Наръчник по аеродинамика
Най-важните фактори, влияещи на въздушното съпротивление на автомобила
Ниското въздушно съпротивление спомага за намаляване на разхода на гориво. В това отношение обаче има огромна възможност за развитие. Ако, разбира се, експертите по аеродинамика са съгласни с мнението на дизайнерите.
"Аеродинамика за тези, които не могат да правят мотоциклети." Тези думи бяха изречени от Енцо Ферари през шейсетте години и ясно демонстрират отношението на много дизайнери от онова време към тази технологична страна на автомобила. Само десет години по-късно настъпва първата петролна криза, която коренно променя цялата им ценностна система. Времената, когато всички сили на съпротивление по време на движението на автомобила и особено тези, които възникват при преминаването му през въздушните слоеве, се преодоляват от обширни технически решения, като например увеличаване на дебита и мощността на двигателите, независимо от количеството консумирано гориво, те изчезват и инженерите започват да търсят по-ефективни начини за постигане на вашите цели.
В момента технологичният фактор на аеродинамиката е покрит с дебел слой прах за забрава, но за дизайнерите това не е новина. Историята на технологиите показва, че дори през 77-те години напредналите и изобретателни умове, като германеца Едмънд Румплер и унгареца Пол Жарай (създал емблематичната Tatra TXNUMX), са оформяли опростени повърхности и са поставили основата за аеродинамичен подход към дизайна на каросерията на автомобила. Те бяха последвани от втора вълна от аеродинамични специалисти като барон Райнхард фон Кьоних-Факсенфелд и Вунибалд Кам, които развиха своите идеи в XNUMX.
На всички е ясно, че с увеличаване на скоростта идва граница, над която съпротивлението на въздуха става критичен фактор за управлението на автомобила. Създаването на аеродинамично оптимизирани форми може да повиши значително тази граница и се изразява чрез така наречения фактор на потока Cx, тъй като стойност от 1,05 има куб, обърнат перпендикулярно на въздушния поток (ако е завъртян на 45 градуса по оста си, така че нагоре по течението ръбът намалява до 0,80). Този коефициент обаче е само една част от уравнението на въздушното съпротивление - трябва да добавите размера на предната част на автомобила (A) като важен елемент. Първата от задачите на аеродинамиците е да създадат чисти, аеродинамично ефективни повърхности (фактори, които, както ще видим, са много в автомобила), което в крайна сметка води до по-нисък коефициент на потока. Измерването на последното изисква аеродинамичен тунел, който е скъпа и изключително сложна конструкция – пример за това е тунелът, пуснат в експлоатация през 2009 г. BMW, което струва на компанията 170 милиона евро. Най-важният компонент в него не е гигантски вентилатор, който консумира толкова много ток, че има нужда от отделен трафопост, а точен ролков стенд, който измерва всички сили и моменти, които въздушната струя упражнява върху автомобила. Неговата задача е да оцени цялото взаимодействие на автомобила с въздушния поток и да помогне на специалистите да проучат всеки детайл и да го променят така, че да бъде не само ефективен във въздушния поток, но и в съответствие с желанията на дизайнерите. . По принцип основните компоненти на съпротивлението, с които се сблъсква автомобилът, идват от когато въздухът пред него се компресира и измества, и – което е много важно – от интензивната турбуленция зад него в задната част. Има зона с ниско налягане, която има тенденция да тегли колата, което от своя страна е примесено със силен вихров ефект, който аеродинамиците наричат още "мъртво възбуждане". По логични причини след комби моделите нивото на вакуума е по-високо, в резултат на което се влошава разходният коефициент.
Аеродинамични фактори на съпротивление
Последното зависи не само от фактори като цялостната форма на автомобила, но и от конкретни части и повърхности. На практика общата форма и пропорциите на съвременните автомобили представляват 40 процента от общото въздушно съпротивление, една четвърт от което се определя от структурата на повърхността на обекта и характеристики като огледала, светлини, регистрационен номер и антена. 10% от въздушното съпротивление се дължи на потока през вентилационните отвори към спирачките, двигателя и трансмисията. 20% е резултат от завихряне в различни конструкции на пода и окачването, тоест всичко, което се случва под колата. И което е най-интересното - 30% от въздушното съпротивление се дължи на вихрите, образувани около колелата и крилата. Практическа демонстрация на този феномен ясно показва това - дебитът от 0,28 за превозно средство пада до 0,18, когато колелата са свалени и вентилационните отвори на калниците са затворени. Неслучайно всички автомобили с изненадващо малък пробег - като първия Insight на Honda и електрическия автомобил GM EV1 - имат скрити задни калници. Цялостната аеродинамична форма и затворената предна част, поради факта, че електрическият мотор не изисква много охлаждащ въздух, позволиха на дизайнерите на GM да разработят модела EV1 с коефициент на поток от само 0,195. Tesla Model 3 има Cx 0,21. За намаляване на завихрянето на колелата при превозни средства с двигатели с вътрешно горене, т.нар. „Въздушни завеси“ под формата на тънък вертикален въздушен поток, насочен от отвора в предната броня, обдухващ колелата и стабилизиращ завихрянията, потокът към двигателя е ограничен от аеродинамични капаци, а дъното е напълно затворено.
Колкото по-ниски са стойностите на силите, измерени от ролковата стойка, толкова по-малък е Cx. Обикновено се измерва при скорост от 140 км/ч – стойност от 0,30 например означава, че 30 процента от въздуха, през който минава автомобил, се ускорява до неговата скорост. Що се отнася до предната част, нейното отчитане изисква много по-проста процедура - за целта външните контури на автомобила се очертават с лазер, гледан отпред, и се изчислява оградената площ в квадратни метри. След това се умножава по коефициента на потока, за да се получи общото въздушно съпротивление на автомобила в квадратни метри.
