Otomotiv aerodinamik olayların çalışmadır aerodinamik akışı neden olduğu hava bir aracın etrafında araba hareket. Bu fenomenlerin bilgisi, diğer şeylerin yanı sıra, sürüklenmelerini azaltarak araç tüketimini azaltmayı , kaldırmalarını (veya bastırma kuvvetini) etkileyerek yol davranışlarını iyileştirmeyi ve aeroakustik fenomenleri ve ayrıca yüksek hızlı türbülansı azaltmayı mümkün kılar .
Otomobil tarihinin çok erken dönemlerinde göz önüne alındığında , La Jamais'in torpido profiline sahip içeriği gibi, otomobil aerodinamiği 1930'larda ivme kazandı.Bir aerodinamik profile göre tasarlanan ilk üretim otomobil olan Chrysler Airflow'un doğduğu Amerika Birleşik Devletleri . Ardından, özellikle şampiyonası bu alanda hala çok heyecan uyandıran Formula 1'in ortaya çıkmasından sonra, otomobiller gelişmeye devam edecek .
Aerodinamik, akışkanlar mekaniği ile özünde bağlantılı olduğundan , rüzgar tüneli testleri günümüzde otomobil üreticileri için vazgeçilmez hale geldi. Ayrıca, aerodinamiğin içerdiği karmaşık fenomenler nedeniyle, ikincisi - ve daha özel olarak yarış takımları - problemlerini çözmek için sayısal hesaplamaya (veya “ Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ” için CFD'ye) başvururlar .
Akışkanlar mekaniğinde, aerodinamik sürükleme , bir akışkanın içindeki bir cismin hareketine , yani bir otomobilde, aracın havadaki hareketine karşı çıkan kuvvete karşı çıkan kuvvettir. Bu nedenle, aerodinamik sürtünmeyi, yakıt tüketimindeki artışın kaynağındaki kuvveti ve hattaki en yüksek hızın bozulmasını azaltmak, üreticilerin çıkarınadır, ancak bu, başka bir sürtünme , koşu sürtünmesi de aracın ilerlemesine karşı olmasına rağmen . araç yolda.
Bu aerodinamik sürüklenme şu formülle ifade edilir:
veya:
, Hava yoğunluğu (de kg / 3 ); , havaya göre araç hızı ( m / s cinsinden ); , ana çift ( m 2 cinsinden ); , aerodinamik sürtünme katsayısı (birimsiz ).Bu ifade, aerodinamik sürtünmenin belirlenmesi için gerekli olan bir parametreyi vurgular: . Aerodinamik sürükleme, veya katsayısı oranı olan aerodinamik sürükleme , aynı bir nesne olduğu için bir nesnenin referans yüzeyi 1 Bu aerodinamik sürtünme katsayısına sahip olacaktır aynı sıvı olan ve aynı hızda hareket eden adimensional sayı bu nedenle, aracın uzunlamasına ekseni boyunca havada ilerlemeye karşı direncine göre bir nesnenin "aerodinamik profilinin" kalitesini karakterize eder.
Ana tork S'nin değeri - aracın maksimum ön alanı - bir plan üzerinde hesaplanarak elde edilebilir veya örneğin Paul Frère formülü ile tahmin edilebilir:
veya
Bu arada Hucho, Flegl ve Bez'e atıfta bulunarak , 85 Avrupa otomobilini temel alarak 0.81'lik bir ortalama yük faktörü (veya form faktörü ) veriyor . Bu form faktörü, bir aracın (Avrupa) ön alanını mühendis kuralına göre hesaplamak için kullanılır :
,veya:
Özel araçlarla ilgili olarak, ana tork 1,5 ile 2,5 m 2 arasında değişmektedir .
Toplam aerodinamik sürüklemenin 2 ⁄ 3 mertebesindeki ana aerodinamik sürüklenme, "şekil sürüklemesi" (veya profil) 'dir. Bu iki fiziksel olaydan kaynaklanmaktadır: bir yanda aracın ön gövdesi üzerindeki basınçlar (aşırı basınçlar ve çöküntüler), ayrıca sezgisel olarak oldukça düşük bir ön gövde sürtünmesi ile sonuçlanır. diğer yandan, aracın geçişinden sonra bırakılan ve sözde bir "taban sürüklemesi" oluşturan çöküntü, bu taban sürüklemesi toplam sürüklemenin önemli bir bölümünü temsil eder (aşağıya bakınız).
Diğer aerodinamik sürüklenme , akış , girdap veya girdapların ayrılmasıyla bağlantılı türbülanstan , asansörün "indüklediği sürükleme" ile bağlantılı, motorun soğumasından kaynaklanan "iç sürüklemeden", havadaki hava sirkülasyonundan gelir. .' yolcu , sürtünme sürtünmesi (henüz sürtünme sürtünmesi olarak adlandırılır ) nedeniyle havanın viskozitesi vb.
Yol kullanımında, bir otomobil tarafından tüketilen enerjinin büyük bir kısmı, seyahate karşı aerodinamik direncin üstesinden gelmek için kullanılır. Yüksek hızda, bu aerodinamik direnç (veya aerodinamik direnç), değerinin hızın karesi olarak değiştiği göz önüne alındığında, yuvarlanma direncine göre baskındır (yandaki şekil).
Bir otomobilin aerodinamik direncini azaltmak için üreticiler iki parametreye göre hareket edebilirler: C x ve ana tork S. Standartların konfor ve ferahlık açısından yukarı doğru evrimi, ana çiftte bir azalma ile uyumlu değildir. Evrim geçirebilen C x . Azaltılmasıyla bir Cı x 0.40 başlangıçta % 15 hızında hareket eden bir araç, 120 km / h , 100 yakıt başına bir litre kaydeder km .
Hava yoğunluğu olarak alınır 1.2 kg / 3 de 20 ° C .
Aşağıdaki tablo, bir aerodinamik sürükleme özetlemektedir SUV 2.70 önden alanı m 2 iki hızı bir fonksiyonu olarak, 0.3 ve 0.38.
