اهمیت آیرودینامیک خودرو ها و تاثیر آن در طراحی

مطالعه و بررسی علمی برخورد یک جسم در مقابل جریان هوا را علم آیرودینامیک می‌گویند. امروزه محاسبه ضریب آیرودینامیک خودرو ها در مکان‌هایی به نام تونل باد صورت می‌گیرد. نزدیک به نود سال است که مقاومت هوا در مقابل حرکت بدنه خودرو، ذهن طراحان آن را در سرتاسر جهان درگیر خود نموده است.

زمانی که بحث کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های هوا به میان می‌آید، نقش آیرودینامیک در بدنه خودرو پر رنگ‌تر نیز می‌شود. هر چند که کاربرد این علم در کاهش صدای باد در درون کابین نیز تأثیر بسزایی دارد.

نیروی درگ یا ضریب بسار چیست؟

درگ یك نیروی آیرودینامیكی می باشد كه برخلاف حركت وسیله نقلیه در حال حركت در میان جریان هوا ایجاد می شود. درگ بوسیله هر جسم جامد ممكن است ایجاد شود. درگ چگونه تولید می شود ؟ 

،به منظور درک نیروی آیرودینامیکی تصور کنید که در حال رانندگی هستید و دست چپتان را بیرون از پنجره خودرو قرار داده اید. بدیهی است که در این حالت جریان هوا را حس می کنید که دستتان را به عقب هل می دهد. در حقیقت مولکول های هوا به دست شما و در خلاف جهت مسیر حرکت خودرو نیرو وارد می کنند. به این نیرو، «درگ» (Drag) – یا پسا – گفته می شود.

معمولا در سیستم های آیرودینامیکی با این نوع از نیرو برخورد می کنیم. در حالت کلی نمی توان گفت که وجود داشتن چنین نیرویی بد خواهد بود، اما معمولا عاملی در بازدارندگی اجسام است.
به منظور اینکه بفهمیم این فاکتور دقیقاً به چه معناست بیایید نگاهی به معادله ی مهندسی مورد استفاده برای محاسبه ی ضریب پسا بیندازیم:

کاهش نیروی درگ خودرو ها

برای خودروها، درگ یا پسار نیرویی است که به واسطه وجود هوا در اطراف ایجاد می شود. این نیرو خلاف جهت حرکت بوده و گویی قصد دارد جلوی حرکت خودرو را بگیرد. به عبارت ساده تر وقتی که یک اتومبیل در حال حرکت است، باید هوایی را که در برابر آن مقاومت می کند، بشکافد. میزان این مقاومت به شکل اتومبیل و سرعت آن بستگی دارد.

اثر درگ در سرعت های بالا بیشتر و بهتر ظاهر می شود. به همین خاطر است که وسایل نقلیه باید طوری طراحی شوند که تا حد ممکن ضریب درگ کمتری داشته باشند. هر چه ضریب درگ کمتر باشد، به معنای اینست که خودرو توانایی بهتری در شکافتن هوای پیش رو دارد.

همانطور که اشاره شد، ضریب درگ به غیر از تحت تاثیر قرار دادن عملکرد خودرو در سرعت های بالا، در فاکتورهایی مثل پایداری، مصرف سوخت و شتابگیری نیز دخالت می کند.

محاسبه ضریب درگ از طریق فرمول های پیچیده ریاضی صورت می گیرد. در این فرمول ها فاکتورهایی مثل سرعت، غلظت هوا و سطح مقطع خودرو نقش دارند. از آنجایی که ضریب درگ معمولا در تونل باد محاسبه می شود، شکل و ساختار تونل نیز می تواند جزو عوامل دخیل در ضریب درگ باشد.

 فرمول ضریب درگ

نیروی درگ که در آن:

• FD ضریب درگ است که می تواند با توجه به سرعت جسم متفاوت باشد. اما معمولا از مقادیر 0.4 تا 1.0 برای مایعات مختلف (مانند هوا و آب) متغیر است.
• ρ تراکم هوا
• v سرعت جسم نسبت به هوا است
• A مساحت ناحیه جلویی

عدد ضریب درگ آیرودینامیک خودرو های مختلف

در ادامه به ضریب درگ برخی از خودروهای مشهوری اشاره می کنیم که شاید با دیدن برخی از آن ها تعجب کنید:

به طور کلی اتومبیل های سواری دارای ضریب درگی بین ۰.۲۵ الی ۰.۳۰ هستند، این رقم در مدل های شاسی بلند به دلیل ارتفاع بلندتر و بدنه های جعبه ای شکل به ۰.۳۵ الی ۰.۴۵ افزایش می یابد.

