Priručnik za aerodinamiku

Najvažniji čimbenici koji utječu na otpor zraka u vozilu

Nizak otpor zraka pomaže smanjiti potrošnju goriva. Međutim, u tom pogledu postoji ogroman prostor za razvoj. Ako se, naravno, stručnjaci za aerodinamiku slože s mišljenjem dizajnera.

"Aerodinamika za one koji ne mogu raditi motocikle." Ove riječi izgovorio je Enzo Ferrari šezdesetih godina i jasno pokazuju odnos mnogih tadašnjih dizajnera prema ovoj tehnološkoj strani automobila. Međutim, tek deset godina kasnije dogodila se prva naftna kriza koja je iz temelja promijenila njihov cjelokupni sustav vrijednosti. Vremena kada se sve sile otpora tijekom kretanja automobila, a posebno one koje nastaju pri prolasku kroz zračne slojeve, prevladavaju opsežnim tehničkim rješenjima, poput povećanja zapremnine i snage motora, bez obzira na potrošenu količinu goriva, one odlaze, a inženjeri počinju tražiti učinkovitiji načini za postizanje vaših ciljeva.

Trenutno je tehnološki faktor aerodinamike prekriven debelim slojem zaboravne prašine, ali za dizajnere to nije vijest. Povijest tehnologije pokazuje da su čak i u 77-ima napredni i inventivni umovi, poput Nijemca Edmunda Rumplera i Mađara Paula Jaraija (koji je stvorio kultnu Tatru TXNUMX), oblikovali racionalizirane površine i postavili temelje aerodinamičnom pristupu dizajnu karoserije. Slijedio ih je drugi val stručnjaka za aerodinamiku kao što su barun Reinhard von Könich-Faxenfeld i Wunibald Kam, koji su svoje ideje razvijali u XNUMX-ima.

Svima je jasno da s povećanjem brzine dolazi granica, iznad koje otpor zraka postaje kritičan faktor za vožnju automobila. Stvaranje aerodinamički optimiziranih oblika može znatno povisiti ovu granicu i izražava se takozvanim faktorom protoka Cx, budući da vrijednost od 1,05 ima kocku okrenutu okomito na strujanje zraka (ako se zakrene za 45 stupnjeva duž svoje osi, tako da uzvodno rub se smanjuje na 0,80). Međutim, ovaj koeficijent je samo jedan dio jednadžbe otpora zraka - morate dodati veličinu prednjeg dijela automobila (A) kao važan element. Prvi od zadataka aerodinamičara je stvaranje čistih, aerodinamički učinkovitih površina (čijih je faktora, kao što ćemo vidjeti, puno u automobilu), što u konačnici dovodi do nižeg koeficijenta protoka. Za mjerenje potonjeg potreban je zračni tunel, koji je skupa i iznimno složena konstrukcija – primjer za to je tunel pušten u rad 2009. godine. BMW-a koji je kompaniju koštao 170 milijuna eura. Najvažnija komponenta u njemu nije divovski ventilator, koji troši toliko struje da mu je potrebna zasebna trafostanica, već precizan valjkasti stalak koji mjeri sve sile i momente kojima mlaz zraka djeluje na automobil. Njegov zadatak je procijeniti cjelokupnu interakciju automobila s strujanjem zraka i pomoći stručnjacima da prouče svaki detalj i izmijene ga tako da ne bude učinkovit samo u strujanju zraka, već i u skladu sa željama dizajnera. . U osnovi, glavne komponente otpora s kojima se automobil susreće dolaze od kada se zrak ispred njega komprimira i pomiče, i – što je vrlo važno – od intenzivnih turbulencija iza njega u stražnjem dijelu. Postoji zona niskog tlaka koja nastoji povući automobil, što je zauzvrat pomiješano s jakim efektom vrtloga, koji aerodinamičari nazivaju i "mrtvo uzbuđenje". Iz logičnih razloga, nakon karavanskih modela, razina podtlaka je viša, zbog čega se pogoršava koeficijent potrošnje.

