичности транспортного средства за счет уменьшения аэродинами0 ческого сопротивления, в сочетании с повышением безопасности при скоростном движении, в том числе по дорогам с неровным профилем, в сложных метеоусловиях. Цель достигается тем, что геометриче5 ское подобие экрана выполнено с коэффициентом подобия 0,6-0,8 и величина выноса экрана равна 0,15-0,34 высоты транспортного средства, при этом экран установлен с возможностью поворота относительно

0 транспортного средства. Устройство для регулирования аэродинамического сопротивления транспортного средства снабжено выдвижными элементами, выполненными в виде не менее двух попарно симметричных

5 цилиндропоршневых пар, прикрепленных к экрану посредством шарниров, при этом полости цилиндропоршневых пар заполнены рабочей жидкостью и сообщены с источником высокого давления и с атмосферой посредством дросселирующих клапанов,

управляемых от блока регулирования величины выдвижения и ориентации экрана, электрически подключенного к датчикам давления, расположенным в полости цилин- дропоршневых пар и на поверхности транспортного средства.

Кроме того, с целью сочетания малого аэродинамического сопротивления с регулируемым отбором воздуха для охлаждения двигателя экран перфорирован, преимущественно по периферийным зонам, при этом отверстия перфорации оснащены регулируемыми перекрываемыми заслонками.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства от всех известных является преднамеренный отрыв потока от поверхности транспортного средства, в противоположность стремлению к безотрывному обтеканию у известных решений.

Новыми существенными признаками предлагаемого решения являются: выполнение экрана с плоской передней поверхностью и внешним контуром, в плане геометрически подобным контуру максимального по площади поперечного сечения транспортного средства с коэффициентом подобия 0,6-0,8; установление экрана с возможностью поворота относительно транспортного средства с величиной выноса экрана, равной 0,15-0,34 высоты последнего; выполнение экрана со сквозной перфорацией преимущественно по периферийным зонам, при этом отверстия перфорации оснащены регулируемыми перекрываемыми заслонками; введение в состав устройства блока управления величины выдвижения экрана, использующего информацию для выработки управляющих сигналов от датчиков давления, расположенных на поверхности транспортного средства и в полости цилин- дропоршневых пар элементов выдвижения; выполнение выдвижных элементов в виде попарно симметричных пар, прикрепленных к экрану посредством шарниров; оснащение полостей цилиндропоршневых пар, заполненных рабочей жидкостью и сообщенных с источником высокого давления и с атмосферой посредством дросселирующих клапанов, управляемых от блока регулирования величины выдвижения и ориентации экрана, электрически подключенного к датчикам давления; выполнение цилиндропоршневых пар, снабженных отверстиями, закрытыми заглушками, срезаемыми при пиковом давлении в момент удара о преграду и функционально совмещенными с противоударным демпфером.

Положительный эффект от применения заявляемого устройства заключается в уменьшении расхода топлива транспортных средств пропорционально снижению аэродинамического сопротивления, которое для микроавтобусов, например, достигает 50-80%; повышении скорости

движения в 1,5 раза при сохранении уровня безопасности движения, в том числе по дорогам с неровным профилем; качественно новой возможности торможения в условиях малого трения между колесами и полотном

0 дороги, например, при скоростном движении по мокрому асфальту (автомобили скорой помощи, аварийные); качественно новой возможности управлять ориентацией корпуса транспортного средства по курсу в

5 условиях гололеда, тем самым противодействовать износу; качественно новой возможности регулирования аэродинамического сопротивления в процессе движения за счет изменения геометрии транспортного средст0 ва; снижении вероятности травматизма при аварийных столкновениях за счет совмещения функций противоударного демпфера и механизма выдвижения экрана; возможности автономного самовытаскивания в слу5 чае попадания колес в канаву, глубокую колею, а также при движении по размокшему грунту.

