Manuale di aerodinamica

I fattori più importanti che influenzano la resistenza dell'aria del veicolo

La bassa resistenza dell'aria aiuta a ridurre il consumo di carburante. Tuttavia, a questo proposito, c'è un enorme spazio di sviluppo. Se, ovviamente, gli esperti di aerodinamica concordano con l'opinione dei progettisti.

"Aerodinamica per coloro che non sanno fare motociclette". Queste parole furono pronunciate da Enzo Ferrari negli anni Sessanta e dimostrano chiaramente l'atteggiamento di molti designer dell'epoca nei confronti di questo lato tecnologico dell'auto. Tuttavia, solo dieci anni dopo si verificò la prima crisi petrolifera, che cambiò radicalmente il loro intero sistema di valori. Momenti in cui tutte le forze di resistenza durante il movimento dell'auto, e specialmente quelle che si presentano quando passa attraverso gli strati d'aria, vengono superate da ampie soluzioni tecniche, come l'aumento della cilindrata e della potenza dei motori, indipendentemente dalla quantità di carburante consumata, vanno via e gli ingegneri iniziano a guardare modi più efficaci per raggiungere i tuoi obiettivi.

Al momento, il fattore tecnologico dell'aerodinamica è ricoperto da uno spesso strato di polvere dell'oblio, ma per i progettisti questa non è una novità. La storia della tecnologia mostra che anche negli anni '77 menti avanzate e creative, come il tedesco Edmund Rumpler e l'ungherese Paul Zharai (che ha creato l'iconico Tatra TXNUMX), hanno formato superfici aerodinamiche e hanno gettato le basi per un approccio aerodinamico al design della carrozzeria. Sono stati seguiti da una seconda ondata di specialisti dell'aerodinamica come il barone Reinhard von Könich-Faxenfeld e Wunibald Kam, che hanno sviluppato le loro idee negli XNUMX.

È chiaro a tutti che con l'aumentare della velocità arriva un limite, al di sopra del quale la resistenza dell'aria diventa un fattore critico per la guida di un'auto. La creazione di forme aerodinamicamente ottimizzate può spingere notevolmente verso l'alto questo limite ed è espresso dal cosiddetto fattore di flusso Cx, in quanto un valore di 1,05 ha un cubo rovesciato perpendicolare al flusso d'aria (se viene ruotato di 45 gradi lungo il suo asse, in modo che il flusso a monte bordo diminuisce a 0,80). Tuttavia, questo coefficiente è solo una parte dell'equazione della resistenza dell'aria: è necessario aggiungere la dimensione dell'area frontale dell'auto (A) come elemento importante. Il primo dei compiti degli aerodinamici è creare superfici pulite, aerodinamicamente efficienti (fattori di cui, come vedremo, molto in un'auto), che alla fine porta a un coefficiente di flusso inferiore. La misurazione di quest'ultimo richiede una galleria del vento, che è una struttura costosa ed estremamente complessa, ne è un esempio il tunnel commissionato nel 2009. BMW, che è costata all'azienda 170 milioni di euro. Il componente più importante non è un gigantesco ventilatore, che consuma così tanta elettricità da richiedere una sottostazione di trasformazione separata, ma un accurato supporto a rulli che misura tutte le forze e i momenti che un getto d'aria esercita su un'auto. Il suo compito è valutare l'intera interazione dell'auto con il flusso d'aria e aiutare gli specialisti a studiare ogni dettaglio e modificarlo in modo che non sia efficace solo nel flusso d'aria, ma anche secondo i desideri dei progettisti. . Fondamentalmente, i principali componenti di resistenza che un'auto incontra provengono da quando l'aria davanti si comprime e si sposta e, cosa molto importante, dall'intensa turbolenza dietro di essa nella parte posteriore. C'è una zona di bassa pressione che tende a tirare la macchina, che a sua volta si mescola a un forte effetto vortice, che gli aerodinamici chiamano anche "eccitazione morta". Per ragioni logiche, dopo i modelli station wagon, il livello di vuoto è più alto, per cui il coefficiente di consumo si deteriora.

