Manual d’Aerodinàmica

Els factors més importants que afecten la resistència de l’aire del vehicle

La baixa resistència de l’aire ajuda a reduir el consum de combustible. No obstant això, en aquest sentit, hi ha un enorme marge de desenvolupament. Si, per descomptat, els experts en aerodinàmica estan d’acord amb l’opinió dels dissenyadors.

"Aerodinàmica per a aquells que no poden fabricar motocicletes". Aquestes paraules les va pronunciar Enzo Ferrari als anys seixanta i demostren clarament l’actitud de molts dissenyadors de l’època envers aquest vessant tecnològic del cotxe. Tot i això, només deu anys després es va produir la primera crisi del petroli, que va canviar fonamentalment tot el seu sistema de valors. Moments en què totes les forces de resistència durant el moviment del cotxe, i especialment aquelles que sorgeixen quan aquest passa per les capes d’aire, són superades per extenses solucions tècniques, com ara augmentar la cilindrada i la potència dels motors, independentment de la quantitat de combustible consumida, se’n van i els enginyers comencen a mirar formes més efectives d’assolir els vostres objectius.

De moment, el factor tecnològic de l’aerodinàmica està cobert amb una gruixuda capa de pols d’oblit, però per als dissenyadors això no és una notícia. La història de la tecnologia demostra que fins i tot als anys 77, ments avançades i inventives, com l’alemany Edmund Rumpler i l’hongarès Paul Jarai (que va crear l’emblemàtic Tatra TXNUMX), van formar superfícies estilitzades i van establir les bases per a un enfocament aerodinàmic del disseny de carrosseries. Els van seguir una segona onada d’especialistes en aerodinàmica com el baró Reinhard von Könich-Faxenfeld i Wunibald Kam, que van desenvolupar les seves idees als XNUMX.

Tothom està clar que amb l'augment de la velocitat arriba un límit, per sobre del qual la resistència de l'aire es converteix en un factor crític per conduir un cotxe. La creació de formes aerodinàmicament optimitzades pot augmentar considerablement aquest límit i s'expressa amb l'anomenat factor de flux Cx, ja que un valor d'1,05 té un cub invertit perpendicularment al flux d'aire (si es gira 45 graus al llarg del seu eix, de manera que el la vora disminueix a 0,80). Tanmateix, aquest coeficient és només una part de l'equació de la resistència de l'aire: cal afegir la mida de l'àrea frontal del cotxe (A) com a element important. La primera de les tasques dels aerodinàmics és crear superfícies netes i aerodinàmicament eficients (factors dels quals, com veurem, molts en un cotxe), que en última instància condueix a un coeficient de flux més baix. La mesura d'aquest últim requereix un túnel de vent, que és una estructura costosa i extremadament complexa; un exemple d'això és el túnel que es va posar en marxa el 2009. BMW, que va costar a l'empresa 170 milions d'euros. El component més important en ell no és un ventilador gegant, que consumeix tanta electricitat que necessita una subestació transformadora separada, sinó un suport de rodets precís que mesura totes les forces i moments que un raig d'aire exerceix sobre un cotxe. La seva tasca és avaluar tota la interacció del cotxe amb el flux d'aire i ajudar els especialistes a estudiar cada detall i canviar-lo perquè no només sigui efectiu en el flux d'aire, sinó també d'acord amb els desitjos dels dissenyadors. . Bàsicament, els principals components d'arrossegament amb què es troba un cotxe provenen de quan l'aire que hi ha davant es comprimeix i es desplaça, i, molt important, de la intensa turbulència que hi ha darrere a la part posterior. Hi ha una zona de baixa pressió que tendeix a estirar el cotxe, que al seu torn es barreja amb un fort efecte vòrtex, que els aerodinàmics també anomenen "excitació morta". Per raons lògiques, després dels models station wagon, el nivell de buit és més alt, com a conseqüència de la qual cosa el coeficient de consum es deteriora.