Ön alan = 2.70 m 2 | 50 km / s | 70 km / s | 90 km / s | 110 km / s | 130 km / s |
---|---|---|---|---|---|
Cı x = 0.38 | 118.8 | 232.8 | 384.8 | 574.8 | 802.8 |
Cı x = 0.30 | 93.8 | 183.8 | 303.8 | 453.8 | 633.8 |
Aşağıdaki tablo bir aerodinamik sürükleme özetler dizel motor şehir 1.74 cepheden alana sahip otomobilin m 2 iki onun hızına bağlı olarak, 0.3 ve 0.38.
Ön alan = 1,74 m 2 | 50 km / s | 70 km / s | 90 km / s | 110 km / s | 130 km / s |
---|---|---|---|---|---|
Cı x = 0.38 | 76,5 | 150.0 | 248.0 | 370.4 | 517.3 |
Cı x = 0.30 | 60.4 | 118.4 | 195.8 | 292.4 | 408.4 |
36 N'luk bir kuvvete eşdeğer olan kWh / 100 km birimi , tablolar yazılabilir:
Ön alan = 2.70 m 2 | 50 km / s | 70 km / s | 90 km / s | 110 km / s | 130 km / s |
---|---|---|---|---|---|
Cı x = 0.38 | 3.3 | 6.5 | 10.7 | 16.0 | 22.3 |
Cı x = 0.30 | 2.6 | 5.1 | 8.4 | 12.6 | 17.6 |
Hem de :
Ön alan = 1,74 m 2 | 50 km / s | 70 km / s | 90 km / s | 110 km / s | 130 km / s |
---|---|---|---|---|---|
Cı x = 0.38 | 2.1 | 4.2 | 6.9 | 10.3 | 14.4 |
Cı x = 0.30 | 1.7 | 3.3 | 5.4 | 8.1 | 11.3 |
Yaklaşık 10 kWh'yi temsil eden bir litre benzin ile tablo şöyle olur:
Ön alan = 2.70 m 2 | 50 km / s | 70 km / s | 90 km / s | 110 km / s | 130 km / s |
---|---|---|---|---|---|
Cı x = 0.38 | 0.33 | 0.65 | 1.07 | 1.60 | 2.23 |
Cı x = 0.30 | 0.26 | 0,51 | 0.84 | 1.26 | 1.76 |
Hem de :
Ön alan = 1,74 m 2 | 50 km / s | 70 km / s | 90 km / s | 110 km / s | 130 km / s |
---|---|---|---|---|---|
Cı x = 0.38 | 0.21 | 0.42 | 0.69 | 1.03 | 1.44 |
Cı x = 0.30 | 0.17 | 0.33 | 0,54 | 0.81 | 1.13 |
Geriye, yandaki şemada gösterilen aracın genel verimliliğini hesaba katmak kalıyor. Termal araçlar için %13 ila %20 arasında ve elektrikli araçlar için yaklaşık %50'dir (ısıtma, iklimlendirme ve elektrik şebekesinden kaynaklanan kayıplar dikkate alınır, ancak elektriğin üretim verimliliği göz ardı edilir - bkz. Elektrikli araba ve Gri enerji ).
Not Hesaplamalar sabit bir hız için yapılmıştır. Örneğin standart NEDC döngülerinde mevcut olanlar gibi zamanın bir fonksiyonu olarak doğrusal bir hız rampası durumunda, yine de ortalama bir aerodinamik sürüklenme belirlemek mümkün olmaya devam etmektedir. ve hızları arasında doğrusal bir hız rampası için ortalama aerodinamik sürükleme aşağıdaki gibidir:Düzeyde (ve sabit hızda), itici kuvvetin değerinde olduğu yazılabilir .
Denklem aracın kütlesi, yerçekimine bağlı hızlanmadır, katsayısı yuvarlanma direnci , hava yoğunluğu, bu hava, ile ilgili olarak, aracın hızı referans yüzeyi ve taşıtın önünde.
(Sabit seviyede ve sabit hızda) yuvarlanma direnci aerodinamik sürtünmeye eşit olduğunda şunu yazabiliriz:
Eşitliği değerini elde etmek için kolay bir sürükle ve aerodinamik çekmeyi haddeleme eşitleyen olan ve bu çizimde, grafik ters çizmek için eşitlik hızını bir fonksiyonu olarak ve ürünün farklı bir değer için ( Kg ve aracın kütlesi olan en iyi lastik setleri için 0,006'ya düşen yuvarlanma direnci katsayısı ).
İlk denklemden , göreli varyasyonun , yani. , değer:
Biz vermek zaman değeri 9.81, değeri 1.225 kg / m 3 , ve m içine km / saat dönüştürmek / biz aşamalarında stabilize edilmiş bir hız V bulmak s 130 km / saat :
İtici kuvvetteki bu göreli varyasyon, tüketimdeki göreceli bir varyasyonla bağlantılı olmalıdır .
Bir varyasyon tüketiminde gerçekten (aynı doğrultuda) bir varyasyon üretir itici kuvvet olarak: 100 litre tüketim km , motorun verimlilik ile bağlantılı birinci yaklaşım ve k katsayısı, aslında orantılıdır itici güç.
Ancak aracın harcadığı enerjinin bir kısmı kat edilen mesafeye veya itici kuvvete bağlı değildir, aksesuarları (klima, aydınlatma, araç yardımı, yön vb.) etkinleştirmek için harcanan enerjinin bir kısmıdır. Sovran ve Blasere (kentsel otoyolda araç tarafından harcanan toplam enerjinin% 6 bu enerjiyi (veya tüketim) tahmin karayolu ABD'de). Avrupa otoyollarındaki yolculuklar için bu tahmini kabul edersek (her zaman sabit hız ve seviyede), bu nedenle şunları yazabiliriz:
aracın aerodinamiğindeki değişimden kaynaklanan tüketim değişimi ve toplam sürükleme kuvveti (yuvarlanma direnci + aerodinamik sürükleme) tüketimin sadece %94'üne mal olduğu için aracın 100 km'sindeki litre cinsinden tüketimdir.
