allAutos
Αρχική > Άρθρα > Περί αεροδυναμικής...
Αρχική Άρθρα Επικοινωνία Find us on Facebook


 

Η αεροδυναμική, είναι ένα από εκείνα τα χαρακτηριστικά των αυτοκινήτων και των οχημάτων εν γένει, το οποίο δεν έλκει ιδιαίτερα την προσοχή του δυνητικού αγοραστή. Ωστόσο η σημαντικότητά της για ένα όχημα είναι αντιστρόφως ανάλογη της προσοχής που λαμβάνει. Οι περισσότεροι ασχολούνται με την μέγιστη ισχύ, τις δυνατότητες επιτάχυνσης ενός οχήματος και την τελική του ταχύτητα, ωστόσο όλα τα προαναφερθέντα επηρεάζονται άμεσα από την αεροδυναμική απόδοσή του, η οποία όταν είναι σε υψηλά επίπεδα το κολακεύει, όταν όμως είναι σε χαμηλά, το μειώνει με καταλυτικό τρόπο. Πέραν όμως των ανωτέρω, η αεροδυναμική έχει συμβολή στην κατανάλωση καυσίμου και κατ’ επέκταση στις εκπομπές ρύπων, στην δυναμική συμπεριφορά του οχήματος αλλά και στην ποιότητα όχησης σε υψηλές ταχύτητες αυτοκινητοδρόμου, όπου οι αεροδυναμικοί θόρυβοι σε αυτό το σχήμα χρήσης ενός οχήματος, θα έχετε διαπιστώσει ότι μπορούν να αποδειχθούν ιδιαίτερα ενοχλητικοί.

 

 

Τι είναι η αεροδυναμική απόδοση;

 

Η αεροδυναμική απόδοση είναι η ιδιότητα ενός οχήματος που μας ενημερώνει με ποσοτικά μείζονα επίδραση, για το πόση ισχύς απαιτείται για την επίτευξη μιας δεδομένης ταχύτητας. Όσο πιο χαμηλή είναι η απαιτούμενη ισχύς, που προφανώς προσφέρεται από τον κινητήρα, τόσο αποδοτικότερο αεροδυναμικά είναι το όχημα και αντίστοιχα, όσο πιο υψηλή είναι αυτή, τόσο λιγότερο αποδοτικό είναι από αεροδυναμικής άποψης. Επί της ουσίας η αεροδυναμική απόδοση είναι μια ποσοτικοποίηση της ποιότητας του σχεδιασμού ενός οχήματος. Το ερώτημα θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι εδώ. Ωραία όλα αυτά, αλλά πως μπορώ να ξέρω αν ένα όχημα έχει καλή αεροδυναμική απόδοση ή όχι; Υπάρχουν δύο τρόποι. Ο απόλυτος και ο συγκριτικός.

 

Στον απόλυτο χρειαζόμαστε να ξέρουμε δύο μεγέθη. Το πρώτο είναι ο συντελεστής οπισθέλκουσας (cD) και το δεύτερο είναι η μετωπική επιφάνεια του οχήματος. Ο συντελεστής οπισθέλκουσας είναι ένας αδιάστατος αριθμός ο οποίος μας δείχνει την αεροδυναμική αντίσταση που δέχεται ένα σώμα κατά την κίνησή του σε ένα ρευστό. Εν προκειμένω το σώμα είναι το αυτοκίνητο και το ρευστό είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. Όσο πιο χαμηλός είναι αυτός ο αδιάστατος αριθμός, τόσο πιο αεροδυναμικό είναι το σχήμα του οχήματος. Σε σύγχρονα αυτοκίνητα παραγωγής, ο συντελεστής οπισθέλκουσας κυμαίνεται μεταξύ 0.22-0.39. Η συντριπτική πλειοψηφία ωστόσο των τρεχόντων αυτοκινήτων παραγωγής κυμαίνεται μεταξύ 0.28-0.33.

