دليل الديناميكا الهوائية

أهم العوامل المؤثرة على مقاومة الهواء للسيارة

تساعد مقاومة الهواء المنخفضة على تقليل استهلاك الوقود. ومع ذلك ، في هذا الصدد ، هناك مجال هائل للتنمية. إذا ، بالطبع ، يتفق خبراء الديناميكا الهوائية مع رأي المصممين.

"الديناميكا الهوائية لأولئك الذين لا يستطيعون صنع دراجات نارية." هذه الكلمات قالها إنزو فيراري في الستينيات وتوضح بوضوح موقف العديد من المصممين في ذلك الوقت تجاه هذا الجانب التكنولوجي للسيارة. ومع ذلك ، مرت عشر سنوات فقط على حدوث أول أزمة نفطية ، والتي غيرت بشكل جذري نظام القيم بأكمله. الأوقات التي يتم فيها التغلب على جميع قوى المقاومة أثناء حركة السيارة ، وخاصة تلك التي تنشأ عندما تمر عبر طبقات الهواء ، من خلال حلول تقنية واسعة النطاق ، مثل زيادة الإزاحة وقوة المحركات ، بغض النظر عن كمية الوقود المستهلكة ، تختفي ، ويبدأ المهندسون في البحث طرق أكثر فعالية لتحقيق أهدافك.

في الوقت الحالي ، يتم تغطية العامل التكنولوجي للديناميكا الهوائية بطبقة سميكة من غبار النسيان ، لكن هذا ليس خبراً للمصممين. يُظهر تاريخ التكنولوجيا أنه حتى في السبعينيات من القرن الماضي ، شكلت العقول المتقدمة والمبتكرة ، مثل الألماني إدموند رومبلر والمجري بول جاراي (الذي ابتكر Tatra T77 الأيقوني) أسطحًا مبسطة ووضعت الأساس لنهج ديناميكي هوائي لتصميم هيكل السيارة. تبعتهم موجة ثانية من المتخصصين في الديناميكا الهوائية مثل بارون رينهارد فون كونيش-فاكسينفيلد وونيبالد كام ، الذين طوروا أفكارهم في XNUMXs.

من الواضح للجميع أنه مع زيادة السرعة يكون هناك حد تصبح مقاومة الهواء عند تجاوزه عاملاً حاسمًا في قيادة السيارة. يمكن أن يؤدي إنشاء أشكال محسّنة ديناميكيًا إلى دفع هذا الحد لأعلى إلى حد كبير ويتم التعبير عنه بواسطة ما يسمى بعامل التدفق Cx ، نظرًا لأن القيمة 1,05 تحتوي على مكعب مقلوب بشكل عمودي على تدفق الهواء (إذا تم تدويره 45 درجة على طول محوره ، بحيث يكون التيار العلوي تنخفض الحافة إلى 0,80). ومع ذلك ، فإن هذا المعامل هو جزء واحد فقط من معادلة مقاومة الهواء - يجب إضافة حجم المنطقة الأمامية للسيارة (A) كعنصر مهم. تتمثل أولى مهام علماء الديناميكا الهوائية في إنشاء أسطح نظيفة وذات كفاءة ديناميكية هوائية (عوامل منها ، كما سنرى ، الكثير في السيارة) ، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض معامل التدفق. يتطلب قياس هذا الأخير نفقًا للرياح ، وهو هيكل مكلف ومعقد للغاية - ومثال على ذلك النفق الذي تم تكليفه في عام 2009. BMW التي كلفت الشركة 170 مليون يورو. إن أهم عنصر فيها ليس المروحة العملاقة ، التي تستهلك الكثير من الكهرباء التي تحتاج إلى محطة فرعية منفصلة للمحول ، ولكن حامل الأسطوانة الدقيق الذي يقيس جميع القوى واللحظات التي تمارسها نفاثة الهواء على السيارة. وتتمثل مهمته في تقييم التفاعل الكامل للسيارة مع تدفق الهواء ومساعدة المتخصصين على دراسة كل التفاصيل وتغييرها بحيث لا تكون فعالة فقط في تدفق الهواء ولكن أيضًا وفقًا لرغبات المصممين. . في الأساس ، تأتي مكونات السحب الرئيسية التي تواجهها السيارة عندما ينضغط الهواء أمامها ويتحول ، والأهم من ذلك ، من الاضطرابات الشديدة خلفها في الخلف. هناك منطقة ضغط منخفض تميل إلى سحب السيارة ، والتي بدورها تختلط بتأثير دوامة قوي ، والذي يسميه علماء الديناميكا الهوائية أيضًا "الإثارة الميتة". لأسباب منطقية ، بعد طرازات ستيشن واغن ، يكون مستوى الفراغ أعلى ، ونتيجة لذلك يتدهور معامل الاستهلاك.

