نحوه محاسبه مدل ماشین برای تونل باد. آیرودینامیک خودرو چگونه کار می کند؟ مدل هایی با کشش آیرودینامیکی ضعیف

هیچ ماشینی از آن عبور نخواهد کرد دیوار آجری، اما روزانه از هوا از دیوارها عبور می کند که دارای تراکم نیز می باشد.

هیچ کس هوا یا باد را به عنوان یک دیوار درک نمی کند. بر سرعت های پایین، در آب و هوای آرام، مشاهده نحوه تعامل جریان هوا با وسیله نقلیه دشوار است. اما با سرعت بالا، باد شدیدمقاومت هوا (نیروی وارد بر جسمی که در هوا در حال حرکت است - که به آن درگ نیز گفته می شود) بر نحوه شتاب گیری خودرو، میزان هدایت و نحوه استفاده از سوخت تأثیر می گذارد.

اینجاست که علم آیرودینامیک وارد عمل می شود و نیروهای ایجاد شده در نتیجه حرکت اجسام در هوا را مطالعه می کند. خودروهای مدرن با در نظر گرفتن آیرودینامیک طراحی می شوند. یک خودروی آئرودینامیک از دیواره هوا مانند چاقو از کره عبور می کند.

ناشی از مقاومت کمجریان هوا، چنین خودرویی شتاب بهتری دارد و سوخت را بهتر مصرف می کند، زیرا موتور لازم نیست برای "هل کردن" خودرو از دیواره هوا، نیروی اضافی صرف کند.

برای بهبود آیرودینامیک خودرو، شکل بدنه گرد است تا کانال هوا با کمترین مقاومت در اطراف خودرو جریان یابد. در خودروهای اسپرت، شکل بدنه طوری طراحی شده است که جریان هوا را عمدتاً در امتداد قسمت پایین هدایت می کند، در زیر خواهید دید که چرا. بال یا اسپویلر هم روی صندوق عقب ماشین می گذارند. پرس های بال بازگشتآسانسور جلوگیری از ماشین چرخهای عقب، به دلیل جریان شدید هوا در هنگام حرکت سرعت بالاکه باعث پایداری خودرو می شود. همه بال‌های عقب یکسان نیستند و همه برای هدف مورد نظر خود استفاده نمی‌شوند، برخی فقط به عنوان عنصری از دکور خودرو هستند که عملکرد مستقیم آیرودینامیک را انجام نمی‌دهند.

علم آیرودینامیک

قبل از صحبت در مورد آیرودینامیک خودرو، اجازه دهید به اصول فیزیک بپردازیم.

هنگامی که یک جسم در جو حرکت می کند، هوای اطراف را جابجا می کند. جسم نیز در معرض گرانش و مقاومت است. هنگامی که یک جسم جامد در یک محیط مایع - آب یا هوا - حرکت می کند، مقاومت ایجاد می شود. مقاومت با سرعت یک جسم افزایش می یابد - هر چه سریعتر در فضا حرکت کند، مقاومت بیشتری را تجربه می کند.

ما حرکت یک جسم را با عواملی که در قوانین نیوتن توضیح داده شده است - جرم، سرعت، وزن، نیروی خارجی و شتاب اندازه گیری می کنیم.

مقاومت مستقیماً بر شتاب تأثیر می گذارد. شتاب (a) یک جسم = وزن آن (W) منهای کشش آن (D) تقسیم بر جرم آن (m). به یاد داشته باشید که وزن حاصل ضرب جرم بدن و شتاب سقوط آزاد است. به عنوان مثال، در ماه، وزن فرد به دلیل کمبود جاذبه تغییر می کند، اما جرم ثابت می ماند. به زبان ساده:

همانطور که یک جسم شتاب می گیرد، سرعت و کشش تا نقطه پایانی که درگ برابر با وزن می شود افزایش می یابد - جسم دیگر شتاب نمی گیرد. بیایید تصور کنیم که جسم ما در معادله یک ماشین است. همانطور که ماشین سریعتر و سریعتر حرکت می کند، هوای بیشتری در برابر حرکت آن مقاومت می کند و ماشین را به حداکثر شتاب در یک سرعت معین محدود می کند.

ما به مهم ترین عدد نزدیک می شویم - ضریب درگ آیرودینامیکی. این یکی از عوامل اصلی است که تعیین می کند یک جسم چقدر راحت در هوا حرکت می کند. ضریب درگ (Cd) با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

Cd = D / (A * r * V/2)

جایی که D مقاومت، A مساحت، r چگالی، V سرعت است.

ضریب درگ در ماشین

ما متوجه شدیم که ضریب درگ (Cd) مقداری است که نیروی مقاومت هوا را که به یک جسم، مانند ماشین اعمال می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. حال تصور کنید که نیروی هوا در حال حرکت به ماشین در حال حرکت در جاده است. با سرعت 110 کیلومتر در ساعت، نیرویی چهار برابر بیشتر از سرعت 55 کیلومتر در ساعت بر آن وارد می شود.

قابلیت های آیرودینامیکی یک خودرو با ضریب درگ اندازه گیری می شود. هرچه مقدار Cd کمتر باشد، آیرودینامیک خودرو بهتر است و راحت تر از دیواره هوایی که از طرف های مختلف به آن فشار می آورد عبور می کند.

بیایید شاخص های Cd را در نظر بگیریم. ولووهای جعبه ای زاویه دار دهه 1970 و 80 را به خاطر دارید؟ در قدیم ولوو سدانضریب درگ 960 0.36. در ولوو جدیدبدنه ها صاف و صاف هستند که به لطف آن ضریب به 0.28 می رسد. اشکال صاف و ساده تر، آیرودینامیک بهتری نسبت به شکل های زاویه ای و مربعی نشان می دهند.

