Príručka o aerodynamike
Najdôležitejšie faktory ovplyvňujúce odpor vzduchu vozidla
Nízky odpor vzduchu pomáha znižovať spotrebu paliva. V tejto súvislosti však existuje obrovský priestor pre rozvoj. Ak samozrejme odborníci na aerodynamiku súhlasia s názorom konštruktérov.
„Aerodynamika pre tých, ktorí nemôžu vyrábať motocykle.“ Tieto slová vyslovil Enzo Ferrari v šesťdesiatych rokoch a zreteľne demonštrujú postoj mnohých vtedajších dizajnérov k tejto technologickej stránke automobilu. Avšak až o desať rokov neskôr došlo k prvej ropnej kríze, ktorá radikálne zmenila celý ich hodnotový systém. Časy, keď všetky sily odporu počas pohybu automobilu, najmä tie, ktoré vznikajú pri jeho prechode vzduchovými vrstvami, prekonajú rozsiahle technické riešenia, ako napríklad zvýšenie zdvihového objemu a výkonu motorov, bez ohľadu na množstvo spotrebovaného paliva, odídu a inžinieri sa začnú obzerať efektívnejšie spôsoby, ako dosiahnuť svoje ciele.
V súčasnosti je technologický faktor aerodynamiky pokrytý hrubou vrstvou zabudnutia, pre dizajnérov to však nie je žiadna novinka. História technológie ukazuje, že už v 77. rokoch pokročilé a vynaliezavé mysle ako Nemec Edmund Rumpler a Maďar Paul Zharai (ktorí vytvorili ikonickú Tatru TXNUMX) formovali zjednodušené povrchy a položili základ aerodynamickému prístupu k dizajnu karosérie. Po nich nasledovala druhá vlna odborníkov na aerodynamiku, ako boli barón Reinhard von Könich-Faxenfeld a Wunibald Kam, ktorí svoje nápady rozvinuli v rámci XNUMX.
Každému je jasné, že so stúpajúcou rýchlosťou prichádza hranica, pri ktorej prekročení sa odpor vzduchu stáva kritickým faktorom pri jazde autom. Vytváranie aerodynamicky optimalizovaných tvarov môže túto hranicu posunúť značne nahor a vyjadruje sa takzvaným prietokovým faktorom Cx, keďže hodnota 1,05 má kocku prevrátenú kolmo na prúdenie vzduchu (ak je otočená o 45 stupňov pozdĺž svojej osi, okraj sa zníži na 0,80). Tento koeficient je však len jednou časťou rovnice odporu vzduchu - ako dôležitý prvok musíte pridať veľkosť prednej plochy auta (A). Prvou z úloh aerodynamikov je vytvárať čisté, aerodynamicky efektívne povrchy (ktorých faktorov, ako uvidíme, je v aute veľa), čo v konečnom dôsledku vedie k nižšiemu koeficientu prúdenia. Meranie posledne menovaného si vyžaduje aerodynamický tunel, ktorý je nákladnou a mimoriadne zložitou stavbou – príkladom toho je tunel uvedený do prevádzky v roku 2009. BMW, čo firmu stálo 170 miliónov eur. Najdôležitejším komponentom v ňom nie je obrovský ventilátor, ktorý spotrebuje toľko elektriny, že potrebuje samostatnú trafostanicu, ale presný valčekový stojan, ktorý meria všetky sily a momenty, ktorými na auto pôsobí prúd vzduchu. Jeho úlohou je vyhodnotiť celú interakciu auta s prúdením vzduchu a pomôcť špecialistom preštudovať každý detail a zmeniť ho tak, aby bol nielen efektívny v prúdení vzduchu, ale aj v súlade so želaniami konštruktérov. . Hlavné komponenty aerodynamického odporu, s ktorými sa auto stretáva, v podstate pochádzajú zo stláčania a posúvania vzduchu pred ním a – čo je veľmi dôležité – z intenzívnych turbulencií za ním vzadu. Je tu zóna nízkeho tlaku, ktorá má tendenciu ťahať auto, čo sa zase mieša so silným vírivým efektom, ktorý aerodynamiky nazývajú aj „mŕtve budenie“. Z logických dôvodov je po modeloch kombi vyššia úroveň podtlaku, v dôsledku čoho sa zhoršuje koeficient spotreby.
