Aerodinamica autovehiculelor [306853]

Aerodinamica autovehiculelor

Aerodinamica studiază curgerea aerului în jurul și în interiorul corpurilor. [anonimizat], consumului de combustibil și manevrabilității.

fluidului. Vâscozitatea este proprietatea unui fluid de a se opune mișcării relative a particulelor constituente. Ea este percepută ca o rezistență la curgere.

Prin teoria stratului limită legile de mișcare ale fluidului se studiază pe două zone: [anonimizat], [anonimizat], în care vâscozitatea poate fi neglijată.

La contactul cu suprafața caroseriei particulele de aer au viteză nulă față de suprafață iar în punctele mai depărtate viteza crește (fig. 3). Se acceptă că grosimea stratului limită este egală cu distanța la care viteza atinge valoarea de 99% din viteza reală a curentului de aer.

[anonimizat], aflat în curgere staționară (neschimbată în timp), este constantă. A fost enunțată și argumentată de matematicianul elvețian Daniel Bernoulli (1700-1782) [anonimizat] 1738.

Familia elvețiană Bernoulli provine dintr-o [anonimizat] a evenimentelor politice ale epocii. Numără printre descendenții săi direcți peste 120 [anonimizat]:

Jakob Bernoulli (1654–1705), [anonimizat] ([anonimizat], ecuația diferențială de tip Bernoulli),

Johann Bernoulli (1667–1748), [anonimizat], [anonimizat],

Daniel Bernoulli (1700–1782): a formulat principiul (Legea lui Bernoulli) [anonimizat] (1710–1790), [anonimizat] (1744 – 1807), astronom, al cărui unchi a [anonimizat] I Bernoulli (1687–1759), matematician,

Nicolaus II Bernoulli (1695–1726), matematician ([anonimizat]-ților),

Jakob II Bernoulli (1759–1789) [anonimizat].

Legea lui Bernoulli se exprimă astfel: , (1)

în care:

v – viteza fluidului (în particular este viteza aerului față de autovehicul) ,

 – densitatea fluidului (în cazul aerului depinde de temperatură și de umiditate; pentru aerul uscat  aer = 1,413 Kg/m3 la -20°C,  aer = 1,2929 Kg/m3 la 0°C, aer = 1,2047 Kg/m3 la 20°C),

g – accelerația gravitațională ([anonimizat] 9,78 și 9,82 m/s2; [anonimizat], măsurată la latitudinea de 45°, [anonimizat] g = 9,80665 m/s2),

h – [anonimizat] – presiunea statică a fluidului (exercitată perpendicular pe direcția de deplasare).

[anonimizat] , constituie presiuni:

, [anonimizat], (2)

, [anonimizat].

[anonimizat]-[anonimizat]ent de fluid în mișcare presiunea totală este constantă.

Când curgerea fluidului are loc pe direcția orizontală (caz întâlnit frecvent la autovehicule) presiunea de poziție este nulă și ecuația se reduce la , adică la

Dacă în loc de densitatea  a fluidului se introduce greutatea specifică  =  ·g , relația devine (în cazul deplasării pe orizontală):

Dacă secțiunea curentului de fluid se micșorează, din condiția ca debitul să rămână constant rezultă că viteza crește; în consecință crește presiunea dinamică și scade cea statică/laterală (fig. 7b); când secțiunea se mărește (fig. 7c) viteza scade și presiunea laterală crește. Astfel se explică variațiile de presiune în diferite zone ale caroseriei unui automobil.

Efecte aerodinamice asupra autovehiculului

Fiecare din aceste șase mărimi (trei forțe și trei momente) se exprimă în funcție de presiunea dinamică pd ; conform (2) aceasta se scrie sub forma:

, (4)

în care este viteza aerului, care face unghiul  cu direcția de deplasare x a vehiculului.

În afară de presiunea dinamică, în expresiile forțelor intervine mărimea A care constituie proiecția frontală a ariei autovehiculului, iar în expresiile momentelor intervin A și W (ampatamentul).

(5)

(6)

Coeficientul aerodinamic

Simplificat, în cazul unui autovehicul, coeficientul aerodinamic este un parametru adimensional care exprimă rezistența cu care se opune aerul la deplasarea acestuia. Cu cât coeficientul aerodinamic este mai mic cu atât rezistența aerului la deplasarea autovehiculului este mai mică.

