Aerodynamikkhåndbok
De viktigste faktorene som påvirker kjøretøyets luftmotstand
Lav luftmotstand bidrar til å redusere drivstofforbruket. Imidlertid er det enormt rom for utvikling i denne forbindelse. Hvis selvfølgelig aerodynamikkeksperter er enige med designernes mening.
"Aerodynamikk for de som ikke kan lage motorsykler." Disse ordene ble talt av Enzo Ferrari på sekstitallet og viser tydelig holdningen til mange datidens designere til denne teknologiske siden av bilen. Det var imidlertid bare ti år senere at den første oljekrisen inntraff, som radikalt endret hele deres verdisystem. Tider når alle motstandskreftene under bevegelsen av bilen, og spesielt de som oppstår når den passerer gjennom luftlagene, blir overvunnet av omfattende tekniske løsninger, som for eksempel å øke slagvolumet og kraften til motorer, uavhengig av forbruk av drivstoff, de forsvinner, og ingeniører begynner å se mer effektive måter å nå dine mål på.
For øyeblikket er den teknologiske faktoren til aerodynamikk dekket med et tykt lag med glemselstøv, men for designere er dette ikke noe nytt. Teknologihistorien viser at avanserte og oppfinnsomme sinn som tyske Edmund Rumpler og ungarske Paul Zharai (som skapte den ikoniske Tatra T77) formet strømlinjeformede overflater selv på XNUMX-tallet og la grunnlaget for en aerodynamisk tilnærming til karosseridesign. De ble fulgt av en andre bølge av aerodynamiske spesialister som baron Reinhard von Könich-Faxenfeld og Wunibald Kam, som utviklet sine ideer i XNUMXs.
Det er klart for alle at med økende hastighet kommer en grense, over hvilken luftmotstand blir en kritisk faktor for bilkjøring. Å lage aerodynamisk optimaliserte former kan presse denne grensen betraktelig opp og uttrykkes av den såkalte strømningsfaktoren Cx, siden en verdi på 1,05 har en terning invertert vinkelrett på luftstrømmen (hvis den roteres 45 grader langs sin akse, slik at oppstrøms kanten reduseres til 0,80). Imidlertid er denne koeffisienten bare en del av luftmotstandsligningen - du må legge til størrelsen på frontområdet til bilen (A) som et viktig element. Den første av oppgavene til aerodynamikere er å lage rene, aerodynamisk effektive overflater (faktorer som, som vi vil se, mye i en bil), som til slutt fører til en lavere strømningskoeffisient. Å måle sistnevnte krever en vindtunnel, som er en kostbar og ekstremt kompleks struktur – et eksempel på dette er tunnelen som ble tatt i bruk i 2009. BMW, som kostet selskapet 170 millioner euro. Den viktigste komponenten i den er ikke en gigantisk vifte, som bruker så mye strøm at den trenger en egen transformatorstasjon, men et nøyaktig rullestativ som måler alle kreftene og momentene som en luftstråle utøver på en bil. Hans oppgave er å evaluere hele interaksjonen mellom bilen og luftstrømmen og hjelpe spesialister med å studere hver detalj og endre den slik at den ikke bare er effektiv i luftstrømmen, men også i samsvar med designernes ønsker. . I utgangspunktet kommer de viktigste dragkomponentene en bil møter fra når luften foran den komprimeres og skifter, og – veldig viktig – fra den intense turbulensen bak den. Det er en lavtrykkssone som har en tendens til å trekke bilen, som igjen er blandet med en sterk virveleffekt, som aerodynamikere også kaller «død eksitasjon». Av logiske grunner ligger det et høyere vakuumnivå bak stasjonsvognmodellene, som følge av at forbrukskoeffisienten forringes.