На фиг. 1 показано транспортное средство, общий вид; на фиг. 2 - то же, план; на

0 фиг. 3 - то же, вид сзади; на фиг. 4 - схема аэродинамического обтекания транспортного средства; на фиг. 5 - распределение давления по характерным зонам поверхности транспортного средства; на фиг. 6 - мо5 менты сил, действующие на транспортное средство относительно центра тяжести 0; на фиг. 7 - выдвижной элемент и его крепление к экрану и транспортному средству, продольный разрез; на фиг. 8 - регулятор ори0 ентации экрана и его крепление к экрану, сечение; на фиг. 9 - график зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления Сх транспортного средства от величины выдвижения экрана /На, где I 5 величина выдвижения экрана.

Работа предлагаемого устройства для регулирования аэродинамического сопротивления транспортного средства иллюстрируется на примере микроавто0 буса (фиг. 1-3).

Устройство содержит транспортное средство 1, оснащенное экраном 2, расположенным перед любой поверхностью транспортного средства 1 и закрепленным

5 посредством выдвижных элементов 3 и шарниром 4.

Внешний контур Кэ экрана 2 геометри- чески подобен контуру Кс максимального по площади поперечного сечения S лобовой поверхности транспортного средства (фиг. 2), т.

е. сечения на расстоянии (0-0,25) а от точки крепления экрана 2 к транспортному средству, где а-длина транспортного средства 1.

Размеры экрана 2 выполнены меньше, чем размеры поперечного сечения транспортного средства 1 с коэффициентом подобия 0,6-0,8.

Верхняя часть экрана 2 выполнена из оптически прозрачного материала, напри- ivjp из оргстекла.

При установке и закреплении к выдвижным элементам экран 2 ориентируют таким образом, что перпендикуляр к наветренной поверхности экрана 2 - N3 при своем продолжении проходит ниже центра масс О транспортного средства 1 (фиг. 4).

Выдвижные элементы выполнены в виде не менее двух попарно симметричных цилиндропоршневых пар - правой 5 и левой б. Конструкции цилиндропоршневых пар (фиг. 7) идентичны и описаны на примере левой цилиндропоршневой пары 6, в которой подвижный цилиндр 7 перемещается по силовому стержню 8, жестко закрепленному на передней части транспортного средства 1. По продольной оси силового стержня 8 выполнено отверстие 9, сообщенное с источником рабочего тела 10 посредством дросселируемого клапана 11, регулирующий элемент которого электролинией подключен к блоку 12 управления.

На наружной поверхности передней части цилиндра 7 установлен регулятор 13 (фиг.8) ориентации экрана 2. Внутри корпуса регулятора 13 помещен поршень 14, перемещающийся в полостях 15 и 16, сообщенных посредством регулируемых клапанов 17 и 18 с нагнетающим патрубком 19, сообщенным с полостью 20, заполненной рабочим телом, внутри передней части цилиндра 7,

Полости 15 и 16 снабжены дренажными клапанами 21 и 22. Все клапаны 17, 18, 21 и 2 сообщены электролинией с блоком 12 управления (фиг. 7 и 8).

Поршень 14 соединен со штоком 23, который посредством шарнира 24 связан с экраном 2.

Полость 20 цилиндра 7 снабжена дренажным клапаном 25 и демпфирующими отверстиями 26, заглушенными срезными заглушками 27.

На внутренней стенке полости 20 установлен датчик 28 давления. Датчики 29 и 30 давления установлены также соответственно на наружных поверхностях верхней и нижней зон передней части транспортного средства 1.

Клапан 25 и все датчики 28-30 давления сообщены электрически с блоком 12 управления. По периферийной зоне экрана 2 выполнены сквозные отверстия 31, закрытие в исходном состоянии жалюзями 32, кинематически связанными с электроприводом 33, регулирующим положение жалюзей и подключенным к блоку 12 управления.

Устройство работает следующим образом.

