Flusso turbolento
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Flusso turbolento

Come la tecnologia moderna cambia l'aerodinamica di un'auto

La bassa resistenza all'aria aiuta a ridurre il consumo di carburante. A questo proposito, tuttavia, ci sono enormi opportunità di sviluppo. Finora, ovviamente, gli esperti di aerodinamica concordano con l'opinione dei progettisti.

"Aerodinamica per coloro che non possono fare motociclette." Queste parole sono state pronunciate da Enzo Ferrari negli anni '60 e dimostrano chiaramente l'atteggiamento di molti allora designer verso questo aspetto tecnologico della vettura. Tuttavia, solo dieci anni dopo, arrivò la prima crisi petrolifera e il loro intero sistema di valori cambiò radicalmente. I tempi in cui tutte le forze di resistenza nel movimento dell'auto, e in particolare quelle che derivano dal suo passaggio attraverso gli strati d'aria, sono superate da ampie soluzioni tecniche, come aumentare il volume di lavoro e la potenza dei motori, indipendentemente dalla quantità di carburante consumato, scompaiono e gli ingegneri iniziano cercare modi più efficaci per raggiungere i tuoi obiettivi.

Al momento, il fattore tecnologico dell'aerodinamica è coperto da uno spesso strato di polvere di oblio, ma non è del tutto nuovo per i progettisti. La storia della tecnologia mostra che anche negli anni Venti, cervelli avanzati e inventivi, come il tedesco Edmund Rumpler e l'ungherese Paul Jaray (che ha creato il culto di Tatra T77), hanno creato superfici aerodinamiche e gettato le basi per un approccio aerodinamico al design della carrozzeria. Sono stati seguiti da una seconda ondata di esperti di aerodinamica come il barone Reinhard von Kenich-Faxenfeld e Wunibald Kam, che hanno sviluppato le loro idee negli anni '1930.

È chiaro a tutti che con l'aumentare della velocità arriva un limite, oltre il quale la resistenza dell'aria diventa un fattore critico nella guida di un'auto. La creazione di forme aerodinamicamente ottimizzate può spostare questo limite verso l'alto in modo significativo ed è espresso dal cosiddetto coefficiente di flusso Cx, poiché un valore di 1,05 ha un cubo rovesciato perpendicolare al flusso d'aria (se viene ruotato di 45 gradi lungo il suo asse, in modo che il suo bordo a monte è ridotto a 0,80). Tuttavia, questo coefficiente è solo una parte dell'equazione della resistenza dell'aria - la dimensione dell'area frontale della vettura (A) deve essere aggiunta come elemento essenziale. Il primo dei compiti degli aerodinamici è creare superfici pulite, aerodinamicamente efficienti (fattori di cui, come vedremo, ce ne sono molti in macchina), che alla fine porta a una diminuzione del coefficiente di flusso. Per misurare quest'ultimo, è necessaria una galleria del vento, che è una struttura costosa ed estremamente complessa - un esempio di ciò è il tunnel da 2009 milioni di euro commissionato da BMW nel 170. Il componente più importante al suo interno non è un ventilatore gigante, che consuma così tanta elettricità da richiedere una stazione di trasformazione separata, ma un accurato supporto a rulli che misura tutte le forze e i momenti che il getto d'aria esercita sull'auto. Il suo compito è valutare tutta l'interazione dell'auto con il flusso d'aria e aiutare gli specialisti a studiare ogni dettaglio e modificarlo in modo tale da renderlo non solo efficiente nel flusso d'aria, ma anche secondo i desideri dei progettisti . Fondamentalmente, i principali componenti di resistenza che un'auto incontra provengono da quando l'aria davanti si comprime e si sposta e - qualcosa di estremamente importante - dall'intensa turbolenza dietro di essa nella parte posteriore. Lì si forma una zona di bassa pressione che tende a tirare la macchina, che a sua volta si mescola alla forte influenza del vortice, che gli aerodinamici chiamano anche "eccitazione morta". Per ragioni logiche, dietro i modelli immobiliari, il livello di pressione ridotta è più alto, per cui il coefficiente di flusso si deteriora.

