Способ управления сцеплением автомобиля с дорожным покрытием и устройство для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLING THE CAR'S TRACTION WITH THE ROAD SURFACE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к автомобильному транспорту. Преимущественно, для обеспечения условий безопасного движения автомобилей путем изменений характера взаимодействия автомобиля с внешней средой в процессе его движения.
Известно, см. например, http://magazine.autotechnic.su/technology/aero/aero.html, что характер взаимодействия движущегося автомобиля с внешней средой определяется внешними факторами и конструктивными особенностями автомобиля. Это взаимодействие определяется, в основном, условиями обтекания корпуса автомобиля воздушным потоком, сцеплением автомобиля с дорожным покрытием, габаритно-массовыми параметрами автомобиля и конструктивными особенностями обеспечивающими изменение условий взаимодействия автомобиля с внешней средой в процессе его движения.
Известно, что от обтекаемости машины напрямую зависят скоростные показатели, расход топлива (или электроэнергии), устойчивость на дороге, а значит, и безопасность. Главным показателем аэродинамических свойств автомобиля считается коэффициент лобового сопротивления - Сх. Определяется, в основном, формой и габаритными параметрами, а также различными конструктивными особенностями, влияющими на процесс обтекания автомобиля воздушным потоком. Факторов, влияющих на Сх автомобиля, несколько: например, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, а также, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Сопротивление поверхностного трения так же вносит свой вклад в величину Сх. Прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с микронеровностями покрытия, и тормозится - образуется так называемый пограничный слой. Пока это течение находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое. Но с переходом в турбулентное состояние траектория его частиц становятся хаотичной, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение - воздух становится более «вязким». Таким образом, требуется обеспечение гладкости кузова, чтобы пограничный слой дольше оставался ламинарым. Установка переднего и/или заднего спойлера позволяет изменять условия обтекания автомобиля воздушным потоком, во время его движения и существенно влиять на характеристики движения и контакты с окружающей средой. С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Сх, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха.
Известно устройство управления пограничным слоем (патент RU N 2032595 кл. В64С 21/02 от 1995 г.), предотвращающее отрыв потока от элементов конструкции движущихся транспортных средств в газовой среде, например летательных аппаратов. Устройство управления пограничным слоем выполнено в виде образованных на поверхности объекта каверн, с размещенным в каждом из них центральным телом таким образом, что между ним и стенками каверны образуется кольцевой канал. Центральное тело - полое и сообщено с источником низкого давления. На поверхности центрального тела размещены воздухозаборники, а внутренняя часть кольцевого канала выполнена в виде конфузорно-диффузорного проточного тракта.
По мнению авторов патента, отрыв потока от поверхности транспортного средства, движущегося в воздушной среде, зачастую является нежелательным явлением, сопровождающимся резким ухудшением аэродинамических характеристик объекта. В частности, развитый отрыв на крыле летательного аппарата приводит к значительному падению подъемной силы.
Предлагаемый авторами способ управления пограничным слоем на транспортных средствах, при движении которых возможно ухудшение аэродинамических характеристик, вызванное отрывом потока от их поверхности сложен конструктивно, технологически (устройство управления пограничным слоем имеет сложное строение), экономически неэффективен, а так как направлен на сохранение высоких показателей подъемной силы, действующей на транспортное средство, то фактически, способствует уменьшению сцепления транспортного средства (автомобиля) с дорожным покрытием. Снижение сцепления автомобиля с дорожным покрытием неизбежно приводит к заносам автомобиля и резко снижает такой показатель, как безопасность.