Böylece sahibiz :
Bu, yukarıda hesaplanan değeri alarak yazmamızı sağlar :
Yukarıdaki katsayı ile sembolize edersek ve bu katsayıya aerodinamiğin tüketim üzerindeki etki katsayısı adını verirsek şunu yazabiliriz:
ile
Karşıdaki grafikteki yeşil eğriler, aerodinamiğin tüketim üzerindeki bu etki katsayısının (2 m² referans ön alan için) ve aracın kütlesinin çarpımının (Kg olarak) bir fonksiyonu olarak evrimini göstermektedir. yuvarlanma katsayısı (en iyi lastik setleri için tipik olarak 0,006).
Örneğin, kütle ile bir salon için , haddeleme katsayısı , ve ön alanı , düz ve bir de stabilize hızı 130 km / saat : göreceli modifikasyonu n % 'si , bu nedenle göreceli modifikasyon 0.837 içerir , n tüketiminin%.
Akışkanlar mekaniğinde, bir akışkan içinde hareket eden bir cismin maruz kaldığı kuvvet ikiye ayrılabilir: bu nedenle hareket yönüne dik olan dikey bir bileşen , buna kaldırma denir ve bir paralel bileşen, yanal kaldırma olarak adlandırılır; formüllerle verilirler:
veya:
, Hava yoğunluğu (de kg / 3 ); , havaya göre araç hızı ( m / s cinsinden ); , referans yüzeyi ( m 2 olarak ); ve , kaldırma katsayıları (birimsiz).Gelen havacılık , asansör ağırlığını karşı uçağın ve sağlar asansör . Otomobillerde üreticiler , aracın yere basma kuvvetini artırmak için aerodinamik kaldırmayı azaltmaya veya iptal etmeye, hatta (rekabette) negatif kaldırma veya yere basma kuvveti yaratmaya çalışırlar . Avantaj, sırayla , lastiklerin zemindeki tutuşunu ve dolayısıyla frenleme gücünü ve bir virajda geçiş hızını arttırmaktır .
Yere basma kuvveti, yer etkisinin özel bir uygulamasıyla ve/veya çoğunlukla aerodinamik sapmayı ve kaldırma katsayısını C z artırmak için yarıklara sahip profilli yüzeyler ( kanatçıklar ) ile elde edilir . Ancak, bu elemanların eklenmesi zorunlu C bir artış eşlik eder x ve bu nedenle sürükle; örneğin, Cı- x a , Formül 1 yakın 0.9 etmektir. Bu nedenle rekabet araçları, yere basma ve sürükleme arasında bir uzlaşma bulmalıdır.
Hava tarafından gövdenin etrafına uygulanan kuvvetler ayrıca aracın üç ekseni boyunca momentler üretir : x boyuna ekseni boyunca bir yuvarlanma momenti , enine eksen y boyunca bir yunuslama momenti ve l' dikey eksen z boyunca bir yalpalama momenti ; bu anlar aşağıdaki formüllerle verilir:
veya:
(İçerisinde, hava yoğunluğu kg / 3 ); , havaya göre araç hızı ( m / s cinsinden ); , ana çift ( m 2 cinsinden ); , parça ( m cinsinden ); , dingil mesafesi ( m cinsinden ); , yuvarlanma momenti katsayısı (birimsiz); , adım momenti katsayısı (birimsiz); , sapma momenti katsayısı (birimsiz).Bu anları bilmek, özellikle aracın dinamikleri için daha faydalıdır .
Otomobil tarihinin çok erken dönemlerinde , üreticiler modellerinin aerodinamiğiyle ilgilendiler. Bunlardan ilki, 1889'da hız rekorları kırmak amacıyla torpido şeklinde elektrikli bir otomobil tasarlayan Belçikalı Camille Jenatzy'ydi . La Jamais contentente olarak adlandırılan bu araç aynı yıl sembolik 100 km/s bariyerini geçen ilk otomobil oldu . Patent Jenatzy metin n O 281 660 26 Eylül 1898 : "Özetle şunu iddia ediyorum: Bir motorlu taşıtta, istisnai hızlar elde etmek amacıyla, arabanın ön tarafında, bir noktada sonlanan ve korumak için iki dışbükey yüzeyin s' yükseltilmesiyle oluşturulan bir kalkan veya rüzgarlık öngörülmüştür. makinenin en yüksek parçaları bile…” . Bir yineleme üretimi için hazırlık aşaması olarak, bir 1/5 ölçekli modeli üretildi ve yönetiminde UTC (Compiègne'nin Teknoloji Üniversitesi) öğrencilerin bir rüzgar tünelinde test Joël Debout Cı x sürücüsü ait olan 0.758.
In 1910 , birkaç tasarımcıları da benzeri otomobillerin aerodinamik ilgilenen edildi HP Alfa Romeo 40-60 tarafından tasarlanan vücut geliştirmeci Castagna olan vücut uçağın şeklinde bir aerodinamik gövde oluşturur. Bu avangard otomobiller marjinal kalsalar bile, "büyük" otomobil üreticilerinin sürtünmeyi azaltma arzusunu yansıtırlar : ön camlar daha eğimlidir, tekerlekler patlar, vb.
Havacılığın aksine, otomobil, en başından beri, havacılıktan gelen "bir doktrin, test cihazları ve önemli sayıda deneysel sonuçlardan" yararlanmayı başardı. Bu sonuçlar göstermek için, diğer şeylerin yanı sıra, mümkün kıldı olan en iyi profil vis-à-vis C x olan önsel olduğu söylenen o “gözyaşı” , Avusturyalı mühendis Edmund Rumpler erken geliştirilen 1920 bir otomobil içinde profilli daha az sürüklenme gövdesi . Volkswagen tarafından 1979'da test edilen rüzgar tüneli , Rumpler Tropfenwagen ( Almanca'da kelimenin tam anlamıyla “düşürülmüş araba”) C x'e yalnızca 0.28 sahipti ; Volkswagen ancak 1988'de Passat ile daha iyi bir katsayı elde etti .
Aynı zamanda, Macar mühendis Paul Jaray , " en az sürtünmeye sahip bir gövdenin " şeklinin , havada ( aerodin ) veya yere yakın ( örneğin otomobil ) olmasına bağlı olarak farklı olduğunu belirten ilk kişiydi . Gerçekten de, zemine yakın aerodinamik bir cismin sürüklemesi, sınır tabakasının ayrılmasıyla keskin bir şekilde artar .
