Turbulente stroming
Inhoud
Hoe moderne technologie de aerodynamica van auto's verandert
Een lage luchtweerstand helpt het brandstofverbruik te verminderen. In dit opzicht zijn er echter enorme ontwikkelingskansen. Tot nu toe zijn aerodynamica-experts het natuurlijk eens met de mening van de ontwerpers.
"Aerodynamica voor degenen die geen motorfietsen kunnen maken." Deze woorden werden uitgesproken door Enzo Ferrari in de jaren 60 en tonen duidelijk de houding van veel ontwerpers uit die tijd ten opzichte van dit technologische aspect van de auto. Maar slechts tien jaar later kwam de eerste oliecrisis en veranderde hun hele waardensysteem radicaal. De tijden waarin alle weerstandskrachten in de beweging van de auto, en vooral die die ontstaan als gevolg van de passage door de luchtlagen, worden overwonnen door uitgebreide technische oplossingen, zoals het vergroten van de cilinderinhoud en het vermogen van motoren, ongeacht de hoeveelheid verbruikte brandstof, gaan weg en ingenieurs beginnen zoek naar effectievere manieren om uw doelen te bereiken.
Op dit moment is de technologische factor aerodynamica bedekt met een dikke laag vergetelingsstof, maar helemaal nieuw voor ontwerpers is het niet. De geschiedenis van de technologie laat zien dat zelfs in de jaren twintig geavanceerde en inventieve breinen zoals de Duitser Edmund Rumpler en de Hongaar Paul Jaray (die de cultus van de Tatra T77 creëerde) gestroomlijnde oppervlakken vormden en de basis legden voor een aerodynamische benadering van het carrosserieontwerp. Ze werden gevolgd door een tweede golf van aerodynamische specialisten zoals Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld en Wunibald Kam, die hun ideeën in de jaren dertig ontwikkelden.
Het is voor iedereen duidelijk dat er met toenemende snelheid een grens komt, waarboven luchtweerstand een kritische factor wordt bij het autorijden. Het creëren van aerodynamisch geoptimaliseerde vormen kan deze limiet aanzienlijk naar boven verschuiven en wordt uitgedrukt door de zogenaamde stroomcoëfficiënt Cx, aangezien een waarde van 1,05 een omgekeerde kubus loodrecht op de luchtstroom heeft (als deze 45 graden langs zijn as wordt gedraaid, zodat de stroomopwaartse rand wordt teruggebracht tot 0,80). Deze coëfficiënt is echter slechts een deel van de luchtweerstandsvergelijking - de grootte van het frontale oppervlak van de auto (A) moet worden toegevoegd als een essentieel element. De eerste taak van aerodynamici is het creëren van schone, aerodynamisch efficiënte oppervlakken (waarvan er, zoals we zullen zien, veel factoren in de auto zijn), wat uiteindelijk leidt tot een verlaging van de stroomcoëfficiënt. Om dat laatste te meten, is een windtunnel nodig, wat een kostbare en uiterst complexe faciliteit is - een voorbeeld hiervan is BMW's tunnel van 2009 miljoen euro die in 170 in gebruik werd genomen. Het belangrijkste onderdeel daarin is niet een gigantische ventilator, die zoveel stroom verbruikt dat er een apart transformatorstation voor nodig is, maar een nauwkeurige rolbok die alle krachten en momenten meet die de luchtstraal op de auto uitoefent. Het is zijn taak om alle interactie van de auto met de luchtstroom te evalueren en de specialisten te helpen elk detail te bestuderen en het zo te veranderen dat het niet alleen efficiënt wordt in de luchtstroom, maar ook in overeenstemming met de wensen van de ontwerpers. . Kortom, de hoofdweerstandscomponenten die een auto tegenkomt, komen van wanneer de lucht voor hem comprimeert en verschuift en - iets heel belangrijks - van de intense turbulentie erachter aan de achterkant. Daar wordt een lagedrukgebied gevormd dat de neiging heeft om aan de auto te trekken, wat zich op zijn beurt vermengt met de sterke invloed van de werveling, die aerodynamici ook wel "dode excitatie" noemen. Om logische redenen is bij stationwagenmodellen de onderdruk hoger, waardoor de stromingscoëfficiënt verslechtert.