 

 

 mercedes-benz_aerodynamics

Προσομοίωση ροής αέρα μέσω υπολογιστικής ρευστομηχανικής, της Mercedes-Benz CLA 180 BlueEFFICIENCY, του οχήματος με τον καλύτερο συντελεστή οπισθέλκουσας παγκοσμίως (cD=0.22)

 

 

Γενικά οι κατασκευαστές δείχνουν να επιτυγχάνουν καλύτερους αεροδυναμικούς συντελεστές σε οχήματα τύπου sedan, ακολουθούν τα μικρομεσαία, τα supermini και τελικά τα υπεραυτοκίνητα και τα suv, που παρουσιάζουν τους χειρότερους συντελεστές οπισθέλκουσας. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες υπό την πίεση της μείωσης των εκπομπών ρύπων μέσω της κατανάλωσης καυσίμου, κάνουν μεγάλες προσπάθειες μείωσης του αεροδυναμικού συντελεστή, χρησιμοποιώντας αεροδυναμικές σήραγγες αλλά και υπολογιστική ρευστομηχανική, για την επίτευξη του στόχου. Η υπολογιστική ρευστομηχανική αναφέρεται στην χρήση υπερυπολογιστών για την μελέτη της συμπεριφοράς ενός σώματος, εν προκειμένω ενός αυτοκινήτου, κατά την κίνησή του σε ρεύμα ρευστού.

 

Σε ότι αφορά την μετωπική επιφάνεια που προαναφέρθηκε, είναι το δεύτερο συστατικό ποσοτικής αξιολόγησης της αεροδυναμικής απόδοσης ενός οχήματος. Η μετωπική επιφάνεια μετράται σε τετραγωνικά μέτρα και είναι ένα κομμάτι που δεν επιδέχεται ιδιαίτερης βελτιστοποίησης γιατί κάτι τέτοιο θα επηρέαζε αποφασιστικά τους διατιθέμενους χώρους για τους επιβάτες, ή το ύψος του οχήματος κτλ. Ωστόσο στον τρέχοντα σχεδιασμό των οχημάτων καταβάλλεται ιδιαίτερη προσπάθεια ώστε να μην πηγαίνει ούτε χιλιοστό χαμένο, με την έννοια ότι τα αυτοκίνητα έχουν συνήθως ακριβώς την μετωπική επιφάνεια που χρειάζονται χωρίς να γίνεται σπατάλη χώρου άνευ αντικρύσματος.

 

Ο συντελεστής οπισθέλκουσας πολλαπλασιαζόμενος με την μετωπική επιφάνεια του οχήματος, μας δίνει την μείζονα διαμήκη αεροδυναμική αντίσταση που υφίσταται ένα όχημα κατά την κίνησή του. Σε περίπτωση που δεν έχουμε τα ανωτέρω άμεσα ποσοτικά στοιχεία για την αεροδυναμική απόδοση ενός οχήματος, μπορούμε να αποφανθούμε εμμέσως για την στάθμη της, μέσω της επιτυγχανόμενης τελικής ταχύτητας που έχουν δυο διαφορετικά αυτοκίνητα για παράδειγμα, με μόνον περιορισμό να έχουν την ίδια μέγιστη ισχύ. Έστω δηλαδή ότι έχουμε δυο οχήματα όμοιας ισχύος. Αυτό που επιτυγχάνει μεγαλύτερη τελική ταχύτητα, είναι εκείνο που υπερέχει αεροδυναμικά.

 

 

 

aerodynamics

Αεροδυναμική αντίσταση συναρτήσει της ταχύτητας ενός οχήματος. Παρατηρείστε ότι στην τελική ταχύτητα των 192 km/h, η αεροδυναμική αντίσταση είναι 78 ps

 

 

Θα αναρωτηθείτε εδώ ευλόγως. Μα καλά, η τελική ταχύτητα δεν εξαρτάται και από το βάρος του οχήματος, ή/και από άλλους παράγοντες; Και θα έχετε δίκιο. Η τελική ταχύτητα που επιτυγχάνει ένα αυτοκίνητο, εξαρτάται θεωρητικά από πέντε παραμέτρους. Η πρώτη είναι η ισχύς του οχήματος, η δεύτερη είναι η αεροδυναμική απόδοση, η τρίτη είναι κλιμάκωση του κιβωτίου ταχυτήτων μαζί με την τελική σχέση διαφορικού, η τέταρτη είναι το βάρος του και η πέμπτη είναι ο συντελεστής τριβής κυλίσεως που εξαρτάται από τα ελαστικά του. Ας τα δούμε όλα αυτά ένα-ένα ξεκινώντας από το βάρος. Πράγματι το βάρος παίζει ρόλο στην τελική ταχύτητα ενός οχήματος, ωστόσο είναι πολύ λιγότερο σημαντικός από όσο πιστεύουν πολλοί. Το βάρος παίζει καθοριστικό ρόλο στις επιταχύνσεις από στάση και ειδικότερα σε αυτές από χαμηλές ταχύτητες, για παράδειγμα στο τυπικό 0-100 km/h.