عوامل السحب الديناميكي الهوائي

لا يعتمد هذا الأخير فقط على عوامل مثل الشكل العام للسيارة ، ولكن أيضًا على أجزاء وأسطح معينة. من الناحية العملية ، يمثل الشكل العام والنسب للسيارات الحديثة 40 في المائة من إجمالي مقاومة الهواء ، ويتم تحديد ربعها من خلال بنية سطح الجسم والميزات مثل المرايا والأضواء ولوحة الترخيص والهوائي. 10٪ من مقاومة الهواء ناتجة عن التدفق عبر فتحات المكابح والمحرك وناقل الحركة. 20٪ هو نتيجة الدوامة في تصميمات مختلفة للأرضيات والتعليق ، أي كل ما يحدث تحت السيارة. والشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن 30٪ من مقاومة الهواء ترجع إلى الدوامات المتكونة حول العجلات والأجنحة. يوضح الدليل العملي لهذه الظاهرة بوضوح هذا - معدل التدفق من 0,28 لكل مركبة ينخفض ​​إلى 0,18 عند إزالة العجلات وإغلاق فتحات الحاجز. ليس من قبيل المصادفة أن جميع السيارات ذات الأميال المنخفضة بشكل مدهش - مثل أول إنسايت لهوندا والسيارة الكهربائية GM EV1 - لديها مصدات خلفية مخفية. الشكل العام للديناميكية الهوائية والنهاية الأمامية المغلقة ، نظرًا لحقيقة أن المحرك الكهربائي لا يتطلب الكثير من هواء التبريد ، سمح لمصممي جنرال موتورز بتطوير نموذج EV1 بعامل تدفق 0,195 فقط. تسلا موديل 3 به Cx 0,21. لتقليل دوامة العجلات في المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي ، ما يسمى ب. "ستائر هوائية" على شكل تدفق هواء عمودي رقيق موجه من الفتحة الموجودة في الصدام الأمامي ، وتنفخ حول العجلات وتثبت الدوامات ، ويكون التدفق إلى المحرك مقيدًا بمصاريع ديناميكية هوائية ، ويتم إغلاق الجزء السفلي تمامًا.

كلما انخفضت قيم القوى المقاسة بواسطة حامل الأسطوانة ، كان Cx أصغر. يتم قياسه عادةً بسرعة 140 كم / ساعة - القيمة 0,30 ، على سبيل المثال ، تعني أن 30 بالمائة من الهواء الذي تمر به السيارة يتسارع إلى سرعتها. بالنسبة للجزء الأمامي ، تتطلب قراءته إجراءً أبسط بكثير - لذلك ، يتم تحديد الخطوط الخارجية للسيارة بالليزر عند عرضها من الأمام ويتم حساب المنطقة المغلقة بالمتر المربع. ثم يتم ضربه في عامل التدفق للحصول على مقاومة الهواء الكلية للسيارة بالمتر المربع.

بالعودة إلى المخطط التاريخي لسردنا الديناميكي الهوائي ، نجد أن إنشاء دورة قياس استهلاك الوقود الموحدة (NEFZ) في عام 1996 لعب بالفعل دورًا سلبيًا في التطور الديناميكي الهوائي للسيارات (الذي تقدم بشكل كبير في 7s). ) لأن العامل الديناميكي الهوائي له تأثير ضئيل بسبب قصر فترة الحركة عالية السرعة. على الرغم من الانخفاض في معامل الاستهلاك على مر السنين ، فإن الزيادة في أبعاد المركبات من كل فئة تؤدي إلى زيادة المساحة الأمامية وبالتالي زيادة مقاومة الهواء. تتمتع سيارات مثل VW Golf و Opel The Astra و BMW 90 Series بمقاومة هواء أعلى من سابقاتها في التسعينيات. يتم تسهيل هذا الاتجاه من خلال طرازات سيارات الدفع الرباعي المثيرة للإعجاب مع مساحتها الأمامية الكبيرة والانسيابية المتدهورة. تم انتقاد هذا النوع من المركبات بشكل أساسي بسبب وزنه المرتفع ، ولكن في الممارسة العملية يصبح هذا العامل أقل أهمية نسبيًا مع زيادة السرعة - عند القيادة خارج المدينة بسرعة حوالي 90 كم / ساعة ، تكون نسبة مقاومة الهواء حوالي 50 في المائة ، عند سرعات الطرق السريعة ، تزداد إلى 80 في المائة من إجمالي المقاومة التي تواجهها السيارة.

نفق الرياح

مثال آخر على دور مقاومة الهواء في أداء السيارة هو نموذج المدينة الذكية النموذجي. قد يكون السيارة ذات المقعدين رشيقًا ورشيقًا في شوارع المدينة ، ولكن هيكلها القصير والمتناسب غير فعال للغاية من وجهة نظر الديناميكية الهوائية. على خلفية الوزن الخفيف ، تصبح مقاومة الهواء عنصرًا مهمًا بشكل متزايد ، ومع Smart ، تبدأ في التأثير بقوة على سرعات تصل إلى 50 كم / ساعة.ليس من المستغرب أنه على الرغم من التصميم خفيف الوزن ، إلا أنها لم ترق إلى مستوى التوقعات بتكلفة منخفضة نسبيًا.