دلایلی که آیرودینامیک شکل های براق را دوست دارد

بیایید آیرودینامیک ترین چیز در طبیعت را به یاد بیاوریم - اشک. پارگی از همه طرف گرد و صاف است و در قسمت بالا مخروطی است. وقتی اشک می ریزد، هوا به راحتی و به آرامی در اطراف آن جریان دارد. همچنین در اتومبیل‌ها، روی سطح صاف و گرد، هوا آزادانه جریان می‌یابد و مقاومت هوا در برابر حرکت یک جسم را کاهش می‌دهد.

امروزه اکثر مدل ها دارای میانگین ضریب درگ 0.30 هستند. ضریب درگ خودروهای SUV 0.30 تا 0.40 یا بیشتر است. دلیل بالا بودن ضریب در ابعاد. لندکروز و گلندواگن مسافران بیشتری را در خود جای می دهند، آنها بیشتر دارند فضای بار، توری های بزرگ برای خنک کردن موتور، از این رو طراحی مربع مانند است. کامیون های وانت طراحی شده با سی دی مربعی هدفمند بیشتر از 0.40.

طراحی بدنه قابل بحث است، اما این خودرو شکل آیرودینامیکی آشکاری دارد. ضریب کشیدن تویوتا پریوس 0.24، بنابراین مصرف سوخت خودرو کم است، نه تنها به دلیل هیبریدی نیروگاه. به یاد داشته باشید که هر منهای 0.01 در ضریب، مصرف سوخت را 0.1 لیتر در هر 100 کیلومتر کاهش می دهد.

مدل های با کشش آیرودینامیکی ضعیف:

مدل های با کشش آیرودینامیکی خوب:

روش‌های بهبود آیرودینامیک مدت‌هاست که شناخته شده‌اند، اما زمان زیادی طول کشید تا خودروسازان شروع به استفاده از آنها هنگام ساخت وسایل نقلیه جدید کنند.

مدل های اولین خودروهایی که ظاهر شدند هیچ ربطی به مفهوم آیرودینامیک ندارند. به مدل T نگاهی بیندازید آب کم عمق- ماشین بیشتر شبیه گاری اسب بدون اسب است - برنده مسابقه طراحی مربع. راستش را بخواهید، اکثر مدل ها پیشگام بودند و نیازی به طراحی آیرودینامیکی نداشتند، زیرا آنها آهسته رانندگی می کردند، در چنین سرعتی چیزی برای مقاومت وجود نداشت. با این حال، اتومبیل‌های مسابقه‌ای در اوایل دهه 1900 برای برنده شدن در رقابت‌ها به قیمت آیرودینامیک، کمی باریک‌تر شدند.

در سال 1921، مخترع آلمانی، ادموند رومپلر، Rumpler-Tropfenauto را ساخت که در آلمانی به معنای ماشین اشک آور است. این مدل که از آیرودینامیک ترین شکل موجود در طبیعت، یعنی شکل اشک، الگوبرداری شده، دارای ضریب درگ 0.27 بود. طراحی Rumpler-Tropfenauto هرگز مورد پذیرش قرار نگرفت. Rumpler موفق شد تنها 100 واحد Rumpler-Tropfenauto ایجاد کند.

در آمریکا، یک جهش در طراحی آیرودینامیک در سال 1930 انجام شد، زمانی که مدل کرایسلرجریان هوا. مهندسان با الهام از پرواز پرندگان، Airflow را با در نظر گرفتن آیرودینامیک ساختند. برای بهبود هندلینگ، وزن خودرو به طور مساوی بین جلو و محورهای عقب- 50/50. جامعه که از رکود بزرگ خسته شده بود، ظاهر غیر متعارف کرایسلر جریان هوا را نپذیرفت. این مدل یک شکست در نظر گرفته شد، اگرچه طراحی ساده کرایسلر ایرفلو بسیار جلوتر از زمان خود بود.

دهه‌های 1950 و 60 شاهد بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها در آیرودینامیک خودرو بودیم که از دنیای مسابقه‌ای به دست آمد. مهندسان شروع به آزمایش با اشکال مختلف بدن کردند، زیرا می دانستند که یک شکل ساده باعث افزایش سرعت خودروها می شود. بدین ترتیب شکل ماشین مسابقه ای متولد شد که تا به امروز باقی مانده است. اسپویلرهای جلو و عقب، دماغه بیل و کیت های هوا همگی به یک هدف عمل می کنند و جریان هوا را روی سقف هدایت می کنند و نیروی رو به پایین لازم را به چرخ های جلو و عقب ایجاد می کنند.

تونل باد به موفقیت آزمایش ها کمک کرد. در قسمت بعدی مقاله ما به شما خواهیم گفت که چرا به آن نیاز است و چرا در طراحی خودرو اهمیت دارد.

اندازه گیری کشش در تونل باد

برای اندازه گیری بازده آیرودینامیکی یک خودرو، مهندسان ابزاری را از صنعت هوانوردی قرض گرفتند - تونل باد.

تونل باد تونلی با فن های قدرتمندی است که ایجاد می کند جریان هواروی جسم داخل ماشین، هواپیما یا چیز دیگری که مقاومت هوای آن توسط مهندسان اندازه گیری می شود. از اتاقی در پشت تونل، دانشمندان نحوه تعامل هوا با جسم و نحوه رفتار جریان های هوا در سطوح مختلف را مشاهده می کنند.

ماشین یا هواپیما در داخل تونل بادحرکت نمی کند، اما برای شبیه سازی شرایط واقعی، فن ها هوا را از آن خارج می کنند سرعت متفاوت. گاهی ماشین های واقعیحتی لوله رانده نمی شود - طراحان اغلب به آن تکیه می کنند مدل های دقیقاز خاک رس یا سایر مواد خام ایجاد شده است. باد روی ماشین در تونل باد می وزد و کامپیوترها ضریب درگ را محاسبه می کنند.

