турбулентний потік
Зміст
Як сучасні технології змінюють аеродинаміку автомобіля
Низький опір повітря допомагає знизити витрату палива. В цьому відношенні, однак, існують величезні можливості для розвитку. Поки, звичайно, фахівці з аеродинаміки згодні з думкою конструкторів.
«Аеродинаміка для тих, хто не вміє робити мотоцикли». Ці слова були вимовлені Енцо Феррарі в 60-х роках і наочно демонструють ставлення багатьох тодішніх дизайнерів до цього технологічного аспекту автомобіля. Однак тільки через десять років настав перша нафтова криза і докорінно змінилася вся їх система цінностей. Часи, коли всі сили опору в русі автомобіля, і особливо ті, які виникають в результаті його проходження через повітряні прошарки, долаються великими технічними рішеннями, такими як збільшення робочого об'єму і потужності двигунів, незалежно від кількості споживаного палива, вони йдуть, і інженери починають шукати більш ефективні способи досягнення своїх цілей.
На даний момент технологічний фактор аеродинаміки покритий товстим шаром пилу забуття, але він не зовсім новий для дизайнерів. Історія технологій показує, що навіть в двадцяті роки просунуті і винахідливі мізки, такі як німецький Едмунд Румплер і венгер Пол Джаран (який створив культ Tatra T77), сформували обтічні поверхні і заклали основи аеродинамічного підходу до дизайну кузова автомобіля. За ними пішла друга хвиля фахівців з аеродинаміки, таких як барон Рейнхард фон Кеніх-Факсенфельд і Вунібальдом Кам, які розвинули свої ідеї в 1930-х роках.
Всім ясно, що зі збільшенням швидкості настає межа, вище за яку опір повітря стає критичним фактором при керуванні автомобілем. Створення аеродинамічно оптимізованих форм може значно змістити цю межу вгору і виражається так званим коефіцієнтом потоку Cx, оскільки значення 1,05 має куб, інвертований перпендикулярно до потоку повітря (якщо він повертається на 45 градусів уздовж своєї осі, так що край його спрямована проти потоку зменшується до 0,80). Проте цей коефіцієнт є лише однією частиною рівняння опору повітря – розмір фронтальної площі автомобіля (A) повинен бути доданий як суттєвий елемент. Першим із завдань фахівців з аеродинаміки є створення чистих, аеродинамічно ефективних поверхонь (факторів, яких, як ми побачимо, в автомобілі багато), що зрештою призводить до зниження коефіцієнта потоку. Щоб виміряти останнє, необхідна аеродинамічна труба, яка є дорогим та надзвичайно складним об'єктом – прикладом цього є введений в експлуатацію у 2009 році тунель BMW, який коштував компанії 170 мільйонів євро. Найважливішим компонентом у ньому є не гігантський вентилятор, який споживає стільки електрики, що йому потрібна окрема трансформаторна станція, а точний роликовий стенд, який вимірює всі сили та моменти, які повітряний струмінь надає на автомобіль. Його завдання полягає в тому, щоб оцінити всю взаємодію автомобіля з повітряними потоками та допомогти фахівцям вивчити кожну деталь та змінити її таким чином, щоб не тільки зробити її ефективною у повітряному потоці, але й відповідно до побажань дизайнерів. , В принципі, основні складові опору, з яким стикається автомобіль, виникають, коли повітря перед ним стискається і зміщується і – щось надзвичайно важливе – через сильну турбулентність за його задньою частиною. Там утворюється зона низького тиску, яка має тенденцію тягнути машину, що, у свою чергу, поєднується з сильним впливом вихору, який фахівці з аеродинаміки також називають "мертвим збудженням". З логічних причин за моделями універсалів рівень зниженого тиску вищий, у результаті коефіцієнт витрати погіршується.
