Priručnik za aerodinamiku

Najvažniji faktori koji utječu na otpor zraka u vozilu

Mali otpor zraka pomaže u smanjenju potrošnje goriva. Međutim, u tom pogledu postoji ogroman prostor za razvoj. Ako se, naravno, stručnjaci za aerodinamiku slože sa mišljenjem dizajnera.

"Aerodinamika za one koji ne mogu raditi motocikle." Ove riječi je izgovorio Enzo Ferrari šezdesetih godina i jasno pokazuju stav mnogih tadašnjih dizajnera prema ovoj tehnološkoj strani automobila. Međutim, tek deset godina kasnije dogodila se prva naftna kriza koja je iz temelja promijenila njihov cjelokupni sistem vrijednosti. Vremena kada se sve sile otpora tijekom kretanja automobila, a posebno one koje nastaju pri prolasku kroz zračne slojeve, prevladavaju opsežnim tehničkim rješenjima, poput povećanja zapremnine i snage motora, bez obzira na potrošenu količinu goriva, one odlaze, a inženjeri počinju tražiti efikasniji načini za postizanje vaših ciljeva.

Trenutno je tehnološki faktor aerodinamike prekriven debelim slojem prašine zaborava, ali za dizajnere to nije vijest. Istorija tehnologije pokazuje da su čak i u 77-ima napredni i inventivni umovi, poput Nijemca Edmunda Rumplera i Mađara Paula Jaraija (koji je stvorio kultni Tatra TXNUMX), oblikovali racionalizirane površine i postavili temelje aerodinamičnom pristupu dizajnu karoserije automobila. Slijedio ih je drugi val aerodinamičkih stručnjaka kao što su barun Reinhard von Könich-Faxenfeld i Wunibald Kam, koji su svoje ideje razvijali u XNUMX-ima.

Svima je jasno da sa povećanjem brzine dolazi granica, iznad koje otpor vazduha postaje kritičan faktor za vožnju automobila. Stvaranje aerodinamički optimiziranih oblika može značajno pomaknuti ovu granicu prema gore i izražava se takozvanim faktorom protoka Cx, budući da vrijednost 1,05 ima kocku obrnutu okomito na protok zraka (ako se rotira za 45 stepeni duž svoje ose, tako da uzvodno ivica se smanjuje na 0,80). Međutim, ovaj koeficijent je samo jedan dio jednačine otpora zraka - morate dodati veličinu prednje površine automobila (A) kao važan element. Prvi od zadataka aerodinamičara je stvaranje čistih, aerodinamički efikasnih površina (čijih faktora, kao što ćemo vidjeti, ima dosta u automobilu), što u konačnici dovodi do nižeg koeficijenta protoka. Za mjerenje potonjeg potreban je aerotunel, koji je skupa i izuzetno složena konstrukcija – primjer za to je tunel pušten u rad 2009. godine. BMW, koji je kompaniju koštao 170 miliona eura. Najvažnija komponenta u njemu nije džinovski ventilator, koji troši toliko struje da mu je potrebna posebna trafostanica, već precizan valjkasti stalak koji mjeri sve sile i momente koje mlaz zraka djeluje na automobil. Njegov zadatak je procijeniti cjelokupnu interakciju automobila sa protokom zraka i pomoći stručnjacima da prouče svaki detalj i promijene ga tako da ne samo da bude efikasan u protoku zraka, već i u skladu sa željama dizajnera. . U osnovi, glavne komponente otpora sa kojima se automobil susreće potiču od kada se vazduh ispred njega kompresuje i pomera, i – što je veoma važno – od intenzivne turbulencije iza njega na zadnjem delu. Postoji zona niskog pritiska koja teži da povuče automobil, što je zauzvrat pomešano sa snažnim vorteks efektom, koji aerodinamičari nazivaju i "mrtvom ekscitacijom". Iz logičnih razloga, nakon karavan modela, nivo vakuuma je veći, zbog čega se koeficijent potrošnje pogoršava.