Faktory aerodynamického odporu
To posledné závisí nielen od faktorov, ako je celkový tvar auta, ale aj od konkrétnych častí a povrchov. V praxi sa celkový tvar a proporcie moderných áut podieľajú 40 percentami na celkovom odpore vzduchu, z čoho štvrtinu určuje povrchová štruktúra objektu a prvky, ako sú zrkadlá, svetlá, ŠPZ a anténa. 10 % odporu vzduchu pripadá na prúdenie cez prieduchy k brzdám, motoru a prevodovke. 20% je výsledkom vírenia v rôznych dizajnoch podlahy a zavesenia, teda všetkého, čo sa deje pod autom. A čo je najzaujímavejšie – 30 % odporu vzduchu majú na svedomí víry vytvorené okolo kolies a krídel. Praktická ukážka tohto javu to jasne ukazuje – prietok z 0,28 na vozidlo klesne na 0,18 pri odmontovaní kolies a zatvorení prieduchov blatníkov. Nie je náhoda, že všetky autá s prekvapivo malým počtom najazdených kilometrov – ako napríklad prvý Insight od Hondy a elektromobil GM EV1 – majú skryté zadné blatníky. Celkový aerodynamický tvar a uzavretá predná časť vďaka tomu, že elektromotor nevyžaduje veľa chladiaceho vzduchu, umožnili konštruktérom GM vyvinúť model EV1 s prietokovým faktorom len 0,195. Tesla Model 3 má Cx 0,21. Na zníženie vírivosti kolies pri vozidlách so spaľovacími motormi sa používa tzv. „Vzduchové clony“ v podobe tenkého vertikálneho prúdu vzduchu smerujúceho z otvoru v prednom nárazníku, fúkajúceho okolo kolies a stabilizujúceho víry, prúdenie k motoru je obmedzené aerodynamickými uzávermi a spodok je úplne uzavretý.
Čím nižšie sú hodnoty síl nameraných valcovým stojanom, tým menšie je Cx. Typicky sa meria pri rýchlosti 140 km/h – napríklad hodnota 0,30 znamená, že 30 percent vzduchu, ktorým auto prechádza, je zrýchlených na svoju rýchlosť. Pokiaľ ide o predok, jeho odčítanie si vyžaduje oveľa jednoduchší postup – na tento účel sa pri pohľade spredu laserom obkreslia vonkajšie obrysy auta a vypočíta sa uzavretá plocha v metroch štvorcových. Potom sa vynásobí koeficientom prietoku, aby sme dostali celkový odpor vzduchu auta v metroch štvorcových.
Ak sa vrátime k historickému náčrtu nášho aerodynamického príbehu, zistíme, že vytvorenie štandardizovaného cyklu merania spotreby paliva (NEFZ) v roku 1996 skutočne zohralo negatívnu úlohu v aerodynamickom vývoji automobilov (ktoré výrazne pokročili v 7). ), pretože aerodynamický faktor má malý vplyv v dôsledku krátkeho obdobia vysokorýchlostného pohybu. Napriek poklesu koeficientu spotreby v priebehu rokov vedie zväčšovanie rozmerov vozidiel každej triedy k zväčšeniu čelnej plochy a následne k zvýšeniu odporu vzduchu. Autá ako VW Golf, Opel The Astra a BMW radu 90 mali vyšší odpor vzduchu ako ich predchodcovia v 90. rokoch. Tento trend napomáhajú pôsobivé modely SUV s veľkou prednou plochou a zhoršujúcim sa aerodynamickým tvarom. Tomuto typu vozidla bola vyčítaná najmä vysoká hmotnosť, no v praxi tento faktor stráca na relatívnom význame so zvyšujúcou sa rýchlosťou - pri jazde mimo mesta rýchlosťou cca 50 km/h je podiel odporu vzduchu cca. 80 percent, pri diaľničných rýchlostiach sa zvýši na XNUMX percent z celkového odporu, ktorému auto čelí.
Aerodynamická trubica
Ďalším príkladom úlohy odporu vzduchu vo výkone vozidla je typický model Smart City. Dvojmiestne vozidlo môže byť svižné a obratné v mestských uliciach, ale jeho krátka a proporcionálna karoséria je z aerodynamického hľadiska veľmi neefektívna. Na pozadí nízkej hmotnosti sa odpor vzduchu stáva čoraz dôležitejším prvkom a so Smartom sa začína výrazne prejavovať už pri rýchlosti 50 km / h. Nie je prekvapením, že napriek odľahčenej konštrukcii nenaplnil očakávania s relatívne nízkymi nákladmi.