Известен, см. Патент №2281884 «Способ изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде и устройство для его осуществления.» МПК В64С 21/02 (2006.01), В64С 23/00 (2006.01), В61С 11/00 (2006.01), B62D 39/00 (2006.01)
Изобретение относится к технике для движения в воздушной среде с дозвуковой скоростью, в частности к дозвуковым летательным аппаратам, скоростным судам, поездам и автомобилям. Способ изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде заключается в изменении состояния пограничного слоя транспортного средства путем нагрева не менее 70% поверхности транспортного средства равномерно с допустимым температурным градиентом ±20°C до температуры не ниже 60°C, соединяя двигательную установку транспортного средства, воздухозаборник или компрессор магистралями с каналами, прилегающими изнутри к внешней обшивке корпуса транспортного средства. Дополнительно производят локальный поперечный выдув разогретой смеси воздуха и продуктов сгорания топлива двигательной установки через проницаемые пористые вставки на поверхностях транспортного средства в обтекающий его воздушный поток при определенной скорости этого потока. Устройство изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде включает корпус транспортного средства, двигательную установку и систему для изменения состояния пограничного слоя, образованную соединенными с двигательной установкой транспортного средства, воздухозаборником или компрессором герметичными магистралями с каналами, прилегающими изнутри к внешней обшивке корпуса транспортного средства.
Недостаток предлагаемого технического решения заключается в том, что нагрев корпуса автомобиля способствует повышению аэродинамической подъемной силы и, как следствие, снижению уровня сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием. Для автомобиля важнейшим показателем является безопасность, которая во многом зависит от сцепления колес автомобиля с дорогой. В материалах патента нет конструктивных признаков, показывающих решение задачи по управлению процессом сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием.
Изобретение по патенту № Патент 2163207 (прототип) относится к транспортным средствам, преимущественно к автомобилестроению кл. B62D 35/00 и 37/02 и касается устройств, улучшающих их аэродинамические качества. Сущность технического решения по патенту №2163207 (прототип) заключается в том, что транспортное средство, движущееся в воздушном потоке со скоростями, при которых существенно аэродинамическое влияние среды, оборудуется аэродинамическим устройством, состоящим из эжекторно-направляющей плоскости, устанавливаемой с зазором позади или в промежутке основной аэродинамической поверхности транспортного средства, причем одной частью (эжекторной), выступающей наружу за основную аэродинамическую поверхность под тупым углом к набегающему потоку, а другой частью (направляющей), направленной внутрь и вперед.
Технический результат заключается в оптимизации «закормового» потока, в уменьшении кормового сопротивления движению транспортного средства, в получении прижимающей к полотну дороги силе, улучшающей сцепление колес с поверхностью дороги; повышении устойчивости транспортного средства на больших скоростях и, как следствие, увеличении скорости передвижения при равной мощности двигателя или уменьшении расхода топлива при равной с контрольным транспортным средством скорости передвижения.
Обдувая выступающую эжекторно-направляющую плоскость, поток воздуха прижимает транспортное средство к полотну дороги, улучшая тем самым сцепление колес с дорожным покрытием.
Недостаток предлагаемого технического решения заложен в конструкции устройства и способе его применении в составе автомобиля. Устройство не позволяет управлять процессом сцепления колес с дорожным покрытием.
Цель предлагаемого технического решения: повышение безопасности движения автомобиля.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в управлении сцеплением колес автомобиля с дорожным покрытием. Возможность технического управления сцеплением колес автомобиля с дорожным покрытием повышает управляемость автомобиля и существенно влияет на такой параметр, как безопасность.
Технический результат достигается совокупностью существенных признаков указанных в формуле изобретения.
Способ управления сцеплением автомобиля с дорожным покрытием при движении автомобиля, заключается в перемещении (удалении на некоторое расстояние) пограничного слоя воздушного потока обтекающего автомобиль. Воздушный поток и корпус автомобиля являются «трущимися» поверхностями. Сила трения существенно уменьшается путем «удаления», перемещения воздушного потока, обтекающего автомобиль, от корпуса автомобиля. Такое действие осуществляется потоком газов, имеющих плотность, меньшую, чем плотность воздушного потока. Например, газ - гелий, может являться «рабочим телом» по перемещению воздушного потока или части воздушного потока, на расстояние, исключающее полностью или частично контакт воздуха и корпуса автомобиля, и одновременно, созданию между соприкасающимися поверхностями (воздух - автомобиль), газообразной смазки (прокладки), препятствующей их контакту. Такое техническое решение, при больших скоростях и развитых формах «трущихся поверхностей» позволяет управлять сцеплением колес с дорожным покрытием автомобиля.