تونل های باد از اواخر دهه 1800 استفاده شده است، زمانی که آنها در تلاش برای ایجاد یک هواپیما و اندازه گیری اثر جریان هوا در تونل های باد بودند. حتی برادران رایت هم چنین شیپوری داشتند. پس از جنگ جهانی دوم، مهندسان اتومبیل های مسابقه ای که به دنبال برتری در رقابت بودند، شروع به استفاده از تونل های باد برای اندازه گیری عملکرد کردند. عناصر آیرودینامیکمدل های توسعه یافته بعدها این فناوری راه خود را به دنیای خودروهای سواری و کامیون باز کرد.

در طول 10 سال گذشته، تونل های باد بزرگ با هزینه چند میلیون دلار آمریکا کمتر و کمتر مورد استفاده قرار گرفته اند. مدل سازی کامپیوتری به تدریج جایگزین این روش آزمایش آیرودینامیک خودرو می شود (بیشتر). تونل های باد فقط برای اطمینان از عدم محاسبات اشتباه در شبیه سازی های کامپیوتری اجرا می شوند.

مفاهیم بیشتری در آیرودینامیک نسبت به مقاومت هوا به تنهایی وجود دارد - همچنین عواملی مانند نیروی بالابر و نیروی رو به پایین وجود دارد. لیفت (یا بالابر) نیرویی است که در برابر وزن جسم عمل می کند و جسم را در هوا بلند می کند و نگه می دارد. نیروی رو به پایین، مخالف آسانسور، نیرویی است که یک جسم را به زمین هل می دهد.

هر کسی که فکر می کند ضریب درگ 320 کیلومتر در ساعت اتومبیل های مسابقه فرمول 1 کم است، اشتباه می کند. یک ماشین مسابقه معمولی فرمول 1 دارای ضریب درگ حدود 0.70 است.

دلیل بالا بودن ضریب مقاومت هوا ماشین های مسابقه ایفرمول 1 این است که این خودروها به گونه ای طراحی شده اند که تا حد امکان نیروی رو به پایین ایجاد کنند. با سرعت حرکت گلوله های آتشین، با وزن بسیار سبک خود، شروع به تجربه بلند کردن می کنند سرعت های بالا- فیزیک باعث می شود آنها مانند یک هواپیما به هوا بروند. اتومبیل‌ها برای پرواز طراحی نشده‌اند (اگرچه مقاله - یک ماشین ترانسفورماتور پرنده خلاف آن ادعا می‌کند)، و اگر وسیله نقلیه شروع به بالا رفتن از هوا کند، فقط می‌توانید انتظار یک چیز را داشته باشید - یک تصادف ویرانگر. از همین رو، نیروی رو به پایینباید حداکثر برای نگه داشتن ماشین روی زمین در سرعت های بالایعنی ضریب درگ باید زیاد باشد.

خودروهای فرمول 1 با کمک قسمت های جلو و عقب خودرو به نیروی رو به پایین بالا دست می یابند. این بال ها جریان هوا را طوری هدایت می کنند که ماشین را به زمین فشار می دهند - همان نیروی رو به پایین. اکنون می توانید با خیال راحت سرعت را افزایش دهید و هنگام پیچیدن آن را از دست ندهید. در عین حال، نیروی رو به پایین باید به دقت با بالابر متعادل شود تا خودرو به سرعت خط مستقیم مطلوب برسد.

بسیاری از خودروهای تولیدی دارای اضافات آیرودینامیکی برای ایجاد نیروی رو به پایین هستند. مطبوعات به خاطر ظاهر مورد انتقاد قرار گرفتند. طراحی بحث برانگیز و همه چون همه بدنه GT-Rطراحی شده برای هدایت جریان هوا بر روی خودرو و برگشت از طریق بیضی اسپویلر عقب، ایجاد نیروی رو به پایین بیشتر. هیچ کس به زیبایی ماشین فکر نمی کرد.

خارج از مدار فرمول 1، بال‌ها اغلب روی آن‌ها یافت می‌شوند خودروهای تولیدیبه عنوان مثال سدان شرکت های تویوتاو هوندا گاهی اوقات این عناصر طراحی کمی ثبات را در سرعت های بالا اضافه می کنند. به عنوان مثال، در اولین آئودی TT در ابتدا اسپویلر نداشت، اما آئودیمجبور شدم آن را اضافه کنم که معلوم شد شکل گرد و وزن سبک TT باعث بالا رفتن بیش از حد شده است که باعث می شود خودرو در سرعت های بالای 150 کیلومتر در ساعت ناپایدار باشد.

اما اگر خودرو آئودی تی تی، اسپورت و اسپرت نیست، بلکه یک سدان یا هاچ بک خانوادگی معمولی است، نیازی به نصب اسپویلر نیست. یک اسپویلر هندلینگ را در چنین خودرویی بهبود نمی بخشد، زیرا "ماشین خانوادگی" به دلیل Cx بالا از نیروی رو به پایین بالایی برخوردار است و نمی توانید سرعت های بالای 180 را روی آن فشار دهید. اسپویلر روشن است ماشین معمولیمی تواند باعث بیش فرمانی یا برعکس، عدم تمایل به ورود به پیچ ها شود. با این حال، اگر شما نیز فکر می کنم که یک اسپویلر غول پیکر هوندا سیویکدر جای خود ایستاده است، اجازه ندهید کسی شما را متقاعد کند.

امروز از شما دعوت می کنیم تا بدانید این فناوری چیست، چرا به آن نیاز است و در چه سالی این فناوری برای اولین بار در جهان ظاهر شد.

