Sổ tay khí động học
Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến lực cản không khí của xe
Lực cản không khí thấp giúp giảm tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, về vấn đề này, vẫn còn rất nhiều dư địa để phát triển. Tất nhiên nếu các chuyên gia khí động học đồng ý với ý kiến của các nhà thiết kế.
"Khí động học cho những người không thể chế tạo xe máy." Những lời này đã được Enzo Ferrari nói vào những năm XNUMX và thể hiện rõ thái độ của nhiều nhà thiết kế thời đó đối với khía cạnh công nghệ này của xe hơi. Tuy nhiên, chỉ mười năm sau, cuộc khủng hoảng dầu mỏ đầu tiên xảy ra, làm thay đổi hoàn toàn toàn bộ hệ thống giá trị của họ. Thời điểm mà tất cả các lực cản trong quá trình chuyển động của ô tô, và đặc biệt là những lực cản phát sinh khi nó đi qua các lớp không khí, được khắc phục bằng các giải pháp kỹ thuật mở rộng, chẳng hạn như tăng chuyển vị và công suất của động cơ, bất kể lượng nhiên liệu tiêu thụ, chúng sẽ biến mất những cách hiệu quả hơn để đạt được mục tiêu của bạn.
Hiện tại, yếu tố công nghệ khí động học đang bị phủ một lớp bụi lãng quên dày đặc, nhưng đối với các nhà thiết kế thì điều này không có gì mới. Lịch sử công nghệ cho thấy rằng ngay cả trong những năm 77, những bộ óc tiên tiến và sáng tạo như Edmund Rumpler người Đức và Paul Zharai người Hungary (người đã tạo ra Tatra TXNUMX mang tính biểu tượng) đã tạo hình các bề mặt hợp lý và đặt nền tảng cho cách tiếp cận khí động học trong thiết kế thân xe. Tiếp theo là làn sóng thứ hai gồm các chuyên gia khí động học như Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld và Wunibald Kam, những người đã phát triển ý tưởng của họ trong XNUMX.
Mọi người đều thấy rõ rằng với tốc độ ngày càng tăng sẽ có giới hạn, trên giới hạn đó lực cản của không khí trở thành một yếu tố quan trọng để điều khiển ô tô. Việc tạo ra các hình dạng được tối ưu hóa về mặt khí động học có thể đẩy giới hạn này lên đáng kể và được biểu thị bằng cái gọi là hệ số dòng chảy Cx, vì giá trị 1,05 có một khối lập phương bị đảo ngược vuông góc với luồng không khí (nếu nó được xoay 45 độ dọc theo trục của nó, sao cho dòng ngược dòng cạnh giảm xuống 0,80). Tuy nhiên, hệ số này chỉ là một phần của phương trình lực cản không khí - bạn phải thêm kích thước của khu vực phía trước của ô tô (A) như một yếu tố quan trọng. Nhiệm vụ đầu tiên của các nhà khí động học là tạo ra các bề mặt sạch sẽ, hiệu quả về mặt khí động học (như chúng ta sẽ thấy, có rất nhiều yếu tố trong ô tô), điều này cuối cùng dẫn đến hệ số dòng chảy thấp hơn. Việc đo lường cái sau đòi hỏi một đường hầm gió, đây là một cấu trúc đắt tiền và cực kỳ phức tạp – một ví dụ về điều này là đường hầm được đưa vào hoạt động vào năm 2009. BMW, công ty tiêu tốn 170 triệu euro. Thành phần quan trọng nhất trong nó không phải là một chiếc quạt khổng lồ, tiêu thụ nhiều điện đến mức cần một trạm biến áp riêng, mà là một giá đỡ con lăn chính xác để đo tất cả các lực và khoảnh khắc mà một luồng không khí tác dụng lên ô tô. Nhiệm vụ của anh là đánh giá toàn bộ tương tác của ô tô với luồng không khí và giúp các chuyên gia nghiên cứu từng chi tiết và thay đổi nó sao cho luồng không khí không chỉ hiệu quả mà còn phù hợp với mong muốn của các nhà thiết kế. . Về cơ bản, các thành phần lực cản chính mà một chiếc ô tô gặp phải đến từ khi không khí phía trước nó nén lại và dịch chuyển, và – rất quan trọng – từ sự nhiễu loạn dữ dội phía sau nó ở phía sau. Có một vùng áp suất thấp có xu hướng kéo ô tô, do đó được trộn lẫn với hiệu ứng xoáy mạnh, mà các nhà khí động học còn gọi là "sự kích thích chết". Vì những lý do hợp lý, sau các mẫu xe ga, độ chân không cao hơn, do đó hệ số tiêu thụ giảm đi.