Аеродинамічні фактори опору
Останнє залежить не тільки від таких факторів, як загальна форма автомобіля, а й від конкретних деталей та поверхонь. На практиці загальна форма та пропорції сучасних автомобілів мають 40-відсоткову частку загального опору повітря, чверть якої визначається структурою поверхні об'єкта та такими елементами, як дзеркала, ліхтарі, номерний знак та антена. 10% опору повітря обумовлено потоком, що проходить через отвори до гальм, двигуна та коробки передач. 20% є результатом вихору в різних конструкціях підлоги та підвіски, тобто всього, що відбувається під автомобілем. І найцікавіше – до 30% опору повітря обумовлено вихорами, створеними навколо коліс та крил. Практична демонстрація цього явища дає чітку вказівку на це – коефіцієнт витрати від 0,28 на автомобіль зменшується до 0,18 коли колеса зняті, а отвори в крилі покриті завершенням форми автомобіля. Не випадково, що всі автомобілі з напрочуд низькою витратою, такі як перший Honda Insight і електромобіль GM EV1, мають приховані задні крила. Загальна аеродинамічна форма і закрита передня частина через те, що електродвигуну не потрібна велика кількість повітря, що охолоджує, дозволили розробникам GM розробити модель EV1 з коефіцієнтом витрати всього 0,195. Модель Тесла 3 має Cx 0,21. Для зменшення вихору навколо коліс у автомобілях із двигунами внутрішнього згоряння використовуються так звані. Повітряні завіси у вигляді тонкого вертикального потоку повітря спрямовані з отвору в передньому бампері, обдуючи колеса і стабілізуючи вихори. Потік до двигуна обмежений аеродинамічні жалюзі, а дно повністю закрите.
Чим нижче значення сил, що вимірюються роликовою стійкою, тим нижче Cx. За стандартом він вимірюється із швидкістю 140 км/год – значення 0,30, наприклад, означає, що 30 відсотків повітря, через яке проходить автомобіль, розганяються до швидкості його руху. Що стосується передньої області, її зчитування вимагає набагато простішої процедури - для цього за допомогою лазера зовнішні контури автомобіля описуються, якщо дивитися спереду, і розраховується закрита площа в квадратних метрах. Згодом він множиться на коефіцієнт потоку для одержання загального опору повітря автомобіля у квадратних метрах.
Повертаючись до історичного плану нашого аеродинамічного опису, ми виявляємо, що створення стандартизованого циклу вимірювання витрати палива (NEFZ) у 1996 році фактично відіграло негативну роль в аеродинамічній еволюції автомобілів (яка значно просунулась у 1980-х роках). ) тому що аеродинамічний фактор має незначний вплив через короткий період високошвидкісного руху. Незважаючи на зменшення коефіцієнта потоку з часом, збільшення розмірів автомобілів у кожному класі призводить до збільшення лобової площі і, отже, збільшення опору повітря. Такі автомобілі, як VW Golf, Opel Astra та BMW 7 Series, мали більш високий опір повітря, ніж їхні попередники у 1990-х роках. Цій тенденції сприяє когорта вражаючих моделей позашляховиків з їхньою великою фронтальною площею та потоком, що погіршується. Цей тип автомобілів піддавався критиці в основному за його величезну вагу, але на практиці цей фактор набуває нижчого відносного значення зі збільшенням швидкості – у той час як при русі за містом зі швидкістю близько 90 км/год частка опору повітря становить близько 50 відсотків. Швидкості шосе він збільшується до 80 відсотків від загального опору, з яким стикається автомобіль.
Аеродинамічна труба
Іншим прикладом ролі опору повітря в роботі автомобіля є типова модель Smart city. Двомісний автомобіль може бути моторним і моторним на міських вулицях, але короткий і пропорційний корпус вкрай неефективний з аеродинамічній точки зору. На тлі невеликого ваги, опір повітря стає все більш важливим елементом, і з Smart починає чинити сильний вплив на швидкості 50 км / ч. Не дивно, що він не виправдав очікувань низької вартості, незважаючи на свою легку конструкцію.
