ไหลเชี่ยว
Содержание
เทคโนโลยีสมัยใหม่เปลี่ยนแปลงอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์อย่างไร
แรงต้านอากาศต่ำช่วยลดการใช้เชื้อเพลิง อย่างไรก็ตามในแง่นี้มีโอกาสมากมายสำหรับการพัฒนา จนถึงขณะนี้ผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์เห็นด้วยกับความเห็นของนักออกแบบ
"อากาศพลศาสตร์สำหรับผู้ที่ไม่สามารถสร้างรถจักรยานยนต์ได้" คำพูดเหล่านี้ถูกพูดโดย Enzo Ferrari ในยุค 60 และแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงทัศนคติของนักออกแบบหลายคนในยุคนั้นที่มีต่อเทคโนโลยีของรถยนต์รุ่นนี้ อย่างไรก็ตามเพียงสิบปีต่อมาก็เกิดวิกฤตการณ์น้ำมันครั้งแรกและระบบค่านิยมทั้งหมดของพวกเขาเปลี่ยนไปอย่างรุนแรง ครั้งที่แรงต้านทั้งหมดในการเคลื่อนที่ของรถและโดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตัวผ่านชั้นอากาศจะเอาชนะได้ด้วยวิธีการทางเทคนิคที่ครอบคลุมเช่นการเพิ่มการกระจัดและกำลังของเครื่องยนต์โดยไม่คำนึงถึงปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ไปพวกมันก็หายไปและวิศวกรก็เริ่ม มองหาวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการบรรลุเป้าหมายของคุณ
ในขณะนี้ปัจจัยทางเทคโนโลยีของอากาศพลศาสตร์ถูกปกคลุมไปด้วยฝุ่นละอองหนา ๆ แต่มันก็ไม่ใช่เรื่องใหม่สำหรับนักออกแบบ ประวัติความเป็นมาของเทคโนโลยีแสดงให้เห็นว่าแม้จะอยู่ในวัยยี่สิบ แต่สมองที่ก้าวหน้าและสร้างสรรค์เช่น Edmund Rumpler ของเยอรมันและ Paul Jaray ชาวฮังการี (ผู้สร้างพื้นผิวที่มีรูปร่างเพรียวของ Tatra T77) และวางรากฐานสำหรับแนวทางแอโรไดนามิกในการออกแบบตัวรถ ตามมาด้วยผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์ระลอกที่สองเช่น Baron Reinhard von Kenich-Faxenfeld และ Wunibald Kam ผู้พัฒนาแนวคิดของพวกเขาในช่วงทศวรรษที่ 1930
เป็นที่ชัดเจนสำหรับทุกคนว่าด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นย่อมมีขีดจำกัด ซึ่งแรงต้านของอากาศกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการขับรถ การสร้างรูปทรงที่เหมาะสมตามหลักอากาศพลศาสตร์สามารถเลื่อนขีดจำกัดนี้ให้สูงขึ้นได้อย่างมาก และแสดงด้วยค่าสัมประสิทธิ์การไหล Cx เนื่องจากค่า 1,05 จะมีลูกบาศก์คว่ำในแนวตั้งฉากกับการไหลของอากาศ (หากหมุน 45 องศาตามแกน เพื่อให้ ขอบต้นน้ำลดลงเหลือ 0,80) อย่างไรก็ตาม ค่าสัมประสิทธิ์นี้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของสมการแรงต้านอากาศ - ต้องเพิ่มขนาดของพื้นที่ส่วนหน้าของรถ (A) เป็นองค์ประกอบสำคัญ ภารกิจแรกของนักอากาศพลศาสตร์คือการสร้างพื้นผิวที่สะอาดและมีประสิทธิภาพตามหลักอากาศพลศาสตร์ (ซึ่งในรถยนต์มีปัจจัยหลายอย่างดังที่เราจะเห็น) ซึ่งส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การไหลลดลงในที่สุด ในการวัดอย่างหลัง จำเป็นต้องใช้อุโมงค์ลม ซึ่งเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกที่มีค่าใช้จ่ายสูงและซับซ้อนมาก ตัวอย่างนี้คืออุโมงค์ลมมูลค่า 2009 ล้านยูโรของ BMW ที่ดำเนินการในปี 170 ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในนั้นไม่ใช่พัดลมขนาดยักษ์ซึ่งกินไฟมากจนต้องใช้สถานีหม้อแปลงแยกต่างหาก แต่เป็นขาตั้งลูกกลิ้งที่แม่นยำซึ่งวัดแรงและช่วงเวลาที่ไอพ่นอากาศกระทำกับรถ งานของเขาคือประเมินปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดของรถกับการไหลเวียนของอากาศและช่วยผู้เชี่ยวชาญในการศึกษาทุกรายละเอียดและเปลี่ยนแปลงในลักษณะที่ไม่เพียงทำให้มีประสิทธิภาพในการไหลเวียนของอากาศ แต่ยังสอดคล้องกับความต้องการของนักออกแบบด้วย . โดยพื้นฐานแล้ว ส่วนประกอบการลากหลักที่รถพบเจอนั้นมาจากการที่อากาศด้านหน้าอัดและเคลื่อนตัว และ – สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่ง – จากความปั่นป่วนอย่างรุนแรงที่ด้านหลัง ที่นั่น จะเกิดโซนความกดอากาศต่ำซึ่งมีแนวโน้มที่จะดึงรถ ซึ่งจะผสมกับอิทธิพลที่รุนแรงของกระแสน้ำวน ซึ่งนักอากาศพลศาสตร์เรียกอีกอย่างว่า "แรงกระตุ้นที่ตายแล้ว" ด้วยเหตุผลเชิงตรรกะ หลังแบบจำลองอสังหาริมทรัพย์ ระดับของแรงดันที่ลดลงจะสูงขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากค่าสัมประสิทธิ์การไหลลดลง
ปัจจัยการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์
ประการหลังนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น รูปร่างโดยรวมของรถเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับชิ้นส่วนและพื้นผิวเฉพาะด้วย ในทางปฏิบัติ รูปร่างและสัดส่วนโดยรวมของรถยนต์สมัยใหม่มีส่วนแบ่ง 40 เปอร์เซ็นต์ของแรงต้านอากาศทั้งหมด ซึ่งหนึ่งในสี่นั้นพิจารณาจากโครงสร้างพื้นผิวของวัตถุและลักษณะต่างๆ เช่น กระจก ไฟ ป้ายทะเบียน และเสาอากาศ 10% ของแรงต้านอากาศเกิดจากการไหลผ่านรูไปยังเบรก เครื่องยนต์ และกระปุกเกียร์ 20% เป็นผลมาจากกระแสน้ำวนในพื้นและโครงสร้างช่วงล่างต่างๆ นั่นคือ ทุกอย่างที่เกิดขึ้นใต้ท้องรถ และสิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือแรงต้านอากาศมากถึง 30% เกิดจากกระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นรอบล้อและปีก การสาธิตเชิงปฏิบัติของปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงสิ่งนี้ - ค่าสัมประสิทธิ์การบริโภคจาก 0,28 ต่อคันลดลงเป็น 0,18 เมื่อถอดล้อออกและปิดรูที่ปีกด้วยรูปทรงของรถที่สมบูรณ์ ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่รถยนต์ที่มีระยะทางต่ำอย่างน่าประหลาดใจทุกคัน เช่น Honda Insight คันแรกและรถยนต์ไฟฟ้า EV1 ของ GM จะมีบังโคลนหลังซ่อนอยู่ รูปทรงแอโรไดนามิกโดยรวมและส่วนหน้าแบบปิด เนื่องจากมอเตอร์ไฟฟ้าไม่ต้องการอากาศเย็นจำนวนมาก ทำให้ผู้พัฒนา GM สามารถพัฒนารุ่น EV1 ด้วยค่าสัมประสิทธิ์การไหลเพียง 0,195 Tesla รุ่น 3 มี Cx 0,21 เพื่อลดกระแสน้ำวนรอบล้อในรถยนต์ที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เรียกว่า "ม่านอากาศ" ในรูปแบบของกระแสลมแนวตั้งบาง ๆ จะถูกส่งตรงจากช่องเปิดในกันชนหน้า พัดไปรอบ ๆ ล้อและทำให้กระแสน้ำวนคงที่ การไหลไปยังเครื่องยนต์ถูกจำกัดด้วยบานเกล็ดแอโรไดนามิก และปิดส่วนล่างสุด
ยิ่งแรงที่วัดโดยขาตั้งลูกกลิ้งต่ำเท่าใด Cx ก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ตามมาตรฐานจะวัดที่ความเร็ว 140 กม. / ชม. - ค่า 0,30 เช่น หมายความว่า 30 เปอร์เซ็นต์ของอากาศที่รถผ่านไปจะเร่งความเร็วให้เร็วขึ้น สำหรับพื้นที่ด้านหน้าการอ่านนั้นต้องการขั้นตอนที่ง่ายกว่ามาก - สำหรับสิ่งนี้ด้วยความช่วยเหลือของเลเซอร์รูปร่างภายนอกของรถจะถูกร่างเมื่อมองจากด้านหน้าและคำนวณพื้นที่ปิดเป็นตารางเมตร จากนั้นจะคูณด้วยปัจจัยการไหลเพื่อให้ได้แรงต้านอากาศรวมของยานพาหนะในหน่วยตารางเมตร
