Aerodünaamika käsiraamat

Kõige olulisemad sõiduki õhutakistust mõjutavad tegurid

Madal õhutakistus aitab vähendada kütusekulu. Sellega seoses on aga tohutult arenguruumi. Kui muidugi nõustuvad aerodünaamikaeksperdid disainerite arvamusega.

"Aerodünaamika neile, kes ei oska mootorrattaid valmistada." Need sõnad ütles Enzo Ferrari kuuekümnendatel aastatel ja need näitavad selgelt paljude tolleaegsete disainerite suhtumist auto sellesse tehnoloogilisse poolde. Kuid alles kümme aastat hiljem tekkis esimene naftakriis, mis muutis põhimõtteliselt kogu nende väärtussüsteemi. Ajad, mil kõik vastupanu jõud auto liikumise ajal, eriti need, mis tekivad siis, kui see õhukihte läbib, on ületatud ulatuslike tehniliste lahendustega, näiteks mootorite töömahu ja võimsuse suurendamine, sõltumata tarbitavast kütusekogusest, kaovad ja insenerid hakkavad vaatama tõhusamaid viise oma eesmärkide saavutamiseks.

Praegu on aerodünaamika tehnoloogiline tegur kaetud paksu unustustolmu kihiga, kuid disainerite jaoks pole see uudis. Tehnoloogiaajalugu näitab, et isegi 77. aastatel moodustasid arenenud ja leidlikud meeled, näiteks sakslane Edmund Rumpler ja ungarlane Paul Jarai (kes lõi ikoonilise Tatra TXNUMXi) voolujoonelised pinnad ja panid aluse aerodünaamilisele lähenemisele autode keredisainis. Neile järgnes teine ​​aerodünaamikaspetsialistide laine, nagu parun Reinhard von Könich-Faxenfeld ja Wunibald Kam, kes arendasid oma ideid XNUMX-ides.

Kõigile on selge, et kiiruse suurenemisega tuleb piir, millest ületamisel muutub õhutakistus auto juhtimisel kriitiliseks teguriks. Aerodünaamiliselt optimeeritud kujundite loomine võib seda piiri märkimisväärselt tõsta ja seda väljendab nn voolutegur Cx, kuna väärtusel 1,05 on kuup ümberpööratud õhuvooluga risti (kui seda pöörata 45 kraadi piki oma telge, nii et ülesvoolu serv väheneb 0,80-ni). See koefitsient on aga vaid üks osa õhutakistuse võrrandist – olulise elemendina tuleb lisada auto esiosa suurus (A). Aerodünaamikute esimene ülesanne on luua puhtad, aerodünaamiliselt tõhusad pinnad (mille tegureid, nagu näeme, autos palju), mis lõppkokkuvõttes toob kaasa madalama voolukoefitsiendi. Viimase mõõtmiseks on vaja tuuletunnelit, mis on kallis ja ülikeeruline ehitis – selle näiteks on 2009. aastal käiku antud tunnel. BMW, mis läks ettevõttele maksma 170 miljonit eurot. Tähtsaim komponent selles pole mitte hiigelventilaator, mis tarbib nii palju elektrit, et vajaks eraldi trafoalajaama, vaid täpne rullalus, mis mõõdab kõiki jõude ja momente, mida õhujuga autole avaldab. Tema ülesandeks on hinnata kogu auto koostoimet õhuvooluga ning aidata spetsialistidel uurida iga detaili ja muuta seda nii, et see poleks mitte ainult efektiivne õhuvoolus, vaid vastaks ka projekteerijate soovidele. . Põhimõtteliselt tulenevad peamised takistuse komponendid, millega auto kokku puutub, sellest, kui ees olev õhk kokku surub ja nihkub, ning – mis on väga oluline – tugevast turbulentsist auto taga. Tekib madalrõhutsoon, mis kipub autot tõmbama, mis omakorda seguneb tugeva keeriseefektiga, mida aerodünaamikud nimetavad ka "surnud ergastuseks". Loogilistel põhjustel on peale universaalide mudeleid vaakumitase kõrgem, mille tulemusena kulukoefitsient halveneb.