Các yếu tố cản khí động học
Cái sau không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng tổng thể của xe mà còn phụ thuộc vào các bộ phận và bề mặt cụ thể. Trên thực tế, hình dạng và tỷ lệ tổng thể của ô tô hiện đại chiếm 40% tổng lực cản không khí, một phần tư trong số đó được xác định bởi cấu trúc bề mặt vật thể và các đặc điểm như gương, đèn, biển số và ăng-ten. 10% sức cản của không khí là do dòng chảy qua các lỗ thông hơi đến hệ thống phanh, động cơ và hộp số. 20% là kết quả của dòng xoáy trong các thiết kế sàn và hệ thống treo khác nhau, tức là mọi thứ diễn ra bên dưới xe. Và điều thú vị nhất - 30% lực cản không khí là do các xoáy tạo ra xung quanh bánh xe và cánh. Một minh chứng thực tế về hiện tượng này cho thấy rõ điều này - tốc độ dòng chảy từ 0,28 trên mỗi xe giảm xuống 0,18 khi các bánh xe được tháo ra và lỗ thông hơi của chắn bùn được đóng lại. Không phải ngẫu nhiên mà tất cả những chiếc xe có số dặm thấp đáng ngạc nhiên - chẳng hạn như chiếc Insight đầu tiên của Honda và chiếc xe điện GM EV1 - đều có chắn bùn phía sau ẩn. Hình dạng khí động học tổng thể và phần đầu xe kín, do động cơ điện không cần nhiều không khí làm mát, cho phép các nhà thiết kế của GM phát triển mẫu EV1 với hệ số lưu lượng chỉ 0,195. Tesla Model 3 có Cx 0,21. Để giảm độ xoáy của bánh xe trong xe có động cơ đốt trong, cái gọi là. "Rèm gió" ở dạng luồng không khí mỏng thẳng đứng hướng từ lỗ mở ở cản trước, thổi quanh bánh xe và ổn định các xoáy, luồng gió đến động cơ bị hạn chế bởi cửa chớp khí động học và đáy hoàn toàn đóng lại.
Giá trị của các lực do giá đỡ con lăn đo được càng thấp thì Cx càng nhỏ. Nó thường được đo ở tốc độ 140 km/h – ví dụ: giá trị 0,30 có nghĩa là 30 phần trăm không khí mà ô tô đi qua được tăng tốc theo tốc độ của nó. Đối với mặt trước, việc đọc nó đòi hỏi một quy trình đơn giản hơn nhiều - đối với điều này, các đường viền bên ngoài của chiếc xe được phác thảo bằng tia laser khi nhìn từ phía trước và tính diện tích kèm theo tính bằng mét vuông. Sau đó, nó được nhân với hệ số dòng chảy để có tổng lực cản không khí của ô tô tính bằng mét vuông.
Quay trở lại phác thảo lịch sử của câu chuyện khí động học của chúng tôi, chúng tôi thấy rằng việc tạo ra chu trình đo mức tiêu thụ nhiên liệu tiêu chuẩn hóa (NEFZ) vào năm 1996 thực sự đóng một vai trò tiêu cực trong quá trình phát triển khí động học của ô tô (đã tiến bộ đáng kể vào những năm 7). ) vì yếu tố khí động ít ảnh hưởng do thời gian chuyển động với tốc độ cao ngắn. Mặc dù hệ số tiêu thụ giảm trong những năm qua, nhưng sự gia tăng kích thước của các phương tiện trong mỗi hạng dẫn đến sự gia tăng diện tích phía trước và do đó, làm tăng lực cản không khí. Những chiếc xe như VW Golf, Opel The Astra và BMW 90 Series có lực cản không khí cao hơn so với những chiếc xe tiền nhiệm của họ trong những năm 90. Xu hướng này được tạo điều kiện bởi các mẫu SUV ấn tượng với diện tích phía trước lớn và sự tinh giản đang xuống cấp. Loại phương tiện này chủ yếu bị chỉ trích vì trọng lượng lớn, nhưng trên thực tế, yếu tố này trở nên ít quan trọng hơn khi tốc độ tăng - khi lái xe bên ngoài thành phố với tốc độ khoảng 50 km / h, tỷ lệ lực cản không khí là khoảng 80 phần trăm, ở tốc độ đường cao tốc, nó tăng lên XNUMX phần trăm so với tổng lực cản mà ô tô phải đối mặt.
Ống khí động học
Một ví dụ khác về vai trò của lực cản không khí đối với hiệu suất của xe là mô hình Thành phố thông minh điển hình. Một chiếc xe hai chỗ có thể linh hoạt và nhanh nhẹn trên đường thành phố, nhưng thân xe ngắn và cân đối của nó lại rất kém hiệu quả về mặt khí động học. Trong bối cảnh trọng lượng thấp, lực cản không khí ngày càng trở thành một yếu tố quan trọng và với Smart, nó bắt đầu có tác dụng mạnh mẽ ở tốc độ 50 km / h. của một chi phí tương đối thấp.
