Turbulenten tok
Vsebina
Kako sodobna tehnologija spreminja aerodinamiko avtomobila
Nizka zračna upornost pomaga zmanjšati porabo goriva. V tem pogledu pa obstajajo izjemne možnosti za razvoj. Zaenkrat se seveda strokovnjaki za aerodinamiko strinjajo z mnenjem oblikovalcev.
"Aerodinamika za tiste, ki ne morejo izdelovati motornih koles." Te besede je v 60. letih izgovoril Enzo Ferrari in nazorno dokazujejo odnos številnih oblikovalcev tistega časa do tega tehnološkega vidika avtomobila. Vendar je šele deset let pozneje prišla prva naftna kriza in celoten njihov sistem vrednot se je korenito spremenil. Časi, ko vse sile upora pri premikanju avtomobila, še posebej tiste, ki nastanejo zaradi njegovega prehoda skozi zračne plasti, premagajo obsežne tehnične rešitve, kot je povečanje prostornine in moči motorjev, ne glede na količino porabljenega goriva, izginejo in inženirji začnejo poiščite učinkovitejše načine za dosego svojih ciljev.
Trenutno je tehnološki dejavnik aerodinamike pokrit z debelo plastjo prahu pozabe, vendar za oblikovalce ni povsem nov. Zgodovina tehnologije kaže, da so tudi v dvajsetih letih napredni in iznajdljivi možgani, kot sta Nemec Edmund Rumpler in Madžar Paul Jaray (ki je ustvaril kult Tatre T77), oblikovali racionalizirane površine in postavili temelje za aerodinamični pristop k oblikovanju karoserije. Sledil jim je drugi val aerodinamičnih strokovnjakov, kot sta baron Reinhard von Kenich-Faxenfeld in Wunibald Kam, ki so svoje ideje razvijali v tridesetih letih prejšnjega stoletja.
Vsem je jasno, da z večanjem hitrosti pride meja, nad katero postane zračni upor kritičen dejavnik pri vožnji avtomobila. Ustvarjanje aerodinamično optimiziranih oblik lahko to mejo bistveno premakne navzgor in je izraženo s tako imenovanim koeficientom pretoka Cx, saj ima vrednost 1,05 kocko, obrnjeno pravokotno na zračni tok (če je zasukana za 45 stopinj vzdolž svoje osi, tako da njegov zgornji rob se zmanjša na 0,80). Vendar je ta koeficient le en del enačbe zračnega upora – kot bistveni element je treba dodati velikost čelne površine avtomobila (A). Prva izmed nalog aerodinamikov je ustvariti čiste, aerodinamično učinkovite površine (dejavnikov, ki jih je, kot bomo videli, v avtomobilu veliko), kar na koncu privede do zmanjšanja koeficienta pretoka. Za merjenje slednjega je potreben vetrovnik, ki je drag in izjemno kompleksen objekt – primer tega je 2009 milijonov evrov vreden tunel BMW, ki je bil naročen leta 170. 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 avto. Njegova naloga je oceniti celotno interakcijo avtomobila z zračnim tokom in pomagati strokovnjakom, da preučijo vsako podrobnost in jo spremenijo tako, da ne bo le učinkovita 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 izjemno pomembno – zaradi intenzivne turbulence za njim zadaj. Tam se oblikuje območje nizkega tlaka, ki teži k vleki avtomobila, ta pa se meša z močnim vplivom vrtinčenja, ki ga aerodinamiki imenujejo tudi "mrtvo vznemirjenje". Iz logičnih razlogov je za karavanskimi modeli stopnja zmanjšanega tlaka višja, posledično se poslabša pretočni koeficient.