Aerodynamiske motstandsfaktorer
Sistnevnte avhenger ikke bare av faktorer som bilens generelle form, men også av spesifikke deler og overflater. I praksis utgjør den generelle formen og proporsjonene til moderne biler 40 prosent av den totale luftmotstanden, hvorav en fjerdedel bestemmes av objektets overflatestruktur og funksjoner som speil, lys, nummerskilt og antenne. 10 % av luftmotstanden skyldes strømning gjennom ventilene til bremser, motor og girkasse. 20 % er resultatet av vortex i ulike gulv- og opphengsdesign, det vil si alt som skjer under bilen. Og det som er mest interessant - 30 % av luftmotstanden skyldes virvlene som er skapt rundt hjulene og vingene. En praktisk demonstrasjon av dette fenomenet viser tydelig dette - strømningshastigheten fra 0,28 per kjøretøy synker til 0,18 når hjulene fjernes og fenderventilene lukkes. Det er ingen tilfeldighet at alle biler med overraskende lav kjørelengde – som den første Insight of Honda og elbilen GM EV1 – har skjulte bakskjermer. Den generelle aerodynamiske formen og den lukkede fronten, på grunn av det faktum at den elektriske motoren ikke krever mye kjøleluft, tillot GM-designere å utvikle EV1-modellen med en flytfaktor på bare 0,195. Tesla Model 3 har Cx 0,21. For å redusere virvlingen av hjulene i kjøretøy med forbrenningsmotorer, den såkalte. "Luftgardiner" i form av en tynn vertikal luftstrøm rettet fra åpningen i frontstøtfangeren, blåser rundt hjulene og stabiliserer virvlene, strømmen til motoren begrenses av aerodynamiske skodder, og bunnen er helt lukket.
Jo lavere verdiene av kreftene målt av rullestativet, jo mindre Cx. Den måles typisk i en hastighet på 140 km/t – en verdi på for eksempel 0,30 betyr at 30 prosent av luften en bil passerer akselereres til sin hastighet. Når det gjelder fronten, krever avlesningen en mye enklere prosedyre - for dette er de ytre konturene til bilen skissert med en laser sett forfra, og det lukkede området i kvadratmeter beregnes. Den multipliseres så med strømningsfaktoren for å få bilens totale luftmotstand i kvadratmeter.
For å gå tilbake til det historiske omrisset av vår aerodynamiske fortelling, finner vi at etableringen av den standardiserte syklusen for måling av drivstofforbruk (NEFZ) i 1996 faktisk spilte en negativ rolle i den aerodynamiske utviklingen av biler (som avanserte betydelig i de 7s). ) fordi den aerodynamiske faktoren har liten effekt på grunn av den korte perioden med høyhastighetsbevegelse. Til tross for nedgangen i forbrukskoeffisienten gjennom årene, fører økningen i dimensjonene til kjøretøyer i hver klasse til en økning i frontområdet og følgelig til en økning i luftmotstanden. Biler som VW Golf, Opel Astra og BMW 90-serie hadde høyere luftmotstand enn forgjengerne på 90-tallet. Denne trenden tilrettelegges av imponerende SUV-modeller med sitt store frontareal og dårligere strømlinjeforming. Denne typen kjøretøy har blitt kritisert hovedsakelig for sin høye vekt, men i praksis blir denne faktoren mindre av en relativ betydning med økende hastighet - ved kjøring utenfor byen med en hastighet på ca. 50 km/t er andelen luftmotstand ca. 80 prosent, ved motorveihastigheter øker den til XNUMX prosent fra den totale motstanden bilen møter.
Aerodynamisk rør
Et annet eksempel på luftmotstandens rolle i kjøretøyytelsen er en typisk Smart City-modell. En toseter kan være kvikk og kvikk i bygater, men dens korte og proporsjonale karosseri er svært ineffektiv fra et aerodynamisk synspunkt. På bakgrunn av lav vekt blir luftmotstand et stadig viktigere element, og med Smart begynner den å ha en sterk effekt i hastigheter på 50 km / t. Det er ikke overraskende at den til tross for lettvektsdesignen ikke levde opp til forventningene til en relativt lav kostnad.