При выходе транспортного средства 1

на трассу с набором скорости для уменьшения аэродинамического сопротивления выдвигают экран 2 навстречу потоку на расстояние (0,15-0,34)На, где На - высота поперечного сечения передней части транспортного средства 1. При выдвижении экрана 2 по его краям открываются струи набегающего потока Св и Сн (фиг. 4) и образуют в заэкранных зонах Ав и Ан (верхней и нижней)торообразный вихрь воздуха, обуславливающий распределение давления по внутренней поверхности экрана 2 РЭт (фиг. 5) и по лобовой поверхности РЛН (фиг. 5) таким образом, что суммарное аэродинамическое сопротивление транспортного средства уменьшается по сравнению с таковым сопротивлением без выдвинутого экрана 2. Факт уменьшения аэродинамического сопротивления установлен при продувках моделей транспортных средств в

аэродинамических трубах. При этом уменьшение аэродинамического сопротивления моделей с экраном, выдвинутым на расчетное расстояние, составляет 30-80% по сравнению с моделями без экрана.

Зависимость сопротивления от величины выдвижения экрана, определенная экспериментально, показана на фиг. 9.

Выдвижение экрана 2 из начального состояния производят следующим образом:

манипулируя кинематической связью, выведенной в кабину, открывают клапаны 11 нагнетания и жидкость из источника 10 рабочего тела поступает через отверстие 9 в полость 20 цилиндра 7, который под давлением РТр перемещается по силовому стержню 8, выдвигая тем самым экран 3 на величину I.

С увеличением скорости хода величины давления на передней поверхности экрана

Рэ и под передней частью транспортного средства Ро увеличиваются.

Уравнение моментов сил, действующих на транспортное средство относительно центра тяжести 0 (фиг. 6); имеет вид

Мо РэПэ+РнлПНл+К2ПН2+

+Fkhk-FBflriBn-Foho-RihRi-Fghg(1)

где Рэ - равнодействующая сил давления на поверхность экрана Рэ с учетом вычета за- экранного давления Рэт;

Рнл - равнодействующая сил давления на нижнюю часть передней поверхности транспортного средства;

F2 - реакция в точках соприкосновения задних колес с дорогой;

Рвл - равнодействующая сил давления на верхнюю часть передней поверхности транспортного средства;

FO - равнодействующая сил давления под передней частью дна транспортного средства;

FK- равнодействующая от сил давления под кормовой частью дна транспортного средства;

RI - реакция в точках соприкосновения передних колес с дорогой;

Fg - равнодействующая донного давления на заднюю поверхность транспортного средства;

пэ, Ьнл, hR2, hK; Нал, hRi, hg - соответственные плечи действия моментов от вышеперечисленных сил относительно центра тяжести транспортного средства.

При скоростном движении в невозмущенном состоянии (угол а между горизонтальной осью транспортного средства и вектором скорости набегающего потока близок к нулю) наиболее мощные по абсолютной величине и одинаковые противоборствующие моменты Рнл Пнл и Рвл ПБЛ.

Однако, если при случайном сильном возмущении (например, резким толчком на ухабе)транспортное средство начинает опрокидываться и его горизонтальная ось отклоняется от вектора набегающего потока а О, то система вихрей в заэкранной области перераспределяет давления на лобовой поверхности транспортного средства так, что сила РНЛ резко возрастает (наветренная сторона), а сила Рвл резко падает (поверхность затеняется экраном), момент Ннл существенно превышает hen и группа моментов сил с положительными знаками уравнения (1) превышает группу моментов сил с отрицательными знаками, обеспечивая прижим транспортного средства к дороге до .

Для большинства случаев движения на трассах со скоростью 90-100 км/ч достаточна операция выдвижения экрана 2 на расчетное расстояние lp. Однако для чрезвычайных случаев движения (скорая помощь, аварийная) необходимо увеличить скорость выше 100 км/ч, В этом случае для усиления прижимающего момента ha регулируют ориентацию экрана 2, увеличивая при этом плечо Ьэ.

