Příručka o aerodynamice
Nejdůležitější faktory ovlivňující odpor vzduchu vozidla
Nízký odpor vzduchu pomáhá snižovat spotřebu paliva. V tomto ohledu však existuje obrovský prostor pro rozvoj. Pokud samozřejmě odborníci na aerodynamiku souhlasí s názorem konstruktérů.
„Aerodynamika pro ty, kteří nemohou vyrábět motocykly.“ Tato slova pronesl Enzo Ferrari v šedesátých letech a jasně dokazují přístup mnoha tehdejších designérů k této technologické stránce vozu. Teprve o deset let později však došlo k první ropné krizi, která zásadně změnila celý jejich hodnotový systém. Časy, kdy jsou všechny síly odporu během pohybu automobilu, zejména ty, které vznikají při průchodu vzduchovými vrstvami, překonány rozsáhlými technickými řešeními, jako je zvýšení zdvihového objemu a výkonu motorů, bez ohledu na množství spotřebovaného paliva, odejdou a inženýři se začínají dívat efektivnější způsoby, jak dosáhnout svých cílů.
V tuto chvíli je technologický faktor aerodynamiky pokryt silnou vrstvou prachu zapomnění, ale pro konstruktéry to není novinka. Historie technologie ukazuje, že i v 77. letech vyspělé a vynalézavé mysli, jako například Němec Edmund Rumpler a Maďar Paul Jarai (kteří vytvořili ikonickou Tatra TXNUMX), vytvořili efektivní povrchy a položili základy aerodynamického přístupu k designu karoserie. Za nimi následovala druhá vlna specialistů na aerodynamiku, jako byli baron Reinhard von Könich-Faxenfeld a Wunibald Kam, kteří rozvíjeli své myšlenky v XNUMX.
Každému je jasné, že s rostoucí rychlostí přichází hranice, nad kterou se odpor vzduchu stává kritickým faktorem pro řízení auta. Vytváření aerodynamicky optimalizovaných tvarů může tuto hranici posunout značně nahoru a je vyjádřeno tzv. průtokovým faktorem Cx, neboť hodnota 1,05 má krychli obrácenou kolmo k proudění vzduchu (pokud je otočena o 45 stupňů podél své osy, tak hrana se sníží na 0,80). Tento koeficient je však pouze jednou částí rovnice odporu vzduchu - jako důležitý prvek musíte přidat velikost přední plochy vozu (A). Prvním z úkolů aerodynamiků je vytvořit čisté, aerodynamicky účinné povrchy (jejichž faktorů, jak uvidíme, je v autě hodně), což v konečném důsledku vede k nižšímu součiniteli proudění. Měření posledně jmenovaného vyžaduje aerodynamický tunel, což je nákladná a extrémně složitá stavba – příkladem toho je tunel zprovozněný v roce 2009. BMW, což firmu stálo 170 milionů eur. Nejdůležitější součástí v ní není obří ventilátor, který spotřebuje tolik elektřiny, že potřebuje samostatnou trafostanici, ale přesný válečkový stojan, který měří všechny síly a momenty, kterými na auto působí proud vzduchu. Jeho úkolem je vyhodnotit celou interakci vozu s prouděním vzduchu a pomoci specialistům prostudovat každý detail a změnit jej tak, aby byl nejen efektivní v proudění vzduchu, ale také v souladu s přáním konstruktérů. . V podstatě hlavní složky odporu, se kterými se auto setkává, pocházejí ze stlačování a posunu vzduchu před ním a – což je velmi důležité – z intenzivních turbulencí za ním vzadu. Je zde zóna nízkého tlaku, která má tendenci vůz táhnout, což se zase mísí se silným vírovým efektem, kterému aerodynamika říká také „mrtvé buzení“. Z logických důvodů je po modelech kombi vyšší hladina podtlaku, v důsledku čehož se zhoršuje koeficient spotřeby.
