Fluxo turbulento
Contido
Como a tecnoloxía moderna está cambiando a aerodinámica dos coches
A baixa resistencia do aire axuda a reducir o consumo de combustible. Con todo, a este respecto hai enormes oportunidades para o desenvolvemento. Ata agora, por suposto, os expertos en aerodinámica están de acordo coa opinión dos deseñadores.
"Aerodinámica para quen non pode fabricar motocicletas". Estas palabras foron pronunciadas por Enzo Ferrari nos anos 60 e demostran claramente a actitude de moitos deseñadores daquel tempo cara a este aspecto tecnolóxico do coche. Non obstante, só dez anos despois chegou a primeira crise do petróleo e todo o seu sistema de valores cambiou radicalmente. Épocas nas que todas as forzas de resistencia no movemento do coche, e especialmente as que xorden como resultado do seu paso polas capas de aire, son superadas por amplas solucións técnicas, como aumentar a cilindrada e a potencia dos motores, independentemente da cantidade de combustible consumida, desaparecen e os enxeñeiros comezan busca formas máis eficaces de acadar os teus obxectivos.
Polo momento, o factor tecnolóxico da aerodinámica está cuberto cunha grosa capa de po do esquecemento, pero non é totalmente novo para os deseñadores. A historia da tecnoloxía demostra que incluso nos anos vinte, cerebros avanzados e inventivos como o alemán Edmund Rumpler e o húngaro Paul Jaray (que creou o culto ao Tatra T77) conformaron superficies racionalizadas e sentaron as bases para un enfoque aerodinámico no deseño da carrocería do automóbil. Seguíronlles unha segunda onda de especialistas en aerodinámica como o barón Reinhard von Kenich-Faxenfeld e Wunibald Kam, que desenvolveron as súas ideas na década de 1930.
Está claro para todos que ao aumentar a velocidade chega un límite, por riba do cal a resistencia do aire convértese nun factor crítico para conducir un coche. A creación de formas optimizadas aerodinámicamente pode desprazar este límite cara arriba significativamente e exprésase polo chamado coeficiente de fluxo Cx, xa que un valor de 1,05 ten un cubo invertido perpendicularmente ao fluxo de aire (se se xira 45 graos ao longo do seu eixe, de xeito que o seu bordo augas arriba redúcese a 0,80). Non obstante, este coeficiente é só unha parte da ecuación de resistencia do aire; o tamaño da área frontal do coche (A) debe engadirse como elemento esencial. A primeira das tarefas dos aerodinámicos é crear superficies limpas e aerodinámicamente eficientes (factores dos que, como veremos, hai moitos no coche), o que finalmente leva a unha diminución do coeficiente de caudal. Para medir isto último, necesítase un túnel de vento, que é unha instalación custosa e extremadamente complexa; un exemplo diso é o túnel de 2009 millóns de euros de BMW posto en marcha en 170. O compoñente máis importante nel non é un ventilador xigante, que consume tanta electricidade que necesita unha estación de transformación separada, senón un soporte de rolos preciso que mida todas as forzas e momentos que o chorro de aire exerce sobre o coche. O seu traballo é avaliar toda a interacción do coche co fluxo de aire e axudar aos especialistas a estudar cada detalle e cambialo de forma que non só sexa eficiente no fluxo de aire, senón tamén de acordo cos desexos dos deseñadores. . Basicamente, os principais compoñentes de arrastre que atopa un coche veñen de cando o aire que ten diante se comprime e cambia e, algo moi importante, das intensas turbulencias que hai detrás del na parte traseira. Alí fórmase unha zona de baixa presión que tende a tirar do coche, que á súa vez se mestura coa forte influencia do vórtice, que os aerodinámicos tamén denominan "excitación morta". Por razóns lóxicas, detrás dos modelos de finca, o nivel de presión reducida é maior, polo que se deteriora o coeficiente de caudal.