Aerodinamički faktori otpora

Potonje ne ovisi samo o čimbenicima kao što je cjelokupni oblik automobila, već i o određenim dijelovima i površinama. U praksi, ukupni oblik i proporcije modernih automobila čine 40 posto ukupnog otpora zraka, od čega je četvrtina određena površinskom strukturom predmeta i značajkama kao što su retrovizori, svjetla, registarska pločica i antena. 10% otpora zraka nastaje zbog protoka kroz ventilacijske otvore do kočnica, motora i mjenjača. 20% je rezultat vrtloga u raznim izvedbama podova i ovjesa, odnosno svega što se događa ispod auta. I što je najzanimljivije - 30% otpora zraka je zbog vrtloga koji se stvaraju oko kotača i krila. Praktična demonstracija ovog fenomena to jasno pokazuje - brzina protoka s 0,28 po vozilu pada na 0,18 kada se kotači uklone i ventilacijski otvori na blatobranima zatvore. Nije slučajnost da svi automobili s iznenađujuće malom kilometražom - poput prvog Hondinog Insighta i električnog automobila GM EV1 - imaju skrivene stražnje blatobrane. Cjelokupni aerodinamični oblik i zatvoreni prednji kraj, zahvaljujući činjenici da električni motor ne zahtijeva puno zraka za hlađenje, omogućili su GM-ovim dizajnerima da razviju model EV1 s faktorom protoka od samo 0,195. Tesla Model 3 ima Cx 0,21. Za smanjenje vrtložnosti kotača kod vozila s motorima s unutarnjim izgaranjem, tzv. „Zračne zavjese“ u obliku tankog okomitog strujanja zraka usmjerenog iz otvora na prednjem braniku, puše oko kotača i stabilizira vrtloge, protok prema motoru ograničen je aerodinamičkim kapcima, a dno je potpuno zatvoreno.

Što su niže vrijednosti sila izmjerene valjkastim postoljem, manji je Cx. Obično se mjeri pri brzini od 140 km/h – vrijednost od 0,30, na primjer, znači da je 30 posto zraka kroz koji automobil prolazi ubrzano do njegove brzine. Što se tiče prednjeg dijela, njegovo očitavanje zahtijeva puno jednostavniji postupak - za to se laserom ocrtavaju vanjske konture automobila gledano s prednje strane i izračunava se zatvorena površina u kvadratnim metrima. Zatim se množi s faktorom protoka kako bi se dobio ukupni otpor zraka automobila u kvadratnim metrima.

Vraćajući se na povijesni pregled naše aerodinamičke priče, nalazimo da je stvaranje standardiziranog ciklusa mjerenja potrošnje goriva (NEFZ) 1996. zapravo odigralo negativnu ulogu u aerodinamičkoj evoluciji automobila (koji su značajno napredovali u 7. godini). ) jer aerodinamički čimbenik ima mali učinak zbog kratkog razdoblja kretanja velikom brzinom. Unatoč smanjenju koeficijenta potrošnje tijekom godina, povećanje dimenzija vozila svake klase dovodi do povećanja prednje površine i, posljedično, povećanja otpora zraka. Automobili kao što su VW Golf, Opel Astra i BMW serije 90 imali su veći otpor zraka od svojih prethodnika 90-ih. Ovaj trend je olakšan impresivnim SUV modelima sa svojom velikom prednjom površinom i sve lošijim linijama. Ovaj tip vozila kritiziran je uglavnom zbog svoje velike težine, ali u praksi ovaj faktor postaje manje važan s povećanjem brzine - pri vožnji izvan grada brzinom od oko 50 km/h, udio otpora zraka je oko 80 posto, pri brzinama na autocesti povećava se na XNUMX posto ukupnog otpora s kojim se automobil suočava.

Aerodinamička cijev

Drugi primjer uloge otpora zraka u performansama vozila tipičan je model pametnog grada. Dvosjed je možda okretan i okretan na gradskim ulicama, ali njegova kratka i proporcionalna karoserija vrlo je neučinkovita s aerodinamičkog stajališta. U pozadini male težine, otpor zraka postaje sve važniji element, a kod Smarta počinje imati snažan učinak pri brzinama od 50 km / h. Nije iznenađujuće da unatoč laganom dizajnu nije opravdao očekivanja relativno niske cijene.