بدون آیرودینامیک، اتومبیل ها و هواپیماها و حتی باب سورتمه ها فقط اجسامی هستند که باد را حرکت می دهند. اگر آیرودینامیک وجود نداشته باشد، باد ناکارآمد حرکت می کند. علم مطالعه کارایی حذف جریان هوا را آیرودینامیک می نامند. به منظور ایجاد وسیله نقلیه ای که به طور موثر جریان هوا را حذف کند و کشش را کاهش دهد، به یک تونل باد نیاز است که در آن مهندسان اثربخشی مقاومت هوای آیرودینامیکی قطعات خودرو را بررسی می کنند.

به اشتباه تصور می شود که آیرودینامیک از زمان اختراع تونل باد ظاهر شد. اما اینطور نیست. در واقع در دهه 1800 ظاهر شد. پیدایش این علم در سال 1871 با برادران رایت که طراحان و خالقان اولین هواپیمای جهان هستند آغاز شد. به لطف آنها، هوانوردی شروع به توسعه کرد. هدف یکی بود - تلاش برای ساختن یک هواپیما.

در ابتدا، برادران آزمایشات خود را در تونل های راه آهن انجام دادند. اما توانایی تونل برای مطالعه جریان هوا محدود بود. بنابراین، آنها نتوانستند یک هواپیمای واقعی ایجاد کنند، زیرا برای این کار لازم بود که بدنه هواپیما دقیق ترین الزامات آیرودینامیک را برآورده کند.

بنابراین، در سال 1901، برادران تونل باد خود را ساختند. در نتیجه طبق برخی داده ها حدود 200 هواپیماو موارد نمونه اولیه اشکال مختلف. چندین سال دیگر طول کشید تا برادران اولین هواپیمای واقعی تاریخ را بسازند. بنابراین در سال 1903، برادران رایت آزمایش موفقیت آمیزی از اولین آزمایش در جهان انجام دادند که 12 ثانیه در هوا به طول انجامید.

تونل باد چیست؟

این یک دستگاه ساده است که از یک تونل بسته (ظرفیت عظیم) تشکیل شده است که هوا با کمک فن های قدرتمند از طریق آن جریان می یابد. یک شی در تونل باد قرار می گیرد، که آنها شروع به اعمال می کنند. همچنین در تونل های باد مدرن، متخصصان این توانایی را دارند که جریان هوای هدایت شده را به عناصر خاصی از بدنه خودرو یا هر وسیله نقلیه ای تامین کنند.

آزمایش تونل باد در دوران بزرگ محبوبیت زیادی به دست آورد جنگ میهنیدر دهه 40 در سراسر جهان، ادارات نظامی تحقیقاتی در زمینه آیرودینامیک انجام دادند تجهیزات نظامیو مهمات. پس از جنگ، تحقیقات آیرودینامیکی نظامی محدود شد. اما توجه به آیرودینامیک توسط مهندسان طراح ورزش صورت گرفت ماشین های مسابقه ای. سپس این مد توسط طراحان و اتومبیل ها انتخاب شد.

اختراع تونل باد به متخصصان اجازه آزمایش داد وسايل نقليهکه در حالت ساکن هستند. علاوه بر این، جریان هوا تامین می شود و همان اثری ایجاد می شود که هنگام حرکت دستگاه مشاهده می شود. حتی هنگام آزمایش هواپیما، جسم بی حرکت می ماند. قابل تنظیم فقط برای شبیه سازی سرعت وسیله نقلیه خاص.

به لطف آیرودینامیک، هم ورزشی و هم ماشین های سادهبه جای شکل های مربعی، آنها شروع به به دست آوردن خطوط صاف تر و عناصر بدن گرد کردند.

گاهی ممکن است کل ماشین برای تحقیق مورد نیاز نباشد. اغلب، ممکن است از یک طرح معمولی در اندازه واقعی استفاده شود. در نتیجه، کارشناسان سطح مقاومت در برابر باد را تعیین می کنند.

ضریب کشش باد با نحوه حرکت باد در داخل لوله تعیین می شود.

تونل های باد مدرن اساسا یک سشوار غول پیکر برای ماشین شما هستند. به عنوان مثال، یکی از تونل های باد شناخته شده در کارولینای شمالی، ایالات متحده آمریکا قرار دارد که در آن تحقیقات انجمن در حال انجام است. به لطف این لوله، مهندسان در حال مدل سازی خودروهایی هستند که می توانند با سرعت 290 کیلومتر در ساعت حرکت کنند.

برای این ساختمان حدود 40 میلیون دلار سرمایه گذاری شد. این لوله کار خود را در سال 2008 آغاز کرد. سرمایه گذاران اصلی انجمن مسابقه NASCAR و صاحب مسابقه Gene Haas هستند.

در اینجا یک ویدیو از یک آزمایش سنتی در این لوله است:

از زمان پیدایش اولین تونل باد در تاریخ، مهندسان متوجه شده اند که این اختراع چقدر برای کل اهمیت دارد. در نتیجه، طراحان خودرو توجه خود را به آن جلب کردند و شروع به توسعه فن آوری برای مطالعه جریان هوا کردند. اما تکنولوژی ثابت نمی ماند. امروزه مطالعات و محاسبات زیادی در رایانه انجام می شود. شگفت‌انگیزترین چیز این است که حتی آزمایش‌های آیرودینامیکی نیز در برنامه‌های کامپیوتری خاص انجام می‌شود.

3D به عنوان موضوع آزمون استفاده می شود مدل مجازیماشین ها. بعدی در کامپیوتر پخش می شوند شرایط مختلفبرای آزمایش آیرودینامیک همین رویکرد برای تست تصادف شروع به توسعه کرد. ، که نه تنها می تواند در هزینه صرفه جویی کند و نه پارامترهای زیادی را هنگام آزمایش در نظر می گیرد.

