Bilaerodynamik

I takt med att bensinkostnaden stiger, tar biltillverkarna mer och mer omsorg om att designa sina bilar så att de är bränslesnåla.

Aerodynamiska bilfunktioner

En aspekt av bildesign som spelar en roll för att spara bränsle är aerodynamisk effektivitet – med andra ord att se till att en bil möter så lite motstånd som möjligt från luften den färdas genom. Ju mer aerodynamiskt effektiv den är, desto mindre bränsle kommer den att använda för att färdas med en given hastighet. Ju snabbare bilen rör sig, desto viktigare är det att hålla luftmotståndet - drag - till ett minimum.

Drakoefficient

Den aerodynamiska effektiviteten hos en bils form mäts genom dess luftmotståndskoefficient (allmänt känd som dess Cd-figur). Till exempel har en platt platta som hålls i rät vinkel mot luftflödet ett Cd på 1,25, medan de mest effektiva bilmodellerna för tillfället har ett Cd på cirka 0,28.

Denna Cd-siffra kan dock inte användas ensam för att beräkna en bils saerodynamiska luftmotstånd eftersom den inte tar hänsyn till bilens frontarea. Frontarean är bilens totala tvärsnitt eller den totala mängden utrymme som den upptar när den ses från framsidan.

En bil i full storlek och en skalenlig modell av samma sak skulle båda ha samma Cd-figur, men den större versionen skulle behöva mycket mer kraft för att driva den i hastighet eftersom dess frontyta är större.

Blir halt

Med tonvikten på aerodynamik försöker biltillverkarna att göra varje på varandra följande modell mer "halare" — aerodynamiskt — än den föregående. Om jag tar Jaguar XJ6 som ett exempel är Cd:n för den nya modellen 0,38 jämfört med 0,44 för gamla serie 3. Den nya modellen har dock en större frontyta än den gamla — 22,17 sq ft, jämfört med 21,3 för den äldre. Den nya XJ6 har alltså en CdA på 8,42 (.38 x 22,17) jämfört med 9,37 för serie 3. Detta innebär att nya Jaguar tar mindre kraft för att köra den i någon speciell hastighet, och på samma effekt skulle nå en högre topp fart.

Av denna anledning är den viktiga siffran CdA (dragkoefficient multiplicerad med frontalarea), som ger den totala mängden motstånd som verkar på kroppen. Om du jämför två bilar måste du alltså jämföra CdA-figuren istället för Cd.

Vindtunnlar

Biltillverkare använder vindtunnlar för att se hur prototyper av deras bilar beter sig. I en vindtunnel förankras bilen och en luftström blåser förbi den för att simulera de förutsättningar som bilen skulle möta när den kördes framåt.

Bilen är kopplad till instrument som registrerar hur mycket nedåtkraft eller hur mycket lyft som genereras i varje ände av bilen. Luftflödet förbi bilen görs synligt genom att fästa små ulltossar på bilens kaross eller genom att blåsa en ström av rök förbi den.

I båda fallen kan den väg som vinden tar när den flyter över bilen ses av hur ullen eller röken beter sig. Rök visar också hur luften uppträder framför och bakom bilen. Ylletossar ordnar sig längs luftflödets linjer över kroppen men kan inte visa luftbeteendet framför eller bakom bilen.

Modellen eller bilen i vindtunneln kan vändas i olika vinklar mot luftflödet så att ingenjörerna kan se hur kroppsformen beter sig i sidovindar.

Utforma instabiliteter

Tryckcentrum är den effektiva punkten på bilens kaross där vinden verkar. De relativa positionerna för en bils tryckcentrum och dess tyngdpunkt (den punkt inuti bilen genom vilken tyngdkraften effektivt verkar) är avgörande för att bestämma bilens stabilitet. Till exempel, om tryckcentrumet ligger långt framför tyngdpunkten skulle en sidovind tendera att avleda bilen ur kurs (höger). En bil är stabilast när tryckcentrum ligger något framför tyngdpunkten, vilket är fallet med en framhjulsdriven bil där det mesta av vikten är framåt. De relativa höjderna för dessa två faktorer är också viktiga. Om både tryckcentrum och tyngdpunkten ligger högt upp på bilen, kan en sidovind tendera att få bilen att rulla och i extrema fall välta.

Dra och hastighet

I takt med att bilar har blivit snabbare med åren har deras aerodynamiska effektivitet blivit mer avgörande eftersom mängden kraft som behövs för att driva en bil i hög hastighet ökar med hastighetens kub. Ju snabbare du kör, desto mer kraft krävs för att gå ännu snabbare. Till exempel, om en tvåliters Ford Sierra som utvecklar 100 hk kan nå cirka 115 mph, kan du räkna ut hur snabbt en liknande bil med dubbelt så kraft bör gå, bortse från rullmotstånd. Kubroten av 2 (från 200 hk) är 1,26, så den andra bilen bör nå 115x 1,26 =145 mph - ungefär den faktiska toppfarten för 200 hk Sierra Cosworth.

