Priročnik za aerodinamiko
Najpomembnejši dejavniki, ki vplivajo na zračni upor vozila
Nizka zračna upornost pomaga zmanjšati porabo goriva. Vendar je v tem pogledu ogromno prostora za razvoj. Če se seveda strokovnjaki za aerodinamiko strinjajo z mnenjem oblikovalcev.
"Aerodinamika za tiste, ki ne morejo izdelovati motornih koles." Te besede je v šestdesetih letih govoril Enzo Ferrari in nazorno dokazujejo odnos številnih oblikovalcev tistega časa do te tehnološke plati avtomobila. Vendar se je šele deset let pozneje zgodila prva naftna kriza, ki je temeljito spremenila njihov celotni vrednostni sistem. Časi, ko vse sile upora med gibanjem avtomobila, še posebej pa tiste, ki se pojavijo, ko gre skozi zračne plasti, premagajo obsežne tehnične rešitve, kot je povečanje prostornine in moči motorjev, ne glede na količino porabljenega goriva izginejo in inženirji začnejo iskati učinkovitejše načine za dosego svojih ciljev.
Trenutno je tehnološki dejavnik aerodinamike pokrit z debelo plastjo prahu pozabe, a za oblikovalce to ni novica. Zgodovina tehnologije kaže, da so tudi v sedemdesetih letih napredni in iznajdljivi možje, kot sta Nemec Edmund Rumpler in Madžar Paul Jarai (ki je ustvaril ikonsko Tatro T77), oblikovali racionalizirane površine in postavili temelje za aerodinamični pristop k oblikovanju karoserije. Sledil jim je drugi val specialistov za aerodinamiko, kot sta baron Reinhard von Könich-Faxenfeld in Wunibald Kam, ki so svoje ideje razvijali v XNUMX-ih.
Vsem je jasno, da z večanjem hitrosti prihaja meja, nad katero postane zračni upor kritičen dejavnik za vožnjo avtomobila. Ustvarjanje aerodinamično optimiziranih oblik lahko to mejo znatno dvigne in je izraženo s tako imenovanim faktorjem pretoka Cx, saj ima vrednost 1,05 kocko, obrnjeno pravokotno na tok zraka (če je zasukana za 45 stopinj vzdolž svoje osi, tako da je navzgor rob se zmanjša na 0,80). Vendar je ta koeficient le en del enačbe zračnega upora - kot pomemben element morate dodati velikost čelne površine avtomobila (A). Prva izmed nalog aerodinamikov je ustvariti čiste, aerodinamično učinkovite površine (dejavnikov, ki jih je, kot bomo videli, veliko v avtomobilu), kar na koncu vodi do nižjega koeficienta pretoka. Za merjenje slednjega je potreben vetrovnik, ki je draga in izjemno zapletena konstrukcija – primer tega je leta 2009 predani predor. BMW, ki je podjetje stal 170 milijonov evrov. Najpomembnejši sestavni del v njem ni velikanski ventilator, ki porabi toliko elektrike, da potrebuje ločeno transformatorsko postajo, temveč natančno valjčno stojalo, ki meri vse sile in momente, s katerimi zračni curek deluje na avtomobil. Njegova naloga je ovrednotiti celotno interakcijo avtomobila z zračnim tokom in pomagati strokovnjakom, da preučijo vsako podrobnost in jo spremenijo tako, da ne deluje le učinkovito v zračnem toku, temveč tudi v skladu z željami oblikovalcev. . V bistvu glavne komponente upora, s katerimi se avtomobil sreča, izvirajo, ko se zrak pred njim stisne in premakne, in – kar je zelo pomembno – zaradi intenzivne turbulence za njim zadaj. Obstaja območje nizkega tlaka, ki teži k vlečenju avtomobila, kar je pomešano z močnim učinkom vrtinčenja, ki ga aerodinamiki imenujejo tudi "mrtvo vznemirjenje". Iz logičnih razlogov je po karavanskih modelih stopnja podtlaka višja, posledično se poslabša koeficient porabe.