Aerodinamički faktori otpora

Ovo poslednje ne zavisi samo od faktora kao što je ukupni oblik automobila, već i od specifičnih delova i površina. U praksi, ukupni oblik i proporcije modernih automobila čine 40 posto ukupnog otpora zraka, od čega je četvrtina određena strukturom površine objekta i karakteristikama kao što su ogledala, svjetla, registarske tablice i antena. 10% otpora zraka nastaje zbog protoka kroz ventilacijske otvore do kočnica, motora i mjenjača. 20% je rezultat vrtloga u raznim izvedbama poda i ovjesa, odnosno svega što se dešava ispod automobila. I ono što je najzanimljivije - 30% otpora vazduha je zbog vrtloga koji se stvaraju oko točkova i krila. Praktična demonstracija ovog fenomena to jasno pokazuje - brzina protoka sa 0,28 po vozilu pada na 0,18 kada se kotači uklone i otvori na blatobranima zatvore. Nije slučajno da svi automobili sa iznenađujuće malom kilometražom – kao što su prvi Honda Insight i električni automobil GM EV1 – imaju skrivene zadnje blatobrane. Ukupni aerodinamički oblik i zatvoreni prednji kraj, zbog činjenice da elektromotor ne zahtijeva puno zraka za hlađenje, omogućili su GM dizajnerima da razviju model EV1 sa faktorom protoka od samo 0,195. Tesla Model 3 ima Cx 0,21. Za smanjenje vrtložnosti točkova kod vozila sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem, tzv. „Vazdušne zavese“ u vidu tanke vertikalne vazdušne struje usmerene iz otvora na prednjem braniku, duvaju oko točkova i stabilizuju vrtloge, protok ka motoru je ograničen aerodinamičnim zatvaračima, a dno je potpuno zatvoreno.

Što su niže vrijednosti sila mjerenih stalkom valjka, to je manji Cx. Obično se mjeri pri brzini od 140 km/h – vrijednost od 0,30, na primjer, znači da je 30 posto zraka kroz koji automobil prolazi ubrzano do svoje brzine. Što se tiče prednjeg dijela, njegovo očitavanje zahtijeva mnogo jednostavniju proceduru - za to se laserom ocrtavaju vanjske konture automobila kada se gleda sprijeda i izračunava se zatvorena površina u kvadratnim metrima. Zatim se množi sa faktorom protoka da bi se dobio ukupan otpor vazduha automobila u kvadratnim metrima.

Vraćajući se na historijski nacrt našeg aerodinamičkog narativa, otkrivamo da je stvaranje standardiziranog ciklusa mjerenja potrošnje goriva (NEFZ) 1996. godine zapravo igralo negativnu ulogu u aerodinamičkoj evoluciji automobila (koja je značajno napredovala u 7-ima). ) jer aerodinamički faktor ima mali uticaj zbog kratkog perioda kretanja velikom brzinom. Unatoč smanjenju koeficijenta potrošnje tijekom godina, povećanje dimenzija vozila svake klase dovodi do povećanja prednje površine i, posljedično, do povećanja otpora zraka. Automobili kao što su VW Golf, Opel Astra i BMW serije 90 imali su veći otpor vazduha od svojih prethodnika iz 90-ih. Ovaj trend olakšavaju impresivni SUV modeli sa velikom prednjom površinom i sve lošijom aerodinamičnošću. Ova vrsta vozila je kritikovana uglavnom zbog velike težine, ali u praksi ovaj faktor postaje manje važan sa povećanjem brzine – kada se vozi van grada brzinom od oko 50 km/h, udeo otpora vazduha je oko 80 posto, pri brzinama na autoputu povećava se na XNUMX posto od ukupnog otpora s kojim se automobil suočava.

Aerodinamička cijev

Još jedan primjer uloge otpora zraka u performansama vozila je tipičan Smart City model. Dvosjed može biti okretan i okretan na gradskim ulicama, ali njegova kratka i proporcionalna karoserija je vrlo neefikasna sa aerodinamičkog stanovišta. Na pozadini male težine otpor zraka postaje sve važniji element, a sa Smartom počinje snažno djelovati pri brzinama od 50 km / h. Nije iznenađujuće da uprkos laganom dizajnu nije opravdao očekivanja relativno niske cijene.

