空気力学ハンドブック

車両の空気抵抗に影響を与える最も重要な要素

空気抵抗が少ないため、燃料消費量を削減できます。 しかし、これに関しては、開発の余地が大いにあります。 もちろん、空気力学の専門家が設計者の意見に同意する場合。

「オートバイを作れない人のための空気力学。」 これらの言葉はXNUMX年代にエンツォフェラーリによって話され、自動車のこの技術的な側面に対する当時の多くのデザイナーの態度を明確に示しています。 しかし、最初の石油危機が発生したのはたったXNUMX年後のことでした。 車の移動中のすべての抵抗力、特に空気層を通過するときに発生する抵抗力が、消費される燃料の量に関係なく、エンジンの排気量と出力を増加させるなどの広範な技術的解決策によって克服されるとき、それらは消え、エンジニアは見始めるあなたの目標を達成するためのより効果的な方法。

現時点では、空気力学の技術的要因は忘却の塵の厚い層で覆われていますが、デザイナーにとってこれはニュースではありません。 77年代でさえ、ドイツのエドマンドランパーやハンガリーのポールザライ（象徴的なタトラTXNUMXを作成した）などの先進的で独創的な精神が流線型の表面を形作り、車体設計への空気力学的アプローチの基盤を築いたことを技術の歴史は示しています。 その後、バロンラインハルトフォンケニッヒファクセンフェルトやウニバルドカムなどの空気力学の専門家による第XNUMXの波が続き、XNUMXでアイデアを開発しました。

速度が上がると限界が来て、それを超えると空気抵抗が車を運転する上で重要な要素になることは誰の目にも明らかです。 空気力学的に最適化された形状を作成すると、この制限を大幅に押し上げることができ、いわゆるフロー ファクター Cx で表されます。これは、1,05 の値は気流に対して垂直に逆さまになった立方体を持つためです (軸に沿って 45 度回転すると、上流エッジは 0,80 に減少します)。 ただし、この係数は空気抵抗方程式の一部にすぎません。重要な要素として、車の前面領域 (A) のサイズを追加する必要があります。 空気力学者の最初のタスクは、空気力学的に効率的なクリーンな表面を作成することです (その要因は、後で説明するように、自動車に多く見られます)。これにより、最終的に流量係数が低下します。 後者を測定するには風洞が必要ですが、これは高価で非常に複雑な構造です。この例は、2009 年に委託された風洞です。 会社に170億XNUMX万ユーロの費用がかかったBMW。 その中で最も重要なコンポーネントは、別の変電所が必要なほど多くの電力を消費する巨大なファンではなく、空気のジェットが車に及ぼすすべての力とモーメントを測定する正確なローラー スタンドです。 彼の仕事は、車と気流との相互作用全体を評価し、スペシャリストが細部を研究して変更できるようにすることです。これにより、気流が効果的であるだけでなく、設計者の希望にも合うようになります。 . 基本的に、車が遭遇する主な抗力成分は、車の前の空気が圧縮されて移動するときに発生し、非常に重要なことに、車の後ろの激しい乱気流から発生します。 車を引っ張る傾向がある低圧ゾーンがあり、これが強い渦効果と混ざり合っており、空力学者はこれを「デッドエキサイテーション」と呼んでいます。 論理的な理由から、ステーションワゴンモデルの後、真空レベルが高くなり、その結果、消費係数が低下します。

空力抵抗係数

後者は、車の全体的な形状などの要因だけでなく、特定の部品や表面にも依存します。 実際には、現代の自動車の全体的な形状とプロポーションは、空気抵抗全体の 40% を占めており、その 10 分の 20 は物体の表面構造と、ミラー、ライト、ナンバー プレート、アンテナなどの機能によって決まります。 空気抵抗の 30% は、ベントを通ってブレーキ、エンジン、トランスミッションに流れることによるものです。 0,28% は、さまざまなフロアとサスペンションのデザイン、つまり車の下で起こるすべての渦の結果です。 そして最も興味深いのは、空気抵抗の 0,18% は車輪と翼の周りに生じる渦によるものです。 この現象の実際のデモンストレーションは、これを明確に示しています。車輪を取り外してフェンダーの通気口を閉じると、車両あたりの流量が 1 から 1 に低下します。 ホンダの最初のインサイトや電気自動車の GM EV0,195 など、驚くほど走行距離の少ないすべての車がリア フェンダーを隠しているのは偶然ではありません。 電気モーターは多くの冷却空気を必要としないため、全体的な空力形状と閉じたフロント エンドにより、GM の設計者はフロー ファクターがわずか 3 の EV0,21 モデルを開発することができました。 Tesla Model XNUMX の Cx は XNUMX です。 いわゆる内燃機関を搭載した車両の車輪の渦度を減らすため。 フロントバンパーの開口部から向けられた薄い垂直の気流の形をした「エアカーテン」は、ホイールの周りに吹き付けて渦を安定させ、エンジンへの流れは空力シャッターによって制限され、底は完全に閉じられます。

ローラースタンドで測定された力の値が低いほど、Cx は小さくなります。 通常、時速 140 km で測定されます。たとえば、0,30 の値は、車が通過する空気の 30% がその速度まで加速されることを意味します。 正面に関しては、その読み取りにははるかに簡単な手順が必要です。このため、正面から見たときに車の外側の輪郭がレーザーで輪郭を描かれ、囲まれた面積が平方メートルで計算されます。 次に、流量係数を掛けて、車の総空気抵抗を平方メートルで取得します。

