Εγχειρίδιο αεροδυναμικής

Οι πιο σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την αντίσταση του οχήματος στον αέρα

Η χαμηλή αντίσταση στον αέρα συμβάλλει στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Ωστόσο, από την άποψη αυτή, υπάρχει τεράστιο περιθώριο ανάπτυξης. Εάν, φυσικά, οι εμπειρογνώμονες της αεροδυναμικής συμφωνούν με τη γνώμη των σχεδιαστών.

"Αεροδυναμική για όσους δεν μπορούν να φτιάξουν μοτοσικλέτες." Αυτά τα λόγια μίλησαν από τον Enzo Ferrari στη δεκαετία του 'XNUMX και δείχνουν ξεκάθαρα τη στάση πολλών σχεδιαστών της εποχής απέναντι σε αυτήν την τεχνολογική πλευρά του αυτοκινήτου. Ωστόσο, μόλις δέκα χρόνια αργότερα συνέβη η πρώτη πετρελαϊκή κρίση, η οποία άλλαξε ριζικά ολόκληρο το σύστημα αξιών τους. Οι στιγμές που όλες οι δυνάμεις αντίστασης κατά την κίνηση του αυτοκινήτου, και ιδίως εκείνες που προκύπτουν όταν περνά μέσα από τα στρώματα αέρα, ξεπερνιούνται με εκτεταμένες τεχνικές λύσεις, όπως η αύξηση της μετατόπισης και της ισχύος των κινητήρων, ανεξάρτητα από την ποσότητα καυσίμου που καταναλώνεται, εξαφανίζονται και οι μηχανικοί αρχίζουν να κοιτάζουν πιο αποτελεσματικοί τρόποι για την επίτευξη των στόχων σας.

Προς το παρόν, ο τεχνολογικός παράγοντας της αεροδυναμικής καλύπτεται με ένα παχύ στρώμα σκόνης λήψης, αλλά για τους σχεδιαστές αυτό δεν είναι νέα. Η ιστορία της τεχνολογίας δείχνει ότι ακόμη και στη δεκαετία του 77, προχωρημένα και εφευρετικά μυαλά, όπως ο Γερμανός Edmund Rumpler και ο Ουγγρικός Paul Zharai (ο οποίος δημιούργησε το εικονικό Tatra TXNUMX), διαμόρφωσαν βελτιωμένες επιφάνειες και έθεσαν τα θεμέλια για μια αεροδυναμική προσέγγιση στο σχεδιασμό του αμαξώματος του αυτοκινήτου. Ακολούθησαν ένα δεύτερο κύμα αεροδυναμικών ειδικών, όπως ο Βαρόνος Ρέινχαρντ φον Κόννιτς-Φαξενφέλντ και ο Γουίνιμπαλντ Καμ, οι οποίοι ανέπτυξαν τις ιδέες τους στα XNUMXs.

Είναι σαφές σε όλους ότι με την αύξηση της ταχύτητας έρχεται ένα όριο, πάνω από το οποίο η αντίσταση του αέρα γίνεται κρίσιμος παράγοντας για την οδήγηση ενός αυτοκινήτου. Η δημιουργία αεροδυναμικά βελτιστοποιημένων σχημάτων μπορεί να ωθήσει σημαντικά αυτό το όριο και εκφράζεται με τον λεγόμενο συντελεστή ροής Cx, καθώς η τιμή 1,05 έχει έναν κύβο ανεστραμμένο κάθετα στη ροή αέρα (αν περιστραφεί 45 μοίρες κατά μήκος του άξονά του, έτσι ώστε το ανάντη η άκρη μειώνεται στο 0,80). Ωστόσο, αυτός ο συντελεστής είναι μόνο ένα μέρος της εξίσωσης αντίστασης αέρα - πρέπει να προσθέσετε το μέγεθος της μετωπικής περιοχής του αυτοκινήτου (Α) ως σημαντικό στοιχείο. Το πρώτο από τα καθήκοντα των αεροδυναμικών είναι η δημιουργία καθαρών, αεροδυναμικά αποδοτικών επιφανειών (παράγοντες των οποίων, όπως θα δούμε, πολλοί σε ένα αυτοκίνητο), που τελικά οδηγεί σε χαμηλότερο συντελεστή ροής. Η μέτρηση του τελευταίου απαιτεί μια αεροδυναμική σήραγγα, η οποία είναι μια δαπανηρή και εξαιρετικά περίπλοκη κατασκευή – ένα παράδειγμα αυτού είναι η σήραγγα που τέθηκε σε λειτουργία το 2009. BMW, που κόστισε στην εταιρεία 170 εκατ. ευρώ. Το πιο σημαντικό εξάρτημα σε αυτό δεν είναι ένας γιγαντιαίος ανεμιστήρας, ο οποίος καταναλώνει τόσο πολύ ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται ξεχωριστό υποσταθμό μετασχηματιστή, αλλά μια ακριβή βάση κυλίνδρων που μετρά όλες τις δυνάμεις και τις ροπές που ασκεί ένας πίδακας αέρα σε ένα αυτοκίνητο. Το καθήκον του είναι να αξιολογήσει ολόκληρη την αλληλεπίδραση του αυτοκινήτου με τη ροή αέρα και να βοηθήσει τους ειδικούς να μελετήσουν κάθε λεπτομέρεια και να την αλλάξουν έτσι ώστε όχι μόνο να είναι αποτελεσματική στη ροή του αέρα, αλλά και σύμφωνα με τις επιθυμίες των σχεδιαστών. . Βασικά, τα κύρια στοιχεία οπισθέλκουσας που συναντά ένα αυτοκίνητο προέρχονται από όταν ο αέρας μπροστά του συμπιέζεται και μετατοπίζεται, και – πολύ σημαντικό – από τις έντονες αναταράξεις πίσω του στο πίσω μέρος. Υπάρχει μια ζώνη χαμηλής πίεσης που τείνει να τραβήξει το αυτοκίνητο, το οποίο με τη σειρά του αναμειγνύεται με ένα ισχυρό φαινόμενο δίνης, το οποίο οι αεροδυναμικοί αποκαλούν επίσης «νεκρή διέγερση». Για λογικούς λόγους, μετά τα μοντέλα στέισον βάγκον, το επίπεδο κενού είναι υψηλότερο, με αποτέλεσμα να επιδεινώνεται ο συντελεστής κατανάλωσης.

Αεροδυναμικοί παράγοντες έλξης

Το τελευταίο εξαρτάται όχι μόνο από παράγοντες όπως το συνολικό σχήμα του αυτοκινήτου, αλλά και από συγκεκριμένα μέρη και επιφάνειες. Στην πράξη, το συνολικό σχήμα και οι αναλογίες των σύγχρονων αυτοκινήτων αντιπροσωπεύουν το 40 τοις εκατό της συνολικής αντίστασης αέρα, το ένα τέταρτο της οποίας καθορίζεται από τη δομή της επιφάνειας του αντικειμένου και τα χαρακτηριστικά όπως καθρέφτες, φώτα, πινακίδα κυκλοφορίας και κεραία. Το 10% της αντίστασης του αέρα οφείλεται στη ροή μέσω των αεραγωγών προς τα φρένα, τον κινητήρα και το κιβώτιο ταχυτήτων. Το 20% είναι αποτέλεσμα στροβιλισμού σε διάφορα σχέδια δαπέδων και αναρτήσεων, δηλαδή ό,τι συμβαίνει κάτω από το αυτοκίνητο. Και αυτό που είναι πιο ενδιαφέρον - το 30% της αντίστασης του αέρα οφείλεται στις δίνες που δημιουργούνται γύρω από τους τροχούς και τα φτερά. Μια πρακτική επίδειξη αυτού του φαινομένου το δείχνει ξεκάθαρα - ο ρυθμός ροής από 0,28 ανά όχημα πέφτει στο 0,18 όταν αφαιρεθούν οι τροχοί και κλείσουν οι αεραγωγοί των φτερών. Δεν είναι τυχαίο ότι όλα τα εκπληκτικά αυτοκίνητα χαμηλών χιλιομέτρων - όπως το πρώτο Insight της Honda και το ηλεκτρικό αυτοκίνητο GM EV1 - έχουν κρυμμένα πίσω φτερά. Το συνολικό αεροδυναμικό σχήμα και το κλειστό μπροστινό άκρο, λόγω του γεγονότος ότι ο ηλεκτροκινητήρας δεν απαιτεί πολύ αέρα ψύξης, επέτρεψαν στους σχεδιαστές της GM να αναπτύξουν το μοντέλο EV1 με συντελεστή ροής μόλις 0,195. Το Tesla Model 3 έχει Cx 0,21. Για τη μείωση του στροβιλισμού των τροχών σε οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης, τα λεγόμενα. "Αεροκουρτίνες" με τη μορφή λεπτής κατακόρυφης ροής αέρα που κατευθύνεται από το άνοιγμα στον μπροστινό προφυλακτήρα, φυσώντας γύρω από τους τροχούς και σταθεροποιώντας τις δίνες, η ροή στον κινητήρα περιορίζεται από αεροδυναμικά ρολά και το κάτω μέρος είναι εντελώς κλειστό.

Όσο χαμηλότερες είναι οι τιμές των δυνάμεων που μετρώνται από τη βάση του κυλίνδρου, τόσο μικρότερο είναι το Cx. Συνήθως μετριέται με ταχύτητα 140 km/h – μια τιμή 0,30, για παράδειγμα, σημαίνει ότι το 30 τοις εκατό του αέρα από τον οποίο διέρχεται ένα αυτοκίνητο επιταχύνεται στην ταχύτητά του. Όσον αφορά το μπροστινό μέρος, η ανάγνωσή του απαιτεί μια πολύ απλούστερη διαδικασία - γι 'αυτό, τα εξωτερικά περιγράμματα του αυτοκινήτου σκιαγραφούνται με λέιζερ όταν παρατηρούνται από μπροστά και υπολογίζεται η κλειστή περιοχή σε τετραγωνικά μέτρα. Στη συνέχεια πολλαπλασιάζεται με τον συντελεστή ροής για να ληφθεί η συνολική αντίσταση αέρα του αυτοκινήτου σε τετραγωνικά μέτρα.

Επιστρέφοντας στο ιστορικό περίγραμμα της αεροδυναμικής μας αφήγησης, διαπιστώνουμε ότι η δημιουργία του τυποποιημένου κύκλου μέτρησης κατανάλωσης καυσίμου (NEFZ) το 1996 έπαιξε πράγματι αρνητικό ρόλο στην αεροδυναμική εξέλιξη των αυτοκινήτων (η οποία προχώρησε σημαντικά στα 7s). ) επειδή ο αεροδυναμικός παράγοντας έχει μικρή επίδραση λόγω της μικρής περιόδου κίνησης υψηλής ταχύτητας. Παρά τη μείωση του συντελεστή κατανάλωσης με την πάροδο των ετών, η αύξηση των διαστάσεων των οχημάτων κάθε κατηγορίας οδηγεί σε αύξηση της μετωπικής περιοχής και, κατά συνέπεια, σε αύξηση της αντίστασης του αέρα. Αυτοκίνητα όπως το VW Golf, το Opel The Astra και η BMW Σειρά 90 είχαν υψηλότερη αντίσταση αέρα από τους προκατόχους τους στη δεκαετία του '90. Αυτή η τάση διευκολύνεται από τα εντυπωσιακά μοντέλα SUV με τη μεγάλη μπροστινή τους επιφάνεια και την επιδείνωση του εξορθολογισμού. Αυτός ο τύπος οχήματος έχει επικριθεί κυρίως για το υψηλό του βάρος, αλλά στην πράξη αυτός ο παράγοντας γίνεται λιγότερο σημαντικός με την αύξηση της ταχύτητας - όταν οδηγείτε έξω από την πόλη με ταχύτητα περίπου 50 km/h, το ποσοστό της αντίστασης του αέρα είναι περίπου 80 τοις εκατό, σε ταχύτητες αυτοκινητόδρομου αυξάνεται στο XNUMX τοις εκατό από τη συνολική αντίσταση που αντιμετωπίζει το αυτοκίνητο.

Αεροδυναμικός σωλήνας

Ένα άλλο παράδειγμα του ρόλου της αντίστασης του αέρα στην απόδοση του οχήματος είναι ένα τυπικό μοντέλο Smart City. Ένα διθέσιο μπορεί να είναι ευκίνητο και ευκίνητο στους δρόμους της πόλης, αλλά το κοντό και αναλογικό του αμάξωμα είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικό από αεροδυναμική άποψη. Στο πλαίσιο του χαμηλού βάρους, η αντίσταση του αέρα γίνεται ολοένα και πιο σημαντικό στοιχείο και με το Smart αρχίζει να έχει ισχυρό αποτέλεσμα σε ταχύτητες 50 km / h. Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι παρά τον ελαφρύ σχεδιασμό, δεν ανταποκρίθηκε στις προσδοκίες σχετικά χαμηλού κόστους.

Ωστόσο, παρά τις ελλείψεις της Smart, η στάση της μητρικής εταιρείας Mercedes στην αεροδυναμική είναι ένα παράδειγμα μεθοδικής, συνεπούς και προληπτικής προσέγγισης στη διαδικασία δημιουργίας θεαματικών μορφών. Μπορεί να υποστηριχθεί ότι τα αποτελέσματα των επενδύσεων σε αεροσήραγγα και η σκληρή δουλειά σε αυτόν τον τομέα είναι ιδιαίτερα αισθητά σε αυτήν την εταιρεία. Ένα ιδιαίτερα εντυπωσιακό παράδειγμα της επίδρασης αυτής της διαδικασίας είναι το γεγονός ότι η τρέχουσα S-Class (Cx 0,24) έχει μικρότερη αντίσταση αέρα από το Golf VII (0,28). Στην αναζήτηση περισσότερου εσωτερικού χώρου, το σχήμα του συμπαγούς μοντέλου έχει αποκτήσει μια αρκετά μεγάλη μετωπική περιοχή και ο συντελεστής ροής είναι χειρότερος από αυτόν της κατηγορίας S λόγω του μικρότερου μήκους του, το οποίο δεν επιτρέπει απλές επιφάνειες και πολλά περισσότερο. - ήδη λόγω μιας απότομης μετάβασης από πίσω, συμβάλλοντας στο σχηματισμό δίνων. Ωστόσο, η VW είναι ανένδοτη ότι το Golf επόμενης γενιάς θα έχει σημαντικά λιγότερη αντίσταση αέρα και θα χαμηλώσει και θα εξορθολογιστεί. Ο χαμηλότερος καταγεγραμμένος συντελεστής κατανάλωσης καυσίμου 0,22 ανά όχημα ICE είναι το Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Το πλεονέκτημα των ηλεκτρικών οχημάτων

Ένα άλλο παράδειγμα της σημασίας του αεροδυναμικού σχήματος έναντι του βάρους είναι τα σύγχρονα υβριδικά μοντέλα και ακόμη περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα. Στην περίπτωση του Prius, για παράδειγμα, η ανάγκη για εξαιρετικά αεροδυναμική σχεδίαση υπαγορεύεται επίσης από το γεγονός ότι καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, η αποτελεσματικότητα του υβριδικού συστήματος κίνησης μειώνεται δραματικά. Στην περίπτωση των ηλεκτρικών οχημάτων, όλα όσα σχετίζονται με την αυξημένη απόσταση σε μίλια σε ηλεκτρική λειτουργία είναι εξαιρετικά σημαντικό. Σύμφωνα με τους ειδικούς, η μείωση του βάρους κατά 100 κιλά θα αυξήσει τα χιλιόμετρα του αυτοκινήτου μόνο λίγα χιλιόμετρα, αλλά από την άλλη πλευρά, η αεροδυναμική είναι ύψιστης σημασίας για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο.

Πρώτον, επειδή η υψηλή μάζα αυτών των οχημάτων τους επιτρέπει να ανακτήσουν μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιείται για την ανάκτηση και δεύτερον, επειδή η υψηλή ροπή του ηλεκτροκινητήρα σας επιτρέπει να αντισταθμίσετε την επίδραση του βάρους κατά την εκκίνηση και η απόδοσή του μειώνεται σε υψηλές και υψηλές ταχύτητες. Επιπλέον, τα ηλεκτρονικά ισχύος και ο ηλεκτροκινητήρας χρειάζονται λιγότερο αέρα ψύξης, γεγονός που επιτρέπει ένα μικρότερο άνοιγμα στο μπροστινό μέρος του αυτοκινήτου, το οποίο, όπως έχουμε ήδη σημειώσει, είναι ο κύριος λόγος για την επιδείνωση της ροής γύρω από το αμάξωμα. Ένα άλλο στοιχείο του κινήτρου των σχεδιαστών να δημιουργήσουν πιο αποτελεσματικά αεροδυναμικά σχήματα στα σημερινά plug-in υβριδικά μοντέλα είναι ο τρόπος κίνησης χωρίς επιτάχυνση μόνο με τη βοήθεια ενός ηλεκτροκινητήρα, ή του λεγόμενου. ιστιοπλοΐα. Σε αντίθεση με τα ιστιοπλοϊκά, από όπου προέρχεται ο όρος και όπου ο άνεμος υποτίθεται ότι κινεί το σκάφος, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θα αυξήσουν τα χιλιόμετρα εάν το αυτοκίνητο έχει λιγότερη αντίσταση αέρα. Η δημιουργία ενός αεροδυναμικά βελτιστοποιημένου σχήματος είναι ο πιο οικονομικός τρόπος μείωσης της κατανάλωσης καυσίμου.

Κείμενο: Georgy Kolev

Οι συντελεστές κατανάλωσης ορισμένων διάσημων αυτοκινήτων:

Mercedes Simplex

1904 παραγωγή, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

1921 παραγωγή, Cx = 0,28

Ford Model T

1927 παραγωγή, Cx = 0,70

Πειραματικό μοντέλο Kam

1938 παραγωγή, Cx = 0,36

Αυτοκίνητο της Mercedes

1938 παραγωγή, Cx = 0,12

VW bus

1950 παραγωγή, Cx = 0,44

VW "χελώνα"

1951 παραγωγή, Cx = 0,40

Πανχάρντ Ντίνα

1954 παραγωγή, Cx = 0,26

Porsche 356

1957 παραγωγή, Cx = 0,36

MG EX 181

1957 παραγωγή, Cx = 0,15

Citroen DS 19

1963 παραγωγή, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966 παραγωγή, Cx = 0,38

Mercedes C 111

1970 παραγωγή, Cx = 0,29

Volvo 245 Van

1975 παραγωγή, Cx = 0,47

Audi 100

1983 παραγωγή, Cx = 0,31

Mercedes W 124

1985 παραγωγή, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

1997 παραγωγή, Cx = 0,29