คู่มืออากาศพลศาสตร์

ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อแรงต้านอากาศของรถ

แรงต้านอากาศต่ำช่วยลดการใช้เชื้อเพลิง อย่างไรก็ตามในเรื่องนี้มีพื้นที่มหาศาลสำหรับการพัฒนา หากผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์เห็นด้วยกับความเห็นของนักออกแบบ

"อากาศพลศาสตร์สำหรับผู้ที่ไม่สามารถสร้างรถจักรยานยนต์ได้" คำพูดเหล่านี้พูดโดย Enzo Ferrari ในช่วงอายุหกสิบเศษและแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงทัศนคติของนักออกแบบหลายคนในยุคนั้นที่มีต่อด้านเทคโนโลยีของรถคันนี้ อย่างไรก็ตามเพียงสิบปีต่อมาก็เกิดวิกฤตการณ์น้ำมันครั้งแรกขึ้นซึ่งโดยพื้นฐานแล้วระบบมูลค่าทั้งหมดได้เปลี่ยนไป ครั้งที่แรงต้านทั้งหมดในระหว่างการเคลื่อนที่ของรถและโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อมันเคลื่อนผ่านชั้นอากาศจะถูกเอาชนะด้วยวิธีการทางเทคนิคที่ครอบคลุมเช่นการเพิ่มการกระจัดและกำลังของเครื่องยนต์โดยไม่คำนึงถึงปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ไปพวกมันก็หายไปและวิศวกรก็เริ่มมอง วิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการบรรลุเป้าหมายของคุณ

ในขณะนี้ปัจจัยทางเทคโนโลยีของอากาศพลศาสตร์ถูกปกคลุมไปด้วยฝุ่นละอองหนาเป็นชั้น ๆ แต่สำหรับนักออกแบบนี่ไม่ใช่ข่าว ประวัติความเป็นมาของเทคโนโลยีแสดงให้เห็นว่าแม้กระทั่งในทศวรรษที่ 77 ผู้มีความคิดสร้างสรรค์ขั้นสูงเช่น Edmund Rumpler ชาวเยอรมันและ Paul Zharai ชาวฮังการี (ผู้สร้างพื้นผิวที่มีรูปทรง Tatra TXNUMX อันเป็นสัญลักษณ์) และวางรากฐานสำหรับแนวทางแอโรไดนามิกในการออกแบบตัวรถ ตามมาด้วยผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์ระลอกที่สองเช่น Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld และ Wunibald Kam ผู้พัฒนาแนวคิดของพวกเขาใน XNUMXs

เป็นที่ชัดเจนสำหรับทุกคนว่าความเร็วที่เพิ่มขึ้นนั้นมาถึงขีดจำกัด ซึ่งแรงต้านของอากาศกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการขับขี่รถยนต์ การสร้างรูปทรงที่เหมาะสมตามหลักแอโรไดนามิกสามารถเพิ่มขีดจำกัดนี้ได้อย่างมาก และแสดงโดยปัจจัยการไหลที่เรียกว่า Cx เนื่องจากค่า 1,05 จะมีลูกบาศก์คว่ำในแนวตั้งฉากกับการไหลของอากาศ (หากหมุน 45 องศาตามแกน เพื่อให้ต้นน้ำ ขอบลดลงเหลือ 0,80) อย่างไรก็ตาม ค่าสัมประสิทธิ์นี้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของสมการแรงต้านอากาศ - คุณต้องเพิ่มขนาดของพื้นที่ส่วนหน้าของรถ (A) เป็นองค์ประกอบสำคัญ ภารกิจแรกของนักอากาศพลศาสตร์คือการสร้างพื้นผิวที่สะอาดและมีประสิทธิภาพตามหลักอากาศพลศาสตร์ (ซึ่งในรถยนต์มีปัจจัยหลายอย่างดังที่เราจะเห็น) ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่ค่าสัมประสิทธิ์การไหลที่ต่ำลง การวัดค่าอย่างหลังต้องใช้อุโมงค์ลม ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีราคาแพงและซับซ้อนมาก ตัวอย่างคืออุโมงค์ที่เปิดใช้งานในปี 2009 BMW ซึ่งทำให้ บริษัท เสียค่าใช้จ่าย 170 ล้านยูโร ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในนั้นไม่ใช่พัดลมขนาดยักษ์ซึ่งกินไฟมากจนต้องการสถานีย่อยของหม้อแปลงแยกต่างหาก แต่เป็นขาตั้งลูกกลิ้งที่เที่ยงตรงซึ่งวัดแรงและช่วงเวลาที่กระแสอากาศกระทำกับรถ งานของเขาคือประเมินปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดของรถกับการไหลของอากาศและช่วยผู้เชี่ยวชาญศึกษาทุกรายละเอียดและเปลี่ยนแปลงเพื่อให้ไม่เพียงมีประสิทธิภาพในการไหลของอากาศเท่านั้น แต่ยังเป็นไปตามความต้องการของนักออกแบบอีกด้วย . โดยพื้นฐานแล้ว ส่วนประกอบการลากหลักที่รถพบนั้นมาจากการที่อากาศด้านหน้าบีบอัดและเคลื่อนตัว และที่สำคัญที่สุดคือ จากความปั่นป่วนอย่างรุนแรงที่ด้านหลัง มีโซนความกดอากาศต่ำที่มีแนวโน้มที่จะดึงรถ ซึ่งจะผสมกับเอฟเฟกต์กระแสน้ำวนที่รุนแรง ซึ่งนักแอโรไดนามิกเรียกอีกอย่างว่า "แรงกระตุ้นที่ตายแล้ว" ด้วยเหตุผลเชิงตรรกะ หลังจากรุ่นสเตชั่นแวกอน ระดับสุญญากาศจะสูงขึ้น ซึ่งส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การบริโภคลดลง

ปัจจัยการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์

ประการหลังนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น รูปร่างโดยรวมของรถเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับชิ้นส่วนและพื้นผิวเฉพาะด้วย ในทางปฏิบัติ รูปร่างและสัดส่วนโดยรวมของรถยนต์สมัยใหม่คิดเป็น 40 เปอร์เซ็นต์ของแรงต้านอากาศทั้งหมด ซึ่งหนึ่งในสี่นั้นพิจารณาจากโครงสร้างพื้นผิวของวัตถุและคุณลักษณะต่างๆ เช่น กระจก ไฟ ป้ายทะเบียน และเสาอากาศ แรงต้านอากาศ 10% เกิดจากการไหลผ่านช่องระบายอากาศไปยังเบรก เครื่องยนต์ และเกียร์ 20% เป็นผลมาจากกระแสน้ำวนในการออกแบบพื้นและช่วงล่างแบบต่างๆ นั่นคือ ทุกสิ่งทุกอย่างที่เกิดขึ้นใต้ท้องรถ และสิ่งที่น่าสนใจที่สุด - แรงต้านอากาศ 30% เกิดจากกระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นรอบล้อและปีก การสาธิตเชิงปฏิบัติของปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจน - อัตราการไหลจาก 0,28 ต่อคันลดลงเหลือ 0,18 เมื่อถอดล้อออกและปิดช่องลมบังโคลน ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่รถยนต์ที่มีระยะทางต่ำอย่างน่าประหลาดใจทุกคัน เช่น Insight of Honda คันแรกและรถยนต์ไฟฟ้า GM EV1 จะมีบังโคลนหลังซ่อนอยู่ รูปทรงแอโรไดนามิกโดยรวมและส่วนหน้าแบบปิด เนื่องจากมอเตอร์ไฟฟ้าไม่ต้องการอากาศเย็นมาก ทำให้นักออกแบบของ GM สามารถพัฒนารุ่น EV1 ด้วย Flow Factor เพียง 0,195 Tesla Model 3 มี Cx 0,21 เพื่อลดการหมุนวนของล้อในรถยนต์ที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เรียกว่า "ม่านอากาศ" ในรูปแบบของการไหลของอากาศแนวตั้งบาง ๆ ที่ส่งตรงจากช่องเปิดในกันชนหน้า พัดไปรอบ ๆ ล้อและทำให้กระแสน้ำวนคงที่ การไหลไปยังเครื่องยนต์ถูกจำกัดโดยบานเกล็ดแอโรไดนามิก และปิดด้านล่างอย่างสมบูรณ์

ค่าของแรงที่วัดโดยแท่นวางลูกกลิ้งยิ่งต่ำ ค่า Cx ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น โดยปกติจะวัดที่ความเร็ว 140 กม./ชม. เช่น ค่า 0,30 หมายความว่า 30 เปอร์เซ็นต์ของอากาศที่รถแล่นผ่านไปจะถูกเร่งความเร็วให้เท่ากับความเร็วนั้น สำหรับด้านหน้านั้น การอ่านค่านั้นต้องใช้ขั้นตอนที่ง่ายกว่ามาก ด้วยเหตุนี้ รูปทรงภายนอกของรถจะถูกร่างด้วยเลเซอร์เมื่อมองจากด้านหน้าและคำนวณพื้นที่ปิดล้อมเป็นตารางเมตร จากนั้นคูณด้วยปัจจัยการไหลเพื่อให้ได้แรงต้านอากาศทั้งหมดของรถในหน่วยตารางเมตร

