Aerodynamikhåndbog

De vigtigste faktorer, der påvirker køretøjets luftmodstand

Lav luftmodstand hjælper med at reducere brændstofforbruget. Men i denne henseende er der enormt plads til udvikling. Hvis aerodynamikeksperter naturligvis er enige med designernes mening.

"Aerodynamik for dem, der ikke kan fremstille motorcykler." Disse ord blev talt af Enzo Ferrari i tresserne og viser tydeligt holdningen hos mange tiders designere til denne teknologiske side af bilen. Det var dog kun ti år senere, at den første oliekrise opstod, som radikalt ændrede hele deres værdisystem. Tidspunkter, hvor alle modstandskræfter under bilens bevægelse, og især dem, der opstår, når den passerer gennem luftlagene, overvindes af omfattende tekniske løsninger, såsom at øge motorernes forskydning og effekt, uanset mængden af ​​brændstof, der forbruges, de forsvinder, og ingeniører begynder at se mere effektive måder at nå dine mål på.

I øjeblikket er den teknologiske faktor aerodynamik dækket med et tykt lag af glemselstøv, men for designere er dette ikke nyt. Teknologiens historie viser, at selv i 77'erne dannede avancerede og opfindsomme sind, såsom den tyske Edmund Rumpler og den ungarske Paul Zharai (som skabte den ikoniske Tatra TXNUMX), strømlinede overflader og lagde grundlaget for en aerodynamisk tilgang til karosseridesign. De blev efterfulgt af en anden bølge af aerodynamik-specialister som baron Reinhard von Könich-Faxenfeld og Wunibald Kam, som udviklede deres ideer i XNUMXs.

Det er klart for enhver, at med stigende hastighed kommer en grænse, over hvilken luftmodstanden bliver en kritisk faktor for bilkørsel. At skabe aerodynamisk optimerede former kan skubbe denne grænse betydeligt op og udtrykkes ved den såkaldte flowfaktor Cx, da en værdi på 1,05 har en terning inverteret vinkelret på luftstrømmen (hvis den drejes 45 grader langs sin akse, så den opstrøms kant falder til 0,80). Denne koefficient er dog kun en del af luftmodstandsligningen - du skal tilføje størrelsen af ​​bilens frontale område (A) som et vigtigt element. Den første af aerodynamikernes opgaver er at skabe rene, aerodynamisk effektive overflader (hvoraf faktorer, som vi vil se, meget i en bil), hvilket i sidste ende fører til en lavere flowkoefficient. At måle sidstnævnte kræver en vindtunnel, hvilket er en dyr og ekstremt kompleks struktur – et eksempel på dette er tunnelen, der blev taget i brug i 2009. BMW, som kostede virksomheden 170 millioner euro. Den vigtigste komponent i den er ikke en kæmpe blæser, som forbruger så meget strøm, at den har brug for en separat transformerstation, men et præcist rullestativ, der måler alle de kræfter og momenter, som en luftstråle udøver på en bil. Hans opgave er at evaluere hele bilens interaktion med luftstrømmen og hjælpe specialister med at studere hver eneste detalje og ændre den, så den ikke kun er effektiv i luftstrømmen, men også i overensstemmelse med designernes ønsker. . Dybest set kommer de vigtigste modstandskomponenter, en bil støder på, fra, når luften foran den komprimeres og skifter, og – meget vigtigt – fra den intense turbulens bag den bagved. Der er en lavtrykszone, der har en tendens til at trække bilen, som igen er blandet med en kraftig hvirveleffekt, som aerodynamikere også kalder "død excitation". Af logiske årsager er vakuumniveauet efter stationcarmodellerne højere, hvilket resulterer i, at forbrugskoefficienten forringes.