Връщайки се към историческите очертания на нашия аеродинамичен разказ, откриваме, че създаването на стандартизирания цикъл за измерване на разхода на гориво (NEFZ) през 1996 г. всъщност изигра отрицателна роля в аеродинамичната еволюция на автомобилите (която напредна значително през 7-те). ), тъй като аеродинамичният фактор има малък ефект поради краткия период на движение с висока скорост. Въпреки намаляването на коефициента на потребление през годините, увеличаването на размерите на превозните средства от всеки клас води до увеличаване на челната площ и съответно до увеличаване на съпротивлението на въздуха. Автомобили като VW Golf, Opel Astra и BMW Серия 90 имаха по-високо въздушно съпротивление от своите предшественици през 90-те години. Тази тенденция се улеснява от впечатляващите SUV модели с тяхната голяма предна площ и влошена рационализация. Този тип превозни средства са критикувани най-вече заради голямото си тегло, но на практика този фактор губи относително значение с увеличаване на скоростта – при шофиране извън града със скорост около 50 км/ч делът на въздушното съпротивление е около 80 процента, при скорости на магистрала се увеличава до XNUMX процента от общото съпротивление, пред което е изправена колата.
Аеродинамична тръба
Друг пример за ролята на въздушното съпротивление в работата на превозното средство е типичен модел на Smart City. Двуместният автомобил може да е пъргав и пъргав по градските улици, но неговата къса и пропорционална каросерия е крайно неефективна от аеродинамична гледна точка. На фона на ниското тегло съпротивлението на въздуха става все по-важен елемент, а при Smart започва да има силен ефект при скорости от 50 км / ч. Не е изненадващо, че въпреки олекотения дизайн, той не оправда очакванията на сравнително ниска цена.
Но въпреки недостатъците на Smart, отношението на компанията майка Mercedes към аеродинамиката е пример за методичен, последователен и проактивен подход към процеса на създаване на грандиозни форми. Може да се твърди, че резултатите от инвестициите в аеродинамични тунели и усилената работа в тази област са особено забележими в тази компания. Особено ярък пример за ефекта от този процес е фактът, че настоящата S-класа (Cx 0,24) има по-малко въздушно съпротивление от Golf VII (0,28). В търсене на повече вътрешно пространство, формата на компактния модел е придобила доста голяма челна площ, а коефициентът на обтичане е по-лош от този на S-класата поради по-малката му дължина, която не позволява обтекаеми повърхности и много Повече ▼. - вече поради рязък преход отзад, допринасящ за образуването на вихри. От VW обаче са категорични, че следващото поколение Golf ще има значително по-малко въздушно съпротивление и ще бъде снижен и обтекаем. Най-ниският регистриран коефициент на разход на гориво от 0,22 за превозно средство с ICE е Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Предимството на електрическите превозни средства
Друг пример за значението на аеродинамичната форма спрямо теглото са съвременните хибридни модели и още повече електрически превозни средства. В случая на Prius, например, необходимостта от силно аеродинамичен дизайн се продиктува и от факта, че с увеличаване на скоростта ефективността на хибридния силов агрегат спада драстично. При електрическите превозни средства всичко, свързано с увеличаване на пробега в електрически режим, е изключително важно. Според експерти намаляването на теглото със 100 кг ще увеличи пробега на автомобила само с няколко километра, но от друга страна, аеродинамиката е от първостепенно значение за електрическата кола.
Първо, защото голямата маса на тези превозни средства им позволява да възстановят част от енергията, използвана за рекуперация, и второ, защото високият въртящ момент на електрическия мотор ви позволява да компенсирате ефекта на теглото при стартиране и неговата ефективност намалява при високи скорости и високи скорости. Освен това силовата електроника и електродвигателят се нуждаят от по-малко охлаждащ въздух, което позволява по-малък отвор в предната част на автомобила, което, както вече отбелязахме, е основната причина за влошаването на обтичането на купето. Друг елемент от мотивацията на дизайнерите да създават по-аеродинамично ефективни форми в днешните plug-in хибридни модели е режимът на движение без ускорение само с помощта на електрически мотор или т.нар. ветроходство. За разлика от ветроходните лодки, откъдето идва терминът и където вятърът трябва да движи лодката, електрическите автомобили ще увеличат пробега, ако колата има по-малко въздушно съпротивление. Създаването на аеродинамично оптимизирана форма е най-икономичният начин за намаляване на разхода на гориво.
Текст: Георги Колев
Коефициентите на потребление на някои известни автомобили:
Мерцедес Симплекс
1904 производство, Cx = 1,05
Rumpler Tropfenwagen
1921 производство, Cx = 0,28
Форд модел Т
1927 производство, Cx = 0,70
Експериментален модел Кам
1938 производство, Cx = 0,36
Рекорден автомобил Mercedes
1938 производство, Cx = 0,12
VW Bus
1950 производство, Cx = 0,44
VW "костенурка"
1951 производство, Cx = 0,40
Панхард Дина
1954 производство, Cx = 0,26
Porsche 356
1957 производство, Cx = 0,36
MG EX 181
1957 производство, Cx = 0,15
Citroen DS 19
1963 производство, Cx = 0,33
Спортен принц на NSU
1966 производство, Cx = 0,38
Mercedes C 111
1970 производство, Cx = 0,29
Volvo 245 Ван
1975 производство, Cx = 0,47
Audi 100
1983 производство, Cx = 0,31
Mercedes W 124
1985 производство, Cx = 0,29
Toyota Prius 1
1997 производство, Cx = 0,29