เมื่อย้อนกลับไปที่โครงร่างประวัติศาสตร์ของเรื่องเล่าเกี่ยวกับแอโรไดนามิก เราพบว่าการสร้างวงจรการวัดอัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมาตรฐาน (NEFZ) ในปี 1996 นั้นมีบทบาทในทางลบต่อวิวัฒนาการแอโรไดนามิกของรถยนต์ (ซึ่งก้าวหน้าไปอย่างมากในช่วง 7 ปี) ) เนื่องจากปัจจัยแอโรไดนามิกมีผลเพียงเล็กน้อยเนื่องจากการเคลื่อนไหวด้วยความเร็วสูงในช่วงเวลาสั้นๆ แม้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การบริโภคจะลดลงในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่การเพิ่มขนาดของยานพาหนะในแต่ละชั้นทำให้พื้นที่ส่วนหน้าเพิ่มขึ้นและส่งผลให้แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้น รถยนต์เช่น VW Golf, Opel The Astra และ BMW 90 Series มีแรงต้านอากาศสูงกว่ารุ่นก่อนในทศวรรษที่ 90 เทรนด์นี้ส่งเสริมโดยรถยนต์ SUV ที่น่าประทับใจด้วยพื้นที่ด้านหน้าที่ใหญ่และเพรียวลมที่ถดถอย ยานพาหนะประเภทนี้ได้รับการวิพากษ์วิจารณ์ว่ามีน้ำหนักมากเป็นหลัก แต่ในทางปฏิบัติปัจจัยนี้จะมีความสำคัญน้อยลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น - เมื่อขับนอกเมืองด้วยความเร็วประมาณ 50 กม. / ชม. สัดส่วนของแรงต้านอากาศจะอยู่ที่ประมาณ 80 เปอร์เซ็นต์ ที่ความเร็วบนทางหลวง จะเพิ่มเป็น XNUMX เปอร์เซ็นต์จากแรงต้านทั้งหมดที่รถเผชิญ

หลอดแอโรไดนามิก

อีกตัวอย่างหนึ่งของบทบาทของแรงต้านอากาศในสมรรถนะของรถยนต์คือรุ่น Smart City ทั่วไป รถสองที่นั่งอาจปราดเปรียวและปราดเปรียวบนถนนในเมือง แต่ตัวถังที่สั้นและได้สัดส่วนนั้นไม่มีประสิทธิภาพมากนักจากมุมมองด้านแอโรไดนามิก ความต้านทานของอากาศกลายเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมากขึ้นเมื่อเทียบกับพื้นหลังของน้ำหนักที่เบา และ Smart เริ่มมีผลกระทบอย่างมากที่ความเร็ว 50 กม. / ชม. ไม่น่าแปลกใจที่แม้จะมีการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา ด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อบกพร่องของ Smart แต่ทัศนคติของบริษัทแม่ที่มีต่อแอโรไดนามิกส์ก็เป็นตัวอย่างของแนวทางที่มีระเบียบ สม่ำเสมอ และเชิงรุกต่อกระบวนการสร้างรูปทรงที่งดงาม เป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าผลลัพธ์ของการลงทุนในอุโมงค์ลมและการทำงานหนักในด้านนี้เป็นสิ่งที่เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในบริษัทนี้ ตัวอย่างที่โดดเด่นเป็นพิเศษของผลกระทบของกระบวนการนี้คือข้อเท็จจริงที่ว่า S-Class ปัจจุบัน (Cx 0,24) มีแรงต้านอากาศน้อยกว่า Golf VII (0,28) ในการค้นหาพื้นที่ภายในที่มากขึ้น รูปร่างของรุ่นกะทัดรัดได้รับพื้นที่ส่วนหน้าที่ค่อนข้างใหญ่ และค่าสัมประสิทธิ์การไหลนั้นแย่กว่าของ S-class เนื่องจากความยาวที่สั้นกว่า ซึ่งไม่อนุญาตให้มีพื้นผิวที่คล่องตัวและมากนัก มากกว่า. - เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจากด้านหลังทำให้เกิดกระแสน้ำวน อย่างไรก็ตาม VW ยืนกรานว่า Golf รุ่นต่อไปจะมีแรงต้านอากาศน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด รวมถึงมีการลดระดับลงและคล่องตัวขึ้น ปัจจัยการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่ำสุดที่บันทึกไว้คือ 0,22 ต่อรถ ICE คือ Mercedes CLA 180 BlueEfficiency

