آیرودینامیک خودرو چیست؟

آیرودینامیک یا هواپویش، شاخه‌ای از دینامیک گازها و در حالت کلی‌تر دینامیک سیّالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک می‌پردازد. منظور از حل یک مسئلهٔ آیرودینامیکی، محاسبهٔ میدان سرعت، فشار، و دمای هوا در اطراف یک جسم است. برای این منظور باید معادله‌های حاکم بر جریان سیّال را حل کرد. سپس به کمک حل به دست آمده می‌توان نیروها و گشتاورهای وارد بر جسم را  حساب کرد.

مسئله‌های آیرودینامیکی را می‌توان از جنبه‌های مختلف طبقه‌بندی کرد. یک طبقه‌بندی معمول بر اساس الگوی جریان هواست. اگر مسئلهٔ آیرودینامیکی مربوط به جریان هوا در اطراف یک جسم باشد به آن آیرودینامیک بیرونی و اگر مربوط به جریان هوا داخل یک محیط بسته باشد به آن آیرودینامیک درونی گفته می‌شود. مثال آیرودینامیک بیرونی، جریان هوا در اطراف یک هواپیما و مثال آیرودینامیک درونی، جریان هوا داخل یک موتور جت یا تونل باد است.

روش دوم طبقه‌بندی بر اساس چگالی هواست. اگر چگالی جریان هوا در همهٔ نقاط میدان سیّال ثابت باشد و با زمان تغییر نکند، جریانتراکم‌ناپذیر و در غیر این صورت تراکم‌پذیر است.

روش سوم طبقه‌بندی مسئله‌های آیرودینامیکی بر اساس عدد ماخ جریان هوا است. اگر عدد ماخ کوچک‌تر از یک باشد جریان فروصوتی، اگر نزدیک یک باشد جریان هَماصوتی، اگر بزرگ‌تر از یک و کوچک‌تر از پنج باشد جریان زبرصوتی، و اگر بزرگ‌تر از پنج باشد جریان فوق‌صوتی خوانده  می‌شود.

روش چهارم طبقه‌بندی بر اساس گرانروی هواست. اگر ضریب گرانروی ناچیز فرض شود جریان غیرلزج و در غیر این صورت لزج خوانده می‌شود.

 

آیرودینامیک خودرو

مقدمه ایبرکاربرد آیرودینامیک در خودرو

معنی ايروديناميک در اصل، چيزی به جز مطالعه رفتار هوای متحرك نيست. اگر بخواهيم از رفتار هوا به نفع خود استفاده كنيم، بايد ببينيم كه هوا به هنگام حركت چگونه عمل می كند. از آزمايشات با دوچرخه يا اتومبيل بدون سقف و همچنين از تجربيات خود در مورد تأثير هوای توفانی مي دانيم كه يك تندباد دارای چه نيروی عظيمی است؛ كار يك متخصص ايروديناميك اين است كه از اين نيروی عظيم برای بالا نگهداشتن هواپيما استفاده كند؛ برای مثال، اگر يك هواپيما 75 تن وزن داشته باشد، بالهای آن بايد طوری طراحی شوند كه جريان هوا بتواند در آنها فشاری معادل 75 تن ايجاد كند.

هدف طراح بال اينست كه باد نسبي فقط مقدار نيرويي را توليد كند كه آن نيرو هواپيما را به سمت بالا سوق دهد. وي ديگرمايل نيست كه باد نسبي نيرويي هم براي پس زدن و عقب بردن هواپيما ايجاد كند. اما طراح متأسفانه قادر نيست به آنچه مي خواهد دست يابد، زيرا جريان هوا در اطراف هواپيما مقداری هم نيروی رو به عقب توليد مي كند كه اين نيرو حركت رو به جلوی هواپيما را محدود مي سازد.

نيروی رو به عقب به نيروی پسار یا درگ يا رانش معكوس يعنی نيرويی كه هواپيما را به عقب می كشد، معروف است. شما هم اگر رو به باد ركاب بزنيد يا بدويد، احساس خواهيد كرد كه نيرويی شما را از عقب می كشد و از پيشرويتان جلوگيری مي كند.