空力の物語の歴史的概要に戻ると、1996年に標準化された燃料消費量測定サイクル（NEFZ）が作成されたことは、実際には車の空力の進化にマイナスの役割を果たしたことがわかります（7年代に大幅に進歩しました）。 ) 高速移動の期間が短いため、空気力学的要因の影響がほとんどないためです。 長年にわたる消費係数の減少にもかかわらず、各クラスの車両の寸法の増加は正面面積の増加につながり、その結果、空気抵抗の増加につながります。 VW Golf、Opel The Astra、BMW 90 シリーズなどの車は、90 年代の先行モデルよりも空気抵抗が高かった. この傾向は、フロント エリアが大きく、流線形が悪化している印象的な SUV モデルによって促進されます。 このタイプの車両は、主に重量が重いことで批判されてきましたが、実際には、速度が上がるにつれてこの要因は相対的に重要ではなくなります。都市の外を時速約 50 km の速度で走行する場合、空気抵抗の割合は約80%、高速道路の速度では、車が直面する総抵抗から XNUMX% に増加します。

風洞

車両性能における空気抵抗の役割のもう 50 つの例は、典型的なスマート シティ モデルです。 XNUMX シーターは市街地では機敏に動きますが、その短くバランスのとれたボディワークは空力の観点から非常に非効率的です。 軽量化を背景に、空気抵抗はますます重要な要素となり、Smart では XNUMX km/h の速度で効果を発揮し始めます.軽量設計にもかかわらず、期待に応えられなかったのは当然のことです.比較的低コスト。

しかし、スマートの欠点にもかかわらず、空力に対する親会社のメルセデスの態度は、見事な形状を作成するプロセスに対する系統的で一貫した積極的なアプローチの一例です。 この会社では、風洞への投資とこの分野での努力の結果が特に顕著であると言えます。 このプロセスの効果の特に顕著な例は、現行の S クラス (Cx 0,24) がゴルフ VII (0,28) よりも空気抵抗が少ないという事実です。 より多くの内部空間を求めて、コンパクトなモデルの形状はかなり大きな前面面積を獲得し、その長さが短いため流量係数はSクラスのそれよりも悪く、流線型の表面と多くのことを可能にしません。もっと。 -すでに後ろからの急激な移行により、渦の形成に寄与しています。 しかし、フォルクスワーゲンは、次世代のゴルフは空気抵抗が大幅に減少し、低くなり、流線型になると断言しています。 ICE 車両 0,22 台あたり 180 という記録された最小の燃料消費係数は、Mercedes CLA XNUMX BlueEfficiency です。

電気自動車の利点

空力形状と重量の重要性のもう100つの例は、最新のハイブリッドモデルやさらに多くの電気自動車です。 たとえばプリウスの場合、空力設計の必要性は、速度が上がるとハイブリッドパワートレインの効率が劇的に低下するという事実によっても決まります。 電気自動車の場合、電気モードでの走行距離の増加に関連するすべてが非常に重要です。 専門家によると、重量をXNUMX kg削減すると、車の走行距離はわずか数km増加しますが、その一方で、空気力学は電気自動車にとって最も重要です。

第一に、これらの車両の質量が大きいため、回生に使用されるエネルギーの一部を回収できるため、第二に、電気モーターの高トルクにより、始動時の重量の影響を相殺できるため、効率が低下するためです。ハイスピードでハイスピードで。 さらに、パワー エレクトロニクスと電気モーターに必要な冷却空気が少なくて済むため、車の前部の開口部を小さくすることができます。これは、すでに述べたように、車体周辺の流れを悪化させる主な原因です。 今日のプラグイン ハイブリッド モデルでより空力的に効率的な形状を作成する設計者の動機のもう XNUMX つの要素は、電気モーターの助けのみを使用した加速のない動作モード、またはいわゆる。 セーリング。 用語の由来であり、風がボートを動かすはずの帆船とは異なり、電気自動車は空気抵抗が少ない場合、走行距離が長くなります。 空気力学的に最適化された形状を作成することは、燃料消費を削減する最も経済的な方法です。

テキスト：Georgy Kolev

いくつかの有名な車の消費係数：

メルセデスシンプレックス

1904年生産、Cx = 1,05

ランプラートロプフェンワーゲン

1921年生産、Cx = 0,28

フォードモデルT

1927年生産、Cx = 0,70

実験モデルカム

1938年生産、Cx = 0,36

メルセデスのレコードカー

1938年生産、Cx = 0,12

VWバス

1950年生産、Cx = 0,44

VW「タートル」

1951年生産、Cx = 0,40

パナールディナ

1954年生産、Cx = 0,26

ポルシェ356

1957年生産、Cx = 0,36

MG EX181

1957年生産、Cx = 0,15

シトロエンDS19

1963年生産、Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966年生産、Cx = 0,38

メルセデスC 111

1970年生産、Cx = 0,29

ボルボ245バン

1975年生産、Cx = 0,47

アウディ100

1983年生産、Cx = 0,31

メルセデスW 124

1985年生産、Cx = 0,29

トヨタプリウス1

1997年生産、Cx = 0,29