Fattori di resistenza aerodinamica

Quest'ultimo dipende non solo da fattori come la forma complessiva dell'auto, ma anche da parti e superfici specifiche. In pratica, la forma e le proporzioni complessive delle auto moderne hanno una quota del 40 percento della resistenza totale dell'aria, un quarto della quale è determinata dalla struttura della superficie dell'oggetto e da caratteristiche come specchietti, luci, targa e antenna. Il 10% della resistenza dell'aria è dovuta al flusso attraverso i fori verso freni, motore e cambio. Il 20% è il risultato del vortice nei vari design del pavimento e delle sospensioni, cioè tutto ciò che accade sotto l'auto. E la cosa più interessante è che fino al 30% della resistenza dell'aria è dovuta ai vortici creati attorno alle ruote e alle ali. Una dimostrazione pratica di questo fenomeno fornisce una chiara indicazione di ciò: il coefficiente di consumo da 0,28 per auto scende a 0,18 quando le ruote vengono rimosse e i fori nell'ala vengono coperti con il completamento della forma dell'auto. Non è un caso che tutte le auto a chilometraggio sorprendentemente basso, come la prima Honda Insight e l'auto elettrica EV1 di GM, abbiano i parafanghi posteriori nascosti. La forma aerodinamica complessiva e l'avantreno chiuso, dovuto al fatto che il motore elettrico non necessita di molta aria di raffreddamento, ha permesso agli sviluppatori GM di sviluppare il modello EV1 con un fattore di flusso di appena 0,195. Tesla modello 3 ha Cx 0,21. Per ridurre il vortice attorno alle ruote nei veicoli con motori a combustione interna, i cosiddetti. Le "cortine d'aria" sotto forma di un sottile flusso d'aria verticale sono dirette dall'apertura nel paraurti anteriore, soffiando intorno alle ruote e stabilizzando i vortici. Il flusso al motore è limitato da persiane aerodinamiche e il fondo è completamente chiuso.

Minori sono le forze misurate dal supporto a rulli, minore è il Cx. Secondo lo standard, viene misurato a una velocità di 140 km / h: un valore di 0,30, ad esempio, significa che il 30 percento dell'aria attraversata da un'auto accelera alla sua velocità. Per quanto riguarda l'area anteriore, la sua lettura richiede una procedura molto più semplice: per questo, con l'ausilio di un laser, vengono delineati i contorni esterni dell'auto vista frontalmente e viene calcolata l'area chiusa in metri quadrati. Questo viene successivamente moltiplicato per il fattore di flusso per ottenere la resistenza all'aria totale del veicolo in metri quadrati.

Tornando allo schema storico della nostra descrizione aerodinamica, scopriamo che la creazione del ciclo di misurazione del consumo di carburante standardizzato (NEFZ) nel 1996 ha effettivamente giocato un ruolo negativo nell'evoluzione aerodinamica delle automobili (che è progredita in modo significativo negli anni '1980). ) perché il fattore aerodinamico ha scarso effetto a causa del breve periodo di movimento ad alta velocità. Sebbene il coefficiente di flusso diminuisca nel tempo, l'aumento delle dimensioni dei veicoli in ciascuna classe comporta un aumento dell'area frontale e quindi un aumento della resistenza dell'aria. Auto come la VW Golf, l'Opel Astra e la BMW Serie 7 avevano una maggiore resistenza all'aria rispetto ai loro predecessori negli anni '1990. Questa tendenza è alimentata da una coorte di impressionanti modelli di SUV con la loro ampia area frontale e il deterioramento del traffico. Questo tipo di auto è stato criticato principalmente per il suo enorme peso, ma in pratica questo fattore assume un'importanza relativa minore con l'aumentare della velocità - mentre quando si guida fuori città a una velocità di circa 90 km / h, la proporzione della resistenza dell'aria è circa il 50 percento, a velocità autostradali, aumenta fino all'80 percento della resistenza totale incontrata dal veicolo.

Galleria del vento

Un altro esempio del ruolo della resistenza dell'aria nel funzionamento di un'auto è un tipico modello di città intelligente. Una biposto può essere agile e agile nelle strade della città, ma un corpo corto e proporzionale è estremamente inefficiente dal punto di vista aerodinamico. Sullo sfondo del peso leggero, la resistenza all'aria sta diventando un elemento sempre più importante e con Smart inizia a produrre un forte effetto a velocità di 50 km / h. Non sorprende che non abbia soddisfatto le aspettative di basso costo, nonostante la sua costruzione leggera.

