Aerodynamiikan käsikirja
Tärkeimmät ajoneuvon ilmankestävyyteen vaikuttavat tekijät
Alhainen ilmanvastus auttaa vähentämään polttoaineen kulutusta. Tässä suhteessa on kuitenkin valtava kehitysmahdollisuus. Jos tietysti aerodynamiikan asiantuntijat ovat yhtä mieltä suunnittelijoiden mielipiteestä.
"Aerodynamiikka niille, jotka eivät voi tehdä moottoripyöriä." Enzo Ferrari puhui nämä sanat XNUMX-luvulla, ja ne osoittavat selvästi monien aikaisempien suunnittelijoiden asenteen auton tähän tekniseen puoleen. Kuitenkin vasta kymmenen vuotta myöhemmin tapahtui ensimmäinen öljykriisi, joka muutti radikaalisti heidän koko arvojärjestelmänsä. Ajat, jolloin kaikki vastusvoimat auton liikkumisen aikana, ja etenkin ne, jotka syntyvät, kun se kulkee ilmakerrosten läpi, ylitetään laajoilla teknisillä ratkaisuilla, kuten moottorien siirtymän ja tehon lisäämisellä, polttoaineen määrästä riippumatta, ne menevät pois, ja insinöörit alkavat katsoa tehokkaampia tapoja saavuttaa tavoitteesi.
Tällä hetkellä aerodynamiikan tekninen tekijä on peitetty paksulla unohdetun pölyn kerroksella, mutta suunnittelijoille tämä ei ole uutisia. Teknologian historia osoittaa, että jopa 77-luvulla edistyneet ja kekseliäs mieli, kuten saksalainen Edmund Rumpler ja unkarilainen Paul Zharai (joka loi ikonin Tatra TXNUMX), muotoilivat virtaviivaisia pintoja ja loivat perustan aerodynaamiselle lähestymistavalle auton korin suunnittelussa. Heitä seurasi toinen aerodynaamisten asiantuntijoiden aalto, kuten paroni Reinhard von Könich-Faxenfeld ja Wunibald Kam, jotka kehittivät ideoitaan XNUMX: issa.
Kaikille on selvää, että nopeuden kasvaessa tulee raja, jonka ylittyessä ilmanvastuksesta tulee kriittinen tekijä autolla ajamisessa. Aerodynaamisesti optimoitujen muotojen luominen voi nostaa tätä rajaa huomattavasti, ja se ilmaistaan ns. virtauskertoimella Cx, koska arvolla 1,05 on kuutio käännettynä kohtisuoraan ilmavirtaan nähden (jos sitä käännetään 45 astetta akseliaan pitkin, niin että ylävirtaan reuna pienenee arvoon 0,80). Tämä kerroin on kuitenkin vain yksi osa ilmanvastusyhtälöstä - sinun on lisättävä auton etuosan koko (A) tärkeänä elementtinä. Ensimmäinen aerodynaamisten tehtävistä on puhtaiden, aerodynaamisesti tehokkaiden pintojen luominen (joita, kuten tulemme näkemään, autossa paljon), mikä lopulta johtaa pienempään virtauskertoimeen. Jälkimmäisen mittaamiseen tarvitaan tuulitunneli, joka on kallis ja erittäin monimutkainen rakenne – esimerkkinä tästä on vuonna 2009 käyttöön otettu tunneli. BMW, joka maksoi yhtiölle 170 miljoonaa euroa. Sen tärkein komponentti ei ole jättimäinen tuuletin, joka kuluttaa sähköä niin paljon, että se tarvitsee erillisen muuntaja-aseman, vaan tarkka rullateline, joka mittaa kaikki ilmasuihkun autoon kohdistamat voimat ja momentit. Hänen tehtävänsä on arvioida auton koko vuorovaikutusta ilmavirran kanssa ja auttaa asiantuntijoita tutkimaan jokainen yksityiskohta ja muuttamaan sitä niin, että se ei ole vain tehokas ilmavirrassa, vaan myös suunnittelijoiden toiveiden mukaisesti. . Pohjimmiltaan tärkeimmät vastuskomponentit, joita auto kohtaa, tulevat sen edessä olevan ilman puristumisesta ja siirtymisestä, ja - mikä on erittäin tärkeää - sen takana olevasta voimakkaasta turbulenssista. Siellä on matalapainevyöhyke, joka pyrkii vetämään autoa, mikä puolestaan sekoittuu vahvaan pyörrevaikutukseen, jota aerodynaamiikka kutsuvat myös "kuolleeksi jännitykseksi". Loogisista syistä farmarimallien jälkeen alipainetaso on korkeampi, minkä seurauksena kulutuskerroin heikkenee.
