ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΕΣ ΣΤΟ ΧΩΡΟ ΤΗΣ ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΠΑΡΙΑΝΟΥ ΘΕΟΔΩΡΑ 2014
Από πολύ νωρίς το σχήμα των οχημάτων επηρέασε σε μεγάλο βαθμό κατασκευαστές, επιστήμονες και μηχανικούς καθώς συνδέεται άμεσα με την αεροδυναμική του συμπεριφορά. Ένα αεροδυναμικό όχημα συμβάλλει εξαιρετικά στην συνολική απόδοση του οχήματος καθώς βελτιώνει σημαντικά την συμπεριφορά του σε τέσσερεις βασικούς τομείς κατανάλωση καυσίμου/ενέργειας αύξηση της τελικής ταχύτητας αύξηση της επιτάχυνσης μεγαλύτερη ικανότητα χειρισμού/ελέγχου Τι εννοούμε όμως αεροδυναμική ενός οχήματος; Κατά την αεροδυναμική κίνηση αναπτύσσονται στο όχημα 2 δυνάμεις, η συνισταμένη (συνολική) των οποίων είναι αυτή που τελικά καθορίζει την την κίνηση του. Μειώνοντας το μέτρο αυτών των δυνάμεων το όχημα παρουσιάζει καλύτερο κράτημα και επιτάχυνση παρέχοντας στον οδηγό καλύτερη οδηγική αίσθηση χωρίς το ίδιο να ζορίζεται. Βέβαια η σημασία της αεροδυναμικής μελέτης είναι κρίσιμη στις υψηλές ταχύτητες όπου το όχημα συναντά εξαιρετική αντίσταση λόγω της ταχύτητας του αέρα και όλες οι βελτιώσεις (όπως θα αναφερθούν παρακάτω) είναι βασισμένες σε αυτές τις συνθήκες καθώς τα φαινόμενα αντίστασης και άντωσης (εξηγούνται παρακάτω) δεν είναι αμελητέα. Ποιες είναι αυτές οι δυνάμεις; Οπισθέλκουσα (Drag Force) Η δύναμη της οπισθέλκουσας εμφανίζεται στο όχημα σαν μία παράλληλη, με τη ροή του αέρα, δύναμη η οποία δρα στην ίδια κατεύθυνση με αυτόν. Η δύναμη αυτή είναι αποτέλεσμα δύο δυνάμεων : δυνάμεις τριβής μεταξύ των μορίων του αέρα και δυνάμεις λόγω διαφοράς πίεσης. Το ποσό της δύναμης της οπισθέλκουσας που εμφανίζεται είναι μετρήσιμο και εκτιμάται μέσω ενός συντελεστή. Ο συντελεστής αυτός ονομάζεται συντελεστής οπισθέλκουσας (drag coefficient). Πρόκειται για ένα αδιάσταστο μέγεθος που δείχνει κατά πόσο ένα αντικείμενο που κινείται μέσα σε ένα ρευστό με κάποια ταχύτητα (υγρό, αέριο) αντιστέκεται στην κίνησή του. Με απλούστερα λόγια εκφράζει την δυσκολία ή το ποσό αντίστασης ενός σώματος κατά την κίνησή του. Ο συντελεστής αυτός αυξάνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας, συνεπώς σε υψηλές ταχύτητες είναι εξαιρετικά κρίσιμος. Ο συντελεστής εξαρτάται ακόμα από το σχήμα και την μετωπική επιφάνεια του αντικειμένου που κινείται μέσα σε ένα ρευστό. Έτσι κάθε όχημα έχει το δικό του συντελεστή οπισθέλκουσας και στόχος κατά τη
σχεδίαση του είναι η μείωση του συντελεστή. FD = CD * A*ρ *V2 / 2 A : Μετωπική επιφάνεια ρ : Πυκνότητα ρευστού V : Ταχύτητα σώματος CD : Συντελεστής οπισθέλκουσας Ο παραπάνω τύπος εκφράζει τη δύναμη της οπισθέλκουσας και πολύ απλά μας λέει πως όσο αυξάνεται η μετωπική επιφάνεια και η ταχύτητα του σώματος τόσο πιο δύσκολα κινείται το όχημα. Άντωση (Lift Force) Άντωση ή πιο γνωστή σαν άνωση είναι η συνιστώσα της συνολικής δύναμης που προκαλεί αεροδυναμική αντίσταση η οποία εμφανίζεται κάθετη στη ροή