Polityka prywatności - poznaj szczegóły » [ X ]
PODZIEL SIĘ



OCEŃ
4.9

Aerodynamika – cięcie powietrza

2009-10-16
Aerodynamika Montaż modelu musi być bardzo precyzyjny, wyniki pomiarów są przez kilka dni trawione przez superkomputer.

W poszukiwaniu idealnych kształtów. Aerodynamika ma ogromny wpływ na osiągi i ekonomię, a przy dzisiejszych trendach w motoryzacji wyrasta na jedną z czołowych dziedzin.

Nie byłoby problemu, gdyby nie powietrze. Cały kłopot w tym, że umyśliło sobie ono stawiać opór wszystkiemu, co się w nim porusza. Przy niedużych prędkościach, do około 70-80 km/h, opór ten ma niewielki udział w oporach ruchu, po czym zaczyna rosnąć w tempie przyspieszonym i przy 120 km/h jest już tak duży, że wszystkie inne opory można pominąć.

Aerodynamika samochodów i związane z nią zjawiska przepływu są zbyt skomplikowane dla czysto teoretycznych dociekań, to dziedzina przede wszystkim doświadczalna. Każdy szczegół ma wpływ na inne i nic nie daje rozpatrywanie na przykład nadwozia w oderwaniu od nadkoli, bowiem konsekwencje tego, co się w nich dzieje są rozsiane po całym aucie. Samoloty mają łatwiej, ich kadłub i skrzydła można rozpatrywać osobno. Samochód trzeba badać tylko jako całość.

Jak wyjaśnia szef aerodynamiki w BMW Hans Kerschbaum, wszystko rozbija się o różnice ciśnień. "Zaczyna się od kół i nadkoli, powiedzmy że coś tam poprawiłeś. To ma wpływ na przepływ powietrza pod podwoziem, więc zmieniasz coś pod spodem auta. W tym momencie od razu zmienia się rozkład ciśnień za tylną częścią nadwozia, więc wracasz na górę, do kształtu nadwozia i w końcu dochodzisz z powrotem do nadkoli. Za każdym razem właśnie tak się to odbywa."

Każdy samochód charakteryzują trzy podstawowe parametry: współczynnik oporu powietrza oraz siła nośna przy przedniej i tylnej osi. Współczynnik oporu określa jakość aerodynamiczną pojazdu, natomiast siła nośna mówi, jaka jest tendencja nadwozia do unoszenia się w ruchu.

Hans Kerschbaum twierdzi, że współcześnie nie da się rozdzielić stylizacji i aerodynamiki. Swoje tango czasem tańczą one w zgodzie, ale często też jako dwie sprzeczności. "Nad przepływem powietrza trzeba panować w każdym punkcie nadwozia. Dla każdego inżyniera jest kluczowe, żeby uzyskać płynny, łagodny przepływ na rogach nadwozia oraz po bokach, zapanować nad zawirowaniami jakie powstają przy przednich słupkach, zminimalizować zakłócenia wywoływane przez lusterka (które z punktu widzenia aerodynamiki są małą katastrofą) oraz uzyskać właściwe punkty oderwania strug powietrza z tyłu nadwozia" - wyjaśnia Kerschbaum. Na dodatek są rzeczy bardzo przyziemne, bo trzeba tak ukształtować przepływ, aby na szybach i reflektorach w jak najmniejszym stopniu osadzały się zabrudzenia i aby opływ powietrza nie był źródłem niepotrzebnych hałasów. I oczywiście styliści chcą mieć zgrabne nadwozie z długim przodem i krótkim tyłem, bo takie proporcje są atrakcyjne i dynamiczne. Natomiast byłoby ono bardziej efektywne aerodynamicznie, gdyby przód był krótszy, a tył nieco dłuższy.

SKĄD SIĘ BIERZE OPÓR

Zdrowy rozsądek podpowiada, że opór powstaje tam, gdzie samochód zderza się z powietrzem. Ale niejaki Albert Einstein zauważył, że zdrowy rozsądek to zbiór przesądów i zabobonów, jakich nabiera człowiek zanim ukończy 18 lat. Rzeczywistość jest taka:

40% oporu powietrza wynika z kształtów i proporcji nadwozia

30% ma swoje źródło w tym, co dzieje się w nadkolach

20% pochodzi z przepływu powietrza pod podwoziem

10% wynika z przepływu powietrza przez komorę silnika

ON WIE WSZYSTKO O AERODYNAMICE SAMOCHODÓW

Hans Kerschbaum w BMW pracuje od 1977 r., początkowo jako stylista, a od 1984 r. zajmuje się aerodynamiką. Do świata samochodów wprowadził lusterka na wąskich wspornikach (BMW 850i w 1989 r.), listwy przed przednimi kołami (BMW serii 3 z 1992 r.) oraz ostre krawędzie na kloszach tylnych lamp. Te elementy dziś stosują wszyscy producenci