 

Για να ενισχύσουμε τον ισχυρισμό, ας εξετάσουμε δύο οχήματα με παρόμοια μέγιστη ισχύ και διαφορετικό βάρος, χωρίς να γνωρίζουμε με άμεσο τρόπο την αεροδυναμική τους απόδοση. Το πρώτο είναι η Alfa Romeo Mito 1.4 με 120 ps και το δεύτερο είναι η Mercedes-Benz CLA 180 με 122 ps. Το ιταλικό αυτοκίνητο ζυγίζει 1145 κιλά και το γερμανικό 1395, συνεπώς υπάρχει μια διαφορά 250 κιλών υπέρ του ιταλικού, η δε τυπική επιτάχυνση 0-100 km/h είναι υπέρ του ιταλικού όπως ανεμένετο με 8.8’’ έναντι 9.3’’ της Mercedes. Στην δε τελική ταχύτητα όμως, τα πράγματα όμως αλλάζουν υπέρ της CLA, όπου αν και 250 κιλά βαρύτερη επιτυγχάνει μεγαλύτερη τελική ταχύτητα με αυτή να είναι 210 km/h, έναντι των 203 km/h της Mito. Σε ότι αφορά την τριβή κυλίσεως, αυτή συνήθως είναι παρόμοια μεταξύ οχημάτων παρεμφερούς ισχύος, αφού σε αυτές τις περιπτώσεις το εγκάρσιο πέλμα των ελαστικών τείνει να είναι παρόμοιο, αλλά ακόμα και αν δεν είναι απολύτως όμοιο, η επίδραση που αυτή η μικρή διαφορά έχει, επηρεάζει σε πολύ μικρό βαθμό την τελική ταχύτητα για δεδομένο οδόστρωμα.

 

Πηγαίνοντας στην μετάδοση, θα μπορούσε κάποιος να ισχυριστεί, ότι ακόμα και αν δύο αυτοκίνητα έχουν ίδια ισχύ, η τελική ταχύτητα θα μπορούσε να είναι διαφορετική όχι λόγω αεροδυναμικής υπεροχής του ενός έναντι του άλλου, αλλά λόγω του ότι το ένα αυτοκίνητο έχει μακρύτερη και το άλλο κοντύτερη μετάδοση. Αυτή η αιτίαση θα μπορούσε πράγματι να ισχύει και όντως ισχύει, αφού σπάνια δυο διαφορετικά αυτοκίνητα έχουν ακριβώς τις ίδιες σχέσεις μετάδοσης, ωστόσο στην πράξη δεν υπάρχει κανένα όχημα μαζικής παραγωγής αυτήν την στιγμή στον κόσμο, που η μετάδοση του να είναι τόσο πυκνή ώστε το αυτοκίνητο ουσιαστικά να το φρενάρει η μετάδοση και να του αφαιρεί χιλιόμετρα από την τελική του ταχύτητα. Περιπτώσεις που η μετάδοση μειώνει την τελική ταχύτητα, είναι ο μηχανοκίνητος αθλητισμός, για παράδειγμα η F1, όπου άλλες σχέσεις μετάδοσης έχει ένα μονοθέσιο στο Monaco που η τελική ταχύτητα που επιτυγχάνεται εκεί είναι κάτω των 290 km/h και άλλες για την Monza που η τελική ταχύτητα είναι της τάξεως των 350 km/h.

 

 

Παράγοντες που επηρεάζουν τον συντελεστή οπισθέλκουσας

 

Όπως προαναφέρθηκε, το σχήμα του αυτοκινήτου έχει καθοριστική επίδραση στην διαμόρφωση του συντελεστού οπισθέλκουσας, ωστόσο οι μηχανικοί εφαρμόζουν και ορισμένες περιφερειακές λύσεις πάνω στο όχημα για να τον βελτιώσουν, όπως ενεργό κλείσιμο της εμπρόσθιας μάσκας ανάλογα με τις ανάγκες ψύξης του κινητήρα, μικρές πτέρυγες μορφοποίησης της ροής, πτέρυγες ενεργού μεταβολής, επίπεδα πατώματα κτλ. Οι διαχύτες που χρησιμοποιούνται σε ορισμένα σπορ προσανατολισμού οχήματα στην πραγματικότητα δυσχεραίνουν ελαφρώς τον συντελεστή οπισθέλκουσας, ωστόσο αυξάνουν την κάθετη δύναμη που υφίσταται το πίσω μέρος του οχήματος, συνεπώς βελτιώνουν σημαντικά την ευστάθειά του. Επίσης η επιφανειακή τραχύτητα του αμαξώματος επηρεάζει τον συντελεστή οπισθέλκουσας που ενημερώνεται από την βαφή του.