Aerodünaamilised takistustegurid

Viimane ei sõltu ainult sellistest teguritest nagu auto üldine kuju, vaid ka konkreetsetest osadest ja pindadest. Praktikas moodustab tänapäevaste autode üldine kuju ja proportsioonid 40 protsenti kogu õhutakistusest, millest veerandi määravad objekti pinna struktuur ja omadused, nagu peeglid, tuled, numbrimärk ja antenn. 10% õhutakistusest tuleneb õhuvoolust piduritele, mootorile ja käigukastile. 20% on erinevate põranda- ja vedrustuskonstruktsioonide keerise tulemus ehk kõik, mis auto all toimub. Ja mis kõige huvitavam – 30% õhutakistusest on tingitud rataste ja tiibade ümber tekkivatest keeristest. Selle nähtuse praktiline demonstratsioon näitab seda selgelt – voolukiirus 0,28-lt sõiduki kohta langeb 0,18-ni, kui rattad eemaldatakse ja poritiibade tuulutusavad on suletud. Pole juhus, et kõigil üllatavalt väikese läbisõiduga autodel – näiteks esimesel Insight of Hondal ja GM EV1 elektriautol – on peidetud tagumised poritiibad. Üldine aerodünaamiline kuju ja suletud esiosa, tänu sellele, et elektrimootor ei vaja palju jahutusõhku, võimaldasid GM disaineritel välja töötada EV1 mudeli, mille voolutegur oli kõigest 0,195. Tesla Model 3 Cx 0,21. Sisepõlemismootoriga sõidukite rataste keerise vähendamiseks kasutatakse nn. "Õhkkardinad" õhukese vertikaalse õhuvooluna, mis on suunatud eesmise kaitseraua avast, puhuvad ümber rataste ja stabiliseerivad keeriseid, voolu mootorisse piiravad aerodünaamilised aknaluugid ning põhi on täielikult suletud.

Mida väiksemad on rullaluse poolt mõõdetud jõudude väärtused, seda väiksem on Cx. Tavaliselt mõõdetakse seda kiirusel 140 km/h – näiteks väärtus 0,30 tähendab, et 30 protsenti õhust, mida auto läbib, kiirendatakse kiiruseni. Mis puutub esiosasse, siis selle lugemine nõuab palju lihtsamat protseduuri – selleks joonistatakse eestvaates laseriga välja auto väliskontuurid ja arvutatakse kinnine ala ruutmeetrites. Seejärel korrutatakse see vooluteguriga, et saada auto kogu õhutakistus ruutmeetrites.

Naastes meie aerodünaamilise narratiivi ajaloolise ülevaate juurde, leiame, et standardiseeritud kütusekulu mõõtmise tsükli (NEFZ) loomine 1996. aastal mängis tegelikult negatiivset rolli autode aerodünaamilises arengus (mis edenes oluliselt 7-ides). ), kuna aerodünaamilisel teguril on kiire liikumise lühikese perioodi tõttu väike mõju. Vaatamata kulukoefitsiendi vähenemisele aastate jooksul, toob iga klassi sõidukite mõõtmete suurenemine kaasa esiosa suurenemise ja sellest tulenevalt õhutakistuse suurenemise. Sellistel autodel nagu VW Golf, Opel The Astra ja BMW 90. seeria oli suurem õhutakistus kui nende eelkäijatel 90ndatel. Seda trendi soodustavad muljetavaldavad linnamaasturimudelid oma suure esipinna ja halveneva voolujoonelisusega. Seda tüüpi sõidukit on kritiseeritud eelkõige suure kaalu pärast, kuid praktikas muutub see faktor kiiruse kasvades suhtelise tähtsusetuks – linnast väljas sõites kiirusega ca 50 km/h on õhutakistuse osakaal u. 80 protsenti, maanteel kiirusel tõuseb see XNUMX protsendini auto kogutakistusest.

Aerodünaamiline toru

Teine näide õhutakistuse rollist sõiduki jõudluses on tüüpiline Smart City mudel. Kaheistmeline võib linnatänavatel olla krapsakas ja krapsakas, kuid selle lühike ja proportsionaalne kere on aerodünaamilisest seisukohast väga ebaefektiivne. Väikese kaalu taustal muutub õhutakistus järjest olulisemaks elemendiks ja Smartiga hakkab see tugevalt mõjuma juba kiirustel 50 km/h. Pole üllatav, et vaatamata kergele disainile ei vastanud see ootustele suhteliselt madalate kuludega.