Factors d’arrossegament aerodinàmics

Aquest últim depèn no només de factors com la forma general del cotxe, sinó també de peces i superfícies específiques. A la pràctica, la forma i les proporcions generals dels cotxes moderns representen el 40 per cent de la resistència total de l'aire, una quarta part de la qual està determinada per l'estructura de la superfície de l'objecte i característiques com ara miralls, llums, matrícula i antena. El 10% de la resistència de l'aire es deu a fluir a través de les reixetes cap als frens, el motor i la transmissió. El 20% és el resultat del vòrtex en diversos dissenys de sòls i suspensió, és a dir, tot el que passa sota el cotxe. I el que és més interessant: el 30% de la resistència de l'aire es deu als vòrtexs creats al voltant de les rodes i les ales. Una demostració pràctica d'aquest fenomen ho mostra clarament: el cabal de 0,28 per vehicle baixa a 0,18 quan es treuen les rodes i es tanquen les ventilacions del parafangs. No és casualitat que tots els cotxes sorprenentment de baix quilometratge, com el primer Insight d'Honda i el cotxe elèctric GM EV1, tinguin parafangs posteriors amagats. La forma aerodinàmica general i la part frontal tancada, a causa del fet que el motor elèctric no requereix molt d'aire de refrigeració, va permetre als dissenyadors de GM desenvolupar el model EV1 amb un factor de flux de només 0,195. Tesla Model 3 té Cx 0,21. Per reduir la vorticitat de les rodes en vehicles amb motors de combustió interna, els anomenats. "Cortines d'aire" en forma d'un flux d'aire vertical prim dirigit des de l'obertura del para-xocs davanter, que bufa al voltant de les rodes i estabilitza els vòrtexs, el flux al motor està limitat per persianes aerodinàmiques i la part inferior està completament tancada.

Com més baixos siguin els valors de les forces mesurades pel suport de rodets, menor serà el Cx. Normalment es mesura a una velocitat de 140 km/h; un valor de 0,30, per exemple, significa que el 30 per cent de l'aire que passa un cotxe s'accelera a la seva velocitat. Pel que fa a la part davantera, la seva lectura requereix un procediment molt més senzill: per a això, els contorns externs del cotxe es dibuixen amb un làser quan es veuen des de davant i es calcula l'àrea tancada en metres quadrats. A continuació, es multiplica pel factor de flux per obtenir la resistència total de l'aire del cotxe en metres quadrats.

Tornant a l'esquema històric de la nostra narrativa aerodinàmica, trobem que la creació del cicle de mesurament del consum de combustible estandarditzat (NEFZ) el 1996 va tenir un paper negatiu en l'evolució aerodinàmica dels cotxes (que va avançar significativament als 7). ) perquè el factor aerodinàmic té poc efecte a causa del curt període de moviment a alta velocitat. Tot i la disminució del coeficient de consum al llarg dels anys, l'augment de les dimensions dels vehicles de cada classe comporta un augment de la superfície frontal i, en conseqüència, un augment de la resistència de l'aire. Cotxes com el VW Golf, l'Opel The Astra i el BMW Sèrie 90 tenien una major resistència a l'aire que els seus predecessors dels anys 90. Aquesta tendència es veu facilitada pels impressionants models SUV amb la seva gran superfície davantera i la seva racionalització deteriorada. Aquest tipus de vehicle ha estat criticat principalment pel seu gran pes, però a la pràctica aquest factor es torna d'importància relativa menys important amb l'augment de la velocitat: quan es condueix fora de la ciutat a una velocitat d'uns 50 km/h, la proporció de resistència de l'aire és d'aproximadament 80 per cent, a velocitats d'autopista augmenta fins al XNUMX per cent de la resistència total que enfronta el cotxe.

Tub aerodinàmic

Un altre exemple del paper de la resistència de l'aire en el rendiment del vehicle és un model típic de Smart City. Un biplaça pot ser àgil i àgil als carrers de la ciutat, però la seva carrosseria curta i proporcional és altament ineficient des del punt de vista aerodinàmic. En un context de baix pes, la resistència de l'aire esdevé un element cada cop més important, i amb Smart comença a tenir un fort efecte a velocitats de 50 km/h No és d'estranyar que, malgrat el disseny lleuger, no va estar a l'altura de les expectatives. d'un cost relativament baix.