Изменение ориентации экрана 2 производят следующим образом. По команде от блока 12 управления открывают клапаны 17 и

22, Рабочее тело из полости 20 по нагнетающему патрубку 19 сквозь клапан 17 поступает в полость 15, увеличивая давление в этой полости, при этом перемещается поршень 14, который через шток 23 воздействует на экран 2 и поворачивает его в шарнире 4 до заданного положения ориентации.

При обратном повороте в исходное положение блок 12 управления выдает команду

0 закрыть клапаны 17 и 22 и открыть клапаны 18и21.

При превышении скорости движения свыше 100 км/ч меняется и оптимальная (с точки зрения минимума Сх) величина выноса

5 экрана 24, которая зависит от скорости движения. Оптимальное положение экрана 2 в реальном времени движения с помощью блока 12 управления обеспечивается следующими операциями.

0 Изменяют давление в полости 20 датчиком 28 и вводят его значение в интегральную схему блока 12 управления, где оно умножается на площадь поперечного сечения полости 20 (константа, введенная в память блока 12 управ5 ления), и получают значение суммарной силы, воздействующей на экран 2-Рэ (с погрешностью на трение между цилиндром 7 и силовым стержнем 8).

Изменяют давление на верхней и нижней

0 поверхностях транспортного средства датчиками 29 и 30 и, умножая их на соответственные площади, определяют суммарную величину аэродинамического сопротивления передней поверхности транспортного сред5 ствас экраном

Хл1 Рэ1+Рвл1+Рнл1(2)

для текучего момента времени т-, и соответственно текущего значения I.

Выносят экран 2, управляя по командам

0 от блока 12 величиной открытия клапанов 11 и 25, обеспечивают увеличение расстояния I - вынос экрана 2 вперед, при этом текущие значения Хл непрерывно сравниваются между собой Хл Хли-1 и вынос осуществляют в

5 случаях Хлн-1 ХЛ до результат или , при котором вынос превращают и возвращают в положение Хлн-1 ХЛ1. Однако положение Хлн-1 Хл| является неустойчивым и реально в области оптимального сопротив0 ления цилиндр 7 с экраном 2 может колебаться в зоне между значениями Хлн-1 ХЛ1 и , что соответствует окрестности точки I на графике зависимости Сх от величины выдвижения /На (фиг. 9) для реальной ско5 рости движения. Поэтому с второго или третьего цикла колебаний логическое реле блока 12 управления останавливает цилиндр 7 и возобновляет поиск нового оптимального li только при изменении скорости движения, Эффект снижения аэродинамического сопро„ чЛси.я может быть еще дополнен за счет усиления вихреобразующих струй Св и Сн путем регулирования проницаемости экрана 2,

При этом по командам от блока 12 управления электропривод 33 открывает жалюзи 32, регулируя поток воздуха сквозь отверстия 31 по периферии экрана 2. Допол- нительный отбор воздуха сквозь периферийные отверстия осуществляют не только для уменьшения аэродинамического сопротивления, но и для регулирования режимов охлаждения двигателя транспортного средства 1.

В случаях необходимости срочного торможения транспортного средства 1 при начальной большой скорости используют возможность резкого увеличения аэродинамического сопротивления в дополнение к тормозящему усилению от трения в местах соприкосновения колес с полотном дороги. Для этого выносят экран 2 к поверхности транспортного средства 1.

При этом по команде водителя через блок 12 управления закрывают клапан 11 и открывают дренажный клапан 25. Одновременно закрывают все клапаны регулирования выноса экрана 2,17,18,22, 21, фиксируя его положение.

Под воздействием силы F3 экран быстро выносится совместно с цилиндром 7 до упора, резко увеличивая при этом силу аэродинамического сопротивления (фиг. 9), независимо от сцепления колес с полотном дороги.