درست مانند تست های تصادف واقعی، ساخت تونل باد و آزمایش در آن بسیار است لذت گران قیمت. در رایانه، هزینه می تواند به اندازه چند دلار باشد.

درست است، پدربزرگ ها و مادربزرگ ها و طرفداران فناوری های قدیمی همچنان می گویند که دنیای واقعی بهتر از رایانه ها است. اما قرن 21 قرن 21 است. بنابراین، اجتناب ناپذیر است که در آینده نزدیک بسیاری از آزمایشات دنیای واقعی به طور کامل بر روی رایانه انجام شود.

اگرچه شایان ذکر است که ما مخالف تست های کامپیوتری نیستیم، اما امیدواریم که تست های تونل باد واقعی و تست های تصادف معمولی همچنان در صنعت خودرو باقی بماند.

مقررات فعلی به تیم‌ها اجازه می‌دهد مدل‌های ماشین‌های تونل باد را آزمایش کنند که از 60 درصد مقیاس تجاوز نمی‌کنند. پت سیموندز، مدیر فنی سابق تیم رنو در مصاحبه ای با F1Racing در مورد ویژگی های این شغل صحبت کرد.

پت سیموندز: «امروزه همه تیم‌ها با مدل‌هایی با مقیاس 50 یا 60 درصد کار می‌کنند، اما همیشه اینطور نبود. اولین آزمایش های آیرودینامیکی در دهه 80 با ماکت هایی با 25٪ ارزش واقعی انجام شد - قدرت تونل های باد در دانشگاه ساوتهمپتون و کالج امپریال لندن اجازه نمی داد - فقط در آنجا امکان نصب وجود داشت. مدل های روی پایه متحرک سپس تونل‌های باد ظاهر شدند که در آن‌ها امکان کار با مدل‌های 33% و 50% وجود داشت و اکنون به دلیل نیاز به محدود کردن هزینه‌ها، تیم‌ها موافقت کردند که مدل‌ها را بیش از 60% با سرعت جریان هوا بدون هیچ آزمایشی آزمایش کنند. بیش از 50 متر در ثانیه

هنگام انتخاب مقیاس مدل، تیم ها از قابلیت های تونل باد موجود استفاده می کنند. برای به دست آوردن نتایج دقیق، ابعاد مدل نباید بیش از 5٪ از سطح کار لوله باشد. تولید مدل های در مقیاس کوچکتر ارزان تر است، اما از مدل کوچکتر، حفظ دقت مورد نیاز دشوارتر است. مانند بسیاری از مسائل دیگر در توسعه اتومبیل های فرمول 1، در اینجا نیز باید به دنبال بهترین سازش باشید.

در گذشته، مدل‌هایی از چوب درخت دیرا که در مالزی رشد می‌کند، که چگالی پایینی دارد، ساخته می‌شد، اکنون از تجهیزات استریولیتوگرافی لیزری استفاده می‌شود - یک پرتو لیزر مادون قرمز یک ماده کامپوزیت را پلیمریزه می‌کند و در نتیجه بخشی با ویژگی‌های مشخصی به وجود می‌آید. . این روش به شما این امکان را می دهد که در چند ساعت کارایی یک ایده مهندسی جدید را در یک تونل باد آزمایش کنید.

هر چه مدل با دقت بیشتری ساخته شود، اطلاعات به دست آمده در حین دمیدن آن قابل اعتمادتر است. هر چیز کوچکی در اینجا مهم است، حتی از طریق لوله های اگزوزجریان گازها باید با همان سرعت یک ماشین واقعی عبور کند. تیم ها در تلاش برای دستیابی به بالاترین دقت ممکن برای تجهیزات موجود در شبیه سازی هستند.

سال‌هاست که لاستیک‌ها با ماکت‌های نایلونی یا فیبر کربنی جایگزین شده‌اند، اما زمانی که میشلن کپی‌های کوچک‌شده دقیقی از لاستیک‌های خود ساخته است، پیشرفت چشمگیری حاصل شده است. لاستیک های مسابقه ای. مدل خودرو مجهز به سنسورهای زیادی برای اندازه گیری فشار هوا و سیستمی است که به شما امکان تغییر تعادل را می دهد.

مدل ها، از جمله تجهیزات اندازه گیری نصب شده روی آنها، از نظر هزینه کمی پایین تر هستند ماشین های واقعیبه عنوان مثال، آنها گران تر از ماشین های واقعی GP2. این در واقع یک راه حل فوق پیچیده است. یک قاب اولیه با سنسورها حدود 800000 دلار قیمت دارد و می توان چندین سال از آن استفاده کرد، اما معمولاً تیم ها دو مجموعه برای ادامه کار دارند.

هر تجدید نظر عناصر بدنیا تعلیق منجر به نیاز به ساخت می شود نسخه جدیدکیت بدنه که ربع میلیون قیمت دارد. ضمناً بهره برداری از خود تونل باد در ساعت حدود هزار دلار هزینه دارد و نیاز به حضور 90 کارمند دارد. تیم های جدی حدود 18 میلیون دلار در هر فصل برای این مطالعات هزینه می کنند.

هزینه ها جواب می دهد. افزایش 1% نیروی رو به پایین به شما امکان می دهد در یک مسیر واقعی یک دهم ثانیه برنده شوید. با یک برنامه ثابت، مهندسان تقریباً در ماه بازی می کنند، بنابراین تنها در بخش مدلینگ، هر دهم یک و نیم میلیون دلار برای تیم هزینه دارد.

از زمانی که انسان اول یک سنگ تیز بر سر نیزه نصب کرد، مردم همیشه در تلاش بوده اند تا آن را پیدا کنند. بهترین فرماجسام در حال حرکت در هوا اما معلوم شد که این ماشین یک پازل آیرودینامیکی بسیار دشوار است.