Bu keşif yapılmış, o ile yürütülen Wolfgang Klemperer , iyi otomobil üreticilerine önce, rüzgar tünelinde deneyler Kont Zeppelin içinde Friedrichshafen ; Sonuç, uçak kanadı şeklinde profilli bir otomobil olan Ley T2, pürüzsüz ve tüm aksesuarları (farlar, ızgara vb. ) gövdeye entegre edilmiştir. Serge Bellu'ya göre amacı, "performansı, tüketimi, havalandırmayı ve sessizliği optimize etmek" idi.
Aerodinamik kazanç büyükse, Jaray ve Klemperer tarafından tasarlanan gövde, iki büyük yan girdap oluşumuyla indüklenen kaldırma ve dolayısıyla sürükleme üretir . Bu sorunu çözmek için Mauboussin, "indüklenen sürüklemeyi [ortadan kaldıran] dikey kanat şeklinde bir gövde" önerdi, ardından bu çözümün yarattığı yol stabilitesi sorunlarıyla karşı karşıya kaldı, "ana çiftlerin kıç tarafına doğru bir sahnelenmesi. dengeleyici bir sürüklenme oluşturuyor ”.
Otomobiller eskiden yarım torpido şeklindeyse, şimdi genel tasarım Mathis 333 gibi bir berlingot'unki , zamanın birçok otomobil üreticisi tarafından, özellikle Mercedes-Benz gibi Almanlar tarafından alınan bir şekil. , Opel veya Maybach .
1930'lar gerçekten modern aerodinamiğin başlangıcı oldu. " Kara Perşembe ", diğer ekonomik sektörler gibi otomotiv endüstrisini krize sürüklerken - petrol fiyatlarında artışa neden olurken, Amerikalı üreticiler gerçek bir estetik devrim gerçekleştiriyor; bu modern akım çizgisinin dönemidir .
Otomobillerin tarzını daha çekici hale getirmek için yenilemeye ek olarak, ilgi aerodinamiği iyileştirmek ve böylece yakıt tüketimini azaltmaktır. Amerikalı üretici Chrysler , bu harekete ilgi duyan ve ondan esinlenen bir otomobili seri üreten ilk kişi oldu. 1934'te, kelimenin tam anlamıyla İngilizce'de "hava akışı" anlamına gelen Chrysler Airflow , kısa sürede Streamline Modern hareketinin en etkileyici amblemi haline geldi . Krize rağmen, “saygı başarısı”nın ötesinde ticari başarı elde edemeyecek kadar yenilikçi olduğu ortaya çıktı. Ancak, aerodinamik tasarımcılar çağının başlangıcını işaret etti ve Streamline fenomeni Avrupa'ya yayıldı.
Fransa'da Peugeot , 1935 Paris Otomobil Fuarı'nda , yuvarlak bir ızgara , şişirilmiş kanatlar , altı pencereli çok uzun bir gövde, iki ön cam ile işaretlenmiş “Sochaux zaman dilimi” olarak adlandırılan akıcı çizgilere sahip bir sedan olan 402'yi tanıttı. parçalar ve ızgaraya entegre edilmiş farlar.
1970'ler, otomotiv aerodinamiği tarihinde bir dönüm noktası oldu. Dünya ilk petrol şokunu yaşarken ,6 Ekim 1973, otomobil üreticileri araçlarının aerodinamiğini daha da ileriye taşıyor; sürükleme katsayısı, özelliklerde önemli bir kriter haline gelir. Fransız üretici Citroën değiştirmek kararı DS zaten havacılık mühendisi bir adım ileriye sayesinde almıştı - André Lefebvre tarafından - - tersi aerodinamik için otomobil mimarisini değil zorlayarak, CX adı andıran de, bu eğilimin.
“Aerodinamik, en büyük performans kazancının elde edilebileceği kısımdır, ancak rekabet edebilmek için bunu tahmin etmeye çalışmak çok zordur. "
- Mike Gascoyne , 2002
1950'de Uluslararası Otomobil Federasyonu , ilk Formula 1 sürücüleri dünya şampiyonasını kurdu . Grands Prix'de, performans için özellikle engelleyici bir sürüklenme yaratan, pervazsız tekerleklere sahip tek koltuklu gemilerde yarışıyorlar. Bu nedenle aerodinamiğin iyileştirilmesi, tıpkı süspansiyonlarda veya motorda olduğu gibi, yıllar içinde büyük bir sorun haline gelir .
Ancak başlangıçlar oldukça yavaştır. 1966 yılına kadar ilk Formula 1 bir rüzgar tünelinde test edilmedi. 1968'de ilk arka spoyler Ferrari 312'de ortaya çıktı ; F1 tasarımcıları o zamana kadar sürtünmeyi azaltmakla yetindiler, aerodinamiğin hayali kütleler (kütleyi ve dolayısıyla aracın ataletini artırmayan aerodinamik kuvvetler) ekleyerek yere basma kuvvetini artırmak için kullanılabileceğini göremediler .
Daha sonra doğacak kanatlı arabalar veya zemin efektli arabalar, ilk tek kişilik Formula 1 olan tüm (ve sadece gövde değil) aerodinamik olarak tasarlanmış; pontonları , özellikle, ters kanat şeklini alır. Böylece arabanın altındaki dubaların şekli, geçişi genişletmeden önce arabanın altı ile zemin arasındaki boşluğu daraltır. Bu özellik, böyle bir yoldan geçen havanın bir çöküntü oluşturduğunu gösteren mucidinin adından yola çıkarak Venturi etkisinden yararlanmayı mümkün kılmaktadır . Aynı zamanda dubaların kenarları, yere inen “etekler” ile dış akışlardan izole edilir. Böylece kanat arabalar , viraj alırken yola tutunmalarını sağlayan güçlü bir aerodinamik fenomene sahiptir.
İlk örnekler arasında 1977 yılında ortaya çıkan Lotus 78 ve Lotus 79 inanılmaz bir verimlilik sergilemiş, o kadar ki diğer ekipler tarafından hızla kopyalanmıştı.
