Dòng chảy hỗn loạn
nội dung
Công nghệ hiện đại đang thay đổi khí động học ô tô như thế nào
Lực cản không khí thấp giúp giảm tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, về mặt này, có rất nhiều cơ hội để phát triển. Cho đến nay, tất nhiên, 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 60 và thể hiện rõ thái độ của nhiều nhà thiết kế thời bấy giờ 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 và toàn bộ hệ thống giá trị của họ đã thay đổi hoàn toàn. Thời điểm mà tất cả các lực cản trong chuyển động của ô tô, và đặc biệt là lực cản phát sinh do 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 biến mất, và các kỹ sư bắt đầu tìm kiếm 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 nó không hoàn toàn mới. Lịch sử công nghệ cho thấy rằng ngay từ những năm 77, những bộ óc tiên tiến và sáng tạo như Edmund Rumpler người Đức và Paul Jaray người Hungary (người đã tạo ra Tatra T1930 đình đám) đã tạo hình các bề mặt hợp lý và đặt nền móng 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 vào những năm XNUMX.
Mọi người đều thấy rõ rằng với tốc độ ngày càng tăng thì sẽ có giới hạn, trên giới hạn đó lực cản của không khí trở thành một yếu tố quan trọng trong việc điều khiển ô tô. Việc tạo ra các hình dạng được tối ưu hóa về mặt khí động học có thể dịch chuyển giới hạn này lên trên một cách đáng kể và được biểu thị bằng cái gọi là hệ số lưu lượng Cx, vì giá trị 1,05 có một hình lập phương được đảo ngược vuông góc với luồng không khí (nếu nó được xoay 45 độ dọc theo trục của nó, do đó cạnh ngược dòng của nó giảm xuống 0,80). Tuy nhiên, hệ số này chỉ là một phần của phương trình lực cản không khí - kích thước của khu vực phía trước của ô tô (A) phải được thêm vào như một yếu tố thiết yếu. 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 việc giảm hệ số dòng chảy. Để đo cái sau, cần có một đường hầm gió, đây là một cơ sở tốn kém và cực kỳ phức tạp – một ví dụ về điều này là đường hầm trị giá 2009 triệu euro của BMW được đưa vào hoạt động vào năm 170. 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 mômen mà luồng không khí tác dụng lên xe. Công việc của anh ấy là đánh giá tất cả sự tương tác của ô tô với luồng không khí và giúp các chuyên gia nghiên cứu từng chi tiết và thay đổi nó theo cách không chỉ làm cho nó hoạt động hiệu quả trong luồng không khí 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 – một điều cực kỳ quan trọng – từ sự nhiễu loạn dữ dội phía sau nó ở phía sau. Ở đó, một vùng áp suất thấp được hình thành có xu hướng kéo ô tô, từ đó trộn lẫn với ảnh hưởng mạnh của dòng xoáy, mà các nhà khí động học còn gọi là "sự kích thích chết". Vì những lý do hợp lý, đằng sau các mô hình bất động sản, mức độ giảm áp suất cao hơn, do đó hệ số dòng chảy xấu 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 tính năng như gương, đèn, biển số và ăng-ten. 10% lực cản của không khí là do dòng chảy qua các lỗ tới hệ thống phanh, động cơ và hộp số. 20% là kết quả của dòng xoáy trong các cấu trúc sàn và hệ thống treo khác nhau, tức là mọi thứ diễn ra bên dưới ô tô. Và điều thú vị nhất là có tới 30% lực cản của 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 - hệ số tiêu thụ từ 0,28 trên mỗi xe giảm xuống 0,18 khi bánh xe được tháo ra và các lỗ trên cánh được che lại khi hoàn thiện hình dáng của xe. Không phải ngẫu nhiên mà tất cả những chiếc xe có số dặm thấp đáng ngạc nhiên, như Honda Insight đầu tiên và xe điện EV1 của GM, 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 lượng lớn không khí làm mát, cho phép các nhà phát triển GM phát triển mẫu EV1 với hệ số lưu lượng chỉ 0,195. Tesla model 3 có Cx 0,21. Cái gọi là để giảm dòng xoáy quanh bánh xe trong xe có động cơ đốt trong. "Rèm không khí" ở dạng một luồng không khí mỏng thẳng đứng được dẫn từ lỗ mở ở cản trước, thổi quanh các bánh xe và ổn định các xoáy. Dòng chảy đến động cơ bị giới hạn bởi các cửa chớp khí động học và phần dưới được đóng hoàn toàn.
Lực được đo bằng giá đỡ con lăn càng thấp thì Cx càng thấp. Theo tiêu chuẩn, nó 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 sẽ tăng tốc theo tốc độ của nó. Đối với khu vực phía trước, việc đọc nó đòi hỏi một quy trình đơn giản hơn nhiều - đối với điều này, với sự trợ giúp của tia laser, các đường viền bên ngoài của chiếc xe được phác thảo khi nhìn từ phía trước và diện tích khép kín tính bằng mét vuông được tính toán. Điều này sau đó được nhân với hệ số dòng chảy để có được tổng lực cản không khí của xe tính bằng mét vuông.