ومع ذلك ، على الرغم من أوجه القصور في Smart ، فإن موقف الشركة الأم مرسيدس تجاه الديناميكا الهوائية هو مثال على نهج منهجي ومتسق واستباقي لعملية إنشاء أشكال مذهلة. يمكن القول أن نتائج الاستثمار في أنفاق الرياح والعمل الجاد في هذا المجال ملحوظة بشكل خاص في هذه الشركة. ومن الأمثلة الصارخة بشكل خاص على تأثير هذه العملية حقيقة أن الفئة S الحالية (Cx 0,24) لديها مقاومة هواء أقل من Golf VII (0,28). في البحث عن مساحة داخلية أكبر ، اكتسب شكل النموذج المضغوط مساحة أمامية كبيرة إلى حد ما ، وكان معامل التدفق أسوأ من معامل الفئة S نظرًا لطوله الأقصر ، والذي لا يسمح بسطوح انسيابية والكثير أكثر. - بالفعل بسبب الانتقال الحاد من الخلف ، مما يساهم في تكوين الدوامات. ومع ذلك ، فإن شركة فولكس فاجن مصرة على أن الجيل القادم من الجولف سيكون أقل مقاومة للهواء وسيتم تخفيضه وتبسيطه. أقل عامل استهلاك وقود مسجل قدره 0,22 لكل مركبة تعمل بمحرك ICE هو مرسيدس CLA 180 BlueEfficiency.

ميزة المركبات الكهربائية

مثال آخر على أهمية الشكل الديناميكي الهوائي على خلفية الوزن هو النماذج الهجينة الحديثة وحتى السيارات الكهربائية. في حالة سيارة بريوس ، على سبيل المثال ، تملي الحاجة إلى تصميم ديناميكي هوائي عالي أيضًا حقيقة أنه مع زيادة السرعة ، تنخفض كفاءة مجموعة نقل الحركة الهجينة بشكل كبير. في حالة السيارات الكهربائية ، كل ما يتعلق بزيادة الأميال في الوضع الكهربائي مهم للغاية. وفقًا للخبراء ، فإن تقليل الوزن بمقدار 100 كجم سيزيد من المسافة المقطوعة بالسيارة ببضعة كيلومترات فقط ، ولكن من ناحية أخرى ، فإن الديناميكا الهوائية لها أهمية قصوى بالنسبة للسيارات الكهربائية.

أولاً ، لأن الكتلة العالية لهذه المركبات تسمح لها باستعادة بعض الطاقة المستخدمة للتعافي ، وثانيًا ، لأن عزم الدوران العالي للمحرك الكهربائي يتيح لك تعويض تأثير الوزن عند بدء التشغيل ، وتقل كفاءته بسرعات عالية وسرعات عالية. بالإضافة إلى ذلك ، تحتاج إلكترونيات الطاقة والمحرك الكهربائي إلى هواء تبريد أقل ، مما يسمح بفتحة أصغر في مقدمة السيارة ، وهو كما أشرنا سابقًا السبب الرئيسي لتدهور التدفق حول الجسم. عنصر آخر لتحفيز المصممين على ابتكار أشكال ديناميكية هوائية أكثر فاعلية في النماذج الهجينة الموصولة بالكهرباء اليوم هو وضع الحركة بدون تسارع فقط بمساعدة محرك كهربائي ، أو ما يسمى. إبحار. على عكس القوارب الشراعية ، حيث يأتي المصطلح ومن حيث من المفترض أن تحرك الرياح القارب ، ستزيد السيارات الكهربائية من الأميال إذا كانت مقاومة الهواء أقل في السيارة. يعد إنشاء شكل ديناميكي هوائي هو الطريقة الأكثر اقتصادا لتقليل استهلاك الوقود.

النص: جورجي كوليف

معدلات تدفق بعض السيارات الشهيرة:

مرسيدس Simplex

إنتاج 1904 ، Cx = 1,05

رومبلر تروبفيناجن

إنتاج 1921 ، Cx = 0,28

فورد موديل تي

إنتاج 1927 ، Cx = 0,70

النموذج التجريبي كام

إنتاج 1938 ، Cx = 0,36

سيارة مرسيدس قياسية

إنتاج 1938 ، Cx = 0,12

فولكس فاجن حافلة

إنتاج 1950 ، Cx = 0,44

فولكس فاجن "سلحفاة"

إنتاج 1951 ، Cx = 0,40

بانهارد دينا

إنتاج 1954 ، Cx = 0,26

بورش 356

إنتاج 1957 ، Cx = 0,36

إم جي EX 181

إنتاج 1957 ، Cx = 0,15

سيتروين دي إس 19

إنتاج 1963 ، Cx = 0,33

الأمير NSU سبورت

إنتاج 1966 ، Cx = 0,38

مرسيدس C 111

إنتاج 1970 ، Cx = 0,29

فولفو 245 فان

إنتاج 1975 ، Cx = 0,47

أودي 100

إنتاج 1983 ، Cx = 0,31

مرسيدس W 124

إنتاج 1985 ، Cx = 0,29

تويوتا بريوس 1

إنتاج 1997 ، Cx = 0,29