 

Τώρα τελευταία μελετώνται από τους κατασκευαστές και οι γεννήτριες στροβιλισμού. Οι γεννήτριες στροβιλισμού είναι επί της ουσίας μικρές πτέρυγες των οποίων η μια ( η εγκάρσια) εκ των τριών χωρικών διαστάσεων είναι πολύ μικρότερη των άλλων δύο. Αυτό που επιτυγχάνεται με αυτές, είναι η αποφυγή της αποκόλλησης της ροής στο οριακό στρώμα ενός οχήματος, με αποτέλεσμα την μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης. Πειραματικά έχει αποδειχθεί ότι ανάλογα με το πλήθος, την γεωμετρία και την γωνία πρόσπτωσης, αυξάνεται επιπροσθέτως και η κάθετη δύναμη που προσδίδεται στο όχημα.

 

 

 

vortex_generators

Όψη γεννητριών στροβιλισμού στο οπίσθιο μέρος ενός οχήματος

 

 

Ένα ακόμα  στοιχείο που πρέπει να αναφερθεί εδώ είναι, ότι το εγκάρσιο πέλμα των ελαστικών επηρεάζει αρνητικά τον συντελεστή οπισθέλκουσας, όσο μεγαλύτερο είναι αυτό. Για να γίνει καλύτερα αντιληπτό θα αναφέρουμε ένα παράδειγμα. Το αυτοκίνητο με τον καλύτερο αεροδυναμικό συντελεστή παγκοσμίως αυτήν την στιγμή, είναι η Mercedes-Benz CLA 180 BlueEFFICIENCY, με 0.22. Οι διαστάσεις των ελαστικών του είναι, 195/65 R15. Το ίδιο αυτοκίνητο στην έκδοση 45 AMG, έχει αεροδυναμικό συντελεστή 0.32 και διαστάσεις ελαστικών 235/40/R18. Θα πρέπει να αποσαφηνισθεί εδώ πως αυτή η αύξηση του αεροδυναμικού συντελεστή δεν οφείλεται εξ’ ολοκλήρου στα ελαστικά, αφού υπάρχουν και ορισμένες μικροδιαφορές στο σχήμα του αμαξώματος, ωστόσο την μεγαλύτερη συμβολή στην χειροτέρευση του αεροδυναμικού συντελεστή, έχουν αναμφίβολα τα ελαστικά.

 

Αυτό απαντάται σε όλα τα τρέχοντα οχήματα, με τις βασικές εκδόσεις με τους πιο ασθενείς κινητήρες να έχουν τους καλύτερους συντελεστές οπισθέλκουσας και όσο ανεβαίνουμε σε εκδόσεις και πηγαίνοντας στις κορυφαίες, αυτός χειροτερεύει αναλόγως.  Αυτός είναι ένας εκ των σημαντικότερων λόγων, που η συντριπτική πλειοψηφία των υπεραυτοκινήτων, που αναγκαστικά εφοδιάζονται με φαρδιά ελαστικά για επίτευξη επαρκούς διαχείρισης της τεράστιας ισχύος που διαθέτουν, παρουσιάζουν μέτριους συντελεστές οπισθέλκουσας, που σε τρέχουσες εφαρμογές κυμαίνονται στις περισσότερες περιπτώσεις μεταξύ 0.33-0.37. Φωτεινή εξαίρεση το Nissan GT-R με τον αδιανόητα χαμηλό συντελεστή οπισθέλκουσας για την κατηγορία, της τάξεως του 0.26.  