نکته عجیب و متضاد اینکه اتومبیل های مسابقه ای، مثل نمونه های حاضر در رقابت های فرمول یک یا کاترهام Seven، ضرایب درگی بیشتر از هامر H2 دارند. ضریب درگ این شاسی بلند که می توان آن را به جعبه ای بزرگ بر روی چهار چرخ تشبیه کرد، با ۰.۵۷ برابر است.

ضریب درگ خودروهای فرمول یک، مطابق با تنظیماتی که تیم ها انتخاب می کنند، بین ۰.۷ و ۱.۱ متغیر است. دلیل این امر به تولید نیروی رو به پایین (downforce) بر می گردد. با ایجاد نیروی رو به پایین بیشتر، خودروهای فرمول یک چسبندگی بهتری با زمین پیدا کرده و می توانند پیچ ها را با سرعت بالاتری پشت سر بگذارند.

همانطور که در لابلای مطالب اشاره کردیم، ضریب درگ خیلی پایین در سرعت های بالا باعث کاهش چسبندگی می شود؛ حال آنکه ضریب درگ بالا می تواند به معنی افزایش نیروی downforce باشد.

مساله حائز اهمیت اینکه ضریب درگ یک کمیت کاملا متغیر است. به عبارتی وقتی این ضریب برای یک خودروی معین مشخص می شود، تنها برای آن مدل خاص صادق خواهد بود و نمی توان گفت که تمام اعضای سری مربوطه دارای ضریب درگی مشابه هستند.

در چند سال اخیر خودروسازان بیشتر بر روی ضریب درگ ها مانور داده اند.

البته باید گفت در برخی موارد نیز نیروی درگ برای حفظ تعادل خودرو در سرعت های بالا بسیار موردنیاز بوده و البته شما می خواهید که از ورود هوا به رادیاتورها و دیگر بخش های خودرو که نیازمند حداکثر خنک شدن هستند مطمئن شوید. به نظر می رسد که صنعت خودرو هم از نظر طراحی و هم از نظر کاربردی بودن به تولید خودروهایی با ضریب درگ حوالی ۰.۳ علاقه دارد اما ضریب درگ پایین تر نیز باعث صرفه جویی در مصرف سوخت می شود و البته توانایی دست یابی به سرعت های بالاتر را مهیا می سازد.

بیشتر بدانید: معرفی انواع کلاس بندی خودرو ها

ضریب آئرودینامیک خودروهای داخلی

• پرايد: 0.35
• پژو405: 0.31
• ماتيز: 0.36
• رنو 5: 0.38
• زانتيا: 0.30
• هيونداي ورنا: 0.34

افزونه‌های آیرودینامیکی

علاوه بر نیروی درگ در دانش آیرودینامیکی نیروهای دیگری نیز وجود دارند؛ نیروی لیفت (Lift) و دان‌فورس (Downforce) ازجمله این نیروها هستند. نیروی لیفت در جهت مخالف نیروی وزن و به سمت بالا به جسم اعمال می‌شود و نیروی دان‌فورس (نیروی عمود بر سطح) در جهت نیروی وزن وارد می‌شود و باعث چسبندگی بیشتر وسیله به سطح زمین می‌شود.

فناوری‌های استفاده‌شده در مسابقات فرمول یک، به‌تدریج به شرکت‌های تولیدکننده‌ی خودرو منتقل شد. اکثر خودروهای تولیدی امروزی از افزونه‌های آیرودینامیکی برای تولید دان‌فروس استفاده می‌کنند؛ به‌طور مثال در نیسان GT-R علیرغم انتقادهایی که از سوی منتقدان به طراحی این خودرو وارد شد، تمامی بدنه خودرو به نحوی طراحی‌شده بود تا کانال‌های هوایی عبوری از بدنه‌ را به سمت انتهای بیضی‌شکل خودرو و اسپویلر عقب آن هدایت کند تا نیروی دان‌فورس موردنیاز تأمین شود.