مبانی محاسبات کشش جاده چهار نیروی اساسی را در اختیار ما قرار می دهد که بر روی یک وسیله نقلیه در حال حرکت عمل می کند: مقاومت هوا، مقاومت در برابر غلتش، مقاومت در برابر صعود و نیروهای اینرسی. لازم به ذکر است که تنها دو مورد اول اصلی هستند. نیروی مقاومت غلتشی چرخ ماشینعمدتاً به تغییر شکل لاستیک و جاده در منطقه تماس بستگی دارد. اما در حال حاضر با سرعت 50-60 کیلومتر در ساعت، نیروی مقاومت هوا از هر نیروی دیگری فراتر می رود و در سرعت های بیش از 70-100 کیلومتر در ساعت از همه آنها پیشی می گیرد. برای اثبات این گزاره، باید فرمول تقریبی زیر را ارائه داد: Px=Cx*F*v2، که در آن: Px – نیروی مقاومت هوا. v – سرعت وسیله نقلیه (m/s)؛ F مساحت برآمدگی خودرو بر روی صفحه عمود بر محور طولی خودرو یا مساحت بزرگترین سطح مقطع خودرو، یعنی مساحت جلویی (m2) است. Cx ضریب مقاومت هوا (ضریب جریان سازی) است. توجه داشته باشید. سرعت در فرمول مجذور است و به این معنی است که اگر مثلاً دو برابر شود، نیروی مقاومت هوا چهار برابر می شود.

در همان زمان، هزینه های برق مورد نیاز برای غلبه بر آن هشت برابر افزایش می یابد! در مسابقات نسکار، که سرعت آنها بیش از 300 کیلومتر در ساعت است، به طور تجربی مشخص شده است که افزایش حداکثر سرعتفقط برای 8 کیلومتر در ساعت، باید قدرت موتور را 62 کیلووات (83 اسب بخار) افزایش دهید یا Cx را 15٪ کاهش دهید. راه دیگری وجود دارد - کاهش ناحیه جلویی خودرو. بسیاری از ابرخودروهای پرسرعت به میزان قابل توجهی پایین تر هستند ماشین های معمولی. این فقط نشانه کار برای کاهش ناحیه پیشانی است. با این حال، این روش تا حدودی قابل انجام است، در غیر این صورت استفاده از چنین خودرویی غیرممکن خواهد بود. به همین دلیل و دلایل دیگر، ساده سازی یکی از اصلی ترین مسائلی است که هنگام طراحی یک خودرو به وجود می آید. البته نیروی مقاومت تنها تحت تأثیر سرعت خودرو و پارامترهای هندسی آن نیست. به عنوان مثال، هر چه چگالی جریان هوا بیشتر باشد، مقاومت بیشتر است. به نوبه خود، چگالی هوا به طور مستقیم به دما و ارتفاع آن از سطح دریا بستگی دارد. با افزایش دما، چگالی هوا (و در نتیجه ویسکوزیته آن) افزایش می‌یابد، در حالی که در کوه‌ها هوا رقیق‌تر و چگالی آن کمتر است و غیره. چنین تفاوت های ظریف زیادی وجود دارد.

اما برگردیم به شکل ماشین. کدام مورد بهترین جریان را دارد؟ پاسخ این سوال را تقریباً هر دانش آموزی (که در درس فیزیک نخوابیده است) می داند. یک قطره آب که به پایین می ریزد شکلی به خود می گیرد که از نظر آیرودینامیک قابل قبول ترین است. یعنی یک سطح جلویی گرد و یک پشت بلند باریک و صاف (بهترین نسبت 6 برابر طول عرض است). ضریب درگ یک مقدار آزمایشی است. از نظر عددی او برابر با قدرتمقاومت هوا بر حسب نیوتن زمانی ایجاد می شود که با سرعت 1 متر بر ثانیه در هر متر مربع از ناحیه جلویی حرکت کند. مرسوم است که Cx یک صفحه مسطح = 1 را به عنوان واحد مرجع در نظر بگیریم، بنابراین برای یک قطره آب، Cx = 0.04. حالا ماشینی مثل این را تصور کنید. مزخرف است، اینطور نیست؟ نه تنها چنین ابزاری روی چرخ ها تا حدودی کاریکاتور به نظر می رسد، بلکه استفاده از این خودرو برای هدف مورد نظرش چندان راحت نخواهد بود. بنابراین، طراحان مجبور هستند بین آیرودینامیک خودرو و راحتی استفاده از آن سازشی پیدا کنند. تلاش های مداوم برای کاهش ضریب مقاومت هواییمنجر به این واقعیت شد که برخی از اتومبیل های مدرن Cx = 0.28-0.25 دارند. خوب سریع ماشین های ضبطبه رخ کشیدن Cx = 0.2-0.15.

نیروهای مقاومت

حال باید کمی در مورد خواص هوا صحبت کنیم. همانطور که می دانید هر گازی از مولکول تشکیل شده است. آنها در حرکت و تعامل دائمی با یکدیگر هستند. نیروهای به اصطلاح واندروالس وجود دارد - نیروهای جذب متقابل مولکول ها که از حرکت آنها نسبت به یکدیگر جلوگیری می کند. برخی از آنها با شدت بیشتری به دیگران می چسبند. و با افزایش حرکت آشفته مولکول ها، تأثیر ضربه یک لایه هوا بر لایه دیگر افزایش می یابد و ویسکوزیته افزایش می یابد. و این به دلیل افزایش دمای هوا اتفاق می افتد و این می تواند هم در اثر گرمای مستقیم خورشید و هم به طور غیرمستقیم از اصطکاک هوا بر روی هر سطح یا به سادگی لایه های آن در بین خود ایجاد شود. اینجاست که سرعت وارد عمل می شود. برای اینکه بفهمید این موضوع چگونه روی ماشین تاثیر می گذارد، فقط سعی کنید دست خود را با کف دست باز تکان دهید. اگر این کار را به آرامی انجام دهید، هیچ اتفاقی نمی افتد، اما اگر دست خود را با شدت بیشتری تکان دهید، کف دست به وضوح مقداری مقاومت را درک می کند. اما این تنها یک جزء است.