به احتمال قوي انتظار داريد بگوييم نيروی پساری كه هوا در هواپيما يا اشيا توليد می كند از طريق فشار دادن است نه كشيدن، يعني بايد هوای جلوی هواپيما باشد كه پسار به وجود می آورد نه هوای عقب آن. اين نظريه درست است و ايرادی بر آن وارد نست، ولی كل قضيه برخلاف سادگی ظاهری، از مفهوم عميق تری برخوردار است. به عنوان مثال بد نيست كمی در مورد همين اتوبوسی كه ايستاده است بينديشيم:

 

فشار هوا در همه اطراف آن برابر و مقدارش نيز به همان اندازه فشار جوی متعارفی است كه همواره ما را احاطه كرده است.

اما به محض اينكه اتوبوس راه می افتد ، فشار هوا در جلو آن اندكی از فشار متعارف بيشتر مي شود. اكنون ديگر تعادل بين فشار هواي جلو و فشار هوای پشت اتوبوس از بين رفته و فشاری اضافی در جلو اتوبوس پيدا شده كه اتوبوس را به سمت عقب پس می زند و باعث ايجاد پسار می شود.

حال لازم است كه فشار هوای عقب را تا جايی كه مقدور است بالا نگه داريم تا تعادل از دست رفته را دوباره بدست آوريم. برای اين منظور، چاره اي نيست جز اينكه عقب ماشين را مخروطی درست كنيم تا جريانات تقسيم شده هوا به نرمی به هم ملحق شوند و زياد دچار آشفتگی نگردند.

 

اين روش در ساختن اتومبيلهای سواری تندرو و هواپيماهای سريع السير و همچنين در طراحی بدنه كشتيها و قايق ها نيز به كار می رود.

جریان های آیرودینامیکی:

منظور از جریان های ائرودینامیکی حرکت هوا روی سطح بدنه است به طور کلی هوایی که از روی سطح بدنه خودرو عبور می کند به دو دسته جریان کلی تقسیم می شوند:

 

جریان لامینار – جریان توربولانس

جریان لامینار:

جریان هایی که با نظم خاصی از روی بدنه خودرو عبور می کند.این جریان ها دارای هیچ گونه اغتشاش و بی نظمی در حرکت خودرو نیستند و بیشتر در جلو ، طرفین و قسمت زیرین خودرو به وجود می اید.خطوط روی بدنه به جهت دادن این جریان ها کمک می نماید.

جریان توربولانس:

این جریانها دارای بی نظمی هستند.اغتشاش زیادی را به وجود اورده و بیشتر در قسمت عقب خودرو پدیدار می گردند مقدار این جریان ها در خودروهای سدان (چهار در) بیشتر هستند البته این بدین معنی نیست که خودروهای سدان دارای نیروی درگ بسیار زیادتری نسبت به خودروهای دیگر باشند.به قول معروف با مهندسی دقیق هر کاری میشود انجام داد.مهندسین و طراحان همواره در تلاشند تا با بهبود خواص ائرودینامیکی این جریان ها (توربولانس) را از بین ببرند.هرچه جریان های توربولانس کمتری در خودرو پدیدار گردد خودرو دارای نیروی درگ کمتری خواهد بود.

نیروی درگ یا مقاومت یا پسا (Drag Force) چیست؟

 

هر خودرو برای حرکت همواره با نیرویی از جانب سیال (هوا) روبرو است،این نیرو همان نیروی درگ است که در مسائل آیرودینامیکی مربوط به طراحی و ساخت خودرو همواره از اهمیت خاصی برخورداراست.طراحان و خودروسازان به وسیله اعمال ترفندهایی سعی در کاهش این نیرو و مقابله با آن را دارند.نیروی درگ به عوامل مختلفی مربوط می شود تا یک خودرو دارای ضریب آیرودینامیکی (ضریب پسار) بهتری باشد.برخی از این عوامل عبارتند از:

1.جنس مواد به کار رفته در بدنه خودرو (برخی از مواد دارای اصطکاک کمتری با هوا هستند که مورد توجه قرار می گیرند در ساخت بعضی از خودروها)
2.خطوط روی بدنه خودرو (این خطوط کمک شایانی به خودرو جهت شکافتن هوا می نمایند.)
3.شکل ظاهری خودرو (برای درک این مورد کافی است به شکل ظاهری خودروهای سوپر اسپرت مثل لامبورگینی و فراری توجه و بعد از ان به خودروهای شاسی بلند مثل هامر یا جیپ توجه کنید تا متوجه خواص ائرودینامیکی بهتر سوپر اسپرت ها شوید.)