เมื่อย้อนกลับไปที่โครงร่างทางประวัติศาสตร์ของคำอธิบายเกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์ เราพบว่าการสร้างวงจรการวัดอัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมาตรฐาน (NEFZ) ในปี 1996 มีบทบาทในทางลบต่อวิวัฒนาการด้านอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์ (ซึ่งก้าวหน้าไปอย่างมากในทศวรรษ 1980) ) เนื่องจากปัจจัยแอโรไดนามิกมีผลเพียงเล็กน้อยเนื่องจากการเคลื่อนไหวด้วยความเร็วสูงในช่วงเวลาสั้นๆ แม้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การไหลจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป การเพิ่มขนาดของยานพาหนะในแต่ละชั้นส่งผลให้พื้นที่ส่วนหน้าเพิ่มขึ้น และทำให้มีแรงต้านอากาศเพิ่มขึ้น รถยนต์เช่น VW Golf, Opel Astra และ BMW 7 Series มีแรงต้านอากาศสูงกว่ารุ่นก่อนในทศวรรษ 1990 แนวโน้มนี้ได้รับแรงหนุนจากรุ่นรถ SUV ที่น่าประทับใจซึ่งมีพื้นที่ด้านหน้าขนาดใหญ่และการจราจรที่ถดถอย รถประเภทนี้ได้รับการวิพากษ์วิจารณ์ว่ามีน้ำหนักมหาศาลเป็นหลัก แต่ในทางปฏิบัติปัจจัยนี้มีความสำคัญน้อยลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น - ในขณะที่ขับนอกเมืองด้วยความเร็วประมาณ 90 กม. / ชม. สัดส่วนของแรงต้านอากาศคือ ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ ที่ความเร็วบนทางหลวง จะเพิ่มเป็น 80 เปอร์เซ็นต์ของจำนวนรถลากทั้งหมดที่เจอ
หลอดแอโรไดนามิก
อีกตัวอย่างหนึ่งของบทบาทของแรงต้านอากาศในสมรรถนะของรถคือรูปแบบเมืองอัจฉริยะทั่วไป รถสองที่นั่งสามารถว่องไวและว่องไวบนท้องถนนในเมือง แต่ตัวถังที่สั้นและได้สัดส่วนนั้นไร้ประสิทธิภาพอย่างมากจากมุมมองด้านอากาศพลศาสตร์ ด้วยน้ำหนักที่เบาแรงต้านอากาศจึงกลายเป็นองค์ประกอบที่มีความสำคัญมากขึ้นและเมื่อใช้ Smart มันจะเริ่มส่งผลอย่างรุนแรงที่ความเร็ว 50 กม.
อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อบกพร่องของ Smart แต่แนวทางของบริษัทแม่ในด้านแอโรไดนามิกส์ก็แสดงให้เห็นตัวอย่างถึงแนวทางที่มีระเบียบแบบแผน สม่ำเสมอ และเชิงรุกต่อกระบวนการสร้างรูปทรงที่มีประสิทธิภาพ เป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าผลลัพธ์ของการลงทุนในอุโมงค์ลมและการทำงานหนักในด้านนี้จะเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในบริษัทนี้ ตัวอย่างที่โดดเด่นเป็นพิเศษของผลกระทบของกระบวนการนี้คือ S-Class รุ่นปัจจุบัน (Cx 0,24) มีแรงต้านลมน้อยกว่า Golf VII (0,28) ในกระบวนการค้นหาพื้นที่ภายในที่มากขึ้น รูปร่างของรุ่นกะทัดรัดได้รับพื้นที่ด้านหน้าที่ค่อนข้างใหญ่ และค่าสัมประสิทธิ์การไหลนั้นแย่กว่าของ S-class เนื่องจากความยาวที่สั้นกว่า ซึ่งไม่อนุญาตให้มีพื้นผิวที่เพรียวยาว และสาเหตุหลักมาจากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วไปทางด้านหลังซึ่งส่งเสริมการก่อตัวของกระแสน้ำวน VW ยืนกรานว่า Golf เจนเนอเรชั่นที่แปดใหม่จะมีแรงต้านอากาศน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัด และมีรูปร่างที่ต่ำลงและคล่องตัวมากขึ้น แต่ถึงแม้จะมีการออกแบบและทดสอบความสามารถใหม่ แต่ก็พิสูจน์ให้เห็นถึงความท้าทายอย่างมากสำหรับรถ ด้วยรูปแบบนี้ อย่างไรก็ตาม ด้วยปัจจัย 0,275 นี่คือกอล์ฟที่มีอากาศพลศาสตร์มากที่สุดเท่าที่เคยมีมา อัตราการใช้เชื้อเพลิงต่ำสุดที่บันทึกไว้คือ 0,22 ต่อรถยนต์หนึ่งคันที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในคืออัตราส่วนของ Mercedes CLA 180 BlueEfficiency