Aerodinamični faktorji upora
Slednje ni odvisno samo od dejavnikov, kot je celotna oblika avtomobila, temveč tudi od specifičnih delov in površin. V praksi ima celotna oblika in proporci sodobnih avtomobilov 40-odstotni delež 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 luknje do zavor, motorja in menjalnika. 20% je posledica vrtinčenja v različnih strukturah tal in vzmetenja, torej vsega, kar se dogaja pod avtomobilom. In najbolj zanimivo je, da je do 30% zračnega upora posledica vrtincev, ki nastanejo okoli koles in kril. Praktična predstavitev tega pojava to jasno nakazuje – koeficient porabe z 0,28 na avtomobil se zmanjša na 0,18, ko se kolesa odstranijo in luknje v blatniku pokrijejo z dokončanjem oblike avtomobila. Ni naključje, da imajo vsi avtomobili s presenetljivo malo prevoženimi kilometri, kot sta prva Honda Insight in električni avtomobil GM EV1, skrite zadnje blatnike. Celotna aerodinamična oblika in zaprt sprednji del, zaradi dejstva, da elektromotor ne potrebuje velike količine hladilnega zraka, sta razvijalcem GM omogočila razvoj modela EV1 s koeficientom pretoka le 0,195. Tesla model 3 ima Cx 0,21. Za zmanjšanje vrtinčenja okoli koles pri vozilih z motorji z notranjim izgorevanjem t.i. Iz odprtine v sprednjem odbijaču so usmerjene "zračne zavese" v obliki tankega navpičnega toka zraka, ki piha okoli koles in stabilizira vrtince. Pretok do motorja je omejen z aerodinamičnimi zaklopi, dno pa je popolnoma zaprto.
Manjše kot so sile, izmerjene z valjčnim stojalom, nižji je Cx. Po standardu se meri pri hitrosti 140 km/h – vrednost 0,30 na primer pomeni, da 30 odstotkov zraka, skozi katerega gre avto, pospeši do njegove hitrosti. Kar zadeva sprednjo površino, njeno branje zahteva veliko enostavnejši postopek - za to se s pomočjo laserja začrtajo zunanji obrisi avtomobila, gledano od spredaj, in se izračuna zaprta površina v kvadratnih metrih. To se nato pomnoži s faktorjem pretoka, da se dobi skupni zračni upor vozila v kvadratnih metrih.
Če se vrnemo k zgodovinskemu orisu našega aerodinamičnega opisa, ugotovimo, da je oblikovanje standardiziranega cikla merjenja porabe goriva (NEFZ) leta 1996 dejansko igralo negativno vlogo v aerodinamičnem razvoju avtomobilov (ki je v osemdesetih letih močno napredovala). ), ker ima aerodinamični dejavnik majhen učinek zaradi kratkega obdobja hitrega gibanja. Čeprav se koeficient pretoka sčasoma zmanjšuje, povečanje velikosti vozil v vsakem razredu povzroči povečanje čelne površine in s tem povečanje zračnega upora. Avtomobili, kot so VW Golf, Opel Astra in BMW serije 1980, so imeli večji zračni upor kot njihovi predhodniki v devetdesetih letih. Ta trend spodbuja kohorta impresivnih modelov SUV z veliko sprednjo površino in vse slabšim prometom. Ta tip avtomobila je bil kritiziran predvsem zaradi svoje enormne teže, v praksi pa ta faktor z naraščajočo hitrostjo dobiva manjši relativni pomen – medtem ko je pri vožnji izven mesta s hitrostjo okoli 7 km/h delež zračnega upora približno 1990 odstotkov, pri avtocestnih hitrostih pa se poveča na 90 odstotkov celotnega upora, s katerim se vozilo sreča.
Aerodinamična cev
Drug primer vloge zračnega upora pri zmogljivostih vozila je tipičen model Smart city. Dvosedežni avtomobil je na mestnih ulicah lahko okreten in gibčen, a kratka in dobro proporcionalna karoserija je z aerodinamičnega stališča izredno neučinkovita. Glede na majhno težo postaja zračni upor vse pomembnejši element in s pametnim začne močno vplivati pri hitrosti 50 km / h. Ni presenetljivo, da kljub lahki zasnovi ni izpolnil pričakovanj glede nizkih stroškov.