Vaatamata Smarti puudujääkidele on emafirma Mercedese suhtumine aerodünaamikasse aga näide metoodilisest, järjepidevast ja proaktiivsest lähenemisest suurejooneliste kujundite loomise protsessi. Võib väita, et selles ettevõttes on tuuletunnelitesse investeerimise ja raske töö tulemused selles ettevõttes eriti märgatavad. Eriti ilmekas näide selle protsessi mõjust on asjaolu, et praegusel S-klassil (Cx 0,24) on väiksem õhutakistus kui Golf VII-l (0,28). Rohkema siseruumi otsimisel on kompaktse mudeli kuju omandanud üsna suure esipinna ning voolutegur on lühema pikkuse tõttu kehvem kui S-klassil, mis ei võimalda voolujoonelisi pindu ja palju. rohkem. - juba tänu järsule üleminekule tagant, aidates kaasa keeriste tekkele. VW on aga kindel, et järgmise põlvkonna Golfil on oluliselt väiksem õhutakistus ning see on madalamal ja voolujoonelisem. Madalaim registreeritud kütusekulu koefitsient 0,22 ICE sõiduki kohta on Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Elektrisõidukite eelis

Teine näide aerodünaamilise kuju olulisusest kaalu taustal on tänapäevased hübriidmudelid ja veelgi enam elektrisõidukid. Näiteks Priuse puhul dikteerib vajadust ülimalt aerodünaamilise disaini järele ka asjaolu, et kiiruse suurenedes hübriidajami efektiivsus väheneb dramaatiliselt. Elektrisõidukite puhul on kõik, mis on seotud suurenenud läbisõiduga elektrirežiimis, äärmiselt oluline. Ekspertide sõnul suurendab kaalu vähendamine 100 kg võrra auto läbisõitu vaid mõne kilomeetri võrra, kuid teisalt on aerodünaamika elektriauto jaoks esmatähtis.

Esiteks seetõttu, et nende sõidukite suur mass võimaldab neil taastada osa taastumiseks kuluvast energiast ja teiseks seetõttu, et elektrimootori suur pöördemoment võimaldab kompenseerida käivitamisel tekkiva kaalu mõju ja selle kasutegur väheneb. suurtel kiirustel ja suurtel kiirustel. Lisaks vajab jõuelektroonika ja elektrimootor vähem jahutusõhku, mis võimaldab väiksemat ava auto esiosas, mis, nagu juba märkisime, on peamiseks põhjuseks, miks vooluhulk ümber kere halveneb. Teine element disainerite motivatsioonist luua tänapäeva pistikhübriidmudelites aerodünaamiliselt efektiivsemaid kujundeid on liikumisviis ilma kiirenduseta ainult elektrimootori abil ehk nn. purjetamine. Erinevalt purjekatest, kust see termin pärineb ja kus tuul peaks paati liigutama, suurendavad elektriautod läbisõitu, kui autol on väiksem õhutakistus. Aerodünaamiliselt optimeeritud kuju loomine on kõige ökonoomsem viis kütusekulu vähendamiseks.

Tekst: Georgy Kolev

Mõne kuulsa auto tarbimiskoefitsiendid:

Mercedes Simplex

1904. aasta toodang, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

1921. aasta toodang, Cx = 0,28

Fordi mudel T.

1927. aasta toodang, Cx = 0,70

Eksperimentaalne mudel Kam

1938. aasta toodang, Cx = 0,36

Mercedese rekordauto

1938. aasta toodang, Cx = 0,12

VW buss

1950. aasta toodang, Cx = 0,44

VW "kilpkonn"

1951. aasta toodang, Cx = 0,40

Panhard Dina

1954. aasta toodang, Cx = 0,26

Porsche 356

1957. aasta toodang, Cx = 0,36

MG EX 181

1957. aasta toodang, Cx = 0,15

Citroen DS 19

1963. aasta toodang, Cx = 0,33

NSU spordiprints

1966. aasta toodang, Cx = 0,38

Mercedes C 111

1970. aasta toodang, Cx = 0,29

Volvo 245 kaubik

1975. aasta toodang, Cx = 0,47

Audi 100

1983. aasta toodang, Cx = 0,31

Mercedes W 124

1985. aasta toodang, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

1997. aasta toodang, Cx = 0,29