یکی از عواملی که در طراحی خودرو باید لحاظ شود انجام عملیاتی که در قسمتهایی از خودرو گره ها و یا به عبارت بهتر آشفتگی های هوایی به وجود نیاید.این آشفتگی ها باعث می شوند تا خودرو برای تداوم داشتن حرکت خود تلاش بیشتری کند و یکی از مضراتاین تلاش بیشتر افزایش مصرف سوخت در خودرو است.این گره ها همچنینی باعث ناپایدار شدن خودرو هم می شوند.

مسائل ائرودینامیکی در طراحی خودروهای مسابقه ای از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است از از این رو می توان خودروهای فرمولاوان را نام برد که از بالاترین سطح ائرودینامیک خودرو سود می برد.به عبارت بهتر در خودروهایی که در مسابقات سرعت شرکت می کنند مقاومت هوا باید به میزان بسیار کمتری در مقابل خودرو صورت پذیرد.

در خودروهای سوپر اسپرت و خودروهایی که فاکتور سرعت و شتاب بسیار مهم است سرعت هوایی که از زیر خودرو عبور می کند بسیار سریع تر از هوایی که از بالای خودرو عبور می کند است بنابراین به دلیل حرکت کند هوا در بالای خودرو فشار ایجاد شده در این قسمت بیشتر از قسمت زیر خودرو است و فشار بالای خودرو باعث چسبیدن خودرو به زمین می شود.

در خودرو مناطق مختلف خودرو دارای مقادیر مختلف فشار هستند:

– قسمت جلوی خودرو دارای فشار زیاد است
– قسمت عقب خودرو دارای فشار کمی است

قسمت جلوی خودرو جریان هوا را می شکافد سپس هوای شکافته شده به منطقه پشت ان می رسد در این وقت قسمت پشت خودرو باید توانایی این امر را داشته باشد تا هوای شکافته شده را به ارامی ببندد.به طور کلی هرچه جلوی خودرو سریع تر هوا را بشکافد و قسمت عقب با ارامش بیشتری حفره ایجاد شده را ببندد ما شاهد جریان اغتشاشی کمتری در قسمت عقب خودرو هستیم.

درگ نیرویی است که باعث کندی حرکت اجسام می‌شود و جابه‌جایی را برای آن‌ها مشکل می‌سازد. درست مانند راه رفتن در آب که به مراتب از راه رفتن در خشکی سخت‌تر است و به این‌ دلیل است که آب نسبت به هوا، نیروی درگ بیشتری را باعث می‌شود. شکل اشیا نیز در به وجود آمدن نیروی درگ تاثیر بسزایی دارند. بیش‌تر اجسام کروی نسبت به اجسام با سطح مقطع صاف، نیروی مقاومت بیش‌تری دارند و معمولا اجسام کم‌عرض از نمونه های عریض‌تر درگ کمتری را تولید می‌کنند. به بیانی دیگر هر چقدر که جریان هوا با سطح مقطع یک جسم تماس بیش‌تری داشته باشد، درگ بیش‌تری تولید می‌کند.