Faktory aerodynamického odporu
To druhé závisí nejen na faktorech, jako je celkový tvar vozu, ale také na konkrétních dílech a površích. V praxi celkový tvar a proporce moderních automobilů tvoří 40 procent celkového odporu vzduchu, z čehož čtvrtina je dána strukturou povrchu objektu a prvky, jako jsou zrcátka, světla, poznávací značka a anténa. 10 % odporu vzduchu je způsobeno prouděním průduchy k brzdám, motoru a převodovce. 20 % je výsledkem víru v různých provedeních podlahy a odpružení, tedy všeho, co se děje pod autem. A co je nejzajímavější – 30 % odporu vzduchu mají na svědomí víry vytvořené kolem kol a křídel. Praktická ukázka tohoto jevu to názorně ukazuje - průtok z 0,28 na vozidlo klesne na 0,18 při sejmutí kol a zavření průduchů blatníků. Není náhodou, že všechna auta s překvapivě nízkým nájezdem kilometrů – jako první Insight od Hondy a elektromobil GM EV1 – mají skryté zadní blatníky. Celkový aerodynamický tvar a uzavřená příď, vzhledem k tomu, že elektromotor nevyžaduje velké množství chladicího vzduchu, umožnily konstruktérům GM vyvinout model EV1 s faktorem proudění pouhých 0,195. Tesla Model 3 má Cx 0,21. Ke snížení vířivosti kol u vozidel se spalovacími motory se používá tzv. „Vzduchové clony“ v podobě tenkého vertikálního proudu vzduchu směřujícího z otvoru v předním nárazníku, foukajícího kolem kol a stabilizujícího víry, proudění k motoru omezují aerodynamické uzávěry a spodek je zcela uzavřen.
Čím nižší jsou hodnoty sil naměřených válečkovým stojanem, tím menší je Cx. Typicky se měří při rychlosti 140 km/h – například hodnota 0,30 znamená, že 30 procent vzduchu, kterým auto projde, je urychleno na jeho rychlost. Pokud jde o předek, jeho odečítání vyžaduje mnohem jednodušší postup – k tomu se laserem obkreslí vnější obrysy vozu při pohledu zepředu a vypočítá se obestavěná plocha v metrech čtverečních. Ten se pak vynásobí faktorem průtoku a získá se celkový odpor vzduchu vozu v metrech čtverečních.
Vrátíme-li se k historickému nástinu našeho aerodynamického vyprávění, zjistíme, že vytvoření standardizovaného cyklu měření spotřeby paliva (NEFZ) v roce 1996 ve skutečnosti sehrálo negativní roli v aerodynamické evoluci automobilů (které výrazně pokročily v 7). ), protože aerodynamický faktor má malý vliv kvůli krátké době vysokorychlostního pohybu. I přes pokles koeficientu spotřeby v průběhu let dochází při zvětšování rozměrů vozidel každé třídy ke zvětšení čelní plochy a následně i ke zvýšení odporu vzduchu. Vozy jako VW Golf, Opel The Astra a BMW řady 90 měly vyšší odpor vzduchu než jejich předchůdci v 90. letech. Tento trend napomáhají působivé modely SUV s velkou přední plochou a zhoršujícím se aerodynamickým tvarem. Tomuto typu vozidla byla vytýkána především vysoká hmotnost, v praxi však tento faktor s rostoucí rychlostí ztrácí relativní význam - při jízdě mimo město rychlostí cca 50 km/h je podíl odporu vzduchu cca. 80 procent, při dálničních rychlostech se zvyšuje na XNUMX procent z celkového odporu, kterému auto čelí.
Aerodynamická trubice
Dalším příkladem role odporu vzduchu ve výkonu vozidla je typický model Smart City. Dvoumístný vůz může být hbitý a obratný v městských ulicích, ale jeho krátká a proporcionální karoserie je z aerodynamického hlediska vysoce neefektivní. Na pozadí nízké hmotnosti se odpor vzduchu stává stále důležitějším prvkem a se Smartem se začíná výrazně projevovat při rychlostech 50 km / h. Není divu, že i přes odlehčenou konstrukci nenaplnil očekávání s relativně nízkou cenou.
