Podręcznik aerodynamiki
Jazda próbna

Podręcznik aerodynamiki

Podręcznik aerodynamiki

Najważniejsze czynniki wpływające na opór powietrza pojazdu

Niski opór powietrza pomaga zmniejszyć zużycie paliwa. Jednak pod tym względem jest ogromne pole do rozwoju. Jeśli oczywiście eksperci od aerodynamiki zgodzą się z opinią projektantów.

„Aerodynamika dla tych, którzy nie potrafią robić motocykli”. Te słowa, wypowiedziane przez Enzo Ferrari w latach sześćdziesiątych, jasno pokazują stosunek wielu ówczesnych projektantów do tej technologicznej strony samochodu. Jednak dopiero dziesięć lat później nastąpił pierwszy kryzys naftowy, który radykalnie zmienił cały ich system wartości. Czasy, gdy wszystkie siły oporu podczas ruchu samochodu, a zwłaszcza te, które powstają, gdy przechodzi on przez warstwy powietrza, są pokonywane przez rozbudowane rozwiązania techniczne, takie jak zwiększenie pojemności skokowej i mocy silników, niezależnie od ilości spalanego paliwa, odchodzą, a inżynierowie zaczynają patrzeć skuteczniejsze sposoby osiągania celów.

W tej chwili technologiczny czynnik aerodynamiki pokryty jest grubą warstwą pyłu zapomnienia, ale dla projektantów to nie nowość. Historia technologii pokazuje, że nawet w latach siedemdziesiątych zaawansowane i pomysłowe umysły, takie jak niemiecki Edmund Rumpler i Węgier Paul Zharai (który stworzył kultową Tatrę T77), tworzyli opływowe powierzchnie i położyli podwaliny pod aerodynamiczne podejście do projektowania karoserii. Po nich przyszła druga fala specjalistów od aerodynamiki, takich jak Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld i Wunibald Kam, którzy rozwinęli swoje pomysły w XNUMX-ach.

Dla każdego jest jasne, że wraz ze wzrostem prędkości dochodzi do granicy, powyżej której opór powietrza staje się krytycznym czynnikiem podczas jazdy samochodem. Tworzenie aerodynamicznie zoptymalizowanych kształtów może znacznie podnieść tę granicę i wyraża się to tak zwanym współczynnikiem przepływu Cx, ponieważ wartość 1,05 ma sześcian odwrócony prostopadle do kierunku przepływu powietrza (jeśli jest obrócony o 45 stopni wzdłuż własnej osi, tak że górny krawędź spada do 0,80). Współczynnik ten jest jednak tylko częścią równania oporu powietrza – jako ważny element należy dodać wielkość powierzchni czołowej samochodu (A). Pierwszym z zadań aerodynamików jest stworzenie czystych, wydajnych aerodynamicznie powierzchni (których, jak zobaczymy, w samochodzie jest bardzo dużo), co ostatecznie prowadzi do obniżenia współczynnika przepływu. Pomiar tego ostatniego wymaga tunelu aerodynamicznego, który jest kosztowną i niezwykle złożoną konstrukcją – przykładem tego jest tunel oddany do użytku w 2009 roku. BMW, które kosztowały firmę 170 mln euro. Najważniejszym jego elementem nie jest gigantyczny wentylator, który pobiera tyle prądu, że potrzebuje osobnej podstacji transformatorowej, ale precyzyjny stojak rolkowy, który mierzy wszystkie siły i momenty, jakie strumień powietrza wywiera na samochód. Jego zadaniem jest ocena całej interakcji samochodu z przepływem powietrza i pomoc specjalistom w przestudiowaniu każdego szczegółu i zmianie go tak, aby był nie tylko skuteczny w przepływie powietrza, ale także zgodnie z życzeniami projektantów. . Zasadniczo główne elementy oporu, na które napotyka samochód, pochodzą z kompresji i przemieszczania się powietrza przed nim oraz – co bardzo ważne – z intensywnych turbulencji za nim z tyłu. Istnieje strefa niskiego ciśnienia, która ma tendencję do ciągnięcia samochodu, co z kolei miesza się z silnym efektem wirowym, który aerodynamicy nazywają również „martwym wzbudzeniem”. Ze względów logicznych po modelach kombi poziom podciśnienia jest wyższy, w wyniku czego pogarsza się współczynnik zużycia.