هنگامی که هوا روی سطح ثابتی حرکت می کند (مثلاً بدنه اتومبیل)، همان نیروهای واندروالسی باعث می شود که نزدیکترین لایه مولکول ها شروع به چسبیدن به آن کنند. و این لایه "گیر" لایه بعدی را کند می کند. و بنابراین لایه به لایه، و هر چه مولکول های هوا سریعتر حرکت کنند، از یک سطح ساکن دورتر می شوند. در نهایت سرعت آنها با سرعت جریان اصلی هوا برابر می شود. لایه ای که در آن ذرات به آرامی حرکت می کنند، لایه مرزی نامیده می شود و در هر سطحی ظاهر می شود. هر چه مقدار انرژی سطحی مواد پوشش دهنده وسیله نقلیه بیشتر باشد، سطح آن در سطح مولکولی با هوای اطراف قوی تر است و انرژی بیشتری باید برای از بین بردن این نیروها صرف شود. حال، بر اساس محاسبات نظری فوق، می توان گفت که مقاومت هوا فقط ضربان باد نیست. شیشه جلو. این فرآیند دارای اجزای بیشتری است.

مقاومت شکل

این مهمترین بخش است - تا 60٪ از کل تلفات آیرودینامیکی. اغلب به آن کشش فشاری یا کشش گفته می شود. هنگام رانندگی، خودرو جریان هوا را بر روی خود فشرده می کند و بر تلاش برای جدا کردن مولکول های هوا غلبه می کند. نتیجه یک منطقه است فشار خون بالا. سپس هوا در اطراف سطح خودرو جریان می یابد. در این فرآیند، جت های هوا با ایجاد تلاطم از بین می روند. جداسازی جریان هوای نهایی در عقب خودرو یک منطقه ایجاد می کند کاهش فشار. کشش در جلو و اثر مکش در عقب خودرو واکنش بسیار شدیدی ایجاد می کند. این واقعیت طراحان و طراحان را مجبور می کند که به دنبال راه هایی برای بدن دادن باشند. در قفسه ها بچینید.

اکنون باید شکل ماشین را در نظر بگیرید ، همانطور که می گویند "از سپر به سپر". کدام یک از قطعات و عناصر تأثیر بیشتری بر آیرودینامیک کلی دستگاه دارند. جلوی بدنه. آزمایشات در یک تونل باد نشان داد که برای آیرودینامیک بهترجلوی بدن باید کم، پهن و فاقد آن باشد گوشه های تیز. در این حالت جریان هوا از هم جدا نمی شود که تأثیر بسیار مفیدی بر روان شدن خودرو دارد. مشبک رادیاتور اغلب نه تنها یک عنصر کاربردی، بلکه یک عنصر تزئینی است. از این گذشته، رادیاتور و موتور باید جریان هوای موثری داشته باشند، بنابراین این عنصر بسیار مهم است. برخی از خودروسازان در حال مطالعه ارگونومی و توزیع جریان هوا هستند محفظه موتوربه اندازه آیرودینامیک کلی خودرو جدی است. شیب شیشه جلو- یک نمونه بسیار برجسته از مصالحه در ساده سازی، ارگونومی و عملکرد. شیب ناکافی آن مقاومت بیش از حد ایجاد می کند و شیب بیش از حد آن باعث افزایش گرد و غبار و جرم خود شیشه می شود، دید در هنگام غروب به شدت کاهش می یابد، لازم است اندازه برف پاک کن افزایش یابد و غیره. انتقال از شیشه به دیواره جانبی باید انجام شود. به نرمی.

اما نباید از انحنای بیش از حد شیشه غافل شوید - این می تواند اعوجاج را افزایش داده و دید را بدتر کند. تأثیر ستون شیشه جلو بر درگ آیرودینامیکی بستگی زیادی به موقعیت و شکل شیشه جلو و همچنین به شکل انتهای جلو دارد. اما، هنگام کار بر روی شکل قفسه، نباید محافظت از شیشه های جانبی جلو در برابر آب باران و کثیفی های دمیده شده از شیشه جلو، حفظ سطح قابل قبولی از صدای آیرودینامیکی خارجی و غیره سقف را فراموش کنیم. افزایش کمبر سقف می تواند منجر به کاهش ضریب درگ شود. اما افزایش قابل توجه برآمدگی می تواند با طراحی کلی خودرو در تضاد باشد. علاوه بر این، اگر افزایش برآمدگی با افزایش همزمان در ناحیه کشش همراه باشد، نیروی مقاومت هوا افزایش می یابد. و از سوی دیگر، اگر سعی کنید ارتفاع اصلی را حفظ کنید، شیشه جلو و شیشه های عقب باید به سقف ها وارد شوند، زیرا دید نباید بدتر شود. این امر منجر به افزایش قیمت عینک خواهد شد، در حالی که کاهش نیروی مقاومت هوا در این مورد چندان چشمگیر نیست.

سطوح جانبی از نظر آیرودینامیک خودرو سطوح جانبیتأثیر کمی در ایجاد جریان غیر چرخشی دارند. اما شما نمی توانید آنها را بیش از حد گرد کنید. در غیر این صورت، سوار شدن به چنین خودرویی دشوار خواهد بود. شیشه باید در صورت امکان یک کل واحد با سطح جانبی تشکیل دهد و در راستای کانتور بیرونی خودرو قرار گیرد. هر پله و لنگه موانع اضافی برای عبور هوا ایجاد می کند، تلاطم های ناخواسته ظاهر می شود. ممکن است متوجه شوید که ناودان هایی که قبلاً روی تقریباً هر خودرویی وجود داشت، دیگر استفاده نمی شود. دیگر تصمیمات سازنده، که تاثیر چندانی روی آیرودینامیک خودرو ندارند.