Tanmateix, malgrat les deficiències d'Smart, l'actitud de l'empresa matriu Mercedes cap a l'aerodinàmica és un exemple d'un enfocament metòdic, coherent i proactiu del procés de creació de formes espectaculars. Es pot argumentar que els resultats de la inversió en túnels de vent i el treball dur en aquesta zona són especialment notables en aquesta empresa. Un exemple especialment cridaner de l'efecte d'aquest procés és el fet que l'actual Classe S (Cx 0,24) té menys resistència a l'aire que el Golf VII (0,28). A la recerca de més espai interior, la forma del model compacte ha adquirit una àrea frontal força gran, i el coeficient de flux és pitjor que el de la classe S a causa de la seva menor longitud, que no permet superfícies aerodinàmiques i molt més. - ja a causa d'una transició brusca per darrere, contribuint a la formació de vòrtexs. No obstant això, VW insisteix en què la propera generació de Golf tindrà una resistència a l'aire significativament menor i serà més baixa i més aerodinàmica. El factor de consum de combustible més baix registrat de 0,22 per vehicle ICE és el Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

L’avantatge dels vehicles elèctrics

Un altre exemple de la importància de la forma aerodinàmica en el context del pes són els models híbrids moderns i encara més els vehicles elèctrics. En el cas del Prius, per exemple, la necessitat d’un disseny altament aerodinàmic també ve dictada pel fet que a mesura que augmenta la velocitat, l’eficiència del grup motriu híbrid disminueix dràsticament. En el cas dels vehicles elèctrics, tot el relacionat amb l’augment del quilometratge en mode elèctric és extremadament important. Segons els experts, reduir el pes en 100 kg augmentarà el quilometratge del cotxe en pocs quilòmetres, però, en canvi, l’aerodinàmica és de suma importància per a un cotxe elèctric.

En primer lloc, perquè l'elevada massa d'aquests vehicles els permet recuperar part de l'energia utilitzada per a la recuperació, i en segon lloc, perquè l'elevat parell del motor elèctric permet compensar l'efecte del pes a l'arrencada, i la seva eficiència disminueix. a altes velocitats i altes velocitats. A més, l'electrònica de potència i el motor elèctric necessiten menys aire de refrigeració, la qual cosa permet una obertura més petita a la part davantera del cotxe, que, com ja hem assenyalat, és el principal motiu del deteriorament del flux al voltant de la carrosseria. Un altre element de la motivació dels dissenyadors per crear formes més eficients aerodinàmicament en els models híbrids endollables actuals és el mode de moviment sense acceleració només amb l'ajuda d'un motor elèctric, o l'anomenat. navegant. A diferència dels vaixells de vela, d'on prové el terme i on se suposa que el vent mou el vaixell, els cotxes elèctrics augmentaran el quilometratge si el cotxe té menys resistència a l'aire. Crear una forma aerodinàmicament optimitzada és la forma més econòmica de reduir el consum de combustible.

Text: Georgy Kolev

Els coeficients de consum d'alguns cotxes famosos:

Mercedes Simplex

Producció de 1904, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Producció de 1921, Cx = 0,28

Ford Model T

Producció de 1927, Cx = 0,70

Model experimental Kam

Producció de 1938, Cx = 0,36

Cotxe rècord Mercedes

Producció de 1938, Cx = 0,12

Autobús VW

Producció de 1950, Cx = 0,44

VW "tortuga"

Producció de 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Producció de 1954, Cx = 0,26

Porsche 356

Producció de 1957, Cx = 0,36

MG EX 181

Producció de 1957, Cx = 0,15

Citroen DS 19

Producció de 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Producció de 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Producció de 1970, Cx = 0,29

Volvo 245 Van

Producció de 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Producció de 1983, Cx = 0,31

Mercedes W 124

Producció de 1985, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Producció de 1997, Cx = 0,29