Lotus'tan sorumlu mühendis Colin Chapman , Formula 1'deki bu yeniliğin başlatıcılarından biri. Yere basma kuvveti yaratmanın, otomobilin ilerlemesine zarar veren sürtünmeyi yarattığının farkında olarak, alt gövdenin ilginç bir bastırma kuvveti ve minimum sürtünme sunabileceğine inanıyor. Chapman daha sonra yer etkisinden yararlanmak için arabanın yerden yüksekliğini düşürmenin ilgisini fark eder .
Tek kişilik koltukların verimliliğini sınırlamak için çeşitli FIA düzenleyici yasakları ve kısıtlamalarının bir sonucu olarak - minimum yerden yükseklik, düz taban, vb. - mühendisler kaybettikleri desteği yeni kurallarla yeniden kazanmaya çalışıyorlar. Yayıncı 1980'lerin sonunda böyle doğdu ve 1990'larda gelişti . Bu, otomobillerin arkasından ayrıldığında havayı kanalize eden şekli sayesinde zemin etkisini yeniden yaratmak için tek kişiliklere uygulanan düz tabanın arkasına monte edilmiştir.
Deflektörler veya daha yakın zamanda F-Duct sistemi gibi diğer birçok aerodinamik unsur, Formula 1'de yer aldı, ancak şu anda belirli modellerde bulunan kanatçıkların veya difüzörün aksine otomobilin bu alanına özgü kalıyor. Aslında, 1970'lerin ortalarına kadar, üretim modellerindeki aerodinamik iyileştirmelerin çoğu, motor sporlarında prototip dayanıklılık yarışları veya Formula 1 yarışları yoluyla edinilen bilgilerden geliyordu.
Otomotiv endüstrisi, petrol şokundan ve ardından 1970'lerin durgunluğundan kalıcı olarak etkilendi.Sonuç olarak, otomotiv aerodinamiğinin iyileştirilmesi, kullanıcı endişelerine teknik ve pazarlama yanıtı haline geldi . Bunu çok erken anlayan üreticilerden biri de Alman Audi'dir . In 1982, Audi 100 (C3) açıldı C ile, x bir üretim arabası için hiç düşük olma sadece 0,30. Zaman için bu başarı, özellikle kaporta ile aynı hizada olan pencerelerde - sürtünmenin yaklaşık %6'sını temsil eden - ayrıntılara verilen özel özenle mümkün kılınmıştır.
Günümüzde otomobil üreticileri, modellerini mükemmelleştirmek için sistematik olarak rüzgar tüneli testlerine başvuruyor. Bu sayede elde edilen deneyim sayesinde aerodinamik açısından en iyi üretim otomobilleri böylece 0,25'e yakın C x değerleri elde ediyor.
Bununla birlikte, üretim arabaları için C x'in azaltılması kolay değildir; İlk yıl otomotiv aerodinamik 0,30 düzenin erişim değerlerinde hızlı bir ilerleme elverdiği taktirde bunun 0.26 ile gitmek yaklaşık on yıl beklemek gerekiyordu Opel Calibra 0.25 ile Honda Insight I ve hatta Mercedes-Benz E-Serisi W212 coupe'nin 0.24'ü için daha fazlası .
EV1 gelen General Motors , ilk elektrikli araba "modern" iki kişilik bir C ulaşmıştır x 0.19 ama sadece sadece 1117 ünite 1996 ile 1999 inşa etti.
Bugün, en düşük C için rekor x bir "ana akım" otomobil ile elde tarafından düzenlenen Aptera 2 Serisi , bir küçük üç tekerlekli otomobil C x 0.15. Klasik bir dört tekerlekli olarak Mercedes-Benz Bionic konsept otomobil , gövde balıklarından ilham alan gövdesiyle 0.19 değeriyle öne çıkıyor.
Audi 100 (C3) | 25 | Opel kalibre | General Motors EV1 | Honda içgörüsü | Mercedes E Sınıfı | |
---|---|---|---|---|---|---|
Çıkış tarihi | 1982 | 1984 | 1989 | 1996 | 1999 | 2009 |
katsayısı C x | 0.30 | 0.28 | 0.26 | 0.19 | 0.25 | 0.24 |
Açısal hatlarına rağmen Audi 100 (C3) , 1982 yılında 0.30 ile en düşük Cx değerine sahip üretim otomobiliydi .
Mercedes-Benz Bionic Concept ayrıca 0,19 (2005) C x değerine sahiptir.
Karşıdaki diyagram, oldukça erdemli bir fastback yol arabası olan DrivAer modelinin simetri düzlemindeki basınç katsayılarının tipik bir dağılımını vermektedir . Bu DrivAer modeli, Technische Universitat Munchen (TUM) tarafından iki büyük üretici ile işbirliği içinde oluşturuldu ve iki tipik yol sedanı olan Audi A4 ve BMW 3 Serisi'nin şekil ve boyutlarına dayanıyor .
Bir aracın kıç tasarımı, bu bölümde oluşan türbülans nedeniyle aerodinamik direncini güçlü bir şekilde etkiler. Sürtünmenin başlıca kaynağı olan sınır tabakasının ayrılması olgusu özellikle söz konusudur; bu fenomen, laminer hava akışı artık üstyapıyı takip etmediğinde meydana gelir. Ayırma bölgesi ne kadar küçük olursa, sürükleme o kadar azalacaktır, dolayısıyla ayırma bölgesinin önemi. Teoride, aracın kıç tarafı için ideal şekil - "Kamm'ın kuyruğu" olarak bilinir - 15 ° 'den daha az bir açıyla sivrilen bir konidir.
Tavan düşüşünün tasarımı, aerodinamik için özellikle önemlidir. Genellikle otomobillerde, “aerodinamik” çatı iniş çıkışları , tavandan bagaja hafif bir eğim ile karakterize edilen fastback profili olarak adlandırılan bir profili benimser . Daha spesifik olarak, çalışmalar, arka camın 12 ° eğimi için minimum ve 30 ° için maksimum sürtünme olduğunu göstermiştir:
Sürtünmeyi azaltma avantajının yanı sıra, ayırma bölgesinin geri itilmesi, tekerlekler tarafından yoldan fırlatılan ve arka raftaki türbülansın geri getirdiği partiküller nedeniyle arka camdaki kir birikimini sınırlamayı mümkün kılar.