Quay trở lại phác thảo lịch sử về mô tả 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 1980). ) vì yếu tố khí động ít ảnh hưởng do thời gian chuyển động với tốc độ cao ngắn. Mặc dù hệ số dòng chảy giảm theo thời gian, nhưng việc tăng kích thước của các phương tiện trong mỗi hạng sẽ dẫn đến tăng diện tích phía trước và do đó tăng lực cản không khí. Những chiếc xe như VW Golf, Opel Astra và BMW 7 Series có lực cản không khí cao hơn so với những chiếc xe tiền nhiệm của họ trong những năm 1990. Xu hướng này được thúc đẩy bởi một loạt các mẫu SUV ấn tượng với diện tích phía trước lớn và tình trạng giao thông ngày càng tồi tệ. Loại xe này chủ yếu bị chỉ trích vì trọng lượng khổng lồ của nó, nhưng trên thực tế, yếu tố này có tầm quan trọng tương đối thấp hơn khi tốc độ tăng - trong khi khi lái xe bên ngoài thành phố với tốc độ khoảng 90 km / h, tỷ lệ lực cản không khí là khoảng 50 phần trăm, ở tốc độ đường cao tốc, nó tăng lên 80 phần trăm tổng lực cản mà phương tiện gặp phải.
Ống khí động học
Một ví dụ khác về vai trò của lực cản không khí đối với hoạt động của xe là mô hình Thành phố thông minh điển hình. Một chiếc xe hai chỗ ngồi có thể nhanh nhẹn và linh hoạt trên đường thành phố, nhưng một thân xe ngắn và cân đối thì cực kỳ kém hiệu quả theo quan điểm khí động học. Trong bối cảnh trọng lượng nhẹ, sức cản của không khí ngày càng trở thành một yếu tố quan trọng và với Smart, nó bắt đầu có tác động mạnh ở tốc độ 50 km / h.
Tuy nhiên, bất chấp những thiếu sót của Smart, cách tiếp cận khí động học của công ty mẹ Mercedes thể hiện một cách tiếp cận có phương pháp, nhất quán và chủ động đối với quá trình tạo ra các hình dạng hiệu quả. Có thể lập luận rằng kết quả của việc đầu tư vào đường hầm gió và công việc khó khăn trong lĩnh vực này đặc biệt dễ thấy 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 gió kém hơn so với Golf VII (0,28). Trong quá trình 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 dài được thuôn dài và chủ yếu là do sự chuyển đổi mạnh về phía sau, thúc đẩy sự hình thành các xoáy. VW kiên quyết rằng Golf thế hệ thứ tám mới sẽ có lực cản không khí ít hơn đáng kể và hình dáng thấp hơn và hợp lý hơn, nhưng bất chấp thiết kế mới và khả năng thử nghiệm, điều này tỏ ra vô cùng khó khăn đối với chiếc xe. với định dạng này. Tuy nhiên, với hệ số 0,275, đây là chiếc Golf khí động học nhất từng được tạo ra. Tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất được ghi nhận là 0,22 trên mỗi xe sử dụng động cơ đốt trong là của 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. Trong trường hợp của Prius, chẳng hạn, nhu cầu về hình dạng khí động học cao cũng được quyết định bởi thực tế là khi tốc độ tăng, hiệu suất của hệ thống truyền lực hybrid giảm. Trong trường hợp xe điện, bất cứ điều gì liên quan đến việc tăng quãng đường đi được ở chế độ chạy điện là cực kỳ quan trọng. Theo các chuyên gia, việc giảm 100 kg trọng lượng sẽ chỉ làm tăng quãng đường đi của chiếc xe thêm vài km, nhưng mặt khác, tính khí động học là điều tối quan trọng đối với một chiếc xe điện. Thứ nhất, bởi vì khối lượng lớn của những chiếc xe này cho phép chúng phục hồi một phần năng lượng đã tiêu thụ khi phục hồi, và thứ hai, vì mô-men xoắn cao của động cơ điện cho phép nó bù lại tác động của trọng lượng trong quá trình khởi động, và hiệu suất của nó giảm ở tốc độ cao và tốc độ cao. Ngoài ra, thiết bị điện tử 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, là nguyên nhân chính làm giảm lưu lượng cơ thể. Một yếu tố khác thúc đẩy các nhà thiết kế tạo ra các hình thức hiệu quả hơn về mặt khí động học trong các mẫu xe plug-in hybrid hiện đại là chế độ chỉ điện không tăng tốc, hay còn được gọi là. thuyền buồm. Không giống như thuyền buồm, nơi thuật ngữ được sử dụng và gió phải di chuyển thuyền, trong ô tô, quãng đường chạy bằng điện sẽ tăng lên 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 hiệu quả nhất để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Hệ số tiêu hao của một số dòng xe nổi tiếng:
Mercedes Simplex
Sản xuất 1904, Cx = 1,05
Rumpler drop wagon
Sản xuất 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Sản xuất 1927, Cx = 0,70
Mô hình thử nghiệm Kama
Sản xuất năm 1938, Cx = 0,36.
Xe kỷ lục Mercedes
Sản xuất 1938, Cx = 0,12
Xe buýt VW
Sản xuất 1950, Cx = 0,44
"Con rùa" Volkswagen
Sản xuất 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Sản xuất năm 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Sản xuất năm 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
Sản xuất năm 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Sản xuất 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Sản xuất 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Sản xuất 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Bất động sản
Sản xuất 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Sản xuất 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Sản xuất 1985, Cx = 0,29
Lamborghini countach
Sản xuất 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Sản xuất 1997, Cx = 0,29