Aerodynamiczne współczynniki oporu

To ostatnie zależy nie tylko od czynników takich jak ogólny kształt samochodu, ale także od konkretnych części i powierzchni. W praktyce ogólny kształt i proporcje nowoczesnych samochodów stanowią 40 procent całkowitego oporu powietrza, z czego jedna czwarta jest określana przez strukturę powierzchni obiektu i cechy, takie jak lusterka, światła, tablica rejestracyjna i antena. 10% oporu powietrza jest spowodowane przepływem przez otwory wentylacyjne do hamulców, silnika i skrzyni biegów. 20% to efekt wirowania w różnych konstrukcjach podłogi i zawieszenia, czyli wszystkiego co dzieje się pod autem. I co najciekawsze - 30% oporu powietrza to zasługa wirów tworzonych wokół kół i błotników. Praktyczna demonstracja tego zjawiska wyraźnie to pokazuje - natężenie przepływu z 0,28 na pojazd spada do 0,18 po zdjęciu kół i zamknięciu otworów wentylacyjnych w błotnikach. To nie przypadek, że wszystkie samochody o zaskakująco niskim przebiegu – takie jak pierwszy Insight Hondy i samochód elektryczny GM EV1 – mają ukryte tylne błotniki. Ogólny aerodynamiczny kształt i zamknięty przód, dzięki temu, że silnik elektryczny nie wymaga dużej ilości powietrza chłodzącego, pozwoliły projektantom GM opracować model EV1 o współczynniku przepływu wynoszącym zaledwie 0,195. Tesla Model 3 ma Cx 0,21. Aby zmniejszyć wirowość kół w pojazdach z silnikami spalinowymi, tzw. „Kurtyny powietrzne” w postaci cienkiego pionowego strumienia powietrza kierowanego z otworu w przednim zderzaku, nadmuchującego wokół kół i stabilizującego wiry, dopływ do silnika ograniczają żaluzje aerodynamiczne, a dno jest całkowicie zamknięte.

Im mniejsze wartości sił mierzonych przez stojak rolkowy, tym mniejsze Cx. Zwykle mierzy się go przy prędkości 140 km/h – na przykład wartość 0,30 oznacza, że ​​30 procent powietrza, przez które przechodzi samochód, jest przyspieszane do jego prędkości. Jeśli chodzi o przód, jego odczyt wymaga znacznie prostszej procedury - w tym celu zewnętrzne kontury samochodu są obrysowywane laserem patrząc od przodu i obliczana jest powierzchnia zamknięta w metrach kwadratowych. Następnie mnoży się go przez współczynnik przepływu, aby uzyskać całkowity opór powietrza samochodu w metrach kwadratowych.

Wracając do historycznego zarysu naszej narracji aerodynamicznej, stwierdzamy, że stworzenie znormalizowanego cyklu pomiaru zużycia paliwa (NEFZ) w 1996 r. faktycznie odegrało negatywną rolę w ewolucji aerodynamicznej samochodów (która znacznie się rozwinęła w XX wieku). ), ponieważ czynnik aerodynamiczny ma niewielki wpływ ze względu na krótki okres ruchu z dużą prędkością. Pomimo spadku współczynnika zużycia na przestrzeni lat, wzrost gabarytów pojazdów każdej klasy prowadzi do zwiększenia powierzchni czołowej, a co za tym idzie do wzrostu oporu powietrza. Samochody takie jak VW Golf, Opel Astra i BMW serii 7 miały większy opór powietrza niż ich poprzednicy z lat 90. Tej tendencji sprzyjają imponujące modele SUV-ów z dużą powierzchnią przednią i pogarszającą się opływowością. Ten typ pojazdu był krytykowany głównie za dużą masę, jednak w praktyce czynnik ten ma relatywne znaczenie wraz ze wzrostem prędkości – podczas jazdy poza miastem z prędkością ok. 90 km/h udział oporu powietrza wynosi ok. 50 procent, przy prędkościach autostradowych wzrasta do 80 procent całkowitego oporu, jaki stawia samochód.

Rurka aerodynamiczna

Innym przykładem roli oporu powietrza w osiągach pojazdu jest typowy model Smart City. Dwumiejscowy samochód może być zwinny i zwinny na ulicach miasta, ale jego krótkie i proporcjonalne nadwozie jest wysoce nieefektywne z aerodynamicznego punktu widzenia. Na tle niskiej wagi opór powietrza staje się coraz ważniejszym elementem, a wraz ze Smartem zaczyna mocno działać przy prędkościach do 50 km / h. Nic dziwnego, że mimo lekkiej konstrukcji nie sprostał oczekiwaniom o stosunkowo niskim koszcie.

