อากาศพลศาสตร์ของรถยนต์คืออะไร?
Содержание
เมื่อดูภาพถ่ายในประวัติศาสตร์ของรถรุ่นในตำนานใคร ๆ ก็จะสังเกตได้ทันทีว่าเมื่อเราเข้าใกล้วันเวลาของเรามากขึ้นตัวถังรถก็มีเหลี่ยมมุมน้อยลง
นี่เป็นเพราะอากาศพลศาสตร์ ให้เราพิจารณาว่าอะไรคือความไม่ชอบมาพากลของเอฟเฟกต์นี้เหตุใดจึงสำคัญที่ต้องคำนึงถึงกฎหมายอากาศพลศาสตร์และรถยนต์คันใดที่มีค่าสัมประสิทธิ์การไหลที่ไม่ดีและแบบใดที่ดี
อากาศพลศาสตร์ของรถยนต์คืออะไร
มันอาจฟังดูแปลก ๆ ยิ่งรถเคลื่อนที่ไปตามถนนเร็วเท่าไหร่รถก็มีแนวโน้มที่จะหลุดจากพื้นมากขึ้นเท่านั้น สาเหตุก็คือการไหลของอากาศที่รถชนกันนั้นถูกตัดออกเป็นสองส่วนโดยตัวรถ หนึ่งไประหว่างด้านล่างกับพื้นผิวถนนและที่สอง - เหนือหลังคาและไปรอบ ๆ รูปร่างของเครื่อง
หากคุณมองจากด้านข้างตัวถังรถจากระยะไกลจะมีลักษณะคล้ายกับปีกเครื่องบิน ความไม่ชอบมาพากลขององค์ประกอบนี้ของเครื่องบินอยู่ที่ความจริงที่ว่าการไหลของอากาศเหนือส่วนโค้งนั้นผ่านเส้นทางมากกว่าส่วนตรงของชิ้นส่วน ด้วยเหตุนี้สูญญากาศหรือสุญญากาศจึงถูกสร้างขึ้นเหนือปีก ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นแรงนี้จะยกร่างกายได้มากขึ้น
มีการสร้างเอฟเฟกต์การยกที่คล้ายกันสำหรับรถ ต้นน้ำไหลไปรอบ ๆ ฝากระโปรงหลังคาและลำตัวในขณะที่ปลายน้ำไหลไปรอบ ๆ ด้านล่าง องค์ประกอบอื่นที่สร้างแรงต้านเพิ่มเติมคือชิ้นส่วนของร่างกายที่อยู่ใกล้กับแนวตั้ง (ตะแกรงหม้อน้ำหรือกระจกบังลม)
ความเร็วในการขนส่งมีผลโดยตรงต่อผลการยก ยิ่งไปกว่านั้นรูปทรงของตัวถังที่มีแผงแนวตั้งจะสร้างความปั่นป่วนเพิ่มเติมซึ่งจะช่วยลดแรงฉุดของรถ ด้วยเหตุนี้เจ้าของรถคลาสสิกหลายคันที่มีรูปทรงเชิงมุมเมื่อทำการปรับแต่งจึงจำเป็นต้องติดสปอยเลอร์และองค์ประกอบอื่น ๆ เข้ากับตัวถังเพื่อเพิ่มแรงกดของรถ
ทำไมถึงจำเป็น
การระบายอากาศช่วยให้อากาศไหลเวียนไปตามร่างกายได้เร็วขึ้นโดยไม่ต้องกระแสน้ำวนที่ไม่จำเป็น เมื่อเครื่องถูกขัดขวางโดยความต้านทานอากาศที่เพิ่มขึ้นเครื่องยนต์จะใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นราวกับว่าเครื่องมีภาระเพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะไม่เพียง แต่ส่งผลกระทบต่อเศรษฐกิจของรถยนต์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงปริมาณสารอันตรายที่จะถูกปล่อยออกมาทางท่อไอเสียสู่สิ่งแวดล้อมอีกด้วย
เมื่อออกแบบรถยนต์ที่มีอากาศพลศาสตร์ที่ดีขึ้นวิศวกรจากผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำจะคำนวณตัวบ่งชี้ต่อไปนี้:
- ปริมาณอากาศที่ต้องเข้าไปในห้องเครื่องเพื่อให้เครื่องยนต์ได้รับการระบายความร้อนตามธรรมชาติที่เหมาะสม
- อากาศบริสุทธิ์จะถูกนำไปใช้ในส่วนใดของร่างกายภายในรถรวมถึงที่ที่จะระบายออกไป
- สิ่งที่สามารถทำได้เพื่อให้อากาศมีเสียงรบกวนน้อยลงในรถ
- ต้องกระจายแรงยกไปยังแต่ละเพลาตามลักษณะของรูปร่างตัวรถ
ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้ถูกนำมาพิจารณาในการพัฒนาเครื่องจักรรุ่นใหม่ และหากก่อนหน้านี้องค์ประกอบของร่างกายอาจเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนารูปแบบที่เหมาะสมที่สุดซึ่งให้ค่าสัมประสิทธิ์การยกส่วนหน้าลดลง ด้วยเหตุนี้รุ่นล่าสุดหลายรุ่นจึงอาจแตกต่างกันเพียงเล็กน้อยจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในรูปทรงของ diffusers หรือปีกเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า
นอกเหนือจากความเสถียรบนท้องถนนแล้วอากาศพลศาสตร์ยังช่วยลดการปนเปื้อนของร่างกายบางส่วนได้อีกด้วย ดังนั้นเมื่อปะทะกับลมกระโชกด้านหน้าไฟหน้ากันชนและกระจกบังลมที่ตั้งอยู่ในแนวตั้งจะสกปรกเร็วขึ้นจากแมลงตัวเล็ก ๆ ที่ถูกทุบ
เพื่อลดผลเสียของการยกผู้ผลิตรถยนต์มีเป้าหมายที่จะลด การกวาดล้าง เป็นค่าสูงสุดที่อนุญาต อย่างไรก็ตามผลกระทบด้านหน้าไม่ได้เป็นแรงลบเพียงอย่างเดียวที่ส่งผลต่อความเสถียรของเครื่องจักร วิศวกรมักจะ "สมดุล" ระหว่างการเพิ่มประสิทธิภาพด้านหน้าและด้านข้าง เป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุพารามิเตอร์ที่เหมาะสมในแต่ละโซนดังนั้นเมื่อผลิตตัวถังชนิดใหม่ผู้เชี่ยวชาญมักจะประนีประนอมบางอย่าง
ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์
การต่อต้านนี้มาจากไหน? ทุกอย่างง่ายมาก รอบโลกของเรามีบรรยากาศที่ประกอบด้วยสารประกอบที่เป็นก๊าซ โดยเฉลี่ยแล้วความหนาแน่นของชั้นทึบของบรรยากาศ (พื้นที่จากพื้นถึงมุมมองจากมุมสูง) อยู่ที่ประมาณ 1,2 กก. / ตารางเมตร เมื่อวัตถุเคลื่อนที่มันจะชนกับโมเลกุลของก๊าซที่ประกอบกันเป็นอากาศ ยิ่งความเร็วสูงเท่าใดองค์ประกอบเหล่านี้ก็จะกระทบวัตถุมากขึ้นเท่านั้น ด้วยเหตุนี้เมื่อเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกยานอวกาศจึงเริ่มร้อนขึ้นอย่างรุนแรงจากแรงเสียดทาน
งานแรกที่นักพัฒนาของการออกแบบโมเดลใหม่กำลังพยายามรับมือคือวิธีลดการลาก พารามิเตอร์นี้จะเพิ่มขึ้น 4 เท่าหากรถเร่งความเร็วภายในช่วงจาก 60 กม. / ชม. เป็น 120 กม. / ชม. เพื่อให้เข้าใจว่าสิ่งนี้สำคัญเพียงใดให้พิจารณาตัวอย่างเล็ก ๆ
รับน้ำหนักได้ 2 พันกก. การขนส่งเร่งขึ้นเป็น 36 กม. / ชม. ในขณะเดียวกันก็ใช้พลังงานเพียง 600 วัตต์เพื่อเอาชนะแรงนี้ อย่างอื่นหมดไปกับการโอเวอร์คล็อก แต่มีความเร็ว 108 กม. / ชม. กำลังใช้กำลัง 16 กิโลวัตต์เพื่อเอาชนะความต้านทานด้านหน้า เมื่อขับด้วยความเร็ว 250 กม. / ชม. รถใช้กำลังลากมากถึง 180 แรงม้า หากผู้ขับขี่ต้องการเร่งความเร็วรถให้มากขึ้นถึง 300 กิโลเมตร / ชั่วโมงนอกจากพลังในการเพิ่มความเร็วแล้วมอเตอร์ยังต้องใช้ม้า 310 ตัวเพื่อรับมือกับการไหลของอากาศด้านหน้า นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมรถสปอร์ตจึงต้องการระบบส่งกำลังที่ทรงพลัง
เพื่อพัฒนาการขนส่งที่คล่องตัวที่สุด แต่ในขณะเดียวกันการขนส่งก็ค่อนข้างสะดวกสบายวิศวกรจะคำนวณค่าสัมประสิทธิ์ Cx พารามิเตอร์นี้ในคำอธิบายของโมเดลมีความสำคัญที่สุดโดยคำนึงถึงรูปร่างในอุดมคติ หยดน้ำมีขนาดพอเหมาะในบริเวณนี้ เธอมีค่าสัมประสิทธิ์ 0,04 ไม่มีผู้ผลิตรถยนต์รายใดเห็นด้วยกับการออกแบบเดิมสำหรับรถยนต์รุ่นใหม่แม้ว่าจะมีตัวเลือกในการออกแบบนี้มาก่อนก็ตาม
มีสองวิธีในการลดแรงต้านลม:
- เปลี่ยนรูปร่างของร่างกายเพื่อให้การไหลของอากาศไหลเวียนรอบรถให้มากที่สุด
- ทำให้รถแคบ.