În mod obișnuit se notează CD (drag coefficient) sau, mai frecvent în Europa, Cx (pentru că se referă la forța pe direcția x).

Fig. 10. Aria frontală a autovehiculului

Măsurarea forțelor și a momentelor

Măsurarea sarcinilor care acționează asupra autovehiculelor se realizează în tunele aerodinamice (fig. 12), pe produsul real sau pe modele la scară (1:5 sau 1:4).

Fig. 12. Tunel aerodinamic

Automobilul este plasat în secțiunea de teste a tunelului aerodinamic. Cel mai des este folosită ca instrument de măsură o balanță de forță. Unele balanțe măsoară toate cele șase componente ale sarcinii (fig. 13), altele numai trei (Fx, Fz, My). Platforma balanței este legată prin bare rigide la șase

Fig. 13. Balanță pentru măsurarea a șase componente ale sarcinii

captori tensometrici care măsoară forțele axiale în lungul barelor respective. Se notează cu F1, F2, …, F6 forțele date de traductoarele tensometrice T1, T2, …, T6 ale captorilor.

Înainte de pornirea curentului de aer prin tunel, se măsoară greutatea W a autovehiculului, prin sumarea forțelor date de T1, T2 și T3.

În timpul funcționării tunelului forțele și momentele care acționează asupra automobilului se calculează astfel:

– forța de tragere: ,

– forța laterală: ,

– forța de ridicare: ,

– momentul de rulíu: ,

– momentul de tangaj: ,

– momentul de rotire: .

Pentru calcularea coeficientului aerodinamic Cx se folosește valoarea Fx măsurată în tunel și se aplică relația , în care A este aria frontală a autovehiculului, presiunea dina-mică în curentul de aer,  densitatea aerului și v viteza aerului.

În fig.14 este ilustrat modul în care a scăzut, în timp, coeficientul aerodinamic al automobilelor.

Fig. 14. Reprezentare schematică a tendinței de reducere a coeficientului Cx în secolul XX

În tabelul de mai jos se dau valorile coeficientului Cx pentru câteva automobile produse recent.

Câteva reguli practice

Roțile – pe cât posibil, se recomandă ca fluxul de aer să fie îndepărtat de roți. Multe mașini moderne au deflectoare aerodinamice (mici scuturi din plastic) înaintea roților față și un carenaj înaintea roților spate.

Grila radiatorului – cu cât fluxul de aer care intră în compartimentul motor este mai mic, cu atât este mai mică rezistența la înaintare. Evident, trebuie asigurat un flux de aer suficient pentru răcire.

Podeaua mașinii – conține foarte multe elemente mecanice care perturbă fluxul de aer. Este de dorit să fie cât mai plată posibil, fie din fabricație, fie prin folosirea unor scuturi de plastic. Dacă nu se pot monta pe toată lungimea mașinii, se recomandă scuturi de plastic cel puțin sub compartimentul motorului și în spate.

Eleron

Termenul provine din domeniul aviației și este de origine franceză (aileron – aripioară); desemnează piesele folosite ca suprafețe de comandă a zborului, montate pe bordul spate al aripilor, spre capăt (vârf). Ele realizează înclinarea laterală a avionului prin rotirea lui în jurul axei longitudinale (axa de rulíu), situație în care lucrează în tandem, în sens invers (ridică o aripă și o coboară pe cealaltă). Un alt rol funcțional este acela de corectare a dezechilibrelor avionului care apar inerent din cauza fluctuației forțelor aerodinamice asupra aripilor.

În cazul automobilelor eleronul (wing – aripă, în limba engleză) este un deflector de aer, lung și îngust, neintegrat de obicei în forma caroseriei și montat transversal în partea din spate a mașinii. Eleronul deviază aerul care trece pe deasupora automobilului și creează o fortă de împingere în jos (portanță negativă). Prin aceasta se realizează un contact mai bun al roților spate cu calea de rulare și astfel se mărește stabilitatea la viteze ridicate. Eleronul are aspect asemănător cu al spoilerului, dar sinonimia este aproximativă, rolurile fiind diferite. Uneori eleronul este folosit cu scop estetic, fiind una din cele mai populare modificări pe care pasionații de tuning le fac automobilelor.

Spoiler

Este un dispozitiv (panou) aerodinamic care schimbă direcția curentului de aer pentru a reduce forța ascensională sau rezistența aerului și pentru a îmbunătăți ventilația motorului.