ข้อได้เปรียบของยานยนต์ไฟฟ้า

อีกตัวอย่างหนึ่งของความสำคัญของรูปทรงตามหลักอากาศพลศาสตร์กับพื้นหลังของน้ำหนักคือรุ่นไฮบริดที่ทันสมัยและยิ่งไปกว่านั้นรถยนต์ไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นในกรณีของ Prius ความจำเป็นในการออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์อย่างมากก็ถูกกำหนดโดยข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นประสิทธิภาพของระบบส่งกำลังแบบไฮบริดจะลดลงอย่างมาก ในกรณีของยานพาหนะไฟฟ้าทุกอย่างที่เกี่ยวข้องกับระยะทางที่เพิ่มขึ้นในโหมดไฟฟ้ามีความสำคัญอย่างยิ่ง ตามที่ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าการลดน้ำหนักลง 100 กก. จะทำให้รถมีระยะทางเพิ่มขึ้นเพียงไม่กี่กิโลเมตร แต่ในทางกลับกันอากาศพลศาสตร์มีความสำคัญยิ่งสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

ประการแรก เนื่องจากยานพาหนะเหล่านี้มีมวลมากทำให้สามารถกู้คืนพลังงานบางส่วนที่ใช้ในการพักฟื้น และประการที่สอง เนื่องจากแรงบิดสูงของมอเตอร์ไฟฟ้าทำให้คุณสามารถชดเชยผลกระทบของน้ำหนักเมื่อสตาร์ทเครื่องได้ และประสิทธิภาพลดลง ด้วยความเร็วสูงและความเร็วสูง นอกจากนี้ ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังและมอเตอร์ไฟฟ้าต้องการอากาศเย็นน้อยลง ซึ่งช่วยให้เปิดช่องด้านหน้ารถได้เล็กลง ซึ่งตามที่เราได้กล่าวไปแล้ว เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้การไหลเวียนรอบตัวรถแย่ลง องค์ประกอบอีกประการหนึ่งของแรงจูงใจของนักออกแบบในการสร้างรูปทรงที่มีประสิทธิภาพตามหลักอากาศพลศาสตร์มากขึ้นในรุ่นปลั๊กอินไฮบริดในปัจจุบันคือโหมดของการเคลื่อนไหวโดยไม่ต้องเร่งความเร็วด้วยความช่วยเหลือของมอเตอร์ไฟฟ้าหรือที่เรียกว่าเท่านั้น การแล่นเรือใบ. ซึ่งแตกต่างจากเรือใบซึ่งคำนี้มาจากไหนและลมควรจะเคลื่อนเรืออย่างไร รถยนต์ไฟฟ้าจะเพิ่มระยะทางหากรถมีแรงต้านอากาศน้อยลง การสร้างรูปทรงที่เหมาะสมตามหลักอากาศพลศาสตร์เป็นวิธีที่ประหยัดที่สุดในการลดการใช้เชื้อเพลิง

ข้อความ: Georgy Kolev

ค่าสัมประสิทธิ์การบริโภคของรถยนต์ที่มีชื่อเสียงบางรุ่น:

Mercedes Simplex

การผลิตในปี 1904 Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

การผลิตในปี 1921 Cx = 0,28

ฟอร์ด รุ่น T

การผลิตในปี 1927 Cx = 0,70

แบบทดลองก. ม

การผลิตในปี 1938 Cx = 0,36

รถเบนซ์

การผลิตในปี 1938 Cx = 0,12

รถบัส VW

การผลิตในปี 1950 Cx = 0,44

VW "เต่า"

การผลิตในปี 1951 Cx = 0,40

Panhard Dina

การผลิตในปี 1954 Cx = 0,26

356 ปอร์เช่

การผลิตในปี 1957 Cx = 0,36

เอ็มจี อีเอ็กซ์ 181

การผลิตในปี 1957 Cx = 0,15

ซีตรอง DS 19

การผลิตในปี 1963 Cx = 0,33

NSU Sport Prince

การผลิตในปี 1966 Cx = 0,38

เมอร์เซซี 111

การผลิตในปี 1970 Cx = 0,29

วอลโว่ 245 แวน

การผลิตในปี 1975 Cx = 0,47

ออดี้ 100

การผลิตในปี 1983 Cx = 0,31

Mercedes W 124

การผลิตในปี 1985 Cx = 0,29

โตโยต้า พรีอุส 1

การผลิตในปี 1997 Cx = 0,29