του αέρα. Στην εμφάνιση αυτής της δύναμης οφείλεται η απώλεια πρόσφυσης του οχήματος, και η απομάκρυνσή του από το οδόστρωμα σε υψηλές ταχύτητες. Το κράτημα γίνεται δυσκολότερο λόγω της απώλειας πρόσφυσης των ελαστικών. Το αποτέλεσμα της άντωσης προκύπτει από φαινόμενα διαφοράς πίεσης μεταξύ του άνω και του κάτω μέρους του οχήματος. Έτσι στο κάτω μέρος εμφανίζεται μεγαλύτερη πίεση (υπερπίεση) σε σχέση με το ανώτερο τμήμα με αποτέλεσμα να υπάχει μια τάση κίνησης προς τα πάνω, με απλά λόγια σαν να υπάρχει μια ρουφήχτρα που τραβά το όχημα προς τα πάνω. Παρακάτω ακολουθεί ένα σχήμα για την βοήθεια της κατανόησης των δυνάμεων και πως αυτές δρουν σε σημεία του οχήματος. Μία σημαντική δύναμη που φαίνεται στο σχήμα είναι η λεγόμενη Downforce η οποία
αντιτίθεται στην φορά της άντωσης (Lift). Αυτή η δύναμη είναι επιθυμητή και επιδιώκεται από τους κατασκευαστές παρεμβαίνοντας σχεδιαστικά στο όχημα ώστε να την επιτύχουν. Έτσι δημιουργούν μεγάλη πίεση στο ανώτερο τμήμα του οχήματος επιτυχγάνοντας ένα τεχνητό μεγάλο πρόσθετο βάρος με αποτέλεσμα το όχημα να βεντουζάρει και να πατά εξαιρετικά καλά στο οδόστρωμα. Τροποποιήσεις Οχημάτων Όσον αναφορά τον σχεδιασμό του οχήματος κατά το πέρασμα των χρόνων έχουν προταθεί πολλά διαφορετικά σχεδιαστικά μοντέλα που ποικίλουν στο σχήμα προσπαθώντας όλα να φτάσουν το τέλειο αεροδυναμικό σχήμα. Παρ όλα αυτά είναι πολλά εκείνα τα επιμέρους σημεία και τα στοιχεία που αυξάνουν την αεροδυναμική αντίσταση και χαρακτηρίζουν το όχημα από έναν πολύ κακό αεροδυναμικό συντελεστή. Ωστόσω δεν μπορούν να παραληφθούν καθώς είναι απαραίτητα στο όχημα και στον οδηγό δυσχεραίνοντας έτσι το έργο των σχεδιαστών υπόκειντας τους σε συμβιβασμούς κατά την αεροδυναμική σχεδίαση. Μερικά από αυτά είναι η σχάρα οροφής, οι λασπωτήρες σε μεγαλύτερα οχήματα, η αεροτομή, οι καθρέπτες, οι υαλοκαθαριστήρες. Βέβαια όλα αυτά τα στοιχεία έχουν βελτιωθεί σε σημαντικό βαθμό καθώς κυκλοφόρησαν με ανανεωμένο σχεδιασμό βελτιώνοντας έτσι την αεροδυναμική του οχήματος. Βελτιώσεις έγιναν στις αεροτομές ώστε να μειωθεί η οπισθέλκουσα δύναμη σχεδιάζοντάς τες επίπεδες με μία ελαφρυά κλίση προς τα κάτω ή τοποθετώντας αυτορυθμιζόμενες. Ακόμα προστέθηκαν στο εμπρόσθιο μέρος του οχήματος γρίλιες οι οποίες ρυθμίζουν το άνοιγμά τους έτσι ώστε να ψύχεται η μηχανή σε χαμηλές ταχύτητες ταυτόχρονα όμως να περνά τόση ποσότητα αέρα ώστε να μην δημιουργεί μεγάλη δύναμη οπισθέλκουσας. Μία άλλη βελτίωση αφορά την κάλυψη του κάτω μέρους του οχήματος ώστε να αποφεύγεται η τυρβώδης ροή με την προσθήκη διαχυτών. Οι διαχύτες φροντίζουν για την ελεγχόμενα κατευθυνόμενη ροή του αέρα κάτω από το όχημα παράγοντας downforce. Μία σημαντική πηγή αύξησης της οπισθέλκουσας δύναμης είναι οι τροχοί. Κατά την περιστροφή τους επηρεάζουν την ομαλότητα των ροϊκων γραμμών με αποτέλεσμα γύρω από αυτούς ο αέρας να αποκτά μεγάλη ταχύτητα. Αυτή η αύξηση οδηγεί στην εμφάνιση πολλών τοπικών στροβιλισμών, τύρβης και ανάδευσης των μορίων του αέρα με αποτέλεσμα να αυξάνεται αεροδυναμικός συντελεστής. Ακολουθεί σχετικό video της συμπεριφοράς της ροής ρευστού γύρω από περιστρεφόμενο τροχό https://www.youtube.com/watch?v=sy3r0egqmre Καινοτομία της Ford Ένα όχημα αεροδυναμικά υποσχόμενο παρουσιάστηκε τον Ιανουάριο του 13 στα πλαίσια του North American International Auto Show στο Detroit. Πρόκειται για ένα νέο