در سرعتهای بالاتر، نیروهای دیگری غیر از نیروی آیرودینامیكی به خودرو وارد می گردد. «نیروی آیرودینامیکی» به عنوان یکی از نیروهای مقاوم در برابر خودرو می باشد كه از طرف جاده به خودرو وارد می شود. نیروی آیرودینامیک وارد بر خودرو، با نیروی دراگ، نیروی بالا برنده، نیروی پایین برنده، گشتاور دورانی، گشتاور پیچشی، گشتاور چرخشی و صدا اثر متقابل دارد. این نیروها بر مصرف بهینه سوخت، كنترل و هدایت خودرو و (NVH)(Noise, Voice, Harshness) فوق العاده موثرند. هنگام بررسی یک خودرو از نظر آیرودینامیکی و در هنگام مقایسه با ضریبی به نام ضریب درگ یا ضریب کشش (Coefficient of Drag) مواجه می شویم. ضریب درگ میزان مقاومت یا واماندگی یک جسم در مقابل عبور جریان هوا از یک جهت خاص (عموماً از سمت جلو) می باشد و این ضریب یک عدد کاملاً مستقل بوده و ارتباطی با سطح مقطع جسم ندارد. هرچه سطح مقطع یك جسم بیشتر باشد، مقاومت در مقابل جریان باد نیز بیشتر می شود. نیروی مقاومت کلی جسم در برابر عبور جریان هوا حاصلضرب ضریب درگ در سطح مقطع جسم می باشد. سطح مقطع جسم به معنای سطح عمودی حاصل از برش عمودی جسم مورد نظر در بزرگترین نقطه خود بر حسب متر مربع است كه به عنوان مثال سطح مقطع یک کامیون بسیار بزرگتر از سطح مقطع یک خودروی سواری است. ضریب درگ یا ضریب واماندگی در مورد خودروها همواری عددی کوچکتر از یک می باشد. ضریب درگ یک (CD=1) مربوط به یک صفحه کاملاً صاف به فرم دایره است که به صورت عمودی در مقابل جریان عبوری هوا قرار گرفته باشد، ضمنا” اگر جریان اغتشاشی یا آشفته(Turbulent) در پشت این صفحه را در هنگام عبور جریان هوا در نظر بگیریم، مثلاً CD=1.2 خواهد شد که 0.2 اضافه به سبب کشش حاصل از آشفتگی(Turbulency) پشت جسم می باشد. ضریب دراگ کاملا” بستگی به شکل جسم مورد نظر داشته و هرچه که جسم مورد نظر فرمی گردتر با زوایائی تیزتر در جلو و عقب برخوردار باشد، مسلماً ضریب درگی کمتر نیز خواهد داشت. کمترین ضریب درگ دنیا مربوط به قطره باران است که از نظر عددی برابر با 0.05 می باشد. با توجه به اینکه عملاً نمیتوان خودروها را به شکل قطره باران ساخت، خودروهای آیرودینامیك امروزی، ضریب درگی تقریباً معادل با 0.3 دارند.

نیروهای آیرودینامیکی خودرو، از دو منبع نیروی فشار درگ (Drag Pressure) و اصطکاک چسبنده به وجود می آیند. به بعضی از نقاط خودرو كه جریان هوا در محدوده آنها متوقف می شود، «نقطه جدایش» می گویند. پدیده جدایش از اینکه جریان هوا به سادگی از پشت خودرو خارج شود، جلوگیری می کند. فشار در مناطق جدایش، کمتر از منطقه جلوی خودرو است و اختلاف این نیروهای فشاری به خاطر شکل نیروی درگ است. نیروی درگ ناشی از نیروی اصطکاک چسبنده در لایه های مرزی روی سطح خودرو را «نیروی درگ اصطکاکی» گویند.

مقاومت هوا:

یكی از نیروهای وارد بر خودرو، نیروی مقاومت هوا می باشد.

 نیروی مقاومت در برابر عبور جریان هوا در یک خودرو از طریق فرمول زیر قابل محاسبه است:

 

در این فرمول F نیروی مقاومت هوا، Vسرعت حرکت خودرو برحسب متر برثانیه، A سطح مقطع موثرخودرو و CD ضریب درگ می باشد که مقاومت حاصل از حرکت جریان هوا با دوبرابر شدن سرعت به میزان چهار برابر افزایش پیدا می کند، یعنی خودروئی که با سرعت 100 کیلومتر در ساعت در حال حرکت است، نیاز به نیرویی برابر یک چهارم حرکت با سرعت 200 کیلومتر در ساعت دارد و در نتیجه مصرف سوخت خودرو در سرعت صد كیلومتر در ساعت تقریباً یک چهارم مصرف آن در سرعت دویست كیلومتر بر ساعت می باشد. وقتی كه یك خودرو در سیال هوا حركت می كند، فشار منفی بر روی قسمت جلویی درب موتور خودرو ایجاد می شود و فشار مخالفی كه در این منطقه ایجاد می گردد، می تواند جریان هوای لایه مرزی را که موجب بوجود آمدن نیروی درگ در این ناحیه می شود، ساکن کند. در چند سال اخیر در طراحی خودروها، نصب قطعه کوچکی در قسمت جلویی خط روی در موتور، اهمیت دارد، زیرا موجب جلوگیری از جدا شدن جریان ورودی در موتور و در نتیجه کاهش نیروی درگ می شود. انتخاب شیب اتاق در قسمت عقب و همچنین طول صندوق عقب خودرو، رابطه مستقیمی با نیروی آیرودینامیکی که از طریق نقطه جدایش ایجاد می شود، دارد. جدایی باید در نواحی مشخص و محدود روی دهد و هر چه این نواحی کوچکتر باشند، نیروهای مقاوم کمتر می شوند. از نظر تئوری آیرودینامیكی، یک شکل ایده آل برای قسمت عقب خودرو، شکلی شبیه به قطره اشک می باشد.