Nonostante le carenze di Smart, tuttavia, l'approccio all'aerodinamica della casa madre Mercedes esemplifica un approccio metodico, coerente e proattivo al processo di creazione di forme efficienti. Si può sostenere che i risultati degli investimenti nelle gallerie del vento e del duro lavoro in questo settore sono particolarmente visibili in questa azienda. Un esempio particolarmente eclatante dell'effetto di questo processo è il fatto che l'attuale Classe S (Cx 0,24) ha una minore resistenza al vento rispetto alla Golf VII (0,28). Nel processo di ricerca di più spazio interno, la forma del modello compatto ha acquisito un'area frontale piuttosto ampia e il coefficiente di flusso è peggiore di quello della classe S a causa della lunghezza ridotta, che non consente lunghe superfici aerodinamiche e principalmente a causa di una brusca transizione verso la parte posteriore, che favorisce la formazione di vortici. La VW era fermamente convinta che la nuova Golf di ottava generazione avrebbe avuto una resistenza all'aria significativamente inferiore e una forma più bassa e più snella, ma nonostante il nuovo design e le capacità di test, questo si è rivelato estremamente impegnativo per l'auto. con questo formato. Tuttavia, con un fattore di 0,275, questa è la Golf più aerodinamica mai realizzata. Il rapporto di consumo di carburante più basso registrato di 0,22 per veicolo con motore a combustione interna è quello della Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Il vantaggio dei veicoli elettrici

Un altro esempio dell'importanza della forma aerodinamica sullo sfondo del peso sono i moderni modelli ibridi, e ancora di più le auto elettriche. Nel caso della Prius, ad esempio, la necessità di una forma altamente aerodinamica è dettata anche dal fatto che con l'aumentare della velocità l'efficienza della centrale ibrida diminuisce. Nel caso dei veicoli elettrici, tutto ciò che riguarda l'aumento del chilometraggio in modalità elettrica è estremamente importante. Secondo gli esperti, una perdita di peso di 100 kg aumenterà il chilometraggio della vettura di soli pochi chilometri, ma, d'altra parte, l'aerodinamica è di fondamentale importanza per un veicolo elettrico. In primo luogo, perché la grande massa di queste auto consente loro di restituire parte dell'energia consumata dal recupero, e in secondo luogo, perché l'elevata coppia del motore elettrico consente di compensare l'influenza del peso all'avvio e la sua efficienza diminuisce alle alte velocità e alle alte velocità. Inoltre, l'elettronica di potenza e il motore elettrico richiedono meno aria di raffreddamento, il che riduce il foro nella parte anteriore dell'auto, che, come abbiamo già notato, è la ragione principale del deterioramento del flusso corporeo. Un altro elemento di motivazione dei progettisti per creare forme più aerodinamicamente efficienti nei moderni modelli ibridi con un modulo plug-in è la modalità di movimento senza accelerazione solo con l'aiuto di un motore elettrico o il cosiddetto. andare in barca. A differenza delle barche a vela, dove viene usato il termine e il vento dovrebbe spostare la barca, nelle auto il chilometraggio con l'elettricità aumenterebbe se l'auto avesse meno resistenza all'aria. La creazione di una forma aerodinamicamente ottimizzata è il modo più economico per ridurre il consumo di carburante.

Le portate di alcune auto famose:

Mercedes Simplex

Produzione 1904, Cx = 1,05

Rumpler drop car

Produzione 1921, Cx = 0,28

Ford Modello T

Produzione 1927, Cx = 0,70

Modello sperimentale di Kama

Produzione 1938, Cx = 0,36.

Auto da record Mercedes

Produzione 1938, Cx = 0,12

Bus VW

Produzione 1950, Cx = 0,44

Volkswagen "Tartaruga"

Produzione 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Produzione 1954, Cx = 0,26.

Porsche 356 A

Produzione 1957, Cx = 0,36.

MGEX181

Produzione del 1957, Cx = 0,15

Citroen DS 19

Produzione 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Produzione 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Produzione 1970, Cx = 0,29

Volvo 245 Station Wagon

Produzione 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Produzione 1983, Cx = 0,31

Mercedes W124

Produzione 1985, Cx = 0,29

Lamborghini Countach

Produzione 1990, Cx = 0,40

Toyota Prius 1

Produzione 1997, Cx = 0,29

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