Jednak pomimo mankamentów Smarta podejście macierzystej firmy Mercedes do aerodynamiki jest przykładem metodycznego, konsekwentnego i proaktywnego podejścia do procesu tworzenia spektakularnych kształtów. Można stwierdzić, że efekty inwestycji w tunele aerodynamiczne i ciężkiej pracy w tym zakresie są szczególnie widoczne w tej firmie. Szczególnie uderzającym przykładem efektu tego procesu jest fakt, że obecna Klasa S (Cx 0,24) ma mniejszy opór powietrza niż Golf VII (0,28). W poszukiwaniu większej przestrzeni wewnętrznej, kształt kompaktowego modelu uzyskał dość dużą powierzchnię czołową, a współczynnik przepływu jest gorszy niż w klasie S ze względu na jego krótszą długość, która nie pozwala na opływowe powierzchnie i wiele więcej. - już z powodu ostrego przejścia od tyłu, przyczyniając się do powstawania wirów. Jednak VW jest nieugięty, że następna generacja Golfa będzie miała znacznie mniejszy opór powietrza oraz będzie obniżona i opływowa. Najniższym odnotowanym wskaźnikiem zużycia paliwa wynoszącym 0,22 na pojazd z silnikiem spalinowym jest Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Zaleta pojazdów elektrycznych

Innym przykładem znaczenia aerodynamicznego kształtu w stosunku do wagi są nowoczesne modele hybrydowe, a nawet pojazdy elektryczne. Na przykład w przypadku Priusa potrzeba wysoce aerodynamicznej konstrukcji jest również podyktowana faktem, że wraz ze wzrostem prędkości wydajność hybrydowego układu napędowego dramatycznie spada. W przypadku pojazdów elektrycznych niezwykle ważne jest wszystko, co wiąże się ze wzrostem przebiegu w trybie elektrycznym. Zdaniem ekspertów zmniejszenie masy o 100 kg zwiększy przebieg auta zaledwie o kilka kilometrów, ale z drugiej strony aerodynamika ma dla auta elektrycznego ogromne znaczenie.

Po pierwsze dlatego, że duża masa tych pojazdów pozwala im na odzyskanie części energii wykorzystywanej do rekuperacji, a po drugie dlatego, że wysoki moment obrotowy silnika elektrycznego pozwala zniwelować wpływ masy przy rozruchu, a jego sprawność spada przy dużych prędkościach i dużych prędkościach. Ponadto energoelektronika i silnik elektryczny potrzebują mniej powietrza chłodzącego, co pozwala na mniejszy otwór w przedniej części samochodu, co, jak już zauważyliśmy, jest głównym powodem pogorszenia opływu wokół nadwozia. Kolejnym elementem motywującym projektantów do tworzenia bardziej aerodynamicznych kształtów w dzisiejszych modelach hybryd typu plug-in jest tryb poruszania się bez przyspieszenia tylko za pomocą silnika elektrycznego, czyli tzw. żeglarstwo. W przeciwieństwie do łodzi żaglowych, skąd pochodzi to określenie i gdzie wiatr ma poruszać łodzią, samochody elektryczne będą zwiększać przebieg, jeśli samochód będzie miał mniejszy opór powietrza. Stworzenie aerodynamicznie zoptymalizowanego kształtu to najbardziej ekonomiczny sposób na zmniejszenie zużycia paliwa.

Tekst: Georgy Kolev

Natężenia przepływu niektórych znanych samochodów:

Mercedes Simplex

Produkcja z 1904 r., Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Produkcja z 1921 r., Cx = 0,28

Ford model T

Produkcja z 1927 r., Cx = 0,70

Model eksperymentalny Kam

Produkcja z 1938 r., Cx = 0,36

Rekordowy samochód Mercedesa

Produkcja z 1938 r., Cx = 0,12

Autobus VW

Produkcja z 1950 r., Cx = 0,44

VW "żółw"

Produkcja z 1951 r., Cx = 0,40

Panhard Dina

Produkcja z 1954 r., Cx = 0,26

Porsche 356

Produkcja z 1957 r., Cx = 0,36

MGEX 181

Produkcja z 1957 r., Cx = 0,15

Citroen DS 19

Produkcja z 1963 r., Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Produkcja z 1966 r., Cx = 0,38

Mercedes C 111

Produkcja z 1970 r., Cx = 0,29

Volvo 245 Van

Produkcja z 1975 r., Cx = 0,47

Audi 100

Produkcja z 1983 r., Cx = 0,31

Mercedes W 124

Produkcja z 1985 r., Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Produkcja z 1997 r., Cx = 0,29

Dodaj komentarz