همچنین از فناوری که آن را بانام آیرودینامیک فعال می‌شناسند به‌طور گسترده در خودروهای اسپرت و سوپر اسپرت استفاده می‌شود.

کاربرد نیروی درگ در خودرو ها

نیروی درگ بسته به نوع کاربرد می‌تواند به عنوان کمک کننده یا یک مانع عمل کند. در موتوراسپورت طراحی خودروی مسابقه‌ای یک نبرد بزرگ بین درگ پایین و داون فورس است و قطعات آئرودینامیکی فعال به منظور کاهش درگ القا شده از قطعاتی نظیر بال‌های عقبی بزرگ بکار می‌روند.

در دنیای واقعی خودروهای جاده‌ای تنها به کاهش نیروی درگ نیاز دارند مخصوصاً در زمانه‌ای که مصرف سوخت یک فاکتور کلیدی است. مؤلفه‌ی اصلی که می‌گوید یک خودرو از نظر آئرودینامیکی در سطح خوبی است یا خیر با عنوان “ضریب درگ” شناخته می‌شود. این فاکتور قضاوتی از توانایی خودرو در حرکت رو به جلو و عبور از جریان باد مقابل است.

نیروی درگ یک خودرو در همان سطح جهت حرکت خودرو عمل کرده و به‌صورت نمایی با افزایش سرعت خودرو افزایش می‌یابد. این امر خواص آئرودینامیکی خودرو را به ویژه برای هایپرکارهایی نظیر بوگاتی بسیار مهم می‌سازد.

ضریب پایین برای دست‌یابی به ‌سرعت‌های بالا و مصرف سوخت کم سودمند بوده درحالی‌که ضریب درگ بالاتر عموماً در خودروهایی که دنبال سرعت‌های بالا در سر پیچ‌ها هستند یافت می‌شود.

اندازه‌گیری درگ با استفاده از تونل باد

برای اندازه‌گیری راندمان آیرودینامیکی یک خودرو در شرایط واقعی، مهندسان از ابزاری مشابه که در صنایع هواپیماسازی استفاده می‌شود، استفاده می‌کنند. این ابزار تونل باد نام دارد. تونل باد اساساً هندسه‌ی لوله‌شکل بزرگی دارد که یک فن باعث ایجاد جریان هوا در آن می‌شود؛ مهندسان با قرار دادن جسم موردنظر که در اینجا خودرو است در تونل باد به اندازه‌گیری مقاومت هوا می‌پردازند.

هواپیما یا خودرویی که در تونل باد قرار دارد در جای خود ثابت است و باد با سرعت‌های مختلف برای شبیه‌سازی شرایط واقعی به‌وسیله‌ی فن تولید می‌شود. در پاره‌ای از موارد حتی از مدل واقعی خودرو برای انجام آزمایش‌های تونل باد استفاده نمی‌شود و از مدل با ابعاد واقعی این خودرو برای بررسی جریان هوا استفاده می‌شود؛ با عبور هوا بر روی خودرو کامپیوترها به‌اندازه گیری ضریب درگ می‌پردازند.

تست خودرو در تونل باد چه تاثیری بر پایداری دارد؟

خودرو و مقاومت هوا بحث مهمی در ایمنی، مصرف سوخت و زیبایی خودرو است. تست خودرو در تونل باد از اهمیت بالایی برخوردار است. وقتی خودرو شروع به حرکت می کند، هوای اطراف خودرو سه اثر مهم را روی خودرو خواهد داشت.

1. نخستین اثر، مقاومتی است که هوا در مقابل عبور خودرو از خود نشان می دهد.
2. اثر دوم ناشی از عبور جریان هوا از اطراف خودرو است.
3. در نهایت مباحث مربوط به ایجاد صداهای مزاحم در داخل خودرو ناشی از هوای عبوری است.

مقاومت هوا در مقابل خودرو باعث می شود خودرو نیاز به نیروی بیشتری برای شکافتن هوا داشته باشد. به این ترتیب هر چه این مقاومت بالاتر برود، خودرو برای رسیدن به یک سرعت مشخص نیاز به نیروی بیشتری دارد.در نتیجه سوخت بیشتری مصرف می شود.