μοντέλο της Ford, το επωνομαζόμενο Ford Atlas. Το μοντέλο αυτό ανήκει στη κατηγορία οχημάτων pick -up και λόγω ενός έξυπνου συστήματος που διαθέτει αποτελεί μια νέα ευρεσιτεχνεία στο χώρο της αεροδυναμικής. Λόγος γίνεται για το σύστημα Active Wheel Shutters στο οποίο επένδυσαν οι μηχανικοί ώστε να μειώσουν τον αεροδυναμικό συντελεστή οπισθέλκουσας (Drug Coefficient). Η ιδιαιτερότητα βρίσκεται στο σχεδιασμό κινητών περσίδων στο μέρος του τροχού πίσω από τις ζάντες. Οι περσίδες (shutters) στην ουσία είναι κινητά φύλλα που κατόπιν συγκεκριμένων συνθηκών ανοίγουν και κλείνουν. Σε ανοιχτή θέση βρίσκονται όσο το όχημα παραμένει ακίνητο ή κινείται με χαμηλή ταχύτητα. Σε αυτή τη θέση τα διάκενα μεταξύ των περσίδων και των ακτίνων της ζάντας είναι ακάλυπτα. Όπως ακριβώς συμβαίνει με τις κλασσικές ζάντες που γνωρίζουμε όλοι. Καθώς το όχημα όμως επιταχύνει και κινείται πλέον με περισσότερα από 60 μίλια/ώρα (97 χλμ/ώρα) οι περσίδες ενεργοποιούνται ώστε να καλύψουν τα διάκενα αυτά και έτσι η ζάντα αποτελεί μία ενιαία κλειστή επιφάνεια. Η εικόνα αμέσως παρακάτω δείχνει και τις δύο θέσεις λειτουργίας
Μία πιο κοντινή εικόνα με κλειστές περσίδες https://www.youtube.com/watch?v=uyt2kioo_lk Όλα αυτά φυσικά ενεργοποιούνται ηλεκτρονικά ενώ ένα πλήθος αισθητήρων ανιχνεύει τις συνθήκες ταχύτητας ώστε να τεθεί σε λειτουργία το σύστημα. Η όλη διάταξη τροφοδοτείται από μπαταρίες στο εσωτερικό των τροχών με αποκλειστικό σκοπό την κίνηση των περσίδων, ενώ η ενέργεια ανανεώνεται μέσω της κίνησης του τροχού και έτσι επιτυγχάνεται και η επαναφόρτιση. Η τεχνολογία αυτή μπορεί να εκμεταλλευτεί καλύτερα στα φορτηγά όπου λόγω του μεγέθους των τροχών τα φαινόμενα της κακής αεροδυναμικής συμπεριφοράς είναι αναλογικά μεγαλύτερα και υπολογίσιμα.
Το σύστημα βέβαια παρόλη τη συνεισφορά του κρύβει τις επιφυλάξεις του ενώ είναι ακόμα υπό βελτίωση. Οι επιφυλάξεις αφορούν την εύρυθμη λειτουργία του κάτω από βρώμικες συνθήκες, χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος, οδήγηση εκτός δρόμου (offroad), κόστος απόκτησης και υπερθέρμανση του συστήματος πέδησης. ΠΗΓΕΣ ΕΝΤΥΠΑ Automotive Engineering International, February 5, 2013 (AEI-ONLINE.org) ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΕΣ http://archive.lansingstatejournal.com/article/20130119/business01/30119004 5/Ford-Atlas-concept-seen-precursor-its-next-generation-F-150-pickups http://www.greencarreports.com/news/1081702_ford-atlas-truck-concept-demosfuel-saving-active-wheel-shutters