Factores de arrastre aerodinámicos
Este último depende non só de factores como a forma xeral do coche, senón tamén de pezas e superficies específicas. Na práctica, a forma e proporcións xerais dos automóbiles modernos teñen un 40 por cento da resistencia total do aire, unha cuarta parte da cal está determinada pola estrutura da superficie do obxecto e características como espellos, luces, matrícula e antena. O 10% da resistencia do aire débese ao fluxo polos orificios ata os freos, o motor e a caixa de cambios. O 20% son o resultado do vórtice nas distintas estruturas de chan e suspensión, é dicir, todo o que ocorre debaixo do coche. E o máis interesante é que ata o 30% da resistencia do aire débese aos vórtices creados ao redor das rodas e ás. Unha demostración práctica deste fenómeno dá unha clara indicación diso: o coeficiente de consumo de 0,28 por coche diminúe a 0,18 cando se eliminan as rodas e se cubren os orificios da aleta coa finalización da forma do coche. Non é casualidade que todos os coches de quilometraxe sorprendentemente baixas, como o primeiro Honda Insight e o coche eléctrico EV1 de GM, teñan guardabarros traseiros ocultos. A forma aerodinámica xeral e a parte frontal pechada, debido ao feito de que o motor eléctrico non require unha gran cantidade de aire de refrixeración, permitiron aos desenvolvedores de GM desenvolver o modelo EV1 cun coeficiente de fluxo de só 0,195. Tesla modelo 3 ten Cx 0,21. Para reducir o vórtice arredor das rodas en vehículos con motores de combustión interna, os chamados. As "cortinas de aire" en forma dunha fina corrente de aire vertical diríxense desde a abertura do parachoques dianteiro, soprando as rodas e estabilizando os vórtices. O fluxo ao motor está limitado por persianas aerodinámicas e a parte inferior está completamente pechada.
Canto menores sexan as forzas medidas polo soporte de rolos, menor será o Cx. Segundo o estándar, mídese a unha velocidade de 140 km / h; un valor de 0,30, por exemplo, significa que o 30 por cento do aire polo que pasa un coche acelera ata a súa velocidade. En canto á zona dianteira, a súa lectura require un procedemento moito máis sinxelo: para iso, coa axuda dun láser, os contornos externos do coche descríbanse cando se ven desde a fronte e calcúlase a área pechada en metros cadrados. Este é posteriormente multiplicado polo factor de caudal para obter a resistencia total do aire do vehículo en metros cadrados.
Volvendo ao esquema histórico da nosa descrición aerodinámica, descubrimos que a creación do ciclo de medición do consumo de combustible estandarizado (NEFZ) en 1996 tivo realmente un papel negativo na evolución aerodinámica dos automóbiles (que avanzou significativamente na década de 1980). ) porque o factor aerodinámico ten pouco efecto debido ao curto período de movemento a alta velocidade. Aínda que o coeficiente de caudal diminúe co paso do tempo, o aumento do tamaño dos vehículos en cada clase produce un aumento da superficie frontal e, polo tanto, un aumento da resistencia do aire. Coches como o VW Golf, Opel Astra e BMW Serie 7 tiñan unha maior resistencia ao aire que os seus predecesores na década de 1990. Esta tendencia está impulsada por unha cohorte de modelos SUV impresionantes coa súa gran superficie frontal e o tráfico deteriorado. Este tipo de coche foi criticado principalmente polo seu enorme peso, pero na práctica este factor adquire unha menor importancia relativa co aumento da velocidade, mentres que cando se circula fóra da cidade a unha velocidade duns 90 km/h, a proporción de resistencia do aire é. preto do 50 por cento, a A velocidades da estrada, aumenta ata o 80 por cento da resistencia total que atopa o vehículo.
Tubo aerodinámico
Outro exemplo do papel da resistencia do aire no rendemento do vehículo é o típico modelo de Smart City. Un coche de dúas prazas pode ser áxil e áxil nas rúas da cidade, pero un corpo curto e ben proporcionado é extremadamente ineficiente desde o punto de vista aerodinámico. No contexto do lixeiro peso, a resistencia do aire está a ser un elemento cada vez máis importante e co Smart comeza a ter un forte impacto a velocidades de 50 km / h. Non é de estrañar que fose inferior ás expectativas de baixo custo a pesar do seu deseño lixeiro.