Postoj mateřské společnosti Mercedes k aerodynamice je však i přes nedostatky Smartu příkladem metodického, důsledného a proaktivního přístupu k procesu vytváření velkolepých forem. Lze namítnout, že výsledky investic do aerodynamických tunelů a dřiny v této oblasti jsou v této společnosti obzvláště patrné. Zvláště nápadným příkladem efektu tohoto procesu je skutečnost, že současná třída S (Cx 0,24) má menší odpor vzduchu než Golf VII (0,28). Při hledání většího vnitřního prostoru získal tvar kompaktního modelu poměrně velkou přední plochu a součinitel proudění je horší než u třídy S kvůli kratší délce, která neumožňuje aerodynamické povrchy a mnoho více. - již kvůli ostrému přechodu zezadu, přispívajícímu k tvorbě vírů. VW však trvá na tom, že Golf příští generace bude mít podstatně menší odpor vzduchu a bude snížený a aerodynamický. Nejnižší zaznamenaný faktor spotřeby paliva 0,22 na vozidlo ICE má Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Výhoda elektrických vozidel
Dalším příkladem důležitosti aerodynamického tvaru na pozadí hmotnosti jsou moderní hybridní modely a ještě více elektromobily. Například v případě modelu Prius je potřeba vysoce aerodynamického designu dána také skutečností, že se zvyšující se rychlostí dramaticky klesá účinnost hybridního hnacího ústrojí. V případě elektrických vozidel je vše, co souvisí se zvýšeným počtem kilometrů v elektrickém režimu, nesmírně důležité. Podle odborníků snížení hmotnosti o 100 kg zvýší kilometrový výkon vozu jen o několik kilometrů, ale na druhou stranu má pro elektromobil zásadní význam aerodynamika.
Jednak proto, že vysoká hmotnost těchto vozidel jim umožňuje rekuperovat část energie spotřebované na rekuperaci, jednak proto, že vysoký točivý moment elektromotoru umožňuje kompenzovat vliv hmotnosti při rozjezdu a jeho účinnost klesá. při vysokých rychlostech a vysokých rychlostech. Výkonová elektronika a elektromotor navíc potřebují méně chladicího vzduchu, což umožňuje menší otvor v přední části vozu, což je, jak jsme již poznamenali, hlavní důvod zhoršení obtékání karoserie. Dalším prvkem motivace konstruktérů k vytvoření aerodynamicky účinnějších tvarů u dnešních plug-in hybridních modelů je režim pohybu bez zrychlení pouze za pomoci elektromotoru, neboli tzv. plachtění. Na rozdíl od plachetnic, odkud tento termín pochází a kde má vítr pohybovat lodí, elektromobily zvýší dojezd, pokud má auto menší odpor vzduchu. Vytvoření aerodynamicky optimalizovaného tvaru je nejekonomičtější způsob, jak snížit spotřebu paliva.
Text: Georgy Kolev
Koeficienty spotřeby některých slavných automobilů:
Mercedes Simplex
Výroba z roku 1904, Cx = 1,05
Rumpler Tropfenwagen
Výroba z roku 1921, Cx = 0,28
Ford Model T
Výroba z roku 1927, Cx = 0,70
Experimentální model Kam
Výroba z roku 1938, Cx = 0,36
Rekordní vůz Mercedes
Výroba z roku 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Výroba z roku 1950, Cx = 0,44
VW "želva"
Výroba z roku 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Výroba z roku 1954, Cx = 0,26
Porsche 356
Výroba z roku 1957, Cx = 0,36
MG EX 181
Výroba z roku 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Výroba z roku 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Výroba z roku 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Výroba z roku 1970, Cx = 0,29
Dodávka Volvo 245
Výroba z roku 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Výroba z roku 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Výroba z roku 1985, Cx = 0,29
Toyota Prius 1
Výroba z roku 1997, Cx = 0,29