Napriek nedostatkom Smartu je však postoj materskej spoločnosti Mercedes k aerodynamike príkladom metodického, dôsledného a proaktívneho prístupu k procesu vytvárania veľkolepých tvarov. Dá sa tvrdiť, že výsledky investícií do aerodynamických tunelov a tvrdej práce v tejto oblasti sú v tejto spoločnosti obzvlášť citeľné. Zvlášť nápadným príkladom efektu tohto procesu je fakt, že súčasná trieda S (Cx 0,24) má menší odpor vzduchu ako Golf VII (0,28). Pri hľadaní väčšieho vnútorného priestoru nadobudol tvar kompaktného modelu pomerne veľkú prednú plochu a súčiniteľ prietoku je horší ako pri triede S kvôli kratšej dĺžke, ktorá neumožňuje aerodynamické povrchy a veľa viac. - už v dôsledku ostrého prechodu zozadu, ktorý prispieva k tvorbe vírov. VW však trvá na tom, že Golf ďalšej generácie bude mať výrazne menší odpor vzduchu a bude znížený a zefektívnený. Najnižší zaznamenaný faktor spotreby paliva 0,22 na vozidlo ICE má Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Výhoda elektrických vozidiel
Ďalším príkladom dôležitosti aerodynamického tvaru oproti hmotnosti sú moderné hybridné modely a ešte viac elektrických vozidiel. Napríklad v prípade modelu Prius je potreba vysoko aerodynamického dizajnu diktovaná aj skutočnosťou, že s rastúcou rýchlosťou dramaticky klesá účinnosť hybridného hnacieho ústrojenstva. V prípade elektrických vozidiel je všetko, čo súvisí so zvyšovaním počtu najazdených kilometrov v elektrickom režime, mimoriadne dôležité. Podľa odborníkov sa znížením hmotnosti o 100 kg zvýši kilometrový výkon automobilu len o niekoľko kilometrov, na druhej strane má však pre elektromobil prvoradý význam aerodynamika.
Jednak preto, že vysoká hmotnosť týchto vozidiel im umožňuje rekuperovať časť energie spotrebovanej na rekuperáciu, jednak preto, že vysoký krútiaci moment elektromotora umožňuje kompenzovať vplyv hmotnosti pri rozbehu a jeho účinnosť klesá. pri vysokých rýchlostiach a vysokých rýchlostiach. Výkonová elektronika a elektromotor navyše potrebujú menej chladiaceho vzduchu, čo umožňuje menší otvor v prednej časti auta, čo je, ako sme už poznamenali, hlavný dôvod zhoršenia obtekania karosérie. Ďalším prvkom motivácie konštruktérov k vytváraniu aerodynamicky efektívnejších tvarov v dnešných plug-in hybridných modeloch je režim pohybu bez akcelerácie len pomocou elektromotora, alebo tzv. plachtenie. Na rozdiel od plachetníc, odkiaľ tento pojem pochádza a kde má vietor pohybovať loďou, elektromobily zvýšia dojazd, ak má auto menší odpor vzduchu. Vytvorenie aerodynamicky optimalizovaného tvaru je najúspornejším spôsobom zníženia spotreby paliva.
Text: Georgy Kolev
Koeficienty spotreby niektorých slávnych automobilov:
Mercedes Simplex
Produkcia 1904, Cx = 1,05
Rumpler Tropfenwagen
Produkcia 1921, Cx = 0,28
Ford Model T
Produkcia 1927, Cx = 0,70
Experimentálny model Kam
Produkcia 1938, Cx = 0,36
Rekordné auto Mercedes
Produkcia 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Produkcia 1950, Cx = 0,44
VW "korytnačka"
Produkcia 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Produkcia 1954, Cx = 0,26
Porsche 356
Produkcia 1957, Cx = 0,36
MG EX 181
Produkcia 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Produkcia 1963, Cx = 0,33
Športový princ NSU
Produkcia 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Produkcia 1970, Cx = 0,29
Dodávka Volvo 245
Produkcia 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Produkcia 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Produkcia 1985, Cx = 0,29
Toyota Prius 1
Produkcia 1997, Cx = 0,29