A pesar das deficiencias de Smart, o enfoque da aerodinámica da empresa matriz Mercedes exemplifica un enfoque metódico, consistente e proactivo para o proceso de creación de formas eficientes. Pódese argumentar que os resultados dos investimentos en túneles eólicos e do duro traballo neste ámbito son especialmente visibles nesta empresa. Un exemplo particularmente rechamante do efecto deste proceso é o feito de que a actual Clase S (Cx 0,24) ten menos resistencia ao vento que o Golf VII (0,28). No proceso de atopar máis espazo interior, a forma do modelo compacto adquiriu unha área frontal bastante grande e o coeficiente de fluxo é peor que o da clase S debido á lonxitude máis curta, que non permite superficies aerodinámicas longas. e principalmente debido a unha brusca transición cara atrás, promovendo a formación de vórtices. VW insistiu en que o novo Golf de oitava xeración tería unha resistencia ao aire significativamente menor e unha forma máis baixa e máis aerodinámica, pero a pesar do novo deseño e capacidade de proba, isto resultou extremadamente desafiante para o coche. con este formato. Non obstante, cun factor de 0,275, este é o Golf máis aerodinámico xamais feito. A relación de consumo de combustible máis baixa rexistrada de 0,22 por vehículo cun motor de combustión interna é a do Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
A vantaxe dos vehículos eléctricos
Outro exemplo da importancia da forma aerodinámica no fondo do peso son os modelos híbridos modernos e máis aínda os vehículos eléctricos. No caso do Prius, por exemplo, a necesidade dunha forma altamente aerodinámica tamén está dictada polo feito de que a medida que aumenta a velocidade, a eficiencia do tren motriz híbrido diminúe. No caso dos vehículos eléctricos, calquera cousa relacionada co aumento da quilometraxe no modo eléctrico é extremadamente importante. Segundo os expertos, unha perda de peso de 100 kg aumentará o alcance do coche en poucos quilómetros, pero, por outra banda, a aerodinámica é de suma importancia para un coche eléctrico. En primeiro lugar, porque a gran masa destes vehículos permítelles recuperar parte da enerxía consumida pola recuperación e, en segundo lugar, porque o alto par do motor eléctrico permítelle compensar o efecto do peso durante o arranque e a súa eficiencia diminúe a altas velocidades e altas velocidades. Ademais, a electrónica de potencia e o motor eléctrico requiren menos aire de refrixeración, o que permite unha abertura máis pequena na parte dianteira do coche, que, como xa observamos, é a principal causa da redución do fluxo corporal. Outro elemento para motivar aos deseñadores a crear formas máis eficientes aerodinámicamente nos modernos modelos híbridos enchufables é o modo só eléctrico sen aceleración, ou o chamado. navegar. A diferenza dos veleiros, onde se usa o termo e o vento ten que mover o barco, nos coches a quilometraxe alimentada eléctricamente aumentaría se o coche tivese menos resistencia ao aire. Crear unha forma optimizada aerodinamicamente é a forma máis económica de reducir o consumo de combustible.
Os coeficientes de consumo dalgúns coches famosos:
Mercedes Simplex
Fabricación 1904, Cx = 1,05
Vagón caída Rumpler
Fabricación 1921, Cx = 0,28
Ford Modelo T.
Fabricación 1927, Cx = 0,70
Modelo experimental de Kama
Fabricado en 1938, Cx = 0,36.
Coche marca Mercedes
Fabricación 1938, Cx = 0,12
Autobús VW
Fabricación 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Turtle"
Fabricación 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Fabricado en 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A.
Fabricado en 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
Produción de 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Fabricación 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Fabricación 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Fabricación 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Estate
Fabricación 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Fabricación 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Fabricación 1985, Cx = 0,29
Contador de Lamborghini
Fabricación 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Fabricación 1997, Cx = 0,29