Основными факторами, кроме указанного выше потока воздуха обтекающего автомобиль, являются его (автомобиля) габаритно-массовые характеристики и расположение колес на дорожном покрытии. Расположение колес и центр тяжести автомобиля постоянны, а центр давления воздушного потока на корпус автомобиля изменяемым параметром. Изменение положения центра давления (воздушного потока обтекающего автомобиль) относительно его центра масс приводит к изменению реакции связи дорожного покрытия на колеса автомобиля. Такое изменение позволяет контролировать сцепление колес, с дорожным покрытием увеличивая или уменьшая его уровень в зависимости от качества дорожного покрытия, условий эксплуатации транспортного средства, скорости, нагрузки на переднюю и/или заднюю ось автомобиля и прочих условий, определяющих безопасность дорожного движения.
Необходимым устройством, обеспечивающим такой процесс, является резервуар, наполненный газом, например, гелием, с плотностью меньшей плотности воздуха. Смещение, отделение воздуха, «трущегося» о корпус автомобиля, осуществляют давлением газовой смеси, преимущественно на основе гелия из резервуара находящегося, например, в подкапотном пространстве автомобиля, через трубопроводы, соединяющие резервуар газогенератора, наполненного газом, с каналами и/или перфорациями на поверхности корпуса автомобиля.
Резервуар, наполненный газом, преимущественно гелием, имеет клапан, например, электромагнитный, необходимый для выпуска газа в трубопровод по которому газ доставляется к месту применения. Трубопроводы соединяют резервуар с каналами и/или перфорациями на корпусе автомобиля, через которые осуществляют выброс газа в зону «трения» между воздушным потоком и корпусом автомобиля. Узлы крепления обеспечивают соединение резервуара и трубопроводов с корпусом автомобиля и каналами (перфорациями) на его корпусе. Устанавливается резервуар, например, в подкапотном пространстве автомобиля, а устройство управления открытием клапана размещается в кабине водителя, преимущественно на приборной стойке.
На Фиг. 1 показаны основные элементы автомобиля и внешней среды обеспечивавшие реализацию действий предлагаемого способа.
На Фиг. 2 показано изменение (перемещение) центра давления относительно центра масс автомобиля, в случае снижения воздушного напора на капот (нижняя часть корпуса).
На Фиг. 3 показано изменение (перемещение) центра давления относительно центра масс автомобиля. Увеличение воздушного давления на капот.
На Фиг. 4 показано увеличение момента воздушного потока относительно центра масс автомобиля. Повышение сцепления колес задней оси автомобиля.
На Фиг. 5 показано уменьшение момента воздушного потока относительно центра масс автомобиля. Повышение сцепления колес передней оси автомобиля.
На Фиг. 6 показаны конструктивные элементы устройства, обеспечивающие действия способа, в составе корпуса автомобиля.
На Фиг. 7 показаны конструктивные элементы устройства, обеспечивающие действия способа, в составе корпуса автомобиля.
На Фиг. 1 показаны основные элементы автомобиля и внешней среды обеспечивавшие реализацию действий предлагаемого способа.
Поз. 1 - центр масс автомобиля. Неизменяемый параметр в процессе передвижения. Поз. 2 - центр давления воздушного набегающего потока на корпус автомобиля. Поз. 3 - набегающий воздушный поток. Поз. 4 - реакция связи дорожного покрытия на колеса передней оси автомобиля.