Aerodinamični faktorji upora
Slednje ni odvisno samo od dejavnikov, kot je celotna oblika avtomobila, temveč tudi od specifičnih delov in površin. V praksi celotna oblika in proporci sodobnih avtomobilov predstavljajo 40 odstotkov celotnega zračnega upora, od tega četrtino določajo površinska struktura predmeta in značilnosti, kot so ogledala, luči, registrska tablica in antena. 10 % zračnega upora je posledica pretoka skozi zračnike do zavor, motorja in menjalnika. 20% je posledica vrtinčenja v različnih izvedbah tal in vzmetenja, torej vsega, kar se dogaja pod avtomobilom. In kar je najbolj zanimivo - 30% zračnega upora je posledica vrtincev, ki nastanejo okoli koles in kril. Praktična predstavitev tega pojava to jasno pokaže – stopnja pretoka z 0,28 na vozilo pade na 0,18, ko so kolesa odstranjena in so zračniki blatnikov zaprti. Ni naključje, da imajo vsi avtomobili s presenetljivo malo prevoženimi kilometri – na primer prvi Hondin Insight in električni avtomobil GM EV1 – skrite zadnje blatnike. Celotna aerodinamična oblika in zaprt sprednji del, zaradi dejstva, da elektromotor ne potrebuje veliko hladilnega zraka, sta oblikovalcem GM omogočila razvoj modela EV1 s faktorjem pretoka le 0,195. Tesla Model 3 ima Cx 0,21. Za zmanjšanje vrtinčenja koles pri vozilih z motorji z notranjim zgorevanjem se uporablja t.i. »Zračne zavese« v obliki tankega navpičnega zračnega toka, usmerjenega iz odprtine v sprednjem odbijaču, piha okoli koles in stabilizira vrtince, dotok do motorja omejujejo aerodinamične lopute, dno pa je popolnoma zaprto.
Nižje kot so vrednosti sil, izmerjenih z valjčnim stojalom, manjši je Cx. Običajno se meri pri hitrosti 140 km/h – vrednost 0,30 na primer pomeni, da je 30 odstotkov zraka, skozi katerega gre avto, pospešenega do njegove hitrosti. Kar zadeva sprednji del, njegovo odčitavanje zahteva veliko enostavnejši postopek - za to se z laserjem začrtajo zunanji obrisi avtomobila, gledano od spredaj, in izračuna se zaprta površina v kvadratnih metrih. Nato ga pomnožimo s faktorjem pretoka, da dobimo skupni zračni upor avtomobila v kvadratnih metrih.
Če se vrnemo k zgodovinskemu orisu naše aerodinamične pripovedi, ugotovimo, da je ustvarjanje standardiziranega cikla merjenja porabe goriva (NEFZ) leta 1996 dejansko igralo negativno vlogo pri aerodinamičnem razvoju avtomobilov (ki je v 7. letih znatno napredoval). ), ker ima aerodinamični dejavnik majhen učinek zaradi kratkega obdobja hitrega gibanja. Kljub temu, da se koeficient porabe z leti zmanjšuje, povečanje mer vozil posameznega razreda vodi v povečanje čelne površine in posledično v povečanje zračnega upora. Avtomobili, kot so VW Golf, Opel Astra in BMW serije 90, so imeli večji zračni upor kot njihovi predhodniki v 90-ih. Ta trend spodbujajo impresivni modeli SUV z velikim sprednjim delom in vse slabšo racionalnostjo. Tovrstna vozila so bila kritizirana predvsem zaradi velike teže, v praksi pa ta dejavnik z naraščajočo hitrostjo postaja manj pomemben – pri vožnji zunaj mesta s hitrostjo okoli 50 km/h je delež zračnega upora približno 80 odstotkov, pri avtocestnih hitrostih pa se poveča na XNUMX odstotkov celotnega upora, s katerim se sooča avtomobil.
Aerodinamična cev
Drug primer vloge zračnega upora pri delovanju vozila je tipičen model Smart City. Dvosed je na mestnih ulicah morda okreten in okreten, a njegova kratka in proporcionalna karoserija je z aerodinamičnega vidika zelo neučinkovita. V ozadju majhne teže postaja zračni upor vse pomembnejši element, pri Smartu pa začne močno učinkovati že pri hitrostih 50 km / h.Ni presenetljivo, da kljub lahki zasnovi ni izpolnil pričakovanj relativno nizkih stroškov.