از آنجایی که اندازه منطقه جدایش روی نیروی مقاوم آیرودینامیک تاثیر مستقیم دارد، جریانی که به قسمت عقب خودرو و به سمت پایین آن فشار می آورد، به نیروی بالابرنده آیرودینامیکی عقب خودرو تاثیر می گذارد. نکته دیگری که باید در طراحی قسمت عقب بدنه خودرو مورد توجه قرار گیرد، توانایی رفع گرد و غبار از روی شیشه و چراغهای عقب است. آشفتگی زیاد جریان در منطقه عقب خودرو، باعث چرخش هوا شده و گرد و خاک در نواحی شیشه و درب صندوق عقب انباشته خواهد شد و مانع دید راننده می شود. در نتیجه عکس العمل متقابل بدنه خودرو و جریان هوا، نیروها و گشتاورهایی حول بدنه خودرو ایجاد می شوند.

 

مؤلفه های نیروی مقاوم(درگ):

نیروی درگ بزرگترین و مهمترین نیروی آیرودینامیکی است که خودروهای سواری در سرعتهای معمولی و در طول بزرگراهها با آن روبرو هستند و این در حالی است كه نیروی درگ كلی بر روی خودروها از ترکیب مؤلفه های مختلفی از نیروهای مقاوم ناشی می شود. کارهای متفاوتی را می توان برای کاهش اثرات این نیرو انجام داد. از جمله راههای مناسب برای کاهش نیروی درگ می توان به استفاده از یک صفحه صاف در زیر خودرو، طراحی درست برآمدگیهای بدنه مانند گلگیرها، درب موتور و حتی چرخها و سوراخهای رینگها اشاره کرد. نیروی درگ قابل توجهی در زیر خودرو، محفظه گلگیرها و همچنین رینگ چرخها به علت جریان برگشتی گردابی در فضاهای خالی بوجود می آید. اگر با استقرار یك صفحه صاف در قسمت زیر خودرو، ورود جریان هوا از زیر خودرو را به محفظه موتور،گلگیرها و سپرها كنترل نماییم، جزء زیادی از نیروی درگ را مهار نموده ایم. لبه های تیز چرخ، فرصت ایجاد تاثیرات جریان هوا در یک سطح افقی را از بین می برند و تا زمانی که چرخ می چرخد و به حركت دایره ای در یک سطح عمودی تمایل دارد، این جریانات بیشتر از آن چه که به نظر می رسد، روی چرخ خودرو تاثیر دارد، زیرا قسمت جلویی چرخ در معرض جریان هوا قرار دارد.

برای بهبود بخشیدن به این وضعیت و پیشگیری از ایجاد جریانات مقاوم و نیروی درگ آیرودینامیكی، معمولاً برای چرخهای جلوی خودرو، سپر آیرودینامیکی محافظتی در نواحی چرخها و سوراخهای آنها قرار می دهند، در صورتی که برای چرخهای عقب می توان برای كاهش نیروهای درگ اصطكاكی و آیرودینامیكی، حفره چرخها را كمتر نمود، فضای میان سطح بالایی چرخها و محفظه گلگیر را كاهش داد و از طرفی سطح مشترك لاستیكها و زمین را با تنظیم باد لاستیك و استفاده از لاستیك با قطر مناسب كاهش داد. رادیاتور یا سیستم خنک کننده موتور خودرو آخرین عامل تاثیرگذار بر روی نیروی درگ است، چون جریان هوای عبوری از رادیاتور به موتور و محفظ احتراق خودرو برخورد می کند و فشار دینامیکی آن مانند نیروی درگ بر روی خودرو اعمال می گردد. مخصوصاً كه ممكن است الگوی جریان هوا درون یک قسمت مشخص از محفظه موتور، به علت فقدان خواص آیرودینامیکی در آن ناحیه بسیار نامنظم یا آشفته (Turbulent) باشد و بدون توجه به جریان هوای ورودی از میان رادیاتور، قسمتی از نیروی پیش برنده را تلف نماید.