جریان هوای عبوری از اطراف خودرو، علاوه بر اثر مقاومتی در مقابل حرکت خودرو، باعث افزایش یا کاهش نیروی رو به پایین خودرو و در نتیجه افزایش یا کاهش پایداری خودرو در سرعت های بالا می شود.

عوامل موثر در طراحی آیرودینامیک خودرو

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.)
4. وزن و نیروی گرانش در آیرودینامیک خودرو

یکی دیگر از مسائلی که طراحان و تولیدکنندگان اتومبیل باید در نظر داشته باشند، تاثیر وزن خودرو بر آیرودینامیک آن است. به طور کل افزایش وزن یک خودرو باعث می‌شود نیروی گرانش تاثیر بیشتری در چسبندگی اتومبیل داشته باشد و چسبندگی اتومبیل در نهایت باعث می‌شود مقدار نیروی درگ افزایش یابد و خودرو برای حرکت به اعمال نیروی بیشتری نیاز داشته باشد؛

اما باید خاطر نشان کرد که نیروی گرانش تاثیر بسزایی در کنترل اتومبیل دارد و علم آیرودینامیک این وظیفه را دارد که وزن خودرو را به شکلی تنظیم کند تا مقدار چسبندگی به شکلی باشد که هم کنترل خودرو راحت باشد و هم نیروی درگ کاهش یابد.

از همین سو در بسیاری از خودرو‌های مدرن امروزی چند حالت برای رانندگی در نظر گرفته شده است؛ به عنوان مثال وقتی شما خودروتان را بر روی حالت اسپرت قرار می‌دهید و وزنه‌های تعبیه شده در شاسی خودرو به عقب اتومبیل هدایت می‌شوند و این موضوع باعث کاهش چسبندگی جلو خودرو و در نهایت کاهش مقدار نیروی درگ می‌شود؛ اما هیچگاه نباید انتظار داشت که خودرو در حالت اسپرت کنترل راحت‌تری داشته باشد.

قابلیت های آیرودینامیکی خودروهای امروزی

امروزه کاهش بیشتر ضریب پسا به عرصه‌ای برای رقابت بین طراحان عمده خودرو در سرتاسر جهان درآمده است. از جمله آیرودینامیک‌ترین خودروها در دنیای مدرن امروزی می‌توان به فولکس‌واگن XL1 با ضریب پسا 0.19 که در سال 2013 معرفی شد و همچنین جنرال‌موتورز EV1 با ضریب پسای 0.19 اشاره نمود که خودروی اخیر در سال 1996 به جهانیان معرفی شد.

اما از این دو نمونه خاص که بگذریم؛ در دنیای شلوغ خودروهای تولید انبوه، مرسدس‌بنز CLA180، ب‌ام‌و 520D و پورشه تایکان، هر سه با ضریب پسای 0.22 در زمره آیرودینامیک‌ترین خودروهای مدرن در دنیای پیشروی صنعت حمل و نقل هستند.

شرکت BMW

شرکت بی ام و در طی برنامه‌ی بهبود عملکرد خودروهای خود به‌طور گسترده از قابلیت‌های آیرودینامیکی استفاده کرده است که به تعدادی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

اسپویلر عقب هوشمند

در سرعت ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت، اسپویلر عقب به‌صورت هوشمند بالا می‌آید و باعث کاهش نیروی درگ و لیفت و بهبود فرمان پذیری خودرو در جاده می‌شود. در سرعت ۷۰ کیلومتر بر ساعت، این اسپویلر به‌صورت خودکار جمع می‌شود.

ایر بریزِر

‌با استفاده‌ از ایر بریزر که درواقع کانال خروجی هوا در چرخ‌های جلو است، با افزایش شتاب و سرعت خودرو مقاومت هوا تغییر چندانی نمی‌کند زیرا این کانال خروجی باعث کاهش جریان آشفته‌ی هوا و همچنین خروج جریان چرخشی هوا در گلگیر و زیر گلگیر خودرو می‌شود.

ایر کارتِین

هنگامی‌که شما خودروی خود را کنترل می‌کنید، ایر کارتین با کاهش مقاومت هوا با راه‌حلی ساده اما کاربردی، جریان هوا را برای شما کنترل می‌کند. ایر کارتین یک کانال باریک هوایی است که با سرعت دادن به جریان هوا و هدایت آن برای عبور از چرخ‌ها باعث کاهش جریان آشفته‌ (Turbulence) در گلگیر و زیر گلگیر خودرو و کاهش نیروی درگ وارد بر بدنه و همچنین کاهش مصرف سوخت و انتشار گاز کربن دی‌اکسید می‌شود.