В случае движения на скользкой дороге водитель может не только регулировать силу торможения, но и управлять ориентацией транспортного средства в горизонтальной плоскости. Для этого манипуляторы, выведенные в кабину водителя, преднамеренно производят выдвижение правой и левой ци- линдропоршневых пар 5 и 6 на разную величину л- левую и 1Н - правую, при этом, вектор силы Рэ поворачивается вместе с экраном 2 в горизонтальной плоскости и обеспечивает управляющий момент по курсу относительного центра масс транспортного средства 1, В креплениях шарниров 4 при этом устанавливаются горизонтальные компенсаторы поперечных размеров, позволяющие удлинять межцентровочные расстояния шарниров 4 при несинхронном выдвижении цилиндропоршневых пар 5 и 6. Таким образом появляется возможность борьбы с заносами транспортных средств I на скользкой дороге.

В случае аварии, при ударе экрана 2 о препятствие в полости 20 цилиндра 7, резко

повышается давление рабочего тела, что превышает усилие среза заглушек 27, при этом вскрываются отверстия 26 и обеспечивается демпфирование в процессе удара.

Формула изобретения 1. Устройство для регулирования аэродинамического сопротивления транспортного средства, преимущественно автомобиля, содержащее экран, расположенный перед лобовой поверхностью транспортного средства, выполненный с плоской передней поверхностью, внешний контур которой геометрически подобен контуру максимального по площади поперечного сечения транспортного существа, отличающееся тем, что, с целью повышения топливной экономичности транспортного средства за счет уменьшения аэродинамического сопротивления в сочетании с повышением безопасности при скоростном движении, в том числе по дорогам с неровным профилем, в сложных метеоусловиях, в нем геометрическое подобие экрана выполнено с коэффициентом подобия 0,6-0,8 и величина выноса экрана равна 0 15-0,34 высоты транспортного средства, при этом экран установпен с возможностью поворота относительно транспортного средства.

2. Устройство по п, 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что оно снабжено выдвижными элементами, выполненными в виде не менее двух попарно симметричных цилиндропоршневых пар, прикрепленных к экрану посредством шарниров, при этом полости цилиндропоршневых пар заполнены рабочей жидкостью и сообщены с источником высокого давления и с атмосферой и посредством дросселирующих клапанов, упразляемых от блока регулирования величины выдвижения и ориентации экрана, электрически подключенного к датчикам давления, расположенным в полости цилиндропоршневых пар и ча поверхности транспортного средства.

3.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что, с целью сочетания малого аэродинамического сопротивления с регулируемым отбором воздуха для охлаждения

двигателя, экран перфорирован, преимущественно по периферийным зонам, при этом отверстия перфорации оснащены регулируемыми перекрываемыми заслонками.

4.Устройство по п. 1 отличающее- с я тем, что цилиндры поршневых пар снабжены отверстиями, закрытыми заглушками, срезаемыми при пиковом давлении в момент удара о преграду, и функционально совмещены с противоударным демпфером.

Изобретение относится к устройствам для регулирования аэродинамического сопротивления транспортного средства. Цель изобретения - повышение топливной экономичности транспортного средства за счет уменьшения аэродинамического сопротивления. Перед лобовой поверхностью транспортного средства устанавливают плоский экран, контур которого геометрически подобен контуру максимального по площади поперечного сечения передней части транспортного средства. Регулируют величину выдвижения экрана в диапазоне 0,15-0,34 На, где На - высота вышеупомянутого поперечного сечения. Экран закреплен посредством цилиндропоршневых пар, заполненных рабочей жидкостью, давление которой регулируется посредством дросселируемых клапанов, управляемых от командного блока, электрически сообщенного с датчиками давления, размещенными на поверхности транспортнорго средства. 3 з. п. ф-лы, 9 ил. (Л С

Ф(/8 /

фаг 2

г-С.

//////////////v

фиг 4

гн м tn

1 и I / /1 /1 /77777

фиг 5

Р.

|

20 25 25 27 7 в 9 rJ К/ /

Ш,,&,я,,/,,ъ

f/wTT/A .(Ј( (л

mV VAx TVyxT

о

с/е 6

.(Ј( (л

mV VAx TVyxTtt

s )y V

ncLI

flue. 7

из поласт -1 2О

фиг. &

Ох 0.8

о.г