Ayrıca, araç yanal hava akımları arka depresyona emilebilir ve dolayısıyla girdaplı sistemleri oluşturmak girdaplar genel aerodinamik için zararlıdır. Bu fenomeni azaltmak için bagajın tasarımına ve tavan eğimine ek olarak, gövdenin yan kenarlarının tasarımı da dikkate alınmalıdır.
Mevcut iki hacimli bir aracın arka tarafının katkısının (sökülmenin arka kısmın neredeyse tüm yüksekliği boyunca meydana geldiği) böyle bir aracın Cx'inin %30'u olduğu tahmin edilmektedir .
Özel bir aracın ön ucu tipik olarak SC x'in yaklaşık %11'ini oluşturur ve bunun sekizi yalnızca motor soğutmasından kaynaklanır. Aslında, aracın ızgarasından giren hava , radyatörün , motorun ve kanalların duvarlarına önemli bir aerodinamik basınç uygulayarak motor bölmesinin dışına yönlendirilmesini sağlar; ön kısımdaki hava akışı bu nedenle çok kaotik. Teoride, soğutma havası tarafından kazanılan termal enerjiyi kullanarak motorun soğumasından kaynaklanan sürtünmeyi sıfıra indirmek mümkün olacaktır .
Geriye kalan %3'lük kısım, aracın pruva profili nedeniyle, "girdap yapılarının görünümüne" neden olan ızgara seviyesindeki eğimin kırılmasıyla indüklenir. Boy Z s arasında stagnasyon noktasında , ayrıca C azaltmak için özellikle önemlidir, yerel hava hızı sıfır kabuk yüzeyi üzerinde yer alan, x ; ikincisi, bir Z s / Z v oranı için (burada Z v , aracın yüksekliğidir) 0,06'ya yakın ve 0,2 için maksimumdur.
Sezgilerimizin bize dikte ettiğinin aksine, doğru çizilmiş bir otomobilin ön kısmı (veya ön gövdesi ) sürtünmenin sadece çok küçük bir kısmını oluşturur. Ayrıca, aerodinamik ölçümler, örneğin ses altı modunda belirli roket savaş başlıklarının, daha da mantıksız olan negatif basınç izleri sergilediğini yeterince göstermektedir . Bu hatalı sezgi erken tüm otomobil üreticileri tarafından teşvik edilmektedir 21 inci ön bina içinde araç üretmek Yüzyılın, "köşe" ön bina sorumlu sanki, "hava yoluyla" . Bir semptomatik örnek siluet Citroën Xsara Picasso aynıdır, ancak 1939, elde vardı olan Kari Schlor en Schlörwagen olduğu gibi, bir tersine çok düşük C x (aşağıdaki resimlere bkz).
Sanatçının Citroën Xsara Picasso'ya ilişkin izlenimi tersine döndü veya "doğru yönde" .
Schlörwagen (ön sol tarafta).
Schlörwagen'den kareler.
"Tamamen çalkantılı" alt sürükleme gövdesinin yola uyarlanması .
C10 Citroën projesi (ön sağ) .
Tüm akışlar için yapılabileceği gibi, bir aracın dış sürüklenmesi iki kısma ayrılabilir:
Karşıdaki görüntü, bir elemanter yüzey dS üzerindeki basınç ve sürtünmeden kaynaklanan kuvvetlerin yalnızca x'deki bileşenlerinin sürüklemeye katıldığını gösterir (bu görüntü yalnızca aracın düzlem ortancasında görünen yüzey elemanları dS ile ilgilenir, ancak bu ilke, aracın tüm yüzey elemanları için geçerlidir).
Bu iki yol (sürtünme ve basınç), akışın dinamik basıncı ve aracın ön yüzeyi ile bölündükten sonra iki cepheye yol açar : sürtünme cephesi ve basınç cephesi. Toplamları tam cephedir .
Bir otomobilin sürtünmesinin değerlendirilmesiHucho Aerodynamics of Road Vehicles kitabı , bir sedan sürtünmesinin değerlendirilmesine bir örnek verir : ilk olarak, sedanın yüzeyine uygulanan ortalama sürtünme katsayısını belirlemeliyiz . Bu , hızına (örneğin 30,56 m/s veya 110 km/s) ve uzunluğuna (örneğin 4,7 m) bağlı olan bu sedanın boyuna Reynolds sayısının bir fonksiyonudur . Yaklaşım daha sonra sedan etrafındaki akış için boyuna bir Reynolds verir .
Bu Reynolds sayısı böylece belirlenir, bu grafiğin ortalamasını veren eğriye göre (akışın tamamen türbülanslı sınır tabakası ile yapılması gerekir) bir 0,003 ortalama (bunun anlamı 0,003 olarak da ezberlenebilir) çizilebilir. Yakın bir hızda karşılaştırılabilir uzunluktaki araçlar için geçerli olacak, tüm üretim araçlarındaki akışın tamamen türbülanslı bir sınır tabakası ile meydana geldiği varsayılmaktadır).
Aracın etrafındaki akışın efektif ortalama hızı %10 arttırılmalıdır ( .
Sürtünme direnci daha sonra si (vücuttan akışın dinamik basınç ) ve bir çözülmekte ıslatılmış yüzey öngörülen aracın.
Bu sürtünme sürükleme bölerek ile ve aracın ön yüzeyi tarafından, sürekli olarak , söz konusu aracın ön sürtünme. Bu sürtünme cephesi 0,04 - 0,05 mertebesindedir, yani. aracın ön ucundan çok daha zayıftır (ikincisi genellikle 0,25'ten büyüktür).
Taban akıcı olmadığında, GW Carr 0,07'lik ek bir ön uç kabul eder .
Ağır hizmet tipi yarı römorkların sürtünme direncinin, toplam aerodinamik sürtünmenin %10'undan az olduğu tahmin edilmektedir.
Otomobil üreticileri bununla ancak geç ilgilense de, hava geçişini engelleyen çeşitli mekanik parçalar nedeniyle gövde altı sürtünmenin %30'unu temsil edebilir. Aracın altından geçen havanın hacmini sınırlamak için (yerden yüksekliği sınırlayan) aracın yüksekliğini düşürmenin yanı sıra, alt gövdenin sürtünmesini azaltmanın çözümü, onu en aza indirerek düzlemektir (alt kısmı mümkün olduğunca pürüzsüz hale getirmek) ) tekerlek kemerlerinin genişliği. Tabanın tam kaplaması, 0.045'e kadar bir azalma sağlamak için verilmiştir .