Czym jest dla Pana powietrze? Powietrze istnieje dla mnie w formie różnych ciśnień. W codziennym życiu nie zauważamy obecności powietrza, bo robimy wszystko tak powoli - prędkości jakie wchodzą w grę są tak małe - że nie odczuwamy żadnej różnicy. Ale wystarczy wsiąść na rower, żeby poczuć opór powietrza. Ma on swoje źródło właśnie w tym, że przed tobą i za tobą występują różne ciśnienia. Przy czym opór pochodzi nie z tego ciśnienia, które naciska na ciebie od przodu, lecz z tego, które masz za plecami i które ciągnie cię do tyłu.
Czyli opór pochodzi od dziury, jaką wybijam w powietrzu? Tak, można tak powiedzieć. Powietrze bardzo łatwo rozpływa się na boki, nie stawiając specjalnego oporu. Problem jest tam, gdzie musi się z powrotem zejść. Jeśli obiekt jest długi, to opływające go powietrze ma czas, żeby się uspokoić; jeśli jest krótki jak samochód, powstają turbulencje. Ich wynikiem jest podciśnienie za plecami, czyli opór.
Widząc jakiś samochód po raz pierwszy, widzi Pan jak opływa go powietrze? Widzę, czy ten samochód ma problemy z siłą nośną z przodu albo z tyłu i spodziewam się jaki mniej więcej ma współczynnik oporu powietrza. To przychodzi wraz z doświadczeniem.
Przy jakich prędkościach spoilery, listwy itp. zaczynają odgrywać znaczącą rolę? Powiedziałbym, że realne efekty zaczynają się pojawiać od około 80 km/h. Od tej prędkości zaczynają być odczuwalne efekty ich obecności, oczywiście przy np. 160 km/h znacznie bardziej niż przy 80 km/h.
Kto jest zwykle górą w konfliktach między stylistami a specami od aerodynamiki? Konfliktów jest mniej niż się wydaje. Inaczej nie mielibyśmy tak dobrych wyników. W swoich klasach auta serii 3 i 5, a także X5 i X3 wyznaczają standard, a do tego potrzebna jest ścisła współpraca. To nie znaczy, że praca ze stylistami zawsze jest łatwa. Są styliści, którzy rozumieją problemy, przed jakimi my stoimy, ale są też inni. Sukces zależy od relacji między ludźmi. Dlatego podczas prac nad nowym modelem nigdy nie mówimy: "Musicie zrobić to i to". Zamiast tego składamy propozycję: "Możecie zrobić to i efekt będzie taki, albo tamto i efekt będzie inny". Dyplomacja to najlepsza droga, my sami nie podejmujemy decyzji.
Czy teraz, kiedy wydajność oraz oszczędność paliwa są ważne jak nigdy, wasza polityczna siła jest większa? Absolutnie tak. Aerodynamika ma zbyt duży wpływ na osiągi i ekonomię. Zarówno styliści, jak i inżynierowie - zajmujący się upakowaniem tego, co pod nadwoziem - muszą nam pomagać i uwzględniać nasze potrzeby. Jak kosztowna jest aerodynamika, w porównaniu z pracami np. nad rozwojem silników? Powiem głośno, żeby moi szefowie dobrze słyszeli - jest tania! Relacja między nakładami a dobrymi wynikami jest niesamowicie korzystna. Z punktu widzenia takiej fi rmy jak BMW tworzenie modeli do tunelu aerodynamicznego jest tanie, a niektóre rozwiązania - nawet małe detale - dają duże efekty.
W jakim kierunku będą podążać badania nad aerodynamiką? Co nam szykuje BMW i inni producenci? Tylko 40% oporu powietrza pochodzi z tego, co widzimy. Pozostałe 60% to ogromne pole do popisu. Koncentruje się nad nimi każdy producent, w każdym razie my tak robimy. Aktualnie gorącym tematem są koła i nadkola, badamy je na wszystkie sposoby. Za pomocą dymu pokazywaliśmy wam jak powietrze opływa nadwozie, ale nie wpuszczaliśmy go w nadkola. A tam się tworzą olbrzymie turbulencje, których nikt jeszcze na dobre nie zbadał. i

Klasyczne sprzeczności między stylizacją a aerodynamiką pojