Ταραχώδης ροή

Πώς η σύγχρονη τεχνολογία αλλάζει την αεροδυναμική του αυτοκινήτου

Η χαμηλή αντίσταση στον αέρα συμβάλλει στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Από αυτή την άποψη, ωστόσο, υπάρχουν τεράστιες ευκαιρίες για ανάπτυξη. Μέχρι στιγμής, φυσικά, οι ειδικοί 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 '60 και δείχνουν ξεκάθαρα τη στάση πολλών σχεδιαστών της εποχής προς αυτήν την τεχνολογική πτυχή του αυτοκινήτου. Ωστόσο, μόλις δέκα χρόνια αργότερα ήρθε η πρώτη πετρελαϊκή κρίση και ολόκληρο το σύστημα αξιών τους άλλαξε ριζικά. Οι καιροί που όλες οι δυνάμεις αντίστασης στην κίνηση του αυτοκινήτου, και ειδικά εκείνες που προκύπτουν ως αποτέλεσμα της διέλευσης του από τα στρώματα αέρα, ξεπερνιούνται από εκτεταμένες τεχνικές λύσεις, όπως η αύξηση της μετατόπισης και της ισχύος των κινητήρων, ανεξάρτητα από την ποσότητα καυσίμου που καταναλώνεται, εξαφανίζονται και οι μηχανικοί ξεκινούν Αναζητήστε πιο αποτελεσματικούς τρόπους για την επίτευξη των στόχων σας.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Προς το παρόν, ο τεχνολογικός παράγοντας της αεροδυναμικής καλύπτεται από ένα παχύ στρώμα σκόνης λησμονίας, αλλά δεν είναι εντελώς νέο για τους σχεδιαστές. Η ιστορία της τεχνολογίας δείχνει ότι ακόμη και στη δεκαετία του '77, προηγμένοι και εφευρετικοί εγκέφαλοι όπως ο Γερμανός Edmund Rumpler και ο Ουγγρικός Paul Jaray (ο οποίος δημιούργησε τη λατρεία Tatra T1930) 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 Κόννιχ-Φαξενφέλντ και ο Γουίνιμπαλντ Καμ, οι οποίοι ανέπτυξαν τις ιδέες τους τη δεκαετία του XNUMX.

Είναι σαφές σε όλους ότι με την αύξηση της ταχύτητας έρχεται ένα όριο, πάνω από το οποίο η αντίσταση του αέρα γίνεται κρίσιμος παράγοντας στην οδήγηση ενός αυτοκινήτου. Η δημιουργία αεροδυναμικά βελτιστοποιημένων σχημάτων μπορεί να μετατοπίσει σημαντικά αυτό το όριο προς τα πάνω 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 άκρο του μειώνεται στο 0,80). Ωστόσο, αυτός ο συντελεστής είναι μόνο ένα μέρος της εξίσωσης αντίστασης αέρα - το μέγεθος της μετωπικής περιοχής του αυτοκινήτου (Α) πρέπει να προστεθεί ως βασικό στοιχείο. Το πρώτο από τα καθήκοντα των αεροδυναμικών είναι να δημιουργούν καθαρές, αεροδυναμικά αποδοτικές επιφάνειες (παράγοντες των οποίων, όπως θα δούμε, υπάρχουν πολλοί στο αυτοκίνητο), που τελικά οδηγεί σε μείωση του συντελεστή ροής. Για να μετρηθεί το τελευταίο, χρειάζεται μια αεροδυναμική σήραγγα, η οποία είναι μια δαπανηρή και εξαιρετικά περίπλοκη εγκατάσταση – ένα παράδειγμα αυτού είναι η σήραγγα 2009 εκατομμυρίων ευρώ της BMW που τέθηκε σε λειτουργία το 170. Το πιο σημαντικό εξάρτημα σε αυτό δεν είναι ένας γιγάντιος ανεμιστήρας, ο οποίος καταναλώνει τόσο πολύ ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται ξεχωριστό σταθμό μετασχηματιστή, αλλά μια ακριβή βάση κυλίνδρων που μετρά όλες τις δυνάμεις και τις ροπές που ασκεί ο πίδακας αέρα στο αυτοκίνητο. Η δουλειά του είναι να αξιολογήσει όλη την αλληλεπίδραση του αυτοκινήτου με τη ροή αέρα και να βοηθήσει τους ειδικούς να μελετήσουν κάθε λεπτομέρεια και να την αλλάξουν με τέτοιο τρόπο ώστε όχι μόνο να το κάνουν αποτελεσματικό 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 – κάτι εξαιρετικά σημαντικό – από τις έντονες αναταράξεις πίσω του στο πίσω μέρος. Εκεί σχηματίζεται μια ζώνη χαμηλής πίεσης που τείνει να τραβήξει το αυτοκίνητο, το οποίο με τη σειρά του αναμειγνύεται με την ισχυρή επιρροή της δίνης, την οποία οι αεροδυναμικοί αποκαλούν και «νεκρή διέγερση». Για λογικούς λόγους, πίσω από τα μοντέλα ακινήτων, το επίπεδο μειωμένης πίεσης είναι υψηλότερο, με αποτέλεσμα να επιδεινώνεται ο συντελεστής ροής.

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 έχουν μερίδιο 40 τοις εκατό της συνολικής αντίστασης του αέρα, το ένα τέταρτο του οποίου 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 οπών προς τα φρένα, τον κινητήρα και το κιβώτιο ταχυτήτων. Το 20% είναι αποτέλεσμα στροβιλισμού στις διάφορες κατασκευές δαπέδου και ανάρτησης, δηλαδή ό,τι συμβαίνει κάτω από το αυτοκίνητο. Και το πιο ενδιαφέρον είναι ότι έως και το 30% της αντίστασης του αέρα οφείλεται στις δίνες που δημιουργούνται γύρω από τους τροχούς και τα φτερά. Μια πρακτική επίδειξη αυτού του φαινομένου δίνει μια σαφή ένδειξη αυτού - ο συντελεστής κατανάλωσης από 0,28 ανά αυτοκίνητο μειώνεται στο 0,18 όταν αφαιρούνται οι τροχοί και καλύπτονται οι τρύπες στο φτερό με την ολοκλήρωση του σχήματος του αυτοκινήτου. Δεν είναι τυχαίο ότι όλα τα αυτοκίνητα με εκπληκτικά χαμηλά χιλιόμετρα, όπως το πρώτο Honda Insight και το ηλεκτρικό αυτοκίνητο EV1 της GM, έχουν κρυμμένα πίσω φτερά. Το συνολικό αεροδυναμικό σχήμα και το κλειστό μπροστινό άκρο, λόγω του γεγονότος ότι ο ηλεκτροκινητήρας δεν απαιτεί μεγάλη ποσότητα αέρα ψύξης, επέτρεψαν στους προγραμματιστές της GM να αναπτύξουν το μοντέλο EV1 με συντελεστή ροής μόνο 0,195. Το μοντέλο 3 της Tesla έχει Cx 0,21. Για τη μείωση της δίνης γύρω από τους τροχούς σε οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης, τα λεγόμενα. Οι "αεροκουρτίνες" με τη μορφή ενός λεπτού κατακόρυφου ρεύματος αέρα κατευθύνονται από το άνοιγμα στον μπροστινό προφυλακτήρα, φυσώντας γύρω από τους τροχούς και σταθεροποιώντας τις δίνες. Η ροή προς τον κινητήρα περιορίζεται από αεροδυναμικά ρολά και το κάτω μέρος είναι εντελώς κλειστό.

Όσο χαμηλότερες είναι οι δυνάμεις που μετρώνται από τη βάση κυλίνδρων, τόσο χαμηλότερο είναι το Cx. Σύμφωνα με το πρότυπο, 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 επιταχύνει στην ταχύτητά του. Όσον αφορά την μπροστινή περιοχή, η ανάγνωσή της απαιτεί μια πολύ απλούστερη διαδικασία - γι 'αυτό, με τη βοήθεια ενός λέιζερ, τα εξωτερικά περιγράμματα του αυτοκινήτου σκιαγραφούνται από μπροστά και υπολογίζεται η κλειστή περιοχή σε τετραγωνικά μέτρα. Αυτό πολλαπλασιάζεται στη συνέχεια με τον συντελεστή ροής για να ληφθεί η συνολική αντίσταση αέρα του οχήματος σε τετραγωνικά μέτρα.

Επιστρέφοντας στο ιστορικό περίγραμμα της αεροδυναμικής μας περιγραφής, 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 τη δεκαετία του 1980). ) επειδή ο αεροδυναμικός παράγοντας έχει μικρή επίδραση λόγω της μικρής περιόδου κίνησης υψηλής ταχύτητας. Αν και ο συντελεστής ροής μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, η αύξηση του μεγέθους των οχημάτων σε κάθε κατηγορία έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της μετωπικής επιφάνειας και συνεπώς την αύξηση της αντίστασης του αέρα. Αυτοκίνητα όπως το VW Golf, το Opel Astra και η BMW Σειρά 7 είχαν υψηλότερη αντίσταση αέρα από τους προκατόχους τους τη δεκαετία του 1990. Αυτή η τάση τροφοδοτείται από μια ομάδα εντυπωσιακών μοντέλων SUV με τη μεγάλη μετωπική τους επιφάνεια και την επιδείνωση της κυκλοφορίας. Αυτός ο τύπος αυτοκινήτου έχει επικριθεί κυρίως για το τεράστιο βάρος του, αλλά στην πράξη αυτός ο παράγοντας αποκτά μικρότερη σχετική σημασία με την αύξηση της ταχύτητας - ενώ όταν οδηγείτε έξω από την πόλη με ταχύτητα περίπου 90 km/h, το ποσοστό της αντίστασης του αέρα είναι περίπου 50 τοις εκατό, σε ταχύτητες αυτοκινητόδρομου, αυξάνεται στο 80 τοις εκατό της συνολικής αντίστασης που αντιμετωπίζει το όχημα.

Αεροδυναμικός σωλήνας

Ένα άλλο παράδειγμα του ρόλου της αντίστασης του αέρα στην απόδοση του οχήματος είναι το τυπικό μοντέλο Smart city. Ένα διθέσιο αυτοκίνητο μπορεί να είναι ευκίνητο και ευκίνητο στους δρόμους της πόλης, αλλά ένα κοντό και αναλογικό σώμα είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικό από αεροδυναμική άποψη. Με φόντο το ελαφρύ βάρος, η αντίσταση του αέρα γίνεται όλο και πιο σημαντικό στοιχείο και με το Smart αρχίζει να έχει ισχυρή επίδραση σε ταχύτητες 50 km / h. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι υπολείπεται των προσδοκιών για χαμηλό κόστος παρά τον ελαφρύ σχεδιασμό του.

Παρά τις ελλείψεις της Smart, ωστόσο, η προσέγγιση της μητρικής εταιρείας Mercedes στην αεροδυναμική αποτελεί παράδειγμα μιας μεθοδικής, συνεπούς και προληπτικής προσέγγισης στη διαδικασία δημιουργίας αποτελεσματικών σχημάτων. Μπορεί να υποστηριχθεί ότι τα αποτελέσματα των επενδύσεων σε αεροσήραγγα και η σκληρή δουλειά σε αυτόν τον τομέα είναι ιδιαίτερα ορατά 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 στον αέρα από το Golf VII (0,28). Κατά τη διαδικασία εύρεσης περισσότερου εσωτερικού χώρου, το σχήμα του συμπαγούς μοντέλου έχει αποκτήσει μια μάλλον μεγάλη μετωπική περιοχή και ο συντελεστής ροής είναι χειρότερος από αυτόν της κατηγορίας S λόγω του μικρότερου μήκους, το οποίο δεν επιτρέπει μεγάλες βελτιωμένες επιφάνειες και κυρίως λόγω μιας απότομης μετάβασης προς τα πίσω, προάγοντας το σχηματισμό δίνων. Η VW ήταν ανένδοτη ότι το νέο Golf όγδοης γενιάς θα είχε σημαντικά λιγότερη αντίσταση αέρα και χαμηλότερο και πιο βελτιωμένο σχήμα, αλλά παρά τη νέα σχεδίαση και τις δυνατότητες δοκιμών, αυτό αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολο για το αυτοκίνητο. με αυτή τη μορφή. Ωστόσο, με συντελεστή 0,275, αυτό είναι το πιο αεροδυναμικό Golf που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Η χαμηλότερη καταγεγραμμένη αναλογία κατανάλωσης καυσίμου 0,22 ανά όχημα με κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι αυτή της 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 ένα εξαιρετικά αεροδυναμικό σχήμα υπαγορεύεται επίσης από το γεγονός ότι καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, μειώνεται η απόδοση του υβριδικού κινητήρα. Στην περίπτωση ηλεκτρικών οχημάτων, οτιδήποτε σχετίζεται με την αυξημένη απόσταση σε μίλια σε ηλεκτρική λειτουργία είναι εξαιρετικά σημαντικό. Σύμφωνα με τους ειδικούς, μια απώλεια βάρους 100 κιλών θα αυξήσει τα χιλιόμετρα του αυτοκινήτου μόνο μερικά χιλιόμετρα, αλλά από την άλλη πλευρά, η αεροδυναμική είναι ύψιστης σημασίας για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Πρώτον, επειδή η μεγάλη μάζα αυτών των οχημάτων τους επιτρέπει να ανακτήσουν μέρος της ενέργειας που καταναλώνεται από την ανάρρωση, και δεύτερον, επειδή η υψηλή ροπή του ηλεκτρικού κινητήρα του επιτρέπει να αντισταθμίζει την επίδραση του βάρους κατά την εκκίνηση και η απόδοσή του μειώνεται σε υψηλές και υψηλές ταχύτητες. Επιπλέον, τα ηλεκτρονικά ισχύος και ο ηλεκτρικός κινητήρας απαιτούν λιγότερο αέρα ψύξης, κάτι που επιτρέπει μικρότερο άνοιγμα στο μπροστινό μέρος του αυτοκινήτου, το οποίο, όπως σημειώσαμε, είναι η κύρια αιτία μειωμένης ροής αμαξώματος. Ένα άλλο στοιχείο που παρακινεί τους σχεδιαστές να δημιουργήσουν πιο αεροδυναμικά αποδοτικές φόρμες σε σύγχρονα υβριδικά μοντέλα plug-in είναι η λειτουργία ηλεκτρικής κίνησης χωρίς επιτάχυνση, ή η λεγόμενη. ιστιοπλοΐα. Σε αντίθεση με τα ιστιοφόρα, όπου χρησιμοποιείται ο όρος και ο άνεμος πρέπει να μετακινήσει το σκάφος, σε αυτοκίνητα, τα ηλεκτρικά χιλιόμετρα θα αυξάνονταν εάν το αυτοκίνητο είχε λιγότερη αντίσταση στον αέρα. Η δημιουργία αεροδυναμικά βελτιστοποιημένου σχήματος είναι ο πιο οικονομικός τρόπος για τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου.

Οι συντελεστές κατανάλωσης ορισμένων διάσημων αυτοκινήτων:

Mercedes Simplex

Κατασκευή 1904, Cx = 1,05

Rumpler drop wagon

Κατασκευή 1921, Cx = 0,28

Ford Μοντέλο Τ

Κατασκευή 1927, Cx = 0,70

Πειραματικό μοντέλο Kama

Κατασκευάστηκε το 1938, Cx = 0,36.

Αυτοκίνητο της Mercedes

Κατασκευή 1938, Cx = 0,12

VW bus

Κατασκευή 1950, Cx = 0,44

Volkswagen "Χελώνα"

Κατασκευή 1951, Cx = 0,40

Πανχάρντ Ντίνα

Κατασκευάστηκε το 1954, Cx = 0,26.

Porsche 356 Α

Κατασκευάστηκε το 1957, Cx = 0,36.

MG EX 181

1957 παραγωγή, Cx = 0,15

Citroen DS 19

Κατασκευή 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Κατασκευή 1966, Cx = 0,38

Mercedes S 111

Κατασκευή 1970, Cx = 0,29

Volvo 245 Estate

Κατασκευή 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Κατασκευή 1983, Cx = 0,31

Mercedes W124

Κατασκευή 1985, Cx = 0,29

Lamborghini countach

Κατασκευή 1990, Cx = 0,40

Toyota Prius 1

Κατασκευή 1997, Cx = 0,29