Kljub Smartovim pomanjkljivostim pa pristop matične družbe Mercedes k aerodinamiki ponazarja metodičen, dosleden in proaktiven pristop k procesu ustvarjanja učinkovitih oblik. Lahko trdimo, da so rezultati vlaganja v vetrovnike in trdega dela na tem področju v tem podjetju še posebej vidni. Posebej osupljiv primer učinka tega postopka je dejstvo, da ima sedanji razred S (Cx 0,24) manjši upor proti vetru kot Golf VII (0,28). V procesu iskanja več notranjega prostora je oblika kompaktnega modela pridobila precej veliko čelno površino, koeficient pretoka pa je slabši kot pri razredu S zaradi krajše dolžine, ki ne omogoča dolgih poenostavljenih površin. in predvsem zaradi ostrega prehoda v zadnji del, ki spodbuja nastanek vrtincev. VW je bil neomajen, da bo imela nova osma generacija golfa bistveno manjši zračni upor ter nižjo in bolj racionalizirano obliko, a kljub novi zasnovi in zmogljivostim testiranja se je to izkazalo za izjemen izziv za avtomobil. s tem formatom. S faktorjem 0,275 pa je to najbolj aerodinamičen Golf, kar jih je bilo kdaj izdelano. Najnižje zabeleženo razmerje porabe goriva 0,22 na vozilo z motorjem z notranjim zgorevanjem ima 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 obliki narekuje tudi dejstvo, da se s povečevanjem hitrosti učinkovitost hibridnega pogonskega sklopa zmanjša. Pri električnih vozilih je izredno pomembno vse, kar je povezano s povečano kilometrino v električnem načinu. Po mnenju strokovnjakov bo izguba teže za 100 kg povečala doseg avtomobila le za nekaj kilometrov, po drugi strani pa je aerodinamika izjemnega pomena za električni avtomobil. Prvič, ker jim velika masa teh vozil omogoča, da si povrnejo del energije, ki jo porabi rekuperacija, in drugič, ker mu velik navor elektromotorja omogoča kompenzacijo učinka teže med zagonom, njegova učinkovitost pa se zmanjša pri visokih hitrostih in visokih hitrostih. Poleg tega pogonska elektronika in elektromotor zahtevata manj hladilnega zraka, kar omogoča manjšo odprtino v prednjem delu avtomobila, kar je, kot smo ugotovili, glavni vzrok za manjši pretok telesa. Drug element motivacije oblikovalcev za ustvarjanje bolj aerodinamično učinkovitejših oblik v sodobnih vtičnih hibridnih modelih je pogon brez električnega pospeševanja ali tako imenovani. jadranje. Za razliko od jadrnic, kjer se uporablja izraz, veter pa mora čoln premikati, bi se pri avtomobilih kilometrina z električnim pogonom povečala, če bi imel avtomobil manj zračnega upora. Ustvarjanje aerodinamično optimizirane oblike je stroškovno najučinkovitejši način za zmanjšanje porabe goriva.
Faktorji porabe nekaterih znanih avtomobilov:
Mercedes Simplex
Predelava 1904, Cx = 1,05
Sklopni vagon Rumpler
Predelava 1921, Cx = 0,28
Fordov model T.
Predelava 1927, Cx = 0,70
Kama eksperimentalni model
Izdelano leta 1938, Cx = 0,36.
Mercedesov rekordni avto
Predelava 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Predelava 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Želva"
Predelava 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Izdelano leta 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Izdelano leta 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
1957 proizvodnja, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Predelava 1963, Cx = 0,33
Športni princ NSU
Predelava 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Predelava 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Kombi
Predelava 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Predelava 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Predelava 1985, Cx = 0,29
Lamborghini countach
Predelava 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Predelava 1997, Cx = 0,29