Поз. 5 - реакция связи дорожного покрытия на колеса задней оси автомобиля. На Фиг. 2 показано изменение (перемещение) центра давления относительно центра масс автомобиля, в случае снижения воздушного напора Поз. 3 на капот (нижняя часть корпуса). Поз. 6 - рабочее тело, газ, например, гелий, обеспечивающий «отрыв» воздушного потока Поз. 3, например, на капоте автомобиля. Устранение трения воздушного потока на капот, как наиболее развитую часть корпуса, неизбежно приводит к смещению центра давления Поз. 2 воздушного потока. Центр давления Поз. 2 перемещается в верхнюю точку своего возможного расположения.
На Фиг. 3 показано перемещение центра давления относительно центра масс автомобиля. Увеличение воздушного давления на капот и уменьшение на корпус верхней части. Поз. 6 - рабочее тело, газ, например, гелий, обеспечивающий снижение трения воздушного потока Поз. 3, например, на корпус верхней части автомобиля. В этом случае центр давления Поз. 2 перемещается вниз, относительно центра масс Поз. 1 автомобиля.
На Фиг. 4 показано увеличение момента воздушного потока относительно центра масс автомобиля. Повышение сцепления колес задней оси автомобиля. Уменьшение трения воздушного потока Поз. 3 на корпусе нижней части автомобиля, и, как следствие, перемещение центра давления Поз. 2 вверх, относительно своего номинального расположения, приводит к изменению момента сил воздушного давления относительно центра масс Поз. 1 (увеличивается плечо А), что компенсируется увеличением реакции связи дорожного покрытии Поз. 5. Увеличение реакции связи дорожного покрытия объективно повышает сцепление колес задней оси автомобиля с дорожным покрытием.
На Фиг. 5 показано уменьшение момента воздушного потока относительно центра масс автомобиля. Повышение сцепления колес передней оси автомобиля. В том случае, если уменьшить трение воздушного потока в верхней части автомобиля, например, на крыше, путем введения газообразной «гелиевой смазки» Поз. 6 в зону контакта воздушного потока и корпуса, то центр давления Поз. 2 сместится в нижнее возможное положение (относительно номинального расположения). Момент воздушного потока, приложенный в центре давления, относительно центра масс автомобиля уменьшится и, соответственно уменьшится реакция связи Поз. 5 дорожного покрытия. Размер Б, показывает изменение опрокидывающего момента воздушного потока, приложенного в центре давления, относительно центра масс автомобиля.
На Фиг. 6 показаны основные элементы устройства, обеспечивающего выполнение действий способа. Резервуар Поз. 10, наполненный газом, например, гелием, водородом или иным составом располагается, преимущественно в подкапотном пространстве корпуса автомобиля Поз. 11. На корпусе автомобиля Поз 11 сформированы каналы и/или отверстия (перфорации), в местах предполагаемого выхода газа из резервуара Поз. 10. Резервуар Поз. 10, соединен с каналами и/или отверстиями трубопроводом Поз. 7, через который под давлением газ будет выходить в зону трения воздушного потока с корпусом автомобиля. Для выхода газа на резервуаре предполагается применение клапана, например, электромагнитного, с управлением из кабины автомобиля. Элемент управления включением клапана Поз. 8 устанавливается, например, на приборной панели и соединяется каналами связи Поз. 9, например, кабелем с клапаном открытия резервуара Поз. 10.
На Фиг. 7 показаны места выхода газа на поверхность корпуса автомобиля, например, капот. Участок выхода соответствует зоне максимального трения воздушного потока о корпус автомобиля. Формирование мест выхода осуществляется, преимущественно в виде (форме) каналов и/или отверстий Поз. 13, соединенных с трубопроводом резервуара.
Пример реализации способа.
В процессе движения автомобиля, например, в сложных дорожных условиях, требуется увеличить или уменьшить сцепление колес с дорожным покрытием. Сцепление колес с дорожным покрытием, является определяющим фактором для безопасности дорожного движения. В условиях движения автомобиля Фиг. 1 формируется набегающий поток воздуха Поз. 3, который является действием прижимающим автомобиль к дорожному покрытию в местах его контакта с колесами автомобиля. В точках контакта колес автомобиля и дорожного покрытия действуют силы в форме реакции дорожного покрытия Поз. 4 и Поз. 5 на давление массы корпуса автомобиля, и набегающего потока воздуха. Равновесное состояние при движении автомобиля рассматриваем, как совокупность различных сил, приложенных к центру масс автомобиля Поз. 1, а набегающего потока воздуха Поз. 3 приложенного к центру давления Поз. 2.