No, unatoč Smartovim nedostacima, odnos matične tvrtke Mercedes prema aerodinamici primjer je metodičnog, dosljednog i proaktivnog pristupa procesu stvaranja spektakularnih oblika. Može se reći da su rezultati ulaganja u zračne tunele i napornog rada na ovom području posebno vidljivi u ovoj tvrtki. Posebno upečatljiv primjer učinka ovog procesa je činjenica da trenutna S-klasa (Cx 0,24) ima manji otpor zraka od Golfa VII (0,28). U potrazi za većim unutarnjim prostorom, oblik kompaktnog modela dobio je prilično veliku prednju površinu, a koeficijent protoka je lošiji od onog u S-klasi zbog kraće duljine, što ne dopušta aerodinamične površine i puno više. - već zbog oštrog prijelaza straga, pridonoseći stvaranju vrtloga. Međutim, VW je nepokolebljiv da će sljedeća generacija Golfa imati znatno manji otpor zraka te biti spušten i aerodinamičan. Najniži zabilježeni faktor potrošnje goriva od 0,22 po ICE vozilu je Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Prednost električnih vozila

Još jedan primjer važnosti aerodinamičnog oblika u odnosu na težinu su moderni hibridni modeli, a još više električna vozila. Na primjer, u slučaju Priusa, potrebu za visoko aerodinamičnim dizajnom također diktira činjenica da s povećanjem brzine učinkovitost hibridnog pogonskog sklopa dramatično pada. U slučaju električnih vozila, izuzetno je važno sve što je vezano za povećanu kilometražu u električnom načinu rada. Prema riječima stručnjaka, smanjenjem težine za 100 kg povećati će se kilometraža automobila za samo nekoliko kilometara, ali s druge strane, aerodinamika je od presudne važnosti za električni automobil.

Prvo, zato što velika masa ovih vozila omogućuje povrat dijela energije utrošene za oporavak, i drugo, zato što veliki okretni moment elektromotora omogućuje kompenzaciju učinka težine pri pokretanju, a njegova se učinkovitost smanjuje pri velikim brzinama i velikim brzinama. Osim toga, energetska elektronika i elektromotor trebaju manje zraka za hlađenje, što omogućuje manji otvor na prednjem dijelu automobila, što je, kako smo već napomenuli, glavni razlog pogoršanja protoka oko karoserije. Drugi element motivacije dizajnera za stvaranje aerodinamički učinkovitijih oblika u današnjim plug-in hibridnim modelima je način kretanja bez ubrzanja samo uz pomoć elektromotora, odnosno tzv. jedrenje. Za razliku od jedrilica, odakle dolazi taj izraz i gdje vjetar treba pokretati brod, električni automobili će povećati kilometražu ako automobil ima manji otpor zraka. Stvaranje aerodinamički optimiziranog oblika najekonomičniji je način smanjenja potrošnje goriva.

Tekst: Georgy Kolev

Koeficijenti potrošnje nekih poznatih automobila:

Mercedes Simplex

Proizvodnja iz 1904., Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Proizvodnja iz 1921., Cx = 0,28

Fordov model T.

Proizvodnja iz 1927., Cx = 0,70

Eksperimentalni model Kam

Proizvodnja iz 1938., Cx = 0,36

Mercedesov rekordni automobil

Proizvodnja iz 1938., Cx = 0,12

VW Bus

Proizvodnja iz 1950., Cx = 0,44

VW "kornjača"

Proizvodnja iz 1951., Cx = 0,40

Panhard Dina

Proizvodnja iz 1954., Cx = 0,26

Porsche 356

Proizvodnja iz 1957., Cx = 0,36

MG EX 181

Proizvodnja iz 1957., Cx = 0,15

Citroen DS 19

Proizvodnja iz 1963., Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Proizvodnja iz 1966., Cx = 0,38

Mercedes C 111

Proizvodnja iz 1970., Cx = 0,29

Kombi Volvo 245

Proizvodnja iz 1975., Cx = 0,47

Audi 100

Proizvodnja iz 1983., Cx = 0,31

Mercedes W 124

Proizvodnja iz 1985., Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Proizvodnja iz 1997., Cx = 0,29