Aerodynamics Handbook

De belangrijkste factoren die de luchtweerstand van het voertuig beïnvloeden

Een lage luchtweerstand helpt het brandstofverbruik te verminderen. In dit opzicht is er echter enorm veel ruimte voor ontwikkeling. Als aerodynamica-experts het natuurlijk eens zijn met de mening van de ontwerpers.

"Aerodynamica voor degenen die geen motorfietsen kunnen maken." Deze woorden werden uitgesproken door Enzo Ferrari in de jaren zestig en laten duidelijk de houding zien van veel ontwerpers uit die tijd ten opzichte van deze technologische kant van de auto. Het was echter pas tien jaar later dat de eerste oliecrisis plaatsvond, die hun hele waardesysteem radicaal veranderde. Tijden waarin alle weerstandskrachten tijdens de beweging van de auto, en vooral die die optreden wanneer deze door de luchtlagen gaat, worden overwonnen door uitgebreide technische oplossingen, zoals het vergroten van de cilinderinhoud en het vermogen van motoren, ongeacht de hoeveelheid verbruikte brandstof, verdwijnen en ingenieurs beginnen te kijken effectievere manieren om uw doelen te bereiken.

Op dit moment is de technologische factor aerodynamica bedekt met een dikke laag vergetelingsstof, maar voor ontwerpers is dit geen nieuws. De geschiedenis van de technologie laat zien dat zelfs in de jaren 77 geavanceerde en inventieve geesten, zoals de Duitser Edmund Rumpler en de Hongaar Paul Zharai (die de iconische Tatra TXNUMX creëerde), gestroomlijnde oppervlakken vormden en de basis legden voor een aerodynamische benadering van het carrosserieontwerp. Ze werden gevolgd door een tweede golf van aerodynamica-specialisten zoals Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld en Wunibald Kam, die hun ideeën in de XNUMXs ontwikkelden.

Het is voor iedereen duidelijk dat met toenemende snelheid een grens komt, waarboven luchtweerstand een kritische factor wordt voor het autorijden. Het creëren van aerodynamisch geoptimaliseerde vormen kan deze limiet aanzienlijk opdrijven en wordt uitgedrukt door de zogenaamde stroomfactor Cx, aangezien een waarde van 1,05 een omgekeerde kubus loodrecht op de luchtstroom heeft (als deze 45 graden langs zijn as wordt gedraaid, zodat de stroomopwaartse rand afneemt tot 0,80). Deze coëfficiënt is echter slechts een deel van de luchtweerstandsvergelijking - u moet de grootte van het frontale gebied van de auto (A) als een belangrijk element toevoegen. De eerste taak van aerodynamici is het creëren van schone, aerodynamisch efficiënte oppervlakken (factoren waarvan, zoals we zullen zien, veel in een auto), wat uiteindelijk leidt tot een lagere stroomcoëfficiënt. Voor het meten van dat laatste is een windtunnel nodig, een dure en uiterst complexe constructie – een voorbeeld hiervan is de tunnel die in 2009 in gebruik is genomen. BMW, wat het bedrijf 170 miljoen euro kostte. Het belangrijkste onderdeel daarin is niet een gigantische ventilator, die zoveel stroom verbruikt dat er een apart transformatorstation voor nodig is, maar een nauwkeurige rolbok die alle krachten en momenten meet die een luchtstraal op een auto uitoefent. Zijn taak is om de hele interactie van de auto met de luchtstroom te evalueren en specialisten te helpen elk detail te bestuderen en te veranderen zodat het niet alleen effectief is in de luchtstroom, maar ook in overeenstemming met de wensen van de ontwerpers. . Kortom, de hoofdweerstandscomponenten die een auto tegenkomt, komen van wanneer de lucht ervoor samendrukt en verschuift, en - heel belangrijk - van de intense turbulentie erachter aan de achterkant. Er is een lagedrukgebied dat de neiging heeft om aan de auto te trekken, wat op zijn beurt wordt vermengd met een sterk werveleffect, dat aerodynamici ook wel "dode excitatie" noemen. Om logische redenen is na de stationwagenmodellen het vacuümniveau hoger, waardoor de verbruikscoëfficiënt verslechtert.