Для увеличения сцепления, например, колес задней оси автомобиля, необходимо увеличить силу реакции связи Поз. 5 на колесо. Для этого необходимо изменить расположение центра давления Поз. 2 относительно центра масс автомобиля Поз. 1. Перемещение центра давления набегающего воздушного потока Поз. 2 от места его номинального расположения в максимально удаленную зону обеспечит перераспределение моментов сил действующих на центр масс автомобиля, и, как следствие, увеличение реакции связи Поз. 5 дорожного покрытии на колеса задней оси. Перемещение центра давления Поз. 2 воздушного потока Поз. 3 осуществляется изменением процесса обтекания воздушного потока Поз. 3 корпуса автомобиля (см. Фиг. 2). В нижнюю часть корпуса, соприкасающегося с воздушным потоком Поз. 3, например, на внешнюю сторону капота автомобиля, вводится поток газа, например, гелия или водорода, или иного газа имеющего плотность меньше плотности воздуха, обтекающего автомобиль. Введенный газ Поз. 6, отодвигает полностью или частично воздушный поток Поз. 3, перераспределяя его давление на верхнюю часть корпуса автомобиля см. Фиг. 2. Увеличивая его плотность и давление на поверхность корпуса, что приводит, соответственно, к перемещению центра давления Поз. 2 и увеличению момента сил воздушного напора относительно центра масс автомобиля. Повышение момента сил воздушного напора, приложенного к центру давления Поз. 2 (Фиг. 4) неизбежно приводит к увеличению реакции связи Поз. 5 (уравновешивающей момент вызванный смещением центра давления Поз. 2 воздушного потока Поз. 3) и, соответственно увеличению сцепления колес задней оси с дорожным покрытием.
Работа устройств обеспечивающих выполнение действий по изменению расположения центра давления показаны на Фиг. 6. В случае заноса автомобиля, например, заднеприводного, и потерей сцепления колес задней оси с дорогой водитель активирует резервуар Поз. 10 наполненный газом, например, гелием. Активация резервуара с газом заключается в открытии выпускного клапана резервуара, который управляется из кабины водителя. Управляющий сигнал, от узла включения Поз. 8 по кабельной сети Поз. 9 включает выпускной клапан резервуара 10 и газ из резервуара 10 по трубопроводу Поз. 7 поступает в отверстия и/или каналы Поз. 13, расположенные, например, на капоте Поз. 12 автомобиля. Выпускаемый газ внедряется между поверхностью капота Поз. 12 и набегающим воздушным потоком Поз. 3, отодвигая (перемещая) последний от корпуса. Набегающий поток перераспределяется, усиливая давление в тех местах, в которых нет вводимого газа. Одновременно, изменяется расположение центра давления Поз. 2 набегающего воздушного потока Поз. 3. Центр давления Поз. 2 перемещается в верхнюю точку на корпусе автомобиля (см. Фиг. 2). Изменение расположения центра давления Поз. 2 приводит к перераспределению силовых факторов действующих относительно центра масс Поз. 1 (см. Фиг. 4). Следствием такого перераспределения является увеличение реакции связи дорожного покрытия Поз. 5 и неизбежное повышение сцепления колес задней оси с дорогой. Повышение сцепления объективно устраняет условия заноса автомобиля и, соответственно, повышает безопасность дорожного движения.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в управлении сцеплением колес автомобиля с дорожным покрытием. Возможность технического управления сцеплением колес автомобиля с дорожным покрытием повышает управляемость автомобиля и существенно влияет на такой параметр, как безопасность.