ضریب درگ (Drag Coefficient)

رایج‌ترین روش برای بررسی ویژگی‌های آیرودینامیکی یک اتومبیل محاسبه ضریب مقاومت پسای آن یا همان ضریب درگ است که Cd نیز گفته می‌شود. ضریب درگ برای هر خودرو به طور جداگانه و تجربی، در تونل‌های باد اندازه‌گیری می‌شود. برای یک اتومبیل هر چه این ضریب کوچکتر باشد، نمونه آیرودینامیک‌تری خواهد بود.

طبق مطالب گفته شده هر خودرویی در طول مسیر حرکت خود باید با نیروی درگ مقابله کند.ضریب ائرودینامیکی که در زبان فارسی به ان ضریب پسار اطلاق می شود مقاومت هوا در مقابل خودرو را نشان می دهد و یا به عبارت بهتر مقدار نیروی درگ را نشان میدهد.هرچه این عدد کمتر باشد نیروی درگ ما کمتر است.این عدد هیچ گونه یکایی (واحد)  ندارد و همیشه کمتر از یک است (مثلا 0.35).

بزرگ‌ترین هدف مهندسان از انجام اصلاحات ‌آیرودینامیکی روی خودروها، کاستن از عوامل موثر روی افزایش نیروی مقاومت هوا یا همان کاهش ضریب درگ بدنه است. در سرعت‌های بالا به شکل میانگین در حدود 60 درصد از توان پیشرانه خودرو صرف غلبه بر مقاومت آیرودینامیکی می‌شود. بنابراین کاهش درگ در عمل به کاهش مصرف سوخت، کاهش صدای اضافی در سرعت‌های اتوبانی و افزایش آرامش رانندگی منجر خواهد شد. مطالعات در تونل باد نشان می‌دهند که عوامل به‌ظاهر کوچکی هم‌چون تیغه‌های برف‌پاک‌کن، ‌آینه‌های جانبی و پهنای چرخ‌ها، نقش پررنگی در افزایش ضریب درگ بازی می‌کنند. هم‌چنین تغییر زاویه اتصال سقف خودرو به ستون‌های A و C، نیز یکی از بزرگ‌ترین دستاورد‌های مهندسان در تونل‌های باد محسوب می‌شود. می‌توان گفت که علم ‌آیرودینامیک در زمره علوم تجربی قرار می‌گیرد و از‌این‌رو حتی با وجود پیشرفت‌های شگرف نرم‌افزارهای شبیه‌ساز در سال‌های اخیر نیز آزمایش در تونل باد هم‌چنان یکی از ضروریات طراحی خودروهای جدید محسوب می‌شود. بنابراین صرف زمان بیشتر در‌این تونل‌های گران‌قیمت، می‌تواند به معنای دستیابی به ضریب درگ کمتر و کاهش مصرف سوخت باشد. از سوی دیگر در تونل‌های باد، نقش جریان‌های اغتشاشی (turbulence) که در اطراف بدنه خودروها شکل می‌گیرد در افزایش نیروی مقاوم هوا مشخص می‌شوند، جالب آنکه ‌این جریان‌های اغتشاشی در مورد خودروهای هاچ‌بک در سطح بزرگتری شکل می‌گیرند و‌ این خودروها با ضعف آیرودینامیکی محسوسی نسبت به نمونه‌های مشابه سدان (صندوق دار) دست به گریبان هستند.

در زیر ضریب پسار چند خودرو را برای شما اورده ایم:

Nissan GT-R : 0.27 cd
BMW 650i 2011 : 0.032 cd
BMW 640i : 0.31 cd
BMW Vision Efficient Dynamics : 0.22 cd
Bently Continental GT coupe 2012 : 0.33 cd
BMW 740Li 2010 : 0.30 cd
Ford Fusion 2010 : 0.33 cd
Ford Mustang GT 2009 : 0.38 CD
Mersedes Benz SL500 2009 :0.32 CD
Mini Cooper Convertible 2009 : 0.35 cd
Hyundai Elantra 2010 : 0.28 cd
Mersedes Benz SLK 2011 : 0.30 CD
Mersedes Benz SLK 2005 :0.32CD

اجزای‌ آیرودینامیک

اگر خودروهای مسابقه‌ای و سوپر اسپرت‌ها به عنوان نماد به‌کارگیری علم ‌آیرودینامیک در صنعت خودرو قلمداد کنیم، می‌توان با بررسی قطعات بدنه آنها به کارایی هر عنصرآیرودینامیکی تا حد زیادی پی برد. بال بزرگ جلو که با نام اسپویلر شناخته می‌شود معمولا در نزدیک‌ترین سطح به زمین و به عنوان لبه زیرین سپر جلو یا دماغه خودرو طراحی می‌شود. ‌این قطعه بزرگ و سرتاسری عمدتا دو وظیفه مهم را به دوش می‌کشد. اولین و مهم‌ترین وظیفه‌ ایجاد نیروی روبه‌پایین (DOWN FORCE) با استفاده از جریان هوای قابل توجهی است که با دماغه خودرو درگیر می‌شود. اسپویلر جریان هوا را به دو بخش زیرین و زبرین تقسیم می‌کند. بخش زیرین با سرعت زیاد و فشار کم از زیر بدنه خودرو حرکت می‌کند و بخش زبرین نیز با سایر قطعات ‌آیرودینامیک و بدنه خودرو درگیر می‌شود. یکی از روش‌های هوشمندانه از جریان زبرین ‌این است که ضمن‌ ایجاد نیروی روبه‌پایین، که افزایش چسبندگی چرخ‌های محور جلو را به سطح مسیر در پی دارد، به‌منظور خنک کاری سطوح رادیاتوری نیز از‌این جریان استفاده شود. البته ذکر ‌این نکته مهم است که سطوح رادیاتوری وسیع در واقع خود باعث افزایش قابل توجه ضریب درگ می‌شوند. بخشی دیگر از جریان برخورد کننده با دماغه از طریق کانال بندی‌های مخصوصی به دیسک‌های ترمز می‌رسد و به منظور خنک‌کاری ‌این قطعات حیاتی استفاده می‌شود. در‌این زمینه طراحی رینگ‌های چرخ به صورتی که بتواند جریان هوا را از سطح زیرین خودرو به سمت کناره‌ها بمکد نیز مفید فایده خواهد بود و در برخی خودروهای فوق سریع با طراحی بدنه پیچیده به کار گرفته می‌شود. جریان گذرنده از روی بدنه خودرو در هنگام جدا شدن از سطوح اصلی بدنه (سقف و درب صندوق) اصطلاحا به لبه‌های فرار می‌رسد. در‌ این نقاط طراحی بال و بالچه‌های دیگر مثمر ثمر خواهد بود. بنابراین کاربرد اسپویلر سقفی و اسپویلر بزرگ درب صندوق عقب نیز به وضوح مشخص است.

طراحی ظریف و حرفه‌ای ‌این قطعات می‌تواند در سرعت‌های بالا بسیار کاربردی باشد. برای مثال طبق شبیه‌سازی آیرودینامیکی انجام شده در یکی از پروژه‌های دانشگاهی، اگر از یک بال هواپیما کارآمد و حرفه‌ای (برای مثال یکی از طرح‌های شرکت ناسا) به‌صورت برعکس روی درب صندوق خودرویی نظیر پژو 405 استفاده شود، می‌توان زمان ترمز گیری از سرعت 180 کیلومتربرساعت به 36 کیلومتربرساعت را در حدود یک ثانیه کاهش داد. چنین صرفه جویی‌ای در زمان علاوه بر آنکه در دنیای مسابقات سرعت بسیار حائز اهمیت است، در زمینه افزایش پایداری و‌ ایمنی نیز به معنای کاهش 28 متری خط ترمز خودرو (در سرعت‌های یاد شده) خواهد بود. ‌این در حالی است که به لطف طراحی بسیار دقیق و حساب شده، مصرف سوخت خودرو در پی افزایش درگ ناشی از نصب بال، تنها 0.03 لیتر در یکصد کیلومتر افزایش می‌یابد که به راستی رقمی ‌ناچیز و قابل اغماض است. البته ذکر‌این نکته الزامی است که طراحی بال‌های حرفه‌ای و طریقه نصب آن، تاثیری بسیار چشمگیر بر عملکرد و نتیجه نهایی خواهد داشت. برای مثال ارقام ذکر شده در‌ این شبیه‌سازی به شکل دقیق برای بالی با طول وتر 30 سانتی‌متر، عرض 120 سانتی‌متر و زاویه حمله 16 درجه بدست آمده‌اند و کوچک‌ترین تغییر در شکل بال یا زاویه حمله به معنای تغییر کلیه محاسبات خواهد بود. از‌این رو است که نصب بال‌های غیر حرفه‌ای و بازاری نه تنها فایده‌ای ندارد، بلکه ممکن است افزایش مصرف سوخت و ضریب درگ را هم در پی داشته باشد.