Aerodynamische luchtweerstandfactoren

Dit laatste hangt niet alleen af ​​van factoren zoals de algehele vorm van de auto, maar ook van specifieke onderdelen en oppervlakken. In de praktijk zijn de algehele vorm en proporties van moderne auto's goed voor 40 procent van de totale luchtweerstand, waarvan een kwart wordt bepaald door de structuur van het objectoppervlak en kenmerken zoals spiegels, verlichting, kentekenplaat en antenne. 10% van de luchtweerstand wordt veroorzaakt door de ventilatieopeningen naar de remmen, motor en transmissie. 20% is het resultaat van vortex in verschillende vloer- en ophangingsontwerpen, dat wil zeggen alles wat er onder de auto gebeurt. En wat het meest interessant is: 30% van de luchtweerstand is te wijten aan de draaikolken die rond de wielen en vleugels worden gecreëerd. Een praktische demonstratie van dit fenomeen laat dit duidelijk zien - het debiet van 0,28 per voertuig daalt naar 0,18 wanneer de wielen worden verwijderd en de spatbordventilatieopeningen worden gesloten. Het is geen toeval dat alle verrassend lage kilometerstanden - zoals de eerste Insight van Honda en de GM EV1 elektrische auto - verborgen achterspatborden hebben. Dankzij de algehele aerodynamische vorm en de gesloten voorkant, omdat de elektromotor niet veel koellucht nodig heeft, konden de ontwerpers van GM het EV1-model ontwikkelen met een stroomfactor van slechts 0,195. Tesla Model 3 heeft Cx 0,21. Om de werveling van de wielen in voertuigen met verbrandingsmotoren te verminderen, de zogenaamde. "Luchtgordijnen" in de vorm van een dunne verticale luchtstroom die vanuit de opening in de voorbumper wordt geleid, rond de wielen blaast en de wervels stabiliseert, de stroom naar de motor wordt beperkt door aerodynamische luiken en de bodem is volledig gesloten.

Hoe lager de waarden van de krachten gemeten door het rolbok, hoe kleiner Cx. Het wordt meestal gemeten bij een snelheid van 140 km/u. Een waarde van bijvoorbeeld 0,30 betekent dat 30 procent van de lucht die een auto passeert, wordt versneld tot zijn snelheid. Wat de voorkant betreft, het lezen ervan vereist een veel eenvoudigere procedure - hiervoor worden de buitencontouren van de auto vanaf de voorkant met een laser geschetst en wordt het omsloten gebied in vierkante meters berekend. Het wordt vervolgens vermenigvuldigd met de stroomfactor om de totale luchtweerstand van de auto in vierkante meters te krijgen.

Terugkerend naar de historische schets van ons aerodynamische verhaal, zien we dat de creatie van de gestandaardiseerde meetcyclus voor brandstofverbruik (NEFZ) in 1996 eigenlijk een negatieve rol speelde in de aerodynamische evolutie van auto's (die aanzienlijk vooruitgingen in de jaren '7). ) omdat de aerodynamische factor weinig effect heeft vanwege de korte periode van snelle beweging. Ondanks de afname van de verbruikscoëfficiënt door de jaren heen, leidt de toename van de afmetingen van voertuigen van elke klasse tot een toename van het frontale oppervlak en bijgevolg tot een toename van de luchtweerstand. Auto's als de VW Golf, Opel, de Astra en de BMW 90 Serie hadden een hogere luchtweerstand dan hun voorgangers in de jaren '90. Deze trend wordt mogelijk gemaakt door indrukwekkende SUV-modellen met hun grote voorkant en verslechterende stroomlijning. Dit type voertuig is vooral bekritiseerd vanwege het hoge gewicht, maar in de praktijk wordt deze factor met toenemende snelheid minder van relatief belang - bij het rijden buiten de stad met een snelheid van ongeveer 50 km / u is het aandeel luchtweerstand ongeveer 80 procent, bij snelheden op de snelweg neemt het toe tot XNUMX procent van de totale weerstand waarmee de auto wordt geconfronteerd.

Aerodynamische buis

Een ander voorbeeld van de rol van luchtweerstand in voertuigprestaties is een typisch Smart City-model. Een tweezitter mag dan behendig en wendbaar zijn in de straten van de stad, zijn korte en proportionele carrosserie is vanuit aerodynamisch oogpunt zeer inefficiënt. Tegen de achtergrond van een laag gewicht wordt luchtweerstand een steeds belangrijker element, en met Smart begint het een sterk effect te hebben bij snelheden van 50 km / u Het is niet verwonderlijk dat het ondanks het lichtgewicht ontwerp niet aan de verwachtingen voldeed tegen relatief lage kosten.