Arka plan mükemmel bir difüzör gibi şekillendirilebilirse, ortaya çıkan düşüş 0,07 değerine ulaşabilir (bu, bir sedan ile elde edilebilecek değerin yaklaşık yarısıdır ).
Tekerleklerin ve çamurlukların bir aracın aerodinamiğine katkısı göz ardı edilemez, bu da toplam sürtünmenin %15 ila %20'sini temsil eder. Audi A3 olarak, tekerlekler ve çamurluklar C 30 ila% 35 hesaba x . Gerçekten de, tekerleğin dönüşü türbülans ve devridaim alanlarını ortaya çıkarır. Bu fenomeni sınırlamak için, yeterlidir fuar jantlar ve çamurluk içinde boşluğu azaltır. Ancak bu çözüm, esasen estetik nedenlerle nadiren uygulanır; Bununla birlikte, sabit eksenli arka tekerlekler, Citroën DS ve Ami 8'de olduğu gibi, kendilerini buna borçludur .
Estetik (veya daha doğrusu moda) nedenlerle jant kapaklarına veya jantlara verilen düzensiz şekiller de tekerleklerdeki hava akışında rahatsızlıklar yaratır. Bu olgunun tüketim üzerindeki sonuçlarını azaltmak için, bazı prototipler, özellikle enerji tasarrufu zorluğunun çok daha büyük olduğu elektrikli araçlarda, sağlam veya optimize edilmiş jantları test eder.
Gövde detayları - yuvarlatılmış alt gövde, radyatör ızgarasının üzerindeki eğimdeki kırılma , ön cam direkleri, tavan kapağı ve hatta pencere direkleri - sürtünmeye önemli bir katkı sağlıyor. Yarattıkları küçük türbülans nedeniyle , yolcuların aeroakustik konforunu iyileştirmek için üstyapı detayları da incelendi .
Motor soğutması , aracın ön ucunu 0,02'den 0,06'ya yükseltir . Unutulmamalıdır ki bu konuda Mustang uçaklarında motorun soğutulması (mühendisler tarafından uzun süre çalışılmış) yüksek hızda arkaya doğru fırlatma nedeniyle çekiş (dolayısıyla negatif olmuştur) üretmiştir . hava soğutma.
Dış aynalar 0,3'ten daha az temizlik talep edemez . Ancak yüksek aşırı hızlı (kendi Cx'lerini artıran) bir bölgeye yerleştirilirler. Aynalar aracın ön ucunu 0,01 artırıyor , yani 0,25'lik oldukça erdemli bir sedan için 0,01 / 0,25 = %4'lük bir artış . Bu nedenle, ayna aynalarını kameralarla değiştirerek sunulabilecek ilgi.
Tavan barları %30 ila %40 oranında artar .
Tavan bagajlarının ve kayak kutularının doğru tabanı, aerodinamikçileri şaşırtmaktan asla vazgeçmez. Karayolu Araçlarının Aerodinamiği toplu çalışması , bir VW Golf'ün ( ) maliyetini %0,28 artıran dört çift kayak için bir tavan kutusundan alıntı yapıyor . Aynı çatı kutusu, 2 m² ön alana ve 0.25'e sahip daha erdemli bir sedan üzerine yerleştirilmiş, bu nedenle sesini %91,5 artıracaktır .
Basit bir fiziksel ilkeye dayanan, hava hızındaki artışa, statik basıncındaki bir azalmanın eşlik ettiğini tanımlayan Bernoulli ilkesine dayanan kanatçık da dahil olmak üzere birçok aerodinamik uzantı vardır . Bu Venturi etkisidir . Bu nedenle kanatçıkların çalışması, kanatçıkları yere doğru "emen" bir çöküntü yaratacak şekilde alt kısmından geçen hava akışının hızını arttırmak, dolayısıyla yere basma kuvvetini arttırmaktır. Diğer şeylerin yanı sıra girdapların oluşumuna bağlı olarak sürtünmenin bozulmasına rağmen kanatçık eğimi tarafından ek bastırma kuvveti oluşturulabilir.
Bir ekleyerek bastırma kuvveti geliştirmek Yukarıda belirtildiği gibi, kanatçık zorunlu C'lik bir bozulmaya neden olur , x , bir ısının kendi eğim. Bu nedenle, bir fin boyutu bu yönü dikkate almalı ve L desteği ( kaldırma ) ile D sürükleme ( sürükleme ) arasındaki en iyi uyumu bulmalıdır . L / D oranı ( incelik olarak da adlandırılır ) ile tanımlanan bir kanadın aerodinamik verimliliği, bu uzlaşmayı temsil eder: bu oran ne kadar yüksek olursa, kanat performansı o kadar iyi olur. Formula 1'de aerodinamik verimlilik 3'e yakındır.
(bu bölümde, sürükleme ayıklığı basitçe şekillerinin seçimiyle elde edilen ancak akış kontrol araçları olmadan elde edilen, bu araçların pasif (türbülatörler gibi) veya örneğin plazma aktüatörleri gibi aktif (bu tür cihazların kullanımı) olan uyarılmış araçlardır . daha az sürükleme ile form seçiminde devrim yaratabilir ).
Buchheim ve ark. 1981'de şunları yazdı: "Binek araçların aerodinamik sürtünmesini azaltmanın, sırayla tüm bu araçların birbirine benzeyeceği anlamına geleceği korkusu devam ediyor. Bu kanıtlanırsa, bu tür araçların otomotivdeki dağıtımını önemli ölçüde kısıtlayacaktır. pazar. dizi."