เมื่อเครื่องจักรกำลังเคลื่อนที่แรงในแนวดิ่งจะกระทำกับมัน อาจมีผลต่อแรงกดลงซึ่งมีผลดีต่อการลาก หากความดันบนรถไม่เพิ่มขึ้นกระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นจะช่วยให้มั่นใจได้ว่ารถจะแยกออกจากพื้นดิน (ผู้ผลิตแต่ละรายพยายามกำจัดผลกระทบนี้ให้มากที่สุด)
ในทางกลับกันในขณะที่รถเคลื่อนที่แรงที่สามจะกระทำกับมันนั่นคือแรงด้านข้าง พื้นที่นี้ควบคุมได้น้อยลงเนื่องจากได้รับผลกระทบจากค่าตัวแปรหลายอย่างเช่นลมขวางเมื่อขับตรงไปข้างหน้าหรือเข้าโค้ง ไม่สามารถคาดเดาความแรงของปัจจัยนี้ได้ดังนั้นวิศวกรจึงไม่เสี่ยงและสร้างกรณีที่มีความกว้างที่ทำให้สามารถประนีประนอมกับอัตราส่วน Cx ได้
ในการพิจารณาว่าพารามิเตอร์ของกองกำลังแนวตั้งด้านหน้าและด้านข้างสามารถนำมาพิจารณาได้มากน้อยเพียงใดผู้ผลิตยานยนต์ชั้นนำจึงตั้งห้องปฏิบัติการเฉพาะที่ทำการทดสอบด้านอากาศพลศาสตร์ ขึ้นอยู่กับความเป็นไปได้ของวัสดุห้องปฏิบัติการนี้อาจรวมถึงอุโมงค์ลมซึ่งตรวจสอบประสิทธิภาพของการขนส่งที่คล่องตัวภายใต้การไหลของอากาศขนาดใหญ่
ตามหลักการแล้วผู้ผลิตรถยนต์รุ่นใหม่พยายามที่จะนำผลิตภัณฑ์ของตนไปที่ค่าสัมประสิทธิ์ 0,18 (วันนี้เป็นอุดมคติ) หรือสูงกว่านั้น แต่ยังไม่มีใครประสบความสำเร็จในครั้งที่สองเนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะกำจัดกองกำลังอื่น ๆ ที่กระทำกับเครื่องจักร
แรงยึดและแรงยก
นี่คือความแตกต่างเล็กน้อยอีกประการหนึ่งที่มีผลต่อการจัดการการขนส่ง ในบางกรณีไม่สามารถย่อขนาดการลากได้ ตัวอย่างนี้คือรถยนต์ F1 แม้ว่าร่างกายของพวกเขาจะคล่องตัวอย่างสมบูรณ์แบบ แต่ล้อก็เปิดได้ โซนนี้สร้างปัญหาให้กับผู้ผลิตมากที่สุด สำหรับการขนส่งดังกล่าว Cx อยู่ในช่วง 1,0 ถึง 0,75
หากไม่สามารถกำจัดกระแสน้ำวนด้านหลังได้ในกรณีนี้ก็สามารถใช้การไหลเพื่อเพิ่มแรงฉุดกับแทร็กได้ ในการดำเนินการนี้จะมีการติดตั้งชิ้นส่วนเพิ่มเติมบนร่างกายเพื่อสร้างแรงกด ตัวอย่างเช่นกันชนหน้ามีสปอยเลอร์ที่ป้องกันไม่ให้ยกขึ้นจากพื้นซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับรถสปอร์ต ปีกที่คล้ายกันติดอยู่ที่ด้านหลังของรถ