Aerodynamische luchtweerstandfactoren
Dit laatste hangt niet alleen af van factoren zoals de algehele vorm van de auto, maar ook van specifieke onderdelen en oppervlakken. In de praktijk hebben de algehele vorm en verhoudingen van moderne auto's een aandeel van 40 procent in de totale luchtweerstand, waarvan een kwart wordt bepaald door de structuur van het objectoppervlak en kenmerken zoals spiegels, verlichting, kentekenplaat en antenne. 10% van de luchtweerstand komt door de stroming door de gaten naar de remmen, motor en versnellingsbak. 20% is het resultaat van draaikolken in de verschillende vloer- en ophangingsconstructies, dat wil zeggen alles wat er onder de auto gebeurt. En het meest interessante is dat tot 30% van de luchtweerstand wordt veroorzaakt door de wervelingen die rond de wielen en vleugels worden gecreëerd. Een praktische demonstratie van dit fenomeen geeft hier een duidelijke indicatie van - de verbruikscoëfficiënt van 0,28 per auto neemt af tot 0,18 wanneer de wielen worden verwijderd en de gaten in de vleugel worden bedekt met de voltooiing van de vorm van de auto. Het is geen toeval dat alle verrassend lage kilometerstanden, zoals de eerste Honda Insight en GM's EV1 elektrische auto, verborgen achterspatborden hebben. Dankzij de algehele aerodynamische vorm en de gesloten voorkant, omdat de elektromotor niet veel koellucht nodig heeft, konden de GM-ontwikkelaars het EV1-model ontwikkelen met een stroomcoëfficiënt van slechts 0,195. Tesla model 3 heeft Cx 0,21. Om de vortex rond de wielen te verminderen in voertuigen met verbrandingsmotoren, de zogenaamde. "Luchtgordijnen" in de vorm van een dunne verticale luchtstroom worden vanuit de opening in de voorbumper geleid, blazen rond de wielen en stabiliseren de wervels. De stroom naar de motor wordt beperkt door aerodynamische luiken en de bodem is volledig gesloten.
Hoe lager de krachten gemeten door het rolbok, hoe lager de Cx. Volgens de norm wordt het gemeten bij een snelheid van 140 km / u - een waarde van bijvoorbeeld 0,30 betekent dat 30 procent van de lucht waar een auto doorheen gaat, versnelt tot zijn snelheid. Wat het voorste gedeelte betreft, het lezen ervan vereist een veel eenvoudigere procedure - hiervoor worden met behulp van een laser de buitencontouren van de auto geschetst, gezien vanaf de voorkant, en wordt het gesloten gebied in vierkante meters berekend. Dit wordt vervolgens vermenigvuldigd met de stroomfactor om de totale luchtweerstand van het voertuig in vierkante meters te verkrijgen.
Terugkerend naar de historische schets van onze aerodynamische beschrijving, zien we dat de creatie van de gestandaardiseerde meetcyclus voor brandstofverbruik (NEFZ) in 1996 in feite een negatieve rol speelde in de aerodynamische evolutie van auto's (die aanzienlijk vooruitgingen in de jaren tachtig). ) omdat de aerodynamische factor weinig effect heeft vanwege de korte periode van snelle beweging. Hoewel de stroomcoëfficiënt in de loop van de tijd afneemt, resulteert het vergroten van de grootte van voertuigen in elke klasse in een groter frontaal oppervlak en dus een grotere luchtweerstand. Auto's als de VW Golf, Opel Astra en BMW 1980 Serie hadden een hogere luchtweerstand dan hun voorgangers in de jaren negentig. Deze trend wordt aangewakkerd door een cohort van indrukwekkende SUV-modellen met hun grote frontale oppervlak en afnemend verkeer. Dit type auto is vooral bekritiseerd vanwege het enorme gewicht, maar in de praktijk krijgt deze factor relatief minder belang bij toenemende snelheid - terwijl bij het rijden buiten de stad met een snelheid van ongeveer 7 km / u het aandeel luchtweerstand groter is ongeveer 1990 procent, bij snelheden op de snelweg neemt het toe tot 90 procent van de totale weerstand die het voertuig tegenkomt.
Aerodynamische buis
Een ander voorbeeld van de rol van luchtweerstand in voertuigprestaties is het typische Smart City-model. Een auto met twee zitplaatsen kan wendbaar en wendbaar zijn in stadsstraten, maar een korte en goed geproportioneerde carrosserie is uit aerodynamisch oogpunt buitengewoon inefficiënt. Tegen de achtergrond van een laag gewicht wordt luchtweerstand een steeds belangrijker element, en met de Smart begint het een sterke impact te hebben bij snelheden van 50 km / u.Het is niet verrassend dat het ondanks zijn lichtgewicht ontwerp niet voldeed aan de verwachtingen voor lage kosten.