Незважаючи на недоліки Smart, проте ставлення материнської компанії Mercedes до аеродинаміки є прикладом методичного, послідовного та активного підходу до процесу створення ефективних форм. Можна стверджувати, що результати інвестицій в аеродинамічні труби та напруженої роботи в цій галузі особливо помітні в цій компанії. Особливо вражаючим прикладом ефекту цього процесу є той факт, що поточний S-клас (Cx 0,24) має менший опір шарам повітря, ніж Golf VII (0,28). У процесі пошуку більшого внутрішнього простору форма компактної моделі придбала досить велику фронтальну площу, а коефіцієнт потоку гірший, ніж у S-класу через більш коротку довжину, що не дозволяє створювати довгі обтічні поверхні і в основному через різкий переход в тил, сприяє утворенню вихорів. VW був непохитний у тому, що новий Golf восьмого покоління матиме значно менший опір повітря та нижчу та обтісну форму, але, незважаючи на новий дизайн та можливості тестування, це виявилося надзвичайно складним для автомобіля. із цим форматом. Тим не менш, з його коефіцієнтом 0,275, це найаеродинамічніший Golf, коли-небудь створений. Найнижчий зареєстрований коефіцієнт витрати 0,22 на автомобіль із двигуном внутрішнього згоряння – це у Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
перевага електромобілів
Ще одним прикладом важливості аеродинамічної форми на тлі ваги є сучасні гібридні моделі і тим більше електромобілі. У разі Prius, наприклад, необхідність в високо аеродинамічній формі також продиктована тим фактом, що зі збільшенням швидкості ефективність гібридної силової установки зменшується. У разі електромобілів все, що пов'язано зі збільшенням пробігу в електричному режимі, надзвичайно важливо. На думку експертів, втрата ваги в 100 кг збільшить пробіг автомобіля всього на кілька кілометрів, але, з іншого боку, аеродинаміка має першорядне значення для електромобіля. По-перше, тому що велика маса цих автомобілів дозволяє їм повертати частину енергії, споживаної рекуперацією, і, по-друге, тому, що високий крутний момент електродвигуна дозволяє компенсувати вплив ваги при запуску, а його ефективність знижується на високих швидкостях і високих швидкостях. Крім того, силовий електроніці та електродвигуна потрібно менше охолоджуючого повітря, що дозволяє зменшити отвір в передній частині автомобіля, що, як ми вже відзначали, є основною причиною погіршення потоку тіла. Іншим елементом мотивації дизайнерів створювати більш аеродинамічний ефективні форми в сучасних гібридних моделях з тим, що підключається модулем є режим руху без прискорення тільки за допомогою електродвигуна або так званий. вітрильний спорт. На відміну від парусних човнів, де термін використовується і вітер повинен переміщати човен, в автомобілях пробіг з електрикою збільшився б, якби автомобіль мав менший опір повітрю. Створення аеродинамічний оптимізованої форми є найбільш економічно ефективним способом зниження витрати палива.
Коефіцієнти витрати деяких відомих автомобілів:
Mercedes Simplex
Виробництво 1904, Сх = 1,05
Автомобіль падіння Rumpler
Виробництво 1921, Сх = 0,28
Модель Ford
Виробництво 1927, Сх = 0,70
Експериментальна модель Кама
Виробництво 1938 року, Cx = 0,36.
Мерседес рекордний автомобіль
Виробництво 1938, Сх = 0,12
Автобус VW
Виробництво 1950, Сх = 0,44
Фольксваген "Черепаха"
Виробництво 1951, Сх = 0,40
Панхард Діна
Виробництво 1954 року, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Виробництво 1957 року, Cx = 0,36.
MG EX 181
Виробництво 1957 р Cx = 0,15
Citroen DS 19
Виробництво 1963, Сх = 0,33
Принц спорту NSU
Виробництво 1966, Сх = 0,38
Mercedes S 111
Виробництво 1970, Сх = 0,29
Volvo 245 универсал
Виробництво 1975, Сх = 0,47
Audi 100
Виробництво 1983, Сх = 0,31
Мерседес W 124
Виробництво 1985, Сх = 0,29
Контрата Ламборгіні
Виробництво 1990, Сх = 0,40
Toyota Prius 1
Виробництво 1997, Сх = 0,29