Fattori di resistenza aerodinamica

Quest'ultimo dipende non solo da fattori come la forma complessiva dell'auto, ma anche da parti e superfici specifiche. In pratica, la forma e le proporzioni complessive delle auto moderne rappresentano il 40 percento della resistenza totale dell'aria, un quarto della quale è determinata dalla struttura della superficie dell'oggetto e da caratteristiche come specchietti, luci, targa e antenna. Il 10% della resistenza dell'aria è dovuto al flusso attraverso le prese d'aria ai freni, al motore e alla trasmissione. Il 20% è il risultato del vortice in vari design del pianale e delle sospensioni, ovvero tutto ciò che accade sotto l'auto. E ciò che è più interessante: il 30% della resistenza dell'aria è dovuto ai vortici creati attorno alle ruote e alle ali. Una dimostrazione pratica di questo fenomeno lo mostra chiaramente: la portata da 0,28 per veicolo scende a 0,18 quando le ruote vengono rimosse e le prese d'aria del parafango vengono chiuse. Non è un caso che tutte le auto sorprendentemente a basso chilometraggio - come la prima Insight di Honda e l'auto elettrica GM EV1 - abbiano i parafanghi posteriori nascosti. La forma aerodinamica complessiva e l'avantreno chiuso, dovuto al fatto che il motore elettrico non richiede molta aria di raffreddamento, ha consentito ai progettisti GM di sviluppare il modello EV1 con un fattore di flusso di appena 0,195. Tesla Model 3 ha Cx 0,21. Per ridurre la vorticità delle ruote nei veicoli con motore a combustione interna, il cosiddetto. "Barriere d'aria" sotto forma di un sottile flusso d'aria verticale diretto dall'apertura nel paraurti anteriore, che soffia intorno alle ruote e stabilizza i vortici, il flusso al motore è limitato da persiane aerodinamiche e il fondo è completamente chiuso.

Minori sono i valori delle forze misurate dal cavalletto a rulli, minore è il Cx. In genere viene misurata a una velocità di 140 km/h: un valore di 0,30, ad esempio, significa che il 30 percento dell'aria attraversata da un'auto viene accelerato alla sua velocità. Per quanto riguarda il frontale, la sua lettura richiede una procedura molto più semplice: per questo, i contorni esterni dell'auto vengono delineati con un laser se visto frontalmente e viene calcolata l'area racchiusa in metri quadrati. Viene quindi moltiplicato per il fattore di flusso per ottenere la resistenza all'aria totale dell'auto in metri quadrati.

Tornando allo schema storico della nostra narrativa aerodinamica, scopriamo che la creazione del ciclo di misurazione del consumo di carburante standardizzato (NEFZ) nel 1996 ha effettivamente svolto un ruolo negativo nell'evoluzione aerodinamica delle auto (che è avanzata in modo significativo negli anni '7). ) perché il fattore aerodinamico ha scarso effetto a causa del breve periodo di movimento ad alta velocità. Nonostante la diminuzione del coefficiente di consumo nel corso degli anni, l'aumento delle dimensioni dei veicoli di ogni classe porta ad un aumento dell'area frontale e, di conseguenza, ad un aumento della resistenza all'aria. Auto come la VW Golf, l'Opel L'Astra e la BMW Serie 90 avevano una maggiore resistenza all'aria rispetto ai loro predecessori negli anni '90. Questa tendenza è facilitata da impressionanti modelli SUV con la loro ampia area anteriore e il deterioramento della aerodinamica. Questo tipo di veicolo è stato criticato principalmente per il suo peso elevato, ma in pratica questo fattore diventa meno importante all'aumentare della velocità - quando si guida fuori città a una velocità di circa 50 km / h, la proporzione della resistenza dell'aria è di circa 80 percento, a velocità autostradale aumenta fino all'XNUMX percento rispetto alla resistenza totale affrontata dall'auto.

Galleria del vento

Un altro esempio del ruolo della resistenza dell'aria nelle prestazioni del veicolo è un tipico modello di Smart City. Una due posti può essere agile e agile sulle strade cittadine, ma la sua carrozzeria corta e proporzionata è altamente inefficiente dal punto di vista aerodinamico. Sullo sfondo del peso ridotto, la resistenza dell'aria diventa un elemento sempre più importante e con Smart inizia ad avere un forte effetto a velocità di 50 km / h.Non sorprende che, nonostante il design leggero, non sia stato all'altezza delle aspettative di un costo relativamente contenuto.