Kljub Smartovim pomanjkljivostim pa je odnos matičnega podjetja Mercedes do aerodinamike primer metodičnega, doslednega in proaktivnega pristopa k procesu ustvarjanja spektakularnih oblik. Lahko trdimo, da so rezultati vlaganja v vetrovnike in trdega dela na tem področju v tem podjetju še posebej opazni. Posebej osupljiv primer učinka tega postopka je dejstvo, da ima trenutni razred S (Cx 0,24) manjši zračni upor kot Golf VII (0,28). V iskanju več notranjega prostora je oblika kompaktnega modela pridobila precej veliko čelno površino, pretočnost pa je slabša kot pri razredu S zaradi krajše dolžine, ki ne omogoča poenostavljenih površin in veliko več. - že zaradi ostrega prehoda od zadaj, kar prispeva k nastanku vrtincev. Pri VW pa so neomajni, da bo imela naslednja generacija golfa občutno manjši zračni upor ter bo znižan in racionaliziran. Najnižji zabeležen faktor porabe goriva 0,22 na vozilo z motorjem ICE je Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Prednost električnih vozil
Še en primer pomembnosti aerodinamične oblike glede na težo so sodobni hibridni modeli in še bolj električna vozila. V primeru Priusa na primer potrebo po zelo aerodinamični zasnovi narekuje tudi dejstvo, da s povečevanjem hitrosti učinkovitost hibridnega pogonskega sklopa dramatično pade. Pri električnih vozilih je izredno pomembno vse, kar je povezano s povečano kilometrino v električnem načinu. Po mnenju strokovnjakov bo zmanjšanje teže za 100 kg povečalo kilometrino avtomobila le za nekaj kilometrov, po drugi strani pa je aerodinamika izjemnega pomena za električni avtomobil.
Prvič, ker velika masa teh vozil omogoča, da pridobijo del energije, ki se porabi za rekuperacijo, in drugič, ker visok navor elektromotorja omogoča kompenzacijo učinka teže ob zagonu, njegova učinkovitost pa se zmanjša pri visokih hitrostih in visokih hitrostih. Poleg tega močnostna elektronika in elektromotor potrebujeta manj hladilnega zraka, kar omogoča manjšo odprtino v sprednjem delu avtomobila, kar je, kot smo že zapisali, glavni razlog za slabšo pretočnost karoserije. Drugi element motivacije oblikovalcev za ustvarjanje bolj aerodinamično učinkovitih oblik v današnjih priključnih hibridnih modelih je način gibanja brez pospeševanja le s pomočjo elektromotorja oziroma t.i. jadranje. Za razliko od jadrnic, od koder izvira izraz in kjer naj bi veter premikal plovilo, bodo električni avtomobili povečali kilometrino, če bo imel avto manjši zračni upor. Ustvarjanje aerodinamično optimizirane oblike je najbolj ekonomičen način za zmanjšanje porabe goriva.
Besedilo: Georgy Kolev
Faktorji porabe nekaterih znanih avtomobilov:
Mercedes Simplex
1904 proizvodnja, Cx = 1,05
Rumpler Tropfenwagen
1921 proizvodnja, Cx = 0,28
Fordov model T.
1927 proizvodnja, Cx = 0,70
Eksperimentalni model Kam
1938 proizvodnja, Cx = 0,36
Mercedesov rekordni avto
1938 proizvodnja, Cx = 0,12
VW Bus
1950 proizvodnja, Cx = 0,44
VW "želva"
1951 proizvodnja, Cx = 0,40
Panhard Dina
1954 proizvodnja, Cx = 0,26
Porsche 356
1957 proizvodnja, Cx = 0,36
MG EX 181
1957 proizvodnja, Cx = 0,15
Citroen DS 19
1963 proizvodnja, Cx = 0,33
Športni princ NSU
1966 proizvodnja, Cx = 0,38
Mercedes C 111
1970 proizvodnja, Cx = 0,29
Kombi Volvo 245
1975 proizvodnja, Cx = 0,47
Audi 100
1983 proizvodnja, Cx = 0,31
Mercedes W 124
1985 proizvodnja, Cx = 0,29
Toyota Prius 1
1997 proizvodnja, Cx = 0,29