Ondanks de tekortkomingen van Smart is de benadering van moederbedrijf Mercedes op het gebied van aerodynamica echter een voorbeeld van een methodische, consistente en proactieve benadering van het proces van het creëren van efficiënte vormen. Men kan stellen dat de resultaten van investeringen in windtunnels en hard werken op dit gebied vooral zichtbaar zijn in dit bedrijf. Een bijzonder sprekend voorbeeld van het effect van dit proces is het feit dat de huidige S-Klasse (Cx 0,24) minder luchtweerstand heeft dan de Golf VII (0,28). Tijdens het zoeken naar meer binnenruimte heeft de vorm van het compacte model een vrij groot frontaal oppervlak gekregen en is de stroomcoëfficiënt slechter dan die van de S-klasse vanwege de kortere lengte, waardoor lange gestroomlijnde oppervlakken niet mogelijk zijn en vooral door een scherpe overgang naar achteren, waardoor wervelvorming wordt bevorderd. VW was er vast van overtuigd dat de nieuwe Golf van de achtste generatie aanzienlijk minder luchtweerstand en een lagere en meer gestroomlijnde vorm zou hebben, maar ondanks het nieuwe ontwerp en de testmogelijkheden bleek dit een enorme uitdaging voor de auto. met dit formaat. Met een factor van 0,275 is dit echter de meest aerodynamische Golf ooit gemaakt. Het laagste geregistreerde brandstofverbruik van 0,22 per voertuig met verbrandingsmotor is dat van de Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Het voordeel van elektrische voertuigen
Een ander voorbeeld van het belang van aerodynamische vorm tegen de achtergrond van gewicht zijn moderne hybride modellen en nog meer elektrische voertuigen. In het geval van de Prius wordt bijvoorbeeld de behoefte aan een zeer aerodynamische vorm ook bepaald door het feit dat naarmate de snelheid toeneemt, de efficiëntie van de hybride aandrijflijn afneemt. In het geval van elektrische voertuigen is alles wat te maken heeft met meer kilometers in elektrische modus uiterst belangrijk. Volgens kenners zal een gewichtsverlies van 100 kg de actieradius van de auto met enkele kilometers vergroten, maar aan de andere kant is aerodynamica van het grootste belang voor een elektrische auto. Ten eerste omdat de grote massa van deze voertuigen hen in staat stelt een deel van de energie te recupereren die wordt verbruikt door de recuperatie, en ten tweede omdat het hoge koppel van de elektromotor het mogelijk maakt om het effect van het gewicht tijdens het starten te compenseren, en zijn efficiëntie neemt af bij hoge snelheden en hoge snelheden. Bovendien hebben de vermogenselektronica en de elektromotor minder koellucht nodig, wat een kleinere opening aan de voorkant van de auto mogelijk maakt, wat, zoals we hebben opgemerkt, de hoofdoorzaak is van een verminderde doorstroming van het lichaam. Een ander element dat ontwerpers motiveert om aerodynamisch efficiëntere vormen te creëren in moderne plug-in hybride modellen is de elektrische modus zonder acceleratie, of de zogenaamde. het zeilen. In tegenstelling tot zeilboten, waar de term wordt gebruikt en de wind de boot moet bewegen, zou bij auto's het elektrisch aangedreven aantal kilometers toenemen als de auto minder luchtweerstand had. Het creëren van een aerodynamisch geoptimaliseerde vorm is de meest kosteneffectieve manier om het brandstofverbruik te verminderen.
De verbruikscoëfficiënten van enkele bekende auto's:
Mercedes Simplex
Fabricage 1904, Cx = 1,05
Rumpler drop wagon
Fabricage 1921, Cx = 0,28
Ford Model-T
Fabricage 1927, Cx = 0,70
Kama experimenteel model
Vervaardigd in 1938, Cx = 0,36.
Mercedes recordauto
Fabricage 1938, Cx = 0,12
VW-bus
Fabricage 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Schildpad"
Fabricage 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Vervaardigd in 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Vervaardigd in 1957, Cx = 0,36.
MGEX 181
1957 productie, Cx = 0,15
Citroen DS 19DS
Fabricage 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Fabricage 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Fabricage 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Stationwagen
Fabricage 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Fabricage 1983, Cx = 0,31
Mercedes W124
Fabricage 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Fabricage 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Fabricage 1997, Cx = 0,29