ปีกด้านหน้าไม่ได้สั่งการไหลเข้าใต้ท้องรถ แต่ไปที่ส่วนบนของร่างกาย ด้วยเหตุนี้จมูกของรถจึงหันไปทางถนนเสมอ สูญญากาศก่อตัวขึ้นจากด้านล่างและดูเหมือนว่ารถจะติดอยู่กับราง สปอยเลอร์หลังป้องกันการก่อตัวของกระแสน้ำวนด้านหลังรถ - ชิ้นส่วนจะหยุดการไหลก่อนที่จะเริ่มถูกดูดเข้าไปในพื้นที่สูญญากาศด้านหลังรถ
องค์ประกอบขนาดเล็กยังส่งผลต่อการลดการลาก ตัวอย่างเช่นขอบฝากระโปรงของรถยนต์สมัยใหม่เกือบทั้งหมดครอบคลุมใบปัดน้ำฝน เนื่องจากด้านหน้าของรถส่วนใหญ่ต้องเผชิญกับการจราจรที่กำลังจะมาถึงจึงให้ความสำคัญกับองค์ประกอบเล็ก ๆ เช่นตัวเบี่ยงอากาศเข้า
เมื่อติดตั้งชุดตัวถังแบบสปอร์ตคุณต้องคำนึงถึงว่า Downforce เพิ่มเติมทำให้รถมีความมั่นใจมากขึ้นบนท้องถนน แต่ในขณะเดียวกันการไหลของทิศทางก็เพิ่มแรงลาก ด้วยเหตุนี้ความเร็วสูงสุดของการขนส่งดังกล่าวจะต่ำกว่าที่ไม่มีองค์ประกอบทางอากาศพลศาสตร์ ผลเสียอีกประการหนึ่งคือทำให้รถมีความโลภมากขึ้น จริงอยู่ที่ผลกระทบของชุดแต่งสปอร์ตจะสัมผัสได้ที่ความเร็ว 120 กิโลเมตรต่อชั่วโมงดังนั้นในสถานการณ์ส่วนใหญ่บนถนนสาธารณะรายละเอียดดังกล่าว
โมเดลที่มีการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ไม่ดี:
รุ่นที่มีการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ดี:
นอกจากนี้ดูวิดีโอสั้น ๆ เกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์:
ความคิดเห็น 2
Bogdan
สวัสดี คำถามที่ไม่รู้
หากรถวิ่งด้วยความเร็ว 100 กม./ชม. ที่ 2000 รอบต่อนาที และรถคันเดียวกันที่ความเร็ว 200 กม./ชม. ที่ 2000 รอบต่อนาที อัตราสิ้นเปลืองจะแตกต่างกันหรือไม่ เกิดอะไรขึ้นถ้ามันแตกต่างกัน? มูลค่าสูง?
หรือการบริโภคของรถคืออะไร? ที่ความเร็วของเครื่องยนต์หรือความเร็ว?
ขอบคุณ
Tore
การเพิ่มความเร็วของรถเป็นสองเท่าจะเพิ่มความต้านทานการหมุนตัวเป็นสองเท่าและเพิ่มแรงต้านของอากาศสี่เท่า ดังนั้นจึงต้องการพลังงานมากขึ้น ซึ่งหมายความว่าคุณจำเป็นต้องเผาผลาญเชื้อเพลิงมากขึ้น แม้ว่ารอบต่อนาทีจะคงที่ ดังนั้นคุณจึงกดคันเร่งและแรงดันท่อร่วมจะเพิ่มขึ้น และมวลอากาศที่มากขึ้นจะเข้าสู่แต่ละกระบอกสูบ นั่นหมายความว่าเครื่องยนต์ของคุณฉีดเชื้อเพลิงได้มากขึ้น ใช่ แม้ว่า RPM ของคุณจะยังคงเท่าเดิม คุณจะใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นประมาณ 4.25 เท่าต่อกิโลเมตร