پشت ماشین رندر شاید بیشترین تاثیرروی ضریب درگ به سادگی توضیح داده شده است. در قسمت عقب، جریان هوا قطع می شود و چرخشی تشکیل می دهد. تقریباً غیرممکن است که عقب اتومبیل را به اندازه یک کشتی هوایی ساده کنید (طول آن 6 برابر عرض است). بنابراین روی فرم آن با دقت بیشتری کار می کنند. یکی از پارامترهای اصلی زاویه شیب عقب خودرو است. نمونه قبلاً تبدیل به کتاب درسی شده است ماشین روسی"Moskvich-2141"، جایی که راه حل تاسف بار عقب بود که به طور قابل توجهی آیرودینامیک کلی ماشین را بدتر کرد. اما به شکلی دیگر، شیشه عقب"Moskvich" همیشه پاک مانده است. باز هم مصالحه به همین دلیل است که بسیاری از ضمائم اضافی به طور خاص برای عقب خودرو ساخته شده اند: بال های عقب، اسپویلرها و غیره. همراه با زاویه شیب عقب، طراحی و شکل لبه کناری عقب خودرو بسیار تأثیر می گذارد. ضریب درگ برای مثال، اگر تقریباً به هر کدام نگاه کنید ماشین مدرناز بالا، بلافاصله می توانید متوجه شوید که بدنه جلو پهن تر از عقب است. این هم آیرودینامیک است. پایین ماشین.

همانطور که در ابتدا به نظر می رسد، این قسمت از بدن نمی تواند روی آیرودینامیک تأثیر بگذارد. اما بعد از آن جنبه ای به عنوان نیروی رو به پایین وجود دارد. پایداری ماشین به آن بستگی دارد و نحوه صحیح سازماندهی جریان هوا در زیر ماشین، در نتیجه قدرت "چسبیدن" آن به جاده بستگی دارد. یعنی اگر هوای زیر خودرو معطل نشود، اما به سرعت جریان داشته باشد، فشار کاهش یافته ای که در آنجا اتفاق می افتد، خودرو را به جاده فشار می دهد. این امر به ویژه برای خودروهای معمولی مهم است. نکته این است که ماشین های مسابقه ایکه روی سطوح باکیفیت و یکنواخت رقابت می‌کنند، می‌توانید فاصله را چنان کم کنید که اثر "کوسن زمین" ظاهر شود، که در آن نیروی رو به پایین افزایش می‌یابد، و بکشیدکاهش می دهد. برای ماشین های معمولیکوتاه ترخیص کالا از گمرک زمینیغیر قابل قبول بنابراین، اخیراً طراحان سعی کرده اند تا حد ممکن کف خودرو را صاف کرده و عناصر ناهموار مانند لوله اگزوز، بازوهای تعلیق و غیره را با سپر بپوشانند. قوس چرختاثیر بسیار زیادی بر آیرودینامیک خودرو دارند. سوله های طراحی نادرست می توانند بالابر اضافی ایجاد کنند.

و دوباره باد

نیازی به گفتن نیست که قدرت موتور مورد نیاز به کارآمد بودن خودرو و در نتیجه مصرف سوخت (یعنی کیف پول) بستگی دارد. با این حال، آیرودینامیک تنها بر سرعت و اقتصاد تأثیر نمی گذارد. نه آخرین مکانوظیفه تضمین خیر را بر عهده بگیرد ثبات نرخ ارز، هندلینگ وسیله نقلیه و کاهش صدا در هنگام رانندگی. با سر و صدا، همه چیز واضح است: هر چه ساده تر بودن ماشین، کیفیت سطوح، اندازه شکاف ها و تعداد عناصر بیرون زده و غیره کمتر باشد، سر و صدای کمتری دارد. طراحان باید به جنبه ای مانند لحظه عطف فکر کنند. این اثر برای اکثر رانندگان به خوبی شناخته شده است. هر کسی که تا به حال با سرعت زیاد از کنار یک "کامیون" رد شده یا به سادگی در باد شدید کناری رانندگی کرده است، باید ظاهر یک چرخش یا حتی یک چرخش جزئی ماشین را احساس کرده باشد. توضیح این اثر منطقی نیست، اما این دقیقاً مشکل آیرودینامیک است.

به همین دلیل است که ضریب Cx منحصر به فرد نیست. از این گذشته ، هوا می تواند بر روی ماشین نه تنها "روی پیشانی" بلکه در زوایای مختلف و در جهات مختلف تأثیر بگذارد. و همه اینها بر روی حمل و نقل و ایمنی تأثیر می گذارد. اینها تنها تعدادی از جنبه های اصلی هستند که تأثیر می گذارند قدرت کلیمقاومت هوایی. محاسبه تمام پارامترها غیرممکن است. فرمول های موجود تصویر کاملی را ارائه نمی دهند. بنابراین، طراحان آیرودینامیک خودرو را مطالعه می کنند و با کمک ابزار گران قیمتی مانند تونل باد، شکل آن را اصلاح می کنند. شرکت های غربی برای ساخت و ساز خود از پول دریغ نمی کنند. هزینه چنین مراکز تحقیقاتی می تواند به میلیون ها دلار برسد. به عنوان مثال: دایملر-کرایسلر 37.5 میلیون دلار برای ایجاد یک مجموعه تخصصی برای بهبود آیرودینامیک خودروهای خود سرمایه گذاری کرد. در حال حاضر، تونل باد مهم ترین ابزار برای مطالعه نیروهای مقاومت هوا است که بر خودرو تأثیر می گذارد.