Aerodynaamiset vetokertoimet
Jälkimmäinen ei riipu pelkästään tekijöistä, kuten auton yleismuodosta, vaan myös tietyistä osista ja pinnoista. Käytännössä nykyaikaisten autojen muoto ja mittasuhteet muodostavat 40 prosenttia kokonaisilmavastuksesta, josta neljäsosa määräytyy kohteen pinnan rakenteen ja ominaisuuksien, kuten peilien, valojen, rekisterikilven ja antennin, mukaan. 10 % ilmanvastuksesta johtuu tuuletusaukkojen kautta jarruista, moottorista ja vaihteistosta. 20 % on seurausta pyörteistä erilaisissa lattia- ja jousitusmalleissa, eli kaikessa, mitä auton alla tapahtuu. Ja mikä mielenkiintoisinta - 30% ilmanvastuksesta johtuu pyörien ja siipien ympärille syntyvistä pyörteistä. Tämän ilmiön käytännön osoitus osoittaa tämän selvästi - virtausnopeus 0,28:sta ajoneuvoa kohti putoaa 0,18:aan, kun pyörät irrotetaan ja lokasuojan tuuletusaukot suljetaan. Ei ole sattumaa, että kaikissa yllättävän vähän ajetuissa autoissa - kuten ensimmäisessä Insight of Hondassa ja GM EV1 -sähköautossa on piilotetut takalokasuojat. Yleinen aerodynaaminen muoto ja suljettu etupää, koska sähkömoottori ei vaadi paljon jäähdytysilmaa, antoivat GM:n suunnittelijoille mahdollisuuden kehittää EV1-mallin virtauskertoimella vain 0,195. Tesla Model 3:ssa on Cx 0,21. Pyörien pyörteiden vähentämiseksi polttomoottorilla varustetuissa ajoneuvoissa ns. "Ilmaverhot" ohuen pystysuoran ilmavirran muodossa, joka suuntautuu etupuskurin aukosta, puhaltaen pyörien ympärille ja vakauttavat pyörteitä, virtausta moottoriin rajoittavat aerodynaamiset ikkunaluukut ja pohja on täysin suljettu.
Mitä pienemmät rullatelineen mittaamat voimat ovat, sitä pienempi on Cx. Se mitataan tyypillisesti 140 km/h nopeudella – esimerkiksi arvo 0,30 tarkoittaa, että 30 prosenttia auton läpi kulkevasta ilmasta kiihtyy nopeuteensa. Mitä tulee etuosaan, sen lukeminen vaatii paljon yksinkertaisempaa menettelyä - tätä varten auton ulkoiset ääriviivat hahmotellaan laserilla edestä katsottuna ja lasketaan suljettu pinta-ala neliömetrinä. Sitten se kerrotaan virtauskertoimella, jotta saadaan auton kokonaisilmavastus neliömetrinä.
Palataksemme aerodynaamisen kertomuksemme historialliseen ääriviivaan, huomaamme, että standardoidun polttoaineenkulutuksen mittaussyklin (NEFZ) luominen vuonna 1996 itse asiassa vaikutti negatiivisesti autojen aerodynaamiseen kehitykseen (joka edistyi merkittävästi 7-luvuissa). ), koska aerodynaamisella tekijällä on vähän vaikutusta nopean liikkeen lyhyen ajanjakson vuoksi. Huolimatta kulutuskertoimen laskusta vuosien aikana, kunkin luokan ajoneuvojen mittojen kasvu johtaa etuosan kasvuun ja siten ilmanvastuksen kasvuun. VW Golfin, Opel Astran ja BMW 90-sarjan kaltaisten autojen ilmanvastus oli korkeampi kuin edeltäjänsä 90-luvulla. Tätä kehitystä edistävät vaikuttavat SUV-mallit suurella etupinta-alalla ja heikkenevällä virtaviivaisuudella. Tämän tyyppistä ajoneuvoa on kritisoitu lähinnä suuresta painostaan, mutta käytännössä tämän tekijän suhteellinen merkitys vähenee nopeuden kasvaessa - ajettaessa kaupungin ulkopuolella noin 50 km/h nopeudella ilmanvastuksen osuus on n. 80 prosenttia, maantienopeudella se kasvaa XNUMX prosenttiin auton kohtaamasta kokonaisvastuksesta.
Aerodynaaminen putki
Toinen esimerkki ilmanvastuksen roolista ajoneuvon suorituskyvyssä on tyypillinen Smart City -malli. Kaksipaikkainen voi olla ketterä ja ketterä kaupungin kaduilla, mutta sen lyhyt ja suhteellinen korirakenne on aerodynaamisesti erittäin tehoton. Kevyen painon taustalla ilmanvastus tulee yhä tärkeämmäksi elementiksi, ja Smartilla se alkaa vaikuttaa voimakkaasti 50 km/h nopeuksilla. Ei ole yllättävää, että kevyestä rakenteesta huolimatta se ei vastannut odotuksia suhteellisen alhaisilla kustannuksilla.