ورودی‌های هوای هوشمند در جلوپنجره‌ها

دریچه‌های تعبیه‌شده در جلوپنجره در حالتی که نیازی به ورود هوا نیست بسته هستند و سیستم در هنگامی‌که پیشران، ترمزها و سایر قطعات خودرو به هوا نیاز دارند، دریچه‌های را باز می‌کند. این عمل موجب افزایش عملکرد آیرودینامیکی خودرو و کاهش مصرف سوخت آن می‌شود.

رینگ‌های آيرودینامیکی

‌طراحی رینگ‌های آيرودینامیکی که از پره‌های توربین موتورهای هوایی الهام گرفته‌شده است با بهبود جریان عبوری از کنار چرخ‌ها، باعث بهبود عملکرد آیرودینامیکی خودرو می‌شود.

خودرو های آیرودینامیکی بوگاتی

ابر خودروی بوگاتی شیرون باقدرت ۱۵۰۰ اسب بخاری و سرعت بسیار بالایی که دارد به‌شدت نیازمند سیستمی برای خنک کاری موتور و بهبود هندلینگ آن در سرعت‌های بالا است؛ لذا با روش‌هایی که در ادامه می‌بینید این نیاز خود را برطرف کرده‌اند.

شرکت Porsche

این شرکت نیز در پورشه 918 از آیرودینامیک فعال به فراوانی استفاده کرده است که ازجمله‌ی آن می‌توان به کنترل دریچه‌های ورودی جلو، اسپویلر عقب و صفحه‌های متحرک در زیر خودرو اشاره کرد.

 آیرودینامیک ترین خودرو جهان

یک طراح خودرو به نام گوردون موری از طراحی خودرویی به نام تی ۵۰ خبر داده که عنوان آیرودینامیک ترین اتومبیل جهان را به خود اختصاص داده است. این خودرو به علت شیوه طراحی، ویژگی های خاص موتور و غیره می تواند در برابر وزش باد مقاومت کرده و از کاهش سرعت خود جلوگیری کند و هم با چسبیدن به جاده شتاب خود راحفظ کند.

خودروی یادشده برای افزایش سرعت و شتاب به یک فن ۴۰۰ میلیمتری مکنده هوا در جلو مجهز شده که قدرت پیشرانه بیشتری به آن می بخشد. از این جریان هوا برای خنک کردن موتور خودرو هم استفاده می شود.

از جمله دیگر امکانات آئرودینامیکی خاص این خودرو می توان به دو ماهی واره در عقب آن به شکل بال هواپیما برای هدایت بهتر جریان باد اشاره کرد که به شش شیوه مختلف قابل برنامه ریزی است. با قرار دادن این ماهی واره ها در حالت خودکار تمامی تصمیمات آئرودینامیک بدون نیاز به دخالت راننده گرفته می شود.به منظور بهبود شیوه ترمز می توان این ماهی واره ها را به شکلی تنظیم کرد که خودرو در زمان حرکت با سرعت ۲۴۰ کیلومتر در ساعت با طی مسافتی حداکثر ده متری متوقف شود.

موتور این خودرو از نوع ۶.۵ لیتری و Cosworth V۱۲ بوده و با سرعت ۱۲۱۰۰ دور در دقیقه کار می کند. یک موتور کوچک ۴۸ ولتی تقویت کننده هم برای این خودرو در نظر گرفته شده است. خودروی مذکور هم به طور خودکار و هم به صورت دستی و شش دنده قادر به حرکت است.

وزن این خودرو ۹۸۰ کیلوگرم بوده و قرار است نمونه اولیه آن به طور رسمی در می سال ۲۰۲۰ عرضه شود. قیمت این خودرو در حدود ۲۶۳۰۰۰۰ دلار خواهد بود.

در پایان

مطالب بیان شده تنها بخشی از اقدامات انجام شده در دنیای خودرو است. با نگاهی به اطراف، تاثیرات دانش آیرودینامیک بر تمامی بخش‌های زندگی را می‌توانیم مشاهده کنیم. تجربیات خود را با ما در میا بگذارید.