Nu există un cuvânt cu acest sens în limba română și se utilizează termenul englezesc (așa cum se procedează și în alte limbi).

În engleză cuvântul spoiler e înregistrat de prin secolul al XVI-lea, cu sensul de „jefuitor” (pe atunci, și uneori și în prezent, spoil însemna „a prăda, a jefui”).

În cazul automobilelor se folosește (din jurul anului 1982) înțelesul de „a strica”, utilizat și în alte situații (strici copilul răsfățîndu-l, ploaia îți strică vacanța, cineva îți strică plăcerea unei cărți sau a unui film dezvăluindu-ți deznodământul).

În aerodinamica auto spoilerul strică ceva și anume curgerea aerului.

Spoilerul poate fi montat în fața sau în spatele automobilului. Rezultate optime se obțin dacă se folosesc ambele dispozitive.

Spoilerul față se plasează sub bara de protecție față, ca o prelungire a acesteia și confundându-se uneori cu ea. Rolul spoilerului față este de a devia aerul astfel încât partea din față a mașinii să nu se ridice. De asemenea poate avea rolul de a devia aerul din dreptul roților.

Spoilerul spate se montează pe portbagaj. El micșorează turbulențele care apar în spatele mașinii ca urmare a diferenței dintre plafon și portbagaj. Consecința diminuării turbulențelor este scăderea unei componente a forței de rezistență aerodinamică. Ca urmare, coeficientul Cx de rezistență aerodinamică se micșorează.

Ca și eleronul, spoilerul este montat uneori cu scop estetic.

Avantajele micșorării coeficientului Cx

• Dintre două mașini care au exact același motor, aceea care are un factor Cx mai mic va atinge o viteza mai mare decât cealaltă, pentru că întâmpină o rezistență mult mai mică a aerului.

• Altfel spus: dintre două mașini cu același motor, care merg cu aceeași viteză, acea cu Cx mai mic va consuma mai puțin combustibil.

• Zgomotul la mers în viteză sau la vânt puternic va fi mult redus, frecarea cu aerul fiind mai mică.

• Ținuta de drum va fi mai bună datorată scurgerii optimizate a aerului pe deasupra și pe dedesubtul caroseriei. La viteze mari și foarte mari (peste 120 km/h) aerodinamica devine foarte importantă.

• Caroseria aerodinamică este mai frumoasă, cu linii line, fluide, plăcute.

Date istorice privind aerodinamica autovehiculelor

Din punct de vedere istoric aerodinamica și tehnologia vehiculelor au fuzionat lent și au oferit rezultate palpabile foarte încet în timp. Acest lucru este cu atât mai surprinzător cu cât în alte două domenii înrudite și anume în proiectarea navelor maritime și în aeronautică s-au utilizat foarte eficient cunoștințe de mecanica fluidelor.

La începutul istoriei autovehiculelor, designerii acesora au încercat să împrumute forme active și funcționale de la nave și aeronave, dar cu timpul această abordare s-a dovedit a fi greșită pentru că acele forme au fost nepotrivite pentru vitezele tot mai mari ale autovehiculelor.

• Cel mai vechi autovehicul dezvoltat conform principiilor aerodinamicii a fost construit de belgianul Camille Jenatzy (inginer electrotehnician). Acest vehicul a fost primul care a depășit 100 km/h,

Audi-Alpensieger, fabricat în Germania (1912 – 1921). În America se producea celebrul Ford T.

• Începând din 1919 Edmund Rumpler a dezvoltat câteva modele pe care le-a denumit „automobile tip picătură”. Se considera că forma unei picături în cădere este perfectă din punct de vedere aerodinamic. Rumpler a fost un inginer austriac, absolvent al Universității Tehnice din Viena. După anul 1900 a lucrat în Germania în industria aviației. După Primul Război Mondial, când Germaniei i

Abia mai târziu cu câteva decenii această rezistență aerodinamică a fost atinsă de un automobil de serie, Opel Omega, 1986.

• O contribuție remarcabilă în domeniul aerodinamicii automobilelor au avut-o cercetările lui Paul Jaray. Născut în 1889 la Viena, a studiat la Maschinenbauschule din Viena și a lucrat la Universita-tea Tehnică din Praga ca asistent universitar. Apoi a lucrat în Germania, la Friedrichshafen, unde a fost șef de proiect la o firmă de construcție a aeronavelor. S-a mutat, în același oraș, la Societatea lui Ferdinand von Zeppelin care fabrica baloane dirijabile (cunoscutele zepeline).