Karşıdaki görüntüyü açıklamak için (burada animasyona dönüştürülmüş), Buchheim ve ark. devam: “[Bu görüntü], ölçülen değerleri 0.15'e yaklaşan dört tip ideal aracın [aerodinamik literatürde mevcut] boyuna ve yatay kesitlerini karşılaştırıyor . Bu karşılaştırma, du'nun bu kadar düşük değerlerinde bile farklı şekillerin hala mümkün olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, geleceğin düşük sürtünmeli arabalarını geliştirirken, stilistlerin görünümlerini çeşitlendirmeleri için yeterli boşluk olacağı sonucuna varılabilir [...] böylece halk tarafından yeterli sayıda kabul edilirler. "
Yakıt tüketimi (veya güneş enerjisi arabaları için hız) rekorlarını kırmayı amaçlayan deneysel arabalar, gelecekteki ilerlemenin yolunu gösterebilir. Örneğin, ön tarafı 0.10'da ölçülen (sağdaki resim ) bir hidrojen aracı olan Cityjoule ( yakıt pili üzerinde çalışıyor ). En son ayrılmaz difüzör yapılan performansına önemli katkı.
Durumunda Sunraycer ( görüntü karşısında solda), kimin bir fotovoltaik araba ön uç 0.125 üzerine indirildikten, özellikler arasında farklıdır yakıt hücreli araçların . Güneş enerjisinin yakalanması, yerleşik enerji kullanan araçlarda olmayan, geniş bir fotovoltaik hücre yüzey alanı gerektirir.
Burada yalnızca otomotiv aerodinamiğinde sıçramalara işaret eden projelerden bahsedilmektedir.
Aptera Motors, 2020 yılının sonunda Aptera iki kişilik güneş enerjisiyle çalışan elektrikli aracı piyasaya sürdü . 3 elektrik salt üretim m 2 fotovoltaik hücrelerin 60 kadar sağlamak gerekiyordu km güneşli günde güneş özerklik. Akülerin özerkliği, akülerin boyutuna bağlı olarak (25 ila 100 kWh arasında) 400 ila 1600 km arasındadır . Bu aracın aerodinamiği, toplam bir azalma ile karakterize edilir (karşıdaki resimde görüldüğü gibi, yüzey alanı taban minimuma indirilir).
Aptera'nın tüketimi 62 Wh/km için verilmiştir , bu da 223.7 N'lik bir sürüklemeye eşdeğerdir (belirtilmemiş bir hız için). Hatta 62 Wh/km'lik bu tüketim ile en büyük batarya (100 kWh ) 1.613 km (veya markanın hedeflediği 1.000 mil) menzili vaat ediyor gibi görünüyor .
Rüzgar tüneli testleri , otomobil üreticilerinin, aracın aerodinamik sürüklenmesinin, üstyapı çevresinde üretilen aerodinamik gürültülerin ve hatta dikey veya enine kuvvetlerin (ölçekler kullanılarak ölçülen kuvvetler) hava akışı tarafından indüklenen ampirik sonuçlarını elde etmeleri için bir araçtır. Gövde üzerine yerleştirilen opak bir gaz veya yün şeritleri de mevcut çizgileri görselleştirmeyi mümkün kılıyor .
Ölçekli modellerin kullanılması nadir olmamakla birlikte, otomotiv rüzgar tünelleri genellikle tam ölçekli modelleri barındırır ve yandan rüzgarı simüle etmek için bir döner tabla, ayrıca kayan bir zemin ve araçların tekerleklerini döndürmek için bir sistem ile donatılabilir. bir otomobilin yoldaki hareketini mümkün olduğunca yakın bir şekilde yeniden üretmek.
Sürtünmeyi ölçmeye yönelik bu yöntem, yolda 1 ölçekli araçla uygulanmaktadır.Aracın belirli bir hızdan serbest tekerleklerdeki yavaşlama hızının ölçülmesi ve seviyelendirmeden oluşur. Aracın aerodinamik direncinin katkısını elde etmek için, elbette, aracı yavaşlatan toplam kuvvetten yuvarlanma direncini (aerodinamiğin direnç üretmediği düşük hızda bir yük hücresi ile ölçülür) çıkarmak gerekir. ). Trenlerin (özellikle aerodinamiğin gerekli olduğu yüksek hızlı trenler) aerodinamik sürüklenme özellikleri, bu ray üzerinde yürüme yöntemi ile ölçülür. Otomobiller söz konusu olduğunda, gezinti üzerinde yapılan yürüme testlerinin ön cepheyi 0.189 olarak tanımladığı Schlörwagen örneğini verebiliriz (1.
Bu gezinme yöntemi çok az maddi araç gerektirir (sadece kapalı bir yatay yol uzunluğu).
Hesaplama akışkan mekaniği bilgisayar tarafından işlenir, daha sık CFD adlandırılan için ( “ Akışkanlar Dynamics ” ), otomotiv aerodinamik diğerleri arasında kullanılan bir sayısal çözünürlüğü yöntemidir. 1970'lerde doğmasından bu yana nispeten yeni olan bu yöntem, bilgisayar bilimlerindeki gelişmeler sayesinde yıllar içinde ivme kazanmış ve günümüzde karmaşık geometrili problemlerin çözülmesini mümkün kılmaktadır.
CFD bu nedenle sayısal hesaplama sayesinde çalışır ; yazılım, incelenen nesnenin bir bilgisayar modelini oluşturur, onu sonlu elemanlara böler - "meshing" adı verilen bir işlem - ve ardından her hücreye akışkanlar dinamiğinin matematiksel yasalarını uygular . Ağ (küçük elemanlar) ne kadar ince olursa, sonuçlar o kadar kesin olur, ancak bilgisayarın hesaplamaları gerçekleştirmek için daha fazla kaynağa ihtiyacı olacaktır. Sonuç, "aerodinamik düzeyde kazanç veya kayıpların çok kesin bir temsilidir".
Sayısal hesaplama, rüzgar tünelinde geçirilen saatleri önemli ölçüde azalttığı ve hatta virajlarda tek koltukluların aerodinamiğini analiz ettiği özellikle Formula 1'de kendine yer buldu ; ahırlar bir model için orada yaklaşık 12.000 saat harcıyor ve bu da büyük bir masraf kaynağı. Bugün, bazıları Virgin Racing Formula 1 takımının 2010'larında olduğu gibi rüzgar tüneli testlerinden vazgeçmeye çalışsa da , CFD kendisini deneysel sonuçlardan tamamen kurtaramıyor.
: Bu makale için kaynak olarak kullanılan belge.