ข้อได้เปรียบของยานยนต์ไฟฟ้า
อีกตัวอย่างหนึ่งของความสำคัญของรูปทรงตามหลักอากาศพลศาสตร์กับพื้นหลังของน้ำหนักคือรุ่นไฮบริดที่ทันสมัยและยิ่งไปกว่านั้นรถยนต์ไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นในกรณีของ Prius ความต้องการรูปทรงที่มีอากาศพลศาสตร์สูงนั้นถูกกำหนดโดยข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นประสิทธิภาพของระบบส่งกำลังแบบไฮบริดจะลดลง ในกรณีของยานพาหนะไฟฟ้าสิ่งที่เกี่ยวข้องกับระยะทางที่เพิ่มขึ้นในโหมดไฟฟ้ามีความสำคัญอย่างยิ่ง ตามที่ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าการลดน้ำหนัก 100 กก. จะทำให้รถมีระยะทางเพิ่มขึ้นเพียงไม่กี่กิโลเมตร แต่ในทางกลับกันอากาศพลศาสตร์มีความสำคัญยิ่งสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ประการแรกเนื่องจากยานพาหนะจำนวนมากเหล่านี้ช่วยให้สามารถกู้คืนพลังงานบางส่วนที่ใช้ไปจากการพักฟื้นและประการที่สองเนื่องจากแรงบิดสูงของมอเตอร์ไฟฟ้าช่วยให้สามารถชดเชยผลกระทบของน้ำหนักในระหว่างการสตาร์ทและประสิทธิภาพจะลดลงด้วยความเร็วสูงและความเร็วสูง นอกจากนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและมอเตอร์ไฟฟ้าต้องการอากาศระบายความร้อนน้อยลงซึ่งทำให้ช่องเปิดด้านหน้าของรถมีขนาดเล็กลงซึ่งตามที่เราได้ระบุไว้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้การไหลของร่างกายลดลง องค์ประกอบอีกประการหนึ่งในการกระตุ้นให้นักออกแบบสร้างรูปแบบที่มีประสิทธิภาพตามหลักอากาศพลศาสตร์ในรุ่นปลั๊กอินไฮบริดสมัยใหม่คือโหมดไม่เร่งความเร็วด้วยไฟฟ้าเท่านั้นหรือที่เรียกว่า แล่นเรือใบ. ซึ่งแตกต่างจากเรือใบซึ่งมีการใช้คำนี้และลมต้องเคลื่อนเรือในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจะมีระยะทางเพิ่มขึ้นหากรถมีแรงต้านอากาศน้อยลง การสร้างรูปทรงที่ปรับให้เหมาะสมตามหลักอากาศพลศาสตร์เป็นวิธีที่คุ้มค่าที่สุดในการลดการใช้เชื้อเพลิง
ค่าสัมประสิทธิ์การบริโภคของรถยนต์ที่มีชื่อเสียงบางรุ่น:
Mercedes Simplex
การผลิตปี 1904, Cx = 1,05
Rumpler วางเกวียน
การผลิตปี 1921, Cx = 0,28
ฟอร์ดโมเดลที
การผลิตปี 1927, Cx = 0,70
รูปแบบการทดลองกามารมณ์
ผลิตในปี 1938 Cx = 0,36
รถเบนซ์
การผลิตปี 1938, Cx = 0,12
รถบัส VW
การผลิตปี 1950, Cx = 0,44
โฟล์คสวาเก้น "เต่า"
การผลิตปี 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
ผลิตในปี 1954 Cx = 0,26
ปอร์เช่ 356 ก
ผลิตในปี 1957 Cx = 0,36
เอ็มจี อีเอ็กซ์ 181
การผลิตในปี 1957 Cx = 0,15
ซีตรอง DS 19
การผลิตปี 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
การผลิตปี 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
การผลิตปี 1970, Cx = 0,29
วอลโว่ 245 เอสเตท
การผลิตปี 1975, Cx = 0,47
ออดี้ 100
การผลิตปี 1983, Cx = 0,31
เมอร์เซเดส ดับบลิว 124
การผลิตปี 1985, Cx = 0,29
ลัมโบร์กินี เคาน์ทาช
การผลิตปี 1990, Cx = 0,40
โตโยต้าพรีอุส 1
การผลิตปี 1997, Cx = 0,29