Til tross for Smarts mangler er imidlertid morselskapet Mercedes sin holdning til aerodynamikk et eksempel på en metodisk, konsistent og proaktiv tilnærming til prosessen med å skape spektakulære former. Det kan hevdes at resultatene av investeringer i vindtunneler og hardt arbeid på dette området er spesielt merkbare i dette selskapet. Et spesielt slående eksempel på effekten av denne prosessen er det faktum at dagens S-klasse (Cx 0,24) har mindre luftmotstand enn Golf VII (0,28). I jakten på mer innvendig plass har formen på den kompakte modellen fått et ganske stort frontareal, og strømningskoeffisienten er dårligere enn for S-klassen på grunn av dens kortere lengde, som ikke tillater strømlinjeformede overflater og mye mer. - allerede på grunn av en skarp overgang bakfra, som bidrar til dannelsen av virvler. VW står imidlertid fast på at neste generasjon Golf vil ha betydelig mindre luftmotstand og senkes og strømlinjeformes. Den laveste registrerte drivstofforbruksfaktoren på 0,22 per ICE-kjøretøy er Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Fordelen med elektriske kjøretøy
Et annet eksempel på betydningen av aerodynamisk form i forhold til vekt er moderne hybridmodeller og enda flere elektriske biler. I tilfellet med Prius er for eksempel behovet for en meget aerodynamisk design diktert av det faktum at når hastigheten øker, synker effektiviteten til hybrid-drivlinjen dramatisk. Når det gjelder elektriske kjøretøy, er alt relatert til økningen i kjørelengde i elektrisk modus ekstremt viktig. Ifølge eksperter vil reduksjon av vekten med 100 kg øke bilens kjørelengde med bare noen få kilometer, men på den annen side er aerodynamikk av største betydning for en elbil.
For det første fordi den høye massen til disse kjøretøyene lar dem gjenvinne noe av energien som brukes til restitusjon, og for det andre fordi det høye dreiemomentet til den elektriske motoren lar deg kompensere for vekteffekten ved oppstart, og effektiviteten reduseres. ved høye hastigheter og høye hastigheter. I tillegg trenger kraftelektronikken og den elektriske motoren mindre kjøleluft, noe som gir mulighet for en mindre åpning i fronten av bilen, som, som vi allerede har notert, er hovedårsaken til forringelsen av flyten rundt karosseriet. Et annet element i motivasjonen til designere til å skape mer aerodynamisk effektive former i dagens plug-in hybridmodeller er bevegelsesmåten uten akselerasjon kun ved hjelp av en elektrisk motor, eller den såkalte. seiling. I motsetning til seilbåter, hvor begrepet kommer fra og hvor vinden skal flytte båten, vil elbiler øke kjørelengden dersom bilen har mindre luftmotstand. Å skape en aerodynamisk optimalisert form er den mest økonomiske måten å redusere drivstofforbruket på.
Tekst: Georgy Kolev
Forbruksfaktorer for noen kjente biler:
Mercedes Simplex
1904 produksjon, Cx = 1,05
Rumpler Tropfenwagen
1921 produksjon, Cx = 0,28
Ford modell T
1927 produksjon, Cx = 0,70
Eksperimentell modell Kam
1938 produksjon, Cx = 0,36
Mercedes platebil
1938 produksjon, Cx = 0,12
VW buss
1950 produksjon, Cx = 0,44
VW "skilpadde"
1951 produksjon, Cx = 0,40
Panhard Dina
1954 produksjon, Cx = 0,26
Porsche 356
1957 produksjon, Cx = 0,36
MG EX 181
1957 produksjon, Cx = 0,15
Citroen DS 19
1963 produksjon, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
1966 produksjon, Cx = 0,38
Mercedes C 111
1970 produksjon, Cx = 0,29
Volvo 245 varebil
1975 produksjon, Cx = 0,47
Audi 100
1983 produksjon, Cx = 0,31
Mercedes W 124
1985 produksjon, Cx = 0,29
Toyota Prius 1
1997 produksjon, Cx = 0,29