Împreună cu W.Klemper, Jaray a efectuat experiențe de aerodinamică în tunelul de vânt al lui Zeppelin, determinând valori ale coeficienților aerodinamici și stabilind și unele principii de raționalizare a formei pentru proiectarea automobilelor.

Coeficienți aerodinamici determinați de Jaray și Klemper în tunelul de vânt

Pentru comparație, delfinul are Cx = 0,03.

În 1923 Jaray s-a mutat definitiv în Elveția, deschizând un birou în Brunnen (pe țărmul lacului Lucerne). A efectuat proiecte de automobile, începând cu modelul Ley din 1923 și continuând cu modele pentru Chrysler, Audi, Mercedes-Benz, Ford, Steyr, Maybach ș.a.

Cam în aceeași perioadă cu cercetările lui E. Rumpler privind "automobilul picătură", Jaray a dezvoltat studii pentru realizarea unui „automobil carenat” (nume inventat de el în lucrarea "Automobilul carenat, o nouă formă pentru caroseria unui automobil").

În 1927 a înființat Stromlinien Karosserie Gesellschaft (Compania de raționalizare a caroseriei), care a prezentat nenumărate proiecte de caroserii simplificate (raționalizate) și a eliberat licențe pentru marii producătorii de vehicule.

Paul Jaray a produs propria mașină, în 1933, la Lucerna, pe un șasiu Mercedes-Benz.

A fost profesor la Institutul Federal de Tehnologie din Zurich. A murit în 1974 la St. Gallen, în vârstă de 85 de ani.

Cele mai mari realizări după principiile lui Jaray sunt automobilele produse în Cehoslovacia, de uzinele Tatra din Kopřivnice (Moravia), înființate în 1897.

•  În România, în anul 1922, Aurel Perșu (1890-1977) a proiectat un autovehicul cu un profil foarte apropiat de „jumătatea de profil” ideală a lui Jaray.

Aurel Perșu a urmat Școala Superioară Tehnică din Berlin-Charlottenburg, absolvind Secția Mecanică în 1913, ca șef de promoție. În 1914 a fost medaliat de Ministerul Instrucțiunii Publice din Germania pentru un studiu deosebit în domeniul comportării navelor în spațiul cosmic.

Invenția care l-a făcut celebru s-a intitulat Automobil de formă aerodinamică cu patru roți montate înăuntrul formei aerodinamice. Brevetul a fost obținut în Germania la 19 septembrie 1924, cererea de brevetare fiind adresată la 13 noiembrie 1922.

A construit automobilul în perioada 1922-1924, cu bani proprii, în Germania. A ajuns la coeficientul aerodinamic de 0,22 care este și astăzi greu de atins.

Deși invenția sa a fost patentată, Aurel Perșu nu și-a văzut visul cu ochii. Ford și General Motors, care și-au declarat interesul de a cumpăra patentul, nu i-au garantat românului că vor produce mașina (probabl din cauza formei mai puțin atrăgătoare), motiv pentru care Aurel Perșu a refuzat să-l vândă.

•  În anul 1930 și-a început activitatea de cercetare în domeniul aerodinamicii automobilelor Wunibald Kamm, numit, în acel an, profesor la catedra de automobile și motoare de vehicule de la Universitatea Tehnică din Stuttgart. El a fost preocupat în special de reducerea turbulenței la spatele

• În anul 1939, cu doar câteva luni înainte de izbucnirea celui de-al Doilea Război Mondial, Karl Schlör a prezentat publicului, la Salonul Auto Internațional de la Berlin, modelul experimental Schlörwagen (wagen – a îndrăzni, în limba germană). Vehiculul a primit porecla "Oul din Göttingen".

Schlör era inginer la grupul Krauss Maffei din Munchen și a condus cercetările pentru realizarea unui automobil cu coeficient aerodinamic foarte redus, cercetări efectuate din 1936 la Institutul de testări aerodinamice din Göttingen. Rezultatul a fost impresionant: coeficientul aerodinamic era de doar 0.15, valoare care este și în prezent departe de a fi realizată de alte automobile.