Minska dra

När bilen väl har ställts upp i vindtunneln mäts dess luftmotstånd genom mängden kraft som bilen utövar på sina förankrade hjul när vinden blåser förbi den. När ändringar görs kan effekterna på draget mätas och registreras.

Vanligtvis kommer bilens konstruktörer att ha tagit fram en prototyp som ser ut som om den lätt kommer att glida genom luften, men när saker som luftintag och dörrhandtag väl har lagts till sjunker effektiviteten.

Några av funktionerna som hjälper till att jämna ut luftflödet kan ses på bilar som Vauxhall Astra. Astra har en låg, mjukt sluttande nos för att skära igenom luften, en vindruta som är nästan jämn med den omgivande karossen så att luftflödet inte störs, sidorutor som också är nästan i nivå med karossen och hjullister med ett minimum av konturer. uppmärksamhet på detaljer som att sänka dörrhandtagen och effektivisera ytterbackspeglarna hjälper till att minska det aerodynamiska motståndet genom att tillåta luften att flöda jämnare och minska tendensen för virvelbildning.

Andra tekniker som används på moderna aerodynamiska bilar inkluderar att fälla in vindrutetorkarna under vindrutepanelen när den inte används, att ha popup-strålkastare som passar jämnt med bilens nos när de är avstängda, och minimera upphöjda rännor runt kanterna på bilens tak. Genom noggrann uppmärksamhet på detaljer kan luftflödet till och med göras för att hålla bakljuslinserna rena.

Använda vindtunnlar för att undersöka bra luftflöde

Bra luftflöde gör att bilen glider genom atmosfären med minimala störningar samtidigt som den förblir stabil. En viss mängd downforce behövs i vardera änden av karossen för stabilitet, men turbulens bör helst ske bakom bilens bakdel — detta hjälper också till att hålla den ren.

Vindtunnlar använder en stor motordriven fläkt för att suga en ström av luft förbi en bil för att simulera körning genom stillastående luft i hastighet. Bilen sitter på tryckkänsliga dynor i mitten av tunneln och en visningsskärm i sidan av tunneln gör att ingenjörerna kan se vad som pågår.

Praktiska funktioner

När en bil utvecklas för produktion går vanligtvis en del av den aerodynamiska renheten i den ursprungliga designen förlorad. Ibland görs ändringarna av kostnadsskäl. Att montera ett slätt underlag kan till exempel förbättra effektiviteten hos en bils form, men den här panelen skulle kosta extra pengar att tillverka och skulle kunna göra åtkomsten till komponenter som växellådan svårare.

Vid andra tillfällen kan praktiska överväganden, som behovet av att montera bredare däck, göra bilen mindre aerodynamisk än prototypen med smala däck. Om bilen ska masstillverkas kan försäljningen hållas tillbaka om den innehåller funktioner som är alltför obekanta.

Ett exempel på detta är de strömlinjeformade k-framhjulen på Fords konceptbil, Probe. Sierra, som ser väldigt lik sonden men utan de infällda framhjulen, såldes långsamt tills allmänheten vant sig. Om den hade haft inpassade framhjul, hade försäljningen kunnat hämmas ytterligare.

Stabilitet

Det är relativt enkelt att designa en bil som kommer att glida genom luften i rak linje när det inte blåser, men det är svårare att säkerställa att bilen kommer att vara stabil när det blåser på den från sidan, eller när den blåser. kör kurvor i hög hastighet, vilket skapar en kraft på sidan av bilen.

Det finns en teoretisk punkt på sidan av en bil som kallas tryckcentrum, vilket är där vindtrycket effektivt verkar. Genom att uppmärksamma tryckets centrum och kraftbalansen kan ingenjörer designa mer stabila bilar.

Till exempel, om tryckcentrum låg långt över bilens tyngdpunkt, skulle en sidovind få bilen att rulla och försöka trycka bort den från linjen. Om tryckcentrum ligger långt framför bilens tyngdpunkt kommer en stark och byig sidovind att få bilen att försöka vända för att lägga tyngdpunkten framför.

Däremot skiftar läget för tryckcentrum med förändringar i bilens hastighet och kan i vissa fall även skifta så att det är framför bilen själv. Lösningen är först att se till att bilens tyngdpunkt ligger väl fram. Detta är en av anledningarna till populariteten för framhjulsdrivna layouter, som har en vikt framåt.

Tryckcentrum tenderar också att hållas längre bak om det finns en större yta på karossen bakåt i bilen. Vissa racingbilar från förr hade stjärtfenor som förbättrade deras stabilitet i hastighet genom att öka området bakåt. Den låga, sluttande motorhuvslinjen som ger bra penetration genom luften hjälper också till att hålla nere sidoområdet framtill på bilen.