جالب‌تر آنکه در بسیاری موارد عملکرد یک قطعه آیرودینامیکی بر کارایی سایر قطعات نیز موثر است و به‌همین دلیل است که کمپانی‌های تیونینگ حرفه‌ای، قطعات‌ ‌آیرودینامیک خود را در قالب مجموعه‌ای کامل و هماهنگ عرضه می‌کنند.

دیفیوزر

یکی دیگر از قطعات‌ آیرودینامیک مشهور در صنعت خودروسازی مدرن، قطعه‌ای به نام دیفیوزر یا پخش کننده است که عموما در در سطح زیرین سپر عقب نصب می‌شود. وظیفه بنیادین ‌این قطعه به زبان ساده، تبدیل سرعت جریان هوای گذرنده از زیر خودرو، به فشار و در نتیجه نیروی رو‌به‌پایین است. با طراحی اصولی‌ این قطعه می‌توان به حداکثر DOWN FORCE دست یافت و حتی از نصب بال‌های بزرگ روی درب صندوق عقب نیز بی نیاز شد. ‌این روش سال‌هاست که توسط برخی خودروسازان بزرگ مانند فراری استفاده می‌شود و در زمینه بهبود عملکرد و هندلینگ خودروها در سرعت‌های متوسط و زیاد بسیار موثر است.

آیرودینامیک متغییر

ارتفاع، سرعت جریان هوا و زاویه قرارگیری قطعه‌ آیرودینامیک، تنها سه رکن متغییر از ده‌ها متغییری هستند که بر عملکرد یک مجموعه آیرودینامیکی تاثیر گذارند. تحلیل عملکرد اجزای ‌آیرودینامیک به‌هیچ عنوان ساده نیست و به هزاران ساعت کار آزمایشگاهی در تونل باد و ده‌ها ساعت تحلیل پیچیده نرم افزاری با ابریارانه‌های بسیار قدرتمند وابسته است. با‌این حال پیشرفت فناوری در سال‌های اخیر آنچنان بوده است که خودروسازان بتوانند با تحلیل کلیه شرایط خودروهای اسپرت را مجهز به تکنولوژی‌های ‌آیرودینامیک متغییر راهی جاده‌ها کنند. تغییر ارتفاع و زاویه بال عقب در بسیاری سوپر اسپرت‌ها مدرن می‌تواند کارایی مختلفی از تولید داون‌فورس تا اعمال نیروی ترمزی خالص (در پی افزایش ضریب درگ) را به دنبال داشته باشد.

هم‌چنین ‌این روزها تیغه‌های انعطاف پذیری در دماغه برخی خودروها نصب می‌شود که در سرعت‌های مختلف، ‌آیرودینامیک خودرو را تغییر می‌دهد. اضافه‌شدن دریچه‌ها و کانال‌های متغیر برای کم و زیاد کردن جریان هوای درگیر با سطوح رادیاتوری نیز از دیگر فناوری‌های در دست تکمیل در ‌این زمینه است. شاید جالب باشد که بدانید حتی ارتفاع کلی خودرو از سطح زمین نیز به شکل قابل توجهی بر عملکرد آیرودینامیکی اتومبیل موثر است. از‌این رو تعلیق هوشمندانه برخی خودروها، به هنگام افزایش سرعت به سطح زمین نزدیک می‌شود تا عملکرد آیرودینامیکی و پایداری حرکتی خودرو بهبود یابد. افق‌های ‌آینده صنعت خودروسازی در‌این زمینه چندان روشن نیست، اما در تئوری‌ این احتمال وجود دارد که نسل آتی خودروها با بدنه‌ای کاملا انعطاف‌پذیر و تغیر شکل‌دهنده ساخته شوند تا در هر شرایطی امکان دستیابی به حداکثر کارایی حرکتی و بهترین شرایط آیرودینامیکی ممکن باشد.

منبع سایت CARGEEK