– având locuri (nu prea confortabile) pentru șapte persoane, avea o lățime de peste doi metri; și înălțimea era destul de mare, ceea ce o făcea instabilă la vântul lateral;

– în timpul războiului modelul a fost ținut într-un depozit de lângă Göttingen, dar fără roți și fără scaune; în 1942 câțiva ingineri au încercat să dea din nou viață acestei creații ciudate; Schlörwagen a făcut câteva ture pe circuitul de teste din Göttingen, dar asta a fost tot.

• În istoria automobilului, cel mai aerodinamic sedan de serie a fost Tatra T77, cu un coeficient de numai 0.212, care a reușit să stea pe prima poziție în privința aerodinamicii timp de 81 de ani.

Mașina a fost realizată în mare secret de către Hans Ledwinka (șef de proiect) și Erich Ubelacker (carosier), consultant fiind Paul Jaray. Prezentarea oficială a fost făcută la 5 martie 1934 la birourile Tatra din Praga. Demonstrații pe șosea au fost efectuate la Karlovy Vary unde a atins cu ușurință 145 km/h și a impresionat prin maniabilitate și confort de conducere la viteza de 100 Km/h. În același an a fost prezentată la Salonul Auto de la Paris, unde a devenit centrul atenției, prin linia sa atipică și prin performanțe. Fuseseră îndoieli privind capacitatea mașinii de a atinge 140 km/h cu un motor de numai 75 CP (în acea epocă această viteză se putea atinge doar cu motoare care aveau dublul acestei puteri).

Tatra 77

Tatra 77 este construită pe un șasiu central tubular din oțel și acționată de un motor V8 de 3,4 litri, montat în spate și răcit cu aer.

Printre personalitățile care au cumpărat și folosit Tatra 77 figurează însuși carosierul său, Erich Ubelacker. A mai fost preferată de Milos Havel (proprietarul studiourilor cinematografice din Praga), Edmund Rumpler (celebrul aerodinamician care crease Tropfenwagen în 1921), Edward Beneš (ministru de externe al Cehoslovaciei). Mai târziu a fost achiziționată de președintele Cehoslovaciei.

T77 avea particularitatea că volanul era plasat în partea centrală a tabloului de bord. În față puteau sta doi pasageri, în stânga și în dreapta pilotului, scaunele lor finnd plasate ceva mai în spate. Multe exemplare T77 aveau volanul pe dreapta, căci în Cehoslovacia, ca și în multe alte state europene, înainte de război circulația se făcea pe stânga. O altă particularitate a fost aceea că portierele din față se deschideau spre înainte. Se remarcă, de asemenea, eleronul longitudinal din spate, care avea rolul de a repartiza presiunea aerului pe cele două părți ale mașinii.

Ledwinka n-a fost mulțumit pe deplin de T77, mai ales datorită spatelui prea greu. Un an mai târziu (1935) a fost produsă T77a, care era mai ușoară și prezenta o repartiție mai bună a greutății pe roți.

În următorii 40 de ani Tatra a fost creată în noi modele: Tatra 87 (1936-1950), Tatra 97 (1936-1939), Tatra 600 Tatraplan (1946-1952) și Tatra 603 (1956-1975).

Tatra 87 avea motor de putere mai mare (85 CP) și putea atinge viteza de 160 Km/h, fiind unul din cele mai rapide automobile din acea perioadă. Consumul de combustibil era de 12,5 l / 100Km, în timp ce mașinile similare consumau de două ori mai mult.

***

În prezent (2018) automobilele cu cea mai bună aerodinamică sunt:

1. Mercedes-Benz CLA 180 Blue Efficiency

A început fabricația în 2013 și continuă și în prezent. Are coeficientul aerodinamic Cx = 0.22, deținând recordul mondial pentru cea mai aerodinamică mașină cu patru uși. Acest lucru a fost posibil datorită unei podele plate, înălțimii reduse și a zonei frontale de mici dimensiuni.

2. Mercedes-Benz W213 E-Class – coeficient aerodinamic 0.23.

3. Audi B9 A4 – coeficient aerodinamic 0.23.

4. Tesla Model S – coeficient aerodinamic 0.24.

5. Toyota Prius

Este cel mai cunoscut hibrid de pe piață, fabricat din 1997, în mai multe generații. Se comerciali-zează în SUA din 2003 iar în Europa din 2009; are coeficientul aerodinamic 0.24.