Međutim, uprkos Smartovim nedostacima, odnos matične kompanije Mercedes prema aerodinamici primjer je metodičnog, dosljednog i proaktivnog pristupa procesu stvaranja spektakularnih formi. Može se reći da su rezultati ulaganja u aerotunele i napornog rada u ovoj oblasti posebno uočljivi u ovoj kompaniji. Posebno upečatljiv primjer efekta ovog procesa je činjenica da trenutna S-Klasa (Cx 0,24) ima manji otpor zraka od Golfa VII (0,28). U potrazi za većim unutrašnjim prostorom, oblik kompaktnog modela dobio je prilično veliku prednju površinu, a koeficijent protoka je lošiji od onog kod S-klase zbog svoje kraće dužine, koja ne dozvoljava aerodinamične površine i mnogo više. - već zbog oštrog prijelaza odostraga, doprinoseći stvaranju vrtloga. Međutim, VW je nepokolebljiv da će sljedeća generacija Golfa imati znatno manji otpor zraka i biti smanjena i aerodinamična. Najniži zabilježeni faktor potrošnje goriva od 0,22 po ICE vozilu je Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Prednost električnih vozila

Još jedan primjer važnosti aerodinamičnog oblika u odnosu na težinu su moderni hibridni modeli i još više električnih vozila. U slučaju Priusa, na primjer, potrebu za visoko aerodinamičnim dizajnom diktira i činjenica da s povećanjem brzine efikasnost hibridnog pogonskog sklopa dramatično opada. U slučaju električnih vozila, sve što je vezano za povećanu kilometražu u električnom režimu je izuzetno važno. Prema riječima stručnjaka, smanjenjem težine za 100 kg povećati će se kilometraža automobila za samo nekoliko kilometara, ali s druge strane, aerodinamika je od presudne važnosti za električni automobil.

Prvo, zato što im velika masa ovih vozila omogućava da povrate dio energije utrošene za rekuperaciju, a drugo, zato što veliki obrtni moment elektromotora omogućava kompenzaciju efekta težine pri pokretanju, a njegova efikasnost se smanjuje. pri velikim brzinama i velikim brzinama. Osim toga, energetskoj elektronici i elektromotoru je potrebno manje zraka za hlađenje, što omogućava manji otvor na prednjem dijelu automobila, što je, kako smo već napomenuli, glavni razlog pogoršanja strujanja oko karoserije. Drugi element motivacije dizajnera da kreiraju aerodinamički efikasnije oblike u današnjim plug-in hibridnim modelima je način kretanja bez ubrzanja samo uz pomoć elektromotora, ili tzv. jedrenje. Za razliku od jedrilica, odakle dolazi pojam i gdje bi vjetar trebao pokretati čamac, električni automobili će povećati kilometražu ako automobil ima manji otpor zraka. Stvaranje aerodinamički optimiziranog oblika je najekonomičniji način smanjenja potrošnje goriva.

Tekst: Georgy Kolev

Koeficijenti potrošnje nekih poznatih automobila:

Mercedes Simplex

Proizvodnja iz 1904., Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Proizvodnja iz 1921., Cx = 0,28

Ford Model T

Proizvodnja iz 1927., Cx = 0,70

Eksperimentalni model Kam

Proizvodnja iz 1938., Cx = 0,36

Mercedes rekordni automobil

Proizvodnja iz 1938., Cx = 0,12

VW autobus

Proizvodnja iz 1950., Cx = 0,44

VW "kornjača"

Proizvodnja iz 1951., Cx = 0,40

Panhard Dina

Proizvodnja iz 1954., Cx = 0,26

Porsche 356

Proizvodnja iz 1957., Cx = 0,36

MG EX 181

Proizvodnja iz 1957., Cx = 0,15

Citroen DS 19

Proizvodnja iz 1963., Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Proizvodnja iz 1966., Cx = 0,38

Mercedes C 111

Proizvodnja iz 1970., Cx = 0,29

Volvo 245 Furgon

Proizvodnja iz 1975., Cx = 0,47

Audi 100

Proizvodnja iz 1983., Cx = 0,31

Mercedes W 124

Proizvodnja iz 1985., Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Proizvodnja iz 1997., Cx = 0,29