 

 

 

nissan_gtr

Το υπεραυτοκίνητο με τον καλύτερο αεροδυναμικό συντελεστή στον κόσμο, (Cd=0.26) Nissan GT-R

 

 

 

Η σημασία της αεροδυναμικής απόδοσης σε ηλεκτρικά οχήματα

 

Αν και η έννοια της  αεροδυναμικής απόδοσης είναι μεγάλης σημασίας για όλων των τύπων τα οχήματα, ωστόσο η επάρκειά της είναι ακόμα πιο σημαντική σε ηλεκτρικά οχήματα. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό, είναι γιατί τα ηλεκτρικά οχήματα εγγενώς και εν γένει, παρουσιάζουν χαμηλή αυτονομία λόγω της τρέχουσας τεχνολογικής εξέλιξης των μπαταριών. Στα λίγα αμιγώς ηλεκτροπροωθούμενα αυτοκίνητα στις μέρες μας, οι αυτονομίες κυμαίνονται μεταξύ 100-160 χιλιομέτρων με μοναδική εξαίρεση το Tesla Model S, που στην βέλτιστη περίπτωση παρουσιάζει αυτονομία 424 χιλιόμετρα.

 

 

tesla_model_s 

Το Tesla Model S εντός αεροδυναμικής σήραγγας

 

 

 Η αδυναμία της τρέχουσας τεχνολογίας των μπαταριών να υποστηρίξει αυτονομίες της τάξεως θερμικών οχημάτων, το όχι ευρέως διαδεδομένο παγκοσμίως, δίκτυο ταχείας φόρτισης, καθώς και ο απαιτούμενος χρόνος φόρτισης, που γενικά είναι υπερβολικά βραδύτερος από το γέμισμα ενός ρεζερβουάρ κινητήρα βενζίνης ή πετρελαίου, ουσιαστικά επιβάλλουν στους κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων να βελτιστοποιούν όσο το δυνατόν περισσότερο αεροδυναμικά τα ηλεκτρικά οχήματα προκειμένου να βελτιωθεί η αυτονομία. Πράγματι, τα τρέχοντα ηλεκτρικά οχήματα παρουσιάζουν εξαιρετικούς αεροδυναμικούς συντελεστές, ώστε αυτήν την στιγμή να μην υπάρχει κανένα με συντελεστή άνω του 0.30. Εδώ θα πρέπει να αναφερθεί εμβόλιμα το εξής.

 

Προκειμένου οι κατασκευαστές να μειώσουν τις αεροδυναμικές αντιστάσεις, χρησιμοποιούν και πιο επιθετικά μέτρα, όπως η μείωση της τελικής ταχύτητας, που σε όλα τα ηλεκτρικά οχήματα που κυκλοφορούν αυτήν την στιγμή, είναι βαρύτατα περιορισμένη. Ας πάρουμε ένα απτό παράδειγμα για να το αντιληφθούμε αυτό καλύτερα. Το Tesla Model S που αναφέρθηκε ανωτέρω αποδίδει ισχύ 422 ps, ενώ η τελική του ταχύτητα είναι ηλεκτρονικά περιορισμένη στα 208 km/h. Για την διατήρηση αυτής της τελικής ταχύτητας με δεδομένη την αεροδυναμική απόδοση, το βάρος και τις δι’επαφής τριβές του οχήματος, απαιτούνται περίπου 120 ps. Αν η τελική του ταχύτητα δεν ήταν ηλεκτρονικά περιορισμένη, το συγκεκριμένο όχημα, θα είχε τελική ταχύτητα άνω των 320 km/h. Αυτό βέβαια θα προϋπέθετε ότι η μπαταρία θα είχε την δυνατότητα να προσφέρει σε τέτοια επίπεδα ισχύ, αλλά επιπρόσθετα θα το επέτρεπε και η μετάδοση του οχήματος.

 

Ωστόσο η βασική τροχοπέδη για την απελευθέρωση της τελικής ταχύτητας των ηλεκτρικών οχημάτων, αποτελεί η εξέλιξη των μπαταριών, όπως προαναφέρθηκε, συνεπώς οι κατασκευαστές τέτοιου είδους οχημάτων καταφεύγουν στο να βελτιώσουν την αυτονομία μειώνοντας όσο μπορούν περισσότερο τις αεροδυναμικές αντιστάσεις, που είναι οι μείζονες αντιστάσεις που αντιμετωπίζει ένα όχημα, ειδικά σε υψηλές ταχύτητες και ο πιο προφανής τρόπος να το πετύχουν αυτό, είναι να μειώσουν ηλεκτρονικά την τελική ταχύτητα.

Developed by Yannis Foufoulas