Aerodynamiske trækfaktorer

Sidstnævnte afhænger ikke kun af faktorer som bilens overordnede form, men også af specifikke dele og overflader. I praksis tegner den overordnede form og proportioner af moderne biler sig for 40 procent af den samlede luftmodstand, hvoraf en fjerdedel bestemmes af objektets overfladestruktur og funktioner såsom spejle, lys, nummerplade og antenne. 10 % af luftmodstanden skyldes strømning gennem ventilationsåbningerne til bremser, motor og transmission. 20 % er resultatet af vortex i forskellige gulv- og affjedringsdesigns, det vil sige alt, hvad der sker under bilen. Og hvad der er mest interessant - 30% af luftmodstanden skyldes de hvirvler, der er skabt omkring hjulene og vingerne. En praktisk demonstration af dette fænomen viser tydeligt dette - flowhastigheden fra 0,28 pr. køretøj falder til 0,18, når hjulene fjernes, og skærmventilerne lukkes. Det er ikke tilfældigt, at alle biler med overraskende lavt kilometertal – såsom den første Insight of Honda og elbilen GM EV1 – har skjulte bagskærme. Den overordnede aerodynamiske form og den lukkede forende, på grund af det faktum, at elmotoren ikke kræver meget køleluft, gjorde det muligt for GM-designere at udvikle EV1-modellen med en flowfaktor på kun 0,195. Tesla Model 3 har Cx 0,21. For at reducere hjulenes hvirvel i køretøjer med forbrændingsmotorer, den såkaldte. "Luftgardiner" i form af en tynd lodret luftstrøm rettet fra åbningen i den forreste kofanger, der blæser rundt om hjulene og stabiliserer hvirvlerne, strømmen til motoren er begrænset af aerodynamiske skodder, og bunden er helt lukket.

Jo lavere værdierne af kræfterne målt af rullestativet, jo mindre Cx. Den måles typisk med en hastighed på 140 km/t – en værdi på for eksempel 0,30 betyder, at 30 procent af den luft, en bil passerer, accelereres til sin hastighed. Hvad angår fronten, kræver dens læsning en meget enklere procedure - for dette er bilens ydre konturer skitseret med en laser, når den ses forfra, og det lukkede område i kvadratmeter beregnes. Den ganges derefter med flowfaktoren for at få bilens samlede luftmodstand i kvadratmeter.

For at vende tilbage til den historiske oversigt over vores aerodynamiske fortælling finder vi, at skabelsen af ​​den standardiserede brændstofforbrugsmålingscyklus (NEFZ) i 1996 faktisk spillede en negativ rolle i den aerodynamiske udvikling af biler (som udviklede sig betydeligt i de 7s). ) fordi den aerodynamiske faktor har ringe effekt på grund af den korte periode med højhastighedsbevægelse. På trods af faldet i forbrugskoefficienten i årenes løb fører stigningen i dimensionerne af køretøjer af hver klasse til en stigning i frontarealet og følgelig til en stigning i luftmodstanden. Biler som VW Golf, Opel Astra og BMW 90-serien havde højere luftmodstand end deres forgængere i 90'erne. Denne tendens understøttes af imponerende SUV-modeller med deres store frontareal og forringede strømlining. Denne type køretøjer er hovedsageligt blevet kritiseret for dens høje vægt, men i praksis bliver denne faktor mindre af en relativ betydning ved stigende hastighed - når man kører uden for byen med en hastighed på omkring 50 km/t, er andelen af ​​luftmodstand ca. 80 procent, ved motorvejshastigheder stiger den til XNUMX procent fra den samlede modstand, som bilen står over for.

Aerodynamisk rør

Et andet eksempel på luftmodstandens rolle i køretøjets ydeevne er en typisk Smart City-model. En topersoners kan være kvik og smidig på gaderne i byen, men dens korte og proportionale karrosseri er meget ineffektiv ud fra et aerodynamisk synspunkt. På baggrund af lav vægt bliver luftmodstanden et stadig vigtigere element, og med Smart begynder det at have en stærk effekt ved hastigheder på 50 km/t. Det er ikke overraskende, at det trods det lette design ikke levede op til forventningerne til en forholdsvis lav pris.