Smartin puutteista huolimatta emoyhtiö Mercedeksen suhtautuminen aerodynamiikkaan on kuitenkin esimerkki suunnitelmallisesta, johdonmukaisesta ja ennakoivasta lähestymistavasta näyttävien muotojen luomiseen. Voidaan väittää, että tuulitunneliinvestoinnin ja kovan työn tulokset tällä alalla ovat erityisen havaittavissa tässä yrityksessä. Erityisen silmiinpistävä esimerkki tämän prosessin vaikutuksesta on se, että nykyisessä S-sarjassa (Cx 0,24) on pienempi ilmanvastus kuin Golf VII:ssä (0,28). Lisää sisätilaa etsiessään kompaktin mallin muoto on saanut melko suuren etuosan, ja virtauskerroin on S-luokasta huonompi sen lyhyemmän pituuden vuoksi, mikä ei salli virtaviivaisia pintoja ja paljon lisää. - johtuen jyrkästä siirtymisestä takaa, mikä edistää pyörteiden muodostumista. VW on kuitenkin vakuuttunut siitä, että seuraavan sukupolven Golfissa on huomattavasti pienempi ilmanvastus ja se on matalampi ja virtaviivaistettu. Pienin polttoaineenkulutuskerroin 0,22 per ICE-ajoneuvo on Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Sähköajoneuvojen etu
Toinen esimerkki aerodynaamisen muodon merkityksestä painoon nähden ovat nykyaikaiset hybridi-mallit ja vielä enemmän sähköajoneuvoja. Esimerkiksi Priuksen tapauksessa erittäin aerodynaamisen suunnittelun tarve sanelee myös sillä, että nopeuden kasvaessa hybridi-voimansiirtoteho laskee dramaattisesti. Sähköajoneuvojen tapauksessa kaikki, mikä liittyy ajokilometrin lisääntymiseen sähköisessä tilassa, on erittäin tärkeä. Asiantuntijoiden mukaan painon pienentäminen 100 kg lisää auton ajomatkaa vain muutamalla kilometrillä, mutta toisaalta aerodynamiikka on ensisijaisen tärkeää sähköauton kannalta.
Ensinnäkin, koska näiden ajoneuvojen suuri massa mahdollistaa osan palautumiseen käytetystä energiasta, ja toiseksi, koska sähkömoottorin suuri vääntömomentti mahdollistaa painon vaikutuksen kompensoinnin käynnistyksen yhteydessä ja sen hyötysuhde heikkenee. suurilla nopeuksilla ja suurilla nopeuksilla. Lisäksi tehoelektroniikka ja sähkömoottori tarvitsevat vähemmän jäähdytysilmaa, mikä mahdollistaa pienemmän aukon auton etuosaan, mikä, kuten olemme jo todenneet, on pääasiallinen syy kehon ympärillä olevan virtauksen heikkenemiseen. Toinen elementti suunnittelijoiden motivaatiossa luoda aerodynaamisesti tehokkaampia muotoja nykypäivän plug-in-hybridimalleissa on liiketapa ilman kiihdytystä vain sähkömoottorin avulla eli ns. purjehdus. Toisin kuin purjeveneet, joista termi tulee ja joissa tuulen oletetaan liikuttavan venettä, sähköautot lisäävät kilometrimäärää, jos autossa on pienempi ilmanvastus. Aerodynaamisesti optimoidun muodon luominen on taloudellisin tapa vähentää polttoaineen kulutusta.
Teksti: Georgy Kolev
Joidenkin kuuluisten autojen kulutuskertoimet:
Mercedes Simplex
Tuotanto 1904, Cx = 1,05
Rumpler Tropfenwagen
Tuotanto 1921, Cx = 0,28
Ford Malli T
Tuotanto 1927, Cx = 0,70
Kokeellinen malli Kam
Tuotanto 1938, Cx = 0,36
Mercedes ennätysauto
Tuotanto 1938, Cx = 0,12
VW Bussi
Tuotanto 1950, Cx = 0,44
VW "kilpikonna"
Tuotanto 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Tuotanto 1954, Cx = 0,26
Porsche 356
Tuotanto 1957, Cx = 0,36
MG EX 181
Tuotanto 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Tuotanto 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prinssi
Tuotanto 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Tuotanto 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Van
Tuotanto 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Tuotanto 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Tuotanto 1985, Cx = 0,29
Toyota Prius 1
Tuotanto 1997, Cx = 0,29