Ondanks de tekortkomingen van Smart is de houding van moederbedrijf Mercedes ten opzichte van aerodynamica echter een voorbeeld van een methodische, consistente en proactieve benadering van het proces van het creëren van spectaculaire vormen. Men kan stellen dat de resultaten van investeringen in windtunnels en hard werken op dit gebied vooral merkbaar zijn in dit bedrijf. Een bijzonder sprekend voorbeeld van het effect van dit proces is het feit dat de huidige S-Klasse (Cx 0,24) minder luchtweerstand heeft dan de Golf VII (0,28). In de zoektocht naar meer binnenruimte heeft de vorm van het compacte model een vrij groot frontaal oppervlak gekregen en is de stroomcoëfficiënt slechter dan die van de S-klasse vanwege de kortere lengte, waardoor gestroomlijnde oppervlakken en veel meer. - al vanwege een scherpe overgang van achteren, wat bijdraagt ​​​​aan de vorming van wervels. VW is er echter van overtuigd dat de volgende generatie Golf beduidend minder luchtweerstand zal hebben en verlaagd en gestroomlijnd zal zijn. De laagste geregistreerde brandstofverbruiksfactor van 0,22 per ICE-voertuig is de Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Het voordeel van elektrische voertuigen

Een ander voorbeeld van het belang van aerodynamische vorm tegen de achtergrond van gewicht zijn moderne hybride modellen en nog meer elektrische voertuigen. In het geval van de Prius wordt bijvoorbeeld de behoefte aan een sterk aerodynamisch ontwerp ook ingegeven door het feit dat naarmate de snelheid toeneemt, de efficiëntie van de hybride aandrijflijn drastisch daalt. In het geval van elektrische voertuigen is alles met betrekking tot de toename van het aantal kilometers in de elektrische modus buitengewoon belangrijk. Volgens kenners levert een gewichtsvermindering met 100 kg het aantal kilometers van de auto slechts enkele kilometers op, maar aan de andere kant is aerodynamica van het grootste belang voor een elektrische auto.

Ten eerste omdat de hoge massa van deze voertuigen hen in staat stelt een deel van de energie terug te winnen die wordt gebruikt voor recuperatie, en ten tweede omdat het hoge koppel van de elektromotor het mogelijk maakt om het effect van het gewicht bij het opstarten te compenseren en de efficiëntie afneemt bij hoge snelheden en hoge snelheden. Bovendien hebben de vermogenselektronica en de elektromotor minder koellucht nodig, wat een kleinere opening aan de voorkant van de auto mogelijk maakt, wat, zoals we al hebben opgemerkt, de belangrijkste reden is voor de verslechtering van de stroming rond het lichaam. Een ander element van de motivatie van ontwerpers om meer aerodynamisch efficiënte vormen te creëren in de plug-in hybride modellen van vandaag, is de bewegingsmodus zonder versnelling alleen met behulp van een elektromotor, of de zogenaamde. het zeilen. In tegenstelling tot zeilboten, waar de term vandaan komt en waar de wind de boot zou moeten verplaatsen, zullen elektrische auto's meer kilometers afleggen als de auto minder luchtweerstand heeft. Het creëren van een aerodynamisch geoptimaliseerde vorm is de meest economische manier om het brandstofverbruik te verminderen.

Tekst: Georgy Kolev

De verbruikscoëfficiënten van enkele bekende auto's:

Mercedes Simplex

1904 productie, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

1921 productie, Cx = 0,28

Ford Model T

1927 productie, Cx = 0,70

Experimenteel model Kam

1938 productie, Cx = 0,36

Mercedes recordauto

1938 productie, Cx = 0,12

VW-bus

1950 productie, Cx = 0,44

VW "schildpad"

1951 productie, Cx = 0,40

Panhard Dina

1954 productie, Cx = 0,26

Porsche 356

1957 productie, Cx = 0,36

MGEX 181

1957 productie, Cx = 0,15

Citroen DS 19DS

1963 productie, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966 productie, Cx = 0,38

Mercedes C 111

1970 productie, Cx = 0,29

Volvo 245 Van

1975 productie, Cx = 0,47

Audi 100

1983 productie, Cx = 0,31

Mercedes W 124

1985 productie, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

1997 productie, Cx = 0,29