Tuy nhiên, bất chấp những thiếu sót của Smart, thái độ của công ty mẹ Mercedes đối với khí động học là một ví dụ về cách tiếp cận có phương pháp, nhất quán và chủ động đối với quá trình tạo ra những hình dạng ngoạn mục. Có thể lập luận rằng kết quả của việc đầu tư vào đường hầm gió và làm việc chăm chỉ trong lĩnh vực này là đặc biệt đáng chú ý ở công ty này. Một ví dụ đặc biệt nổi bật về tác động của quá trình này là thực tế là S-Class hiện tại (Cx 0,24) có lực cản không khí ít hơn so với Golf VII (0,28). Để tìm kiếm thêm không gian nội thất, hình dạng của mẫu xe nhỏ gọn đã có diện tích phía trước khá lớn và hệ số dòng chảy kém hơn so với S-class do chiều dài ngắn hơn, không cho phép các bề mặt được thuôn dài và nhiều hơn. - do sự chuyển đổi mạnh từ phía sau, góp phần hình thành các xoáy. Tuy nhiên, VW kiên quyết rằng Golf thế hệ tiếp theo sẽ có lực cản không khí ít hơn đáng kể và được hạ thấp và sắp xếp hợp lý. Hệ số tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất được ghi nhận là 0,22 trên mỗi xe ICE là Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Lợi thế của xe điện
Một ví dụ khác về tầm quan trọng của hình dáng khí động học so với trọng lượng là các mẫu xe hybrid hiện đại và thậm chí nhiều xe điện hơn. Ví dụ, trong trường hợp của Prius, nhu cầu về thiết kế khí động học cao cũng được quyết định bởi thực tế là khi tốc độ tăng lên, hiệu suất của hệ thống truyền lực hybrid giảm đáng kể. Trong trường hợp xe điện, mọi thứ liên quan đến việc tăng quãng đường ở chế độ chạy điện là cực kỳ quan trọng. Theo các chuyên gia, việc giảm trọng lượng 100 kg sẽ chỉ tăng quãng đường đi được vài km, nhưng mặt khác, tính khí động học là điều tối quan trọng đối với một chiếc xe điện.
Thứ nhất, vì khối lượng lớn của những phương tiện này cho phép chúng thu hồi một số năng lượng được sử dụng để phục hồi, và thứ hai, vì mô-men xoắn cao của động cơ điện cho phép bạn bù lại tác động của trọng lượng khi khởi động, và hiệu quả của nó giảm xuống ở tốc độ cao và tốc độ cao. Ngoài ra, các thiết bị điện tử công suất và động cơ điện cần ít không khí làm mát hơn, điều này cho phép khe hở phía trước xe nhỏ hơn, như chúng tôi đã lưu ý, đây là nguyên nhân chính khiến dòng chảy quanh thân xe bị suy giảm. Một yếu tố khác thúc đẩy các nhà thiết kế tạo ra các hình dạng hiệu quả hơn về mặt khí động học trong các mẫu xe plug-in hybrid ngày nay là chế độ chuyển động mà không cần tăng tốc chỉ với sự trợ giúp của động cơ điện, hay còn gọi là động cơ điện. đi thuyền. Không giống như thuyền buồm, nơi mối đến và nơi gió được cho là sẽ di chuyển thuyền, ô tô điện sẽ tăng quãng đường đi được nếu ô tô có ít lực cản không khí hơn. Tạo ra một hình dạng tối ưu hóa về mặt khí động học là cách tiết kiệm nhất để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Văn bản: Georgy Kolev
Hệ số tiêu hao của một số dòng xe nổi tiếng:
Mercedes Simplex
Sản xuất năm 1904, Cx = 1,05
Rumpler Tropfenwagen
Sản xuất năm 1921, Cx = 0,28
Ford Model T
Sản xuất năm 1927, Cx = 0,70
Mô hình thực nghiệm Kam
Sản xuất năm 1938, Cx = 0,36
Xe kỷ lục Mercedes
Sản xuất năm 1938, Cx = 0,12
Xe buýt VW
Sản xuất năm 1950, Cx = 0,44
"rùa" VW
Sản xuất năm 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Sản xuất năm 1954, Cx = 0,26
Porsche 356
Sản xuất năm 1957, Cx = 0,36
MG EX 181
Sản xuất năm 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Sản xuất năm 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Sản xuất năm 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Sản xuất năm 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Van
Sản xuất năm 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Sản xuất năm 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Sản xuất năm 1985, Cx = 0,29
Toyota Prius 1
Sản xuất năm 1997, Cx = 0,29