Tuttavia, nonostante le carenze di Smart, l'atteggiamento della casa madre Mercedes nei confronti dell'aerodinamica è un esempio di approccio metodico, coerente e proattivo al processo di creazione di forme spettacolari. Si può sostenere che i risultati degli investimenti nelle gallerie del vento e del duro lavoro in questo settore sono particolarmente evidenti in questa azienda. Un esempio particolarmente eclatante dell'effetto di questo processo è il fatto che l'attuale Classe S (Cx 0,24) ha una resistenza all'aria inferiore rispetto alla Golf VII (0,28). Nella ricerca di maggiore spazio interno, la forma del modello compatto ha acquisito un'area frontale piuttosto ampia, e il coefficiente di flusso è peggiore di quello della classe S a causa della sua lunghezza ridotta, che non consente superfici filanti e molto Di più. - già a causa di una brusca transizione da dietro, contribuendo alla formazione di vortici. Tuttavia, VW è fermamente convinta che la prossima generazione di Golf avrà una resistenza all'aria significativamente inferiore e sarà abbassata e aerodinamica. Il fattore di consumo di carburante più basso registrato di 0,22 per veicolo ICE è la Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Il vantaggio dei veicoli elettrici

Un altro esempio dell'importanza della forma aerodinamica sullo sfondo del peso sono i moderni modelli ibridi e ancor più i veicoli elettrici. Nel caso della Prius, ad esempio, la necessità di un design altamente aerodinamico è dettata anche dal fatto che all'aumentare della velocità, l'efficienza del propulsore ibrido cala drasticamente. Nel caso dei veicoli elettrici, tutto ciò che riguarda l'aumento del chilometraggio in modalità elettrica è estremamente importante. Secondo gli esperti, ridurre il peso di 100 kg aumenterà il chilometraggio dell'auto di pochi chilometri, ma d'altra parte l'aerodinamica è di fondamentale importanza per un'auto elettrica.

In primo luogo perché l'elevata massa di questi veicoli consente loro di recuperare parte dell'energia utilizzata per il recupero, e in secondo luogo perché l'elevata coppia del motore elettrico consente di compensare l'effetto del peso all'avviamento e la sua efficienza diminuisce ad alte velocità e alte velocità. Inoltre, l'elettronica di potenza e il motore elettrico necessitano di meno aria di raffreddamento, il che consente una minore apertura nella parte anteriore dell'auto, che, come abbiamo già notato, è la causa principale del deterioramento del flusso attorno alla carrozzeria. Un altro elemento della motivazione dei designer a creare forme aerodinamicamente più efficienti negli odierni modelli ibridi plug-in è la modalità di movimento senza accelerazione solo con l'ausilio di un motore elettrico, o il cosiddetto. navigazione. A differenza delle barche a vela, da cui deriva il termine e dove si suppone che il vento muova la barca, le auto elettriche aumenteranno il chilometraggio se l'auto ha una minore resistenza all'aria. Creare una forma aerodinamicamente ottimizzata è il modo più economico per ridurre il consumo di carburante.

Testo: Georgy Kolev

Le portate di alcune auto famose:

Mercedes Simplex

Produzione del 1904, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Produzione del 1921, Cx = 0,28

Ford Modello T

Produzione del 1927, Cx = 0,70

Modello sperimentale Kam

Produzione del 1938, Cx = 0,36

Auto da record Mercedes

Produzione del 1938, Cx = 0,12

Bus VW

Produzione del 1950, Cx = 0,44

VW "tartaruga"

Produzione del 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Produzione del 1954, Cx = 0,26

Porsche 356

Produzione del 1957, Cx = 0,36

MGEX181

Produzione del 1957, Cx = 0,15

Citroen DS 19

Produzione del 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Produzione del 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Produzione del 1970, Cx = 0,29

Furgone Volvo 245

Produzione del 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Produzione del 1983, Cx = 0,31

Mercedes W 124

Produzione del 1985, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Produzione del 1997, Cx = 0,29