Manual de aerodinamică

Cei mai importanți factori care afectează rezistența la aer a vehiculului

Rezistența redusă a aerului ajută la reducerea consumului de combustibil. Cu toate acestea, în acest sens, există un spațiu uriaș pentru dezvoltare. Dacă, desigur, experții în aerodinamică sunt de acord cu părerea designerilor.

„Aerodinamică pentru cei care nu pot face motociclete”. Aceste cuvinte au fost rostite de Enzo Ferrari în anii șaizeci și demonstrează în mod clar atitudinea multor designeri ai vremii față de această latură tehnologică a mașinii. Cu toate acestea, doar zece ani mai târziu a avut loc prima criză a petrolului, care a schimbat radical întregul lor sistem de valori. Momente în care toate forțele de rezistență din timpul mișcării mașinii, și în special cele care apar atunci când trece prin straturile de aer, sunt depășite de soluții tehnice extinse, cum ar fi creșterea deplasării și puterii motoarelor, indiferent de cantitatea de combustibil consumată, acestea dispar, iar inginerii încep să privească modalități mai eficiente de a vă atinge obiectivele.

În acest moment, factorul tehnologic al aerodinamicii este acoperit cu un strat gros de praf de uitare, dar pentru designeri aceasta nu este o noutate. Istoria tehnologiei arată că, chiar în anii 77, minți avansate și inventive, precum germanul Edmund Rumpler și ungurul Paul Zharai (care a creat iconicul Tatra TXNUMX) au modelat suprafețe simplificate și au pus bazele unei abordări aerodinamice a designului caroseriei mașinilor. Au fost urmate de un al doilea val de specialiști aerodinamici, precum baronul Reinhard von Könich-Faxenfeld și Wunibald Kam, care și-au dezvoltat ideile în XNUMXs.

Este clar pentru toată lumea că odată cu creșterea vitezei vine o limită, peste care rezistența aerului devine un factor critic pentru conducerea unei mașini. Crearea de forme optimizate aerodinamic poate împinge această limită considerabil în sus și este exprimată prin așa-numitul factor de curgere Cx, deoarece o valoare de 1,05 are un cub inversat perpendicular pe fluxul de aer (dacă este rotit cu 45 de grade de-a lungul axei sale, astfel încât în ​​amonte). marginea scade la 0,80). Cu toate acestea, acest coeficient este doar o parte a ecuației rezistenței aerului - trebuie să adăugați dimensiunea zonei frontale a mașinii (A) ca element important. Prima dintre sarcinile aerodinamiștilor este de a crea suprafețe curate, eficiente aerodinamic (factori dintre care, după cum vom vedea, mulți într-o mașină), ceea ce duce în cele din urmă la un coeficient de curgere mai mic. Măsurarea acestuia din urmă necesită un tunel de vânt, care este o structură costisitoare și extrem de complexă – un exemplu în acest sens este tunelul dat în funcțiune în 2009. BMW, care a costat compania 170 de milioane de euro. Cea mai importantă componentă a acestuia nu este un ventilator uriaș, care consumă atât de multă energie electrică încât are nevoie de o substație de transformare separată, ci un suport precis, care măsoară toate forțele și momentele pe care un jet de aer le exercită asupra unei mașini. Sarcina lui este să evalueze întreaga interacțiune a mașinii cu fluxul de aer și să ajute specialiștii să studieze fiecare detaliu și să-l modifice, astfel încât să fie eficient nu numai în fluxul de aer, ci și în conformitate cu dorințele designerilor. . Practic, principalele componente de rezistență pe care le întâlnește o mașină provin din momentul în care aerul din fața ei se comprimă și se schimbă și – foarte important – din turbulențele intense din spate. Există o zonă de joasă presiune care tinde să tragă mașina, care la rândul său este amestecată cu un puternic efect de vortex, pe care aerodinamiștii îl numesc și „excitație moartă”. Din motive logice, după modelele break, nivelul de vid este mai mare, drept urmare coeficientul de consum se deteriorează.