Men på trods af Smarts mangler er moderselskabet Mercedes' holdning til aerodynamik et eksempel på en metodisk, konsekvent og proaktiv tilgang til processen med at skabe spektakulære former. Det kan argumenteres for, at resultaterne af investeringer i vindtunneller og hårdt arbejde på dette område er særligt mærkbare i denne virksomhed. Et særligt slående eksempel på effekten af ​​denne proces er, at den nuværende S-klasse (Cx 0,24) har mindre luftmodstand end Golf VII (0,28). I jagten på mere indvendig plads har formen på den kompakte model fået et ret stort frontareal, og flowkoefficienten er dårligere end S-klassens på grund af dens kortere længde, som ikke tillader strømlinede overflader og meget mere. - allerede på grund af en skarp overgang bagfra, der bidrager til dannelsen af ​​hvirvler. VW står dog fast på, at næste generation af Golf får væsentlig mindre luftmodstand og bliver sænket og strømlinet. Den laveste registrerede brændstofforbrugsfaktor på 0,22 pr. ICE-køretøj er Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Fordelen ved elektriske køretøjer

Et andet eksempel på vigtigheden af ​​aerodynamisk form versus vægt er moderne hybridmodeller og endnu flere elektriske køretøjer. I tilfældet med Prius er behovet for et meget aerodynamisk design for eksempel også dikteret af det faktum, at når hastigheden stiger, falder effektiviteten af ​​hybrid-drivlinjen dramatisk. For elektriske køretøjer er alt, hvad der er relateret til stigningen i kilometertal i elektrisk tilstand, ekstremt vigtigt. Ifølge eksperter vil en reduktion af vægten med 100 kg øge bilens kilometertal med få kilometer, men på den anden side er aerodynamik af største vigtighed for en elbil.

For det første fordi den høje masse af disse køretøjer giver dem mulighed for at genvinde noget af den energi, der bruges til rekreation, og for det andet fordi det høje drejningsmoment på elmotoren giver dig mulighed for at kompensere for vægtens effekt ved opstart, og dens effektivitet falder ved høje hastigheder og høje hastigheder. Derudover har kraftelektronikken og elmotoren brug for mindre køleluft, hvilket giver mulighed for en mindre åbning i fronten af ​​bilen, hvilket, som vi allerede har bemærket, er hovedårsagen til forringelsen af ​​flowet rundt i karosseriet. Et andet element i designernes motivation til at skabe mere aerodynamisk effektive former i nutidens plug-in hybrid modeller er bevægelsesmåden uden acceleration kun ved hjælp af en elektrisk motor, eller den såkaldte. sejlads. I modsætning til sejlbåde, hvor udtrykket kommer fra, og hvor vinden skal flytte båden, vil elbiler øge kilometertal, hvis bilen har mindre luftmodstand. At skabe en aerodynamisk optimeret form er den mest økonomiske måde at reducere brændstofforbruget på.

Tekst: Georgy Kolev

Forbrugsfaktorer for nogle berømte biler:

Mercedes Simplex

1904 produktion, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

1921 produktion, Cx = 0,28

Ford Model T

1927 produktion, Cx = 0,70

Eksperimentel model Kam

1938 produktion, Cx = 0,36

Mercedes pladebil

1938 produktion, Cx = 0,12

VW Bus

1950 produktion, Cx = 0,44

VW "skildpadde"

1951 produktion, Cx = 0,40

Panhard Dina

1954 produktion, Cx = 0,26

Porsche 356

1957 produktion, Cx = 0,36

MG EX 181

1957 produktion, Cx = 0,15

Citroen DS 19

1963 produktion, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966 produktion, Cx = 0,38

Mercedes C 111

1970 produktion, Cx = 0,29

Volvo 245 Van

1975 produktion, Cx = 0,47

Audi 100

1983 produktion, Cx = 0,31

Mercedes W 124

1985 produktion, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

1997 produktion, Cx = 0,29