Factori de rezistență aerodinamică

Acesta din urmă depinde nu numai de factori precum forma generală a mașinii, ci și de anumite părți și suprafețe. În practică, forma generală și proporțiile mașinilor moderne reprezintă 40% din rezistența totală a aerului, un sfert din care este determinată de structura suprafeței obiectului și de caracteristici precum oglinzi, lumini, plăcuță de înmatriculare și antenă. 10% din rezistența aerului se datorează curgerii prin orificiile de ventilație către frâne, motor și transmisie. 20% este rezultatul vârtejului în diferite modele de podea și suspensie, adică tot ceea ce se întâmplă sub mașină. Și ceea ce este cel mai interesant - 30% din rezistența aerului se datorează vârtejurilor create în jurul roților și aripilor. O demonstrație practică a acestui fenomen arată clar acest lucru - debitul de la 0,28 per vehicul scade la 0,18 atunci când roțile sunt îndepărtate și orificiile de ventilație ale aripilor sunt închise. Nu este o coincidență că toate mașinile surprinzător de kilometraj redus - precum prima Insight de la Honda și mașina electrică GM EV1 - au aripi spate ascunse. Forma aerodinamică generală și partea frontală închisă, datorită faptului că motorul electric nu necesită mult aer de răcire, au permis designerilor GM să dezvolte modelul EV1 cu un factor de debit de doar 0,195. Tesla Model 3 are Cx 0,21. Pentru a reduce vorticitatea roților la vehiculele cu motoare cu ardere internă, așa-numitele. „Perdele de aer” sub forma unui flux de aer vertical subțire direcționat din deschiderea din bara de protecție din față, suflând în jurul roților și stabilizând vârtejurile, fluxul către motor este limitat de obloane aerodinamice, iar fundul este complet închis.

Cu cât valorile forțelor măsurate de suportul cu role sunt mai mici, cu atât Cx este mai mic. Se măsoară de obicei la o viteză de 140 km/h – o valoare de 0,30, de exemplu, înseamnă că 30% din aerul prin care trece o mașină este accelerat la viteza sa. În ceea ce privește partea din față, citirea acestuia necesită o procedură mult mai simplă - pentru aceasta, contururile exterioare ale mașinii sunt conturate cu laser atunci când sunt privite din față și se calculează suprafața închisă în metri pătrați. Apoi este înmulțit cu factorul de debit pentru a obține rezistența totală a aerului a mașinii în metri pătrați.

Revenind la schița istorică a narațiunii noastre aerodinamice, constatăm că crearea ciclului standardizat de măsurare a consumului de combustibil (NEFZ) în 1996 a jucat de fapt un rol negativ în evoluția aerodinamică a mașinilor (care a avansat semnificativ în cele 7-uri). ) deoarece factorul aerodinamic are un efect redus datorită perioadei scurte de mișcare de mare viteză. În ciuda scăderii coeficientului de consum de-a lungul anilor, creșterea dimensiunilor vehiculelor din fiecare clasă duce la o creștere a suprafeței frontale și, în consecință, la o creștere a rezistenței aerului. Mașini precum VW Golf, Opel Astra și BMW Seria 90 au avut o rezistență la aer mai mare decât predecesorii lor din anii '90. Această tendință este facilitată de modelele SUV impresionante, cu suprafața lor mare față și raționalizarea deteriorată. Acest tip de vehicul a fost criticat în principal pentru greutatea sa mare, dar în practică acest factor devine mai puțin de o importanță relativă odată cu creșterea vitezei - atunci când conduceți în afara orașului cu o viteză de aproximativ 50 km/h, proporția de rezistență a aerului este de aproximativ 80 la sută, la viteze de autostradă crește la XNUMX la sută din rezistența totală cu care se confruntă mașina.

Tub aerodinamic

Un alt exemplu al rolului rezistenței aerului în performanța vehiculului este un model tipic Smart City. Un cu două locuri poate fi agil și agil pe străzile orașului, dar caroseria sa scurtă și proporțională este extrem de ineficientă din punct de vedere aerodinamic. Pe fondul greutății reduse, rezistența aerului devine un element din ce în ce mai important, iar cu Smart începe să aibă un efect puternic la viteze de 50 km/h. Nu este surprinzător că, în ciuda designului ușor, nu s-a ridicat la nivelul așteptărilor. cu un cost relativ redus.

Cu toate acestea, în ciuda deficiențelor Smart, atitudinea companiei-mamă Mercedes față de aerodinamică este un exemplu de abordare metodică, consecventă și proactivă a procesului de creare a formelor spectaculoase. Se poate susține că rezultatele investițiilor în tuneluri de vânt și ale muncii grele în acest domeniu sunt deosebit de vizibile în această companie. Un exemplu deosebit de izbitor al efectului acestui proces este faptul că actuala Clasa S (Cx 0,24) are o rezistență mai mică la aer decât Golf VII (0,28). În căutarea unui spațiu interior mai mare, forma modelului compact a căpătat o suprafață frontală destul de mare, iar coeficientul de curgere este mai slab decât cel al clasei S datorită lungimii mai mici, care nu permite suprafețe raționalizate și mult Mai mult. - deja datorită unei tranziții ascuțite din spate, contribuind la formarea de vârtejuri. Cu toate acestea, VW este ferm că următoarea generație Golf va avea o rezistență semnificativ mai mică la aer și va fi coborâtă și optimizată. Cel mai mic factor de consum de combustibil înregistrat de 0,22 per vehicul ICE este Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Avantajul vehiculelor electrice

Un alt exemplu de importanță a formei aerodinamice pe fondul greutății sunt modelele moderne hibride și cu atât mai mult vehiculele electrice. De exemplu, în cazul Prius, necesitatea unui design extrem de aerodinamic este dictată și de faptul că, pe măsură ce viteza crește, eficiența grupului de propulsie hibrid scade dramatic. În cazul vehiculelor electrice, tot ceea ce ține de kilometrajul crescut în modul electric este extrem de important. Potrivit experților, reducerea greutății cu 100 kg va crește kilometrajul mașinii cu doar câțiva kilometri, dar, pe de altă parte, aerodinamica are o importanță crucială pentru o mașină electrică.

În primul rând, pentru că masa mare a acestor vehicule le permite să recupereze o parte din energia utilizată pentru recuperare și, în al doilea rând, pentru că cuplul mare al motorului electric vă permite să compensați efectul greutății la pornire, iar eficiența acestuia scade. la viteze mari și viteze mari. În plus, electronica de putere și motorul electric au nevoie de mai puțin aer de răcire, ceea ce permite o deschidere mai mică în partea din față a mașinii, care, așa cum am observat deja, este principalul motiv pentru deteriorarea fluxului din jurul caroseriei. Un alt element al motivației designerilor de a crea forme mai eficiente aerodinamic în modelele hibride plug-in de astăzi este modul de deplasare fără accelerație doar cu ajutorul unui motor electric, sau așa-zisul. navigație. Spre deosebire de ambarcațiunile cu vele, de unde provine termenul și de unde vântul ar trebui să miște barca, mașinile electrice vor crește kilometrajul dacă mașina are mai puțină rezistență la aer. Crearea unei forme optimizate aerodinamic este cea mai economică modalitate de a reduce consumul de combustibil.

Text: Georgy Kolev

Factorii de consum ai unor mașini celebre:

Mercedes Simplex

Producție din 1904, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Producție din 1921, Cx = 0,28

Ford Model T

Producție din 1927, Cx = 0,70

Model experimental Kam

Producție din 1938, Cx = 0,36

Mașină record Mercedes

Producție din 1938, Cx = 0,12

Autobuz VW

Producție din 1950, Cx = 0,44

"Testoasa" VW

Producție din 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Producție din 1954, Cx = 0,26

Porsche 356

Producție din 1957, Cx = 0,36

MG EX 181

Producție din 1957, Cx = 0,15

Citroen DS 19

Producție din 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Producție din 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Producție din 1970, Cx = 0,29

Volvo 245 Van

Producție din 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Producție din 1983, Cx = 0,31

Mercedes W 124

Producție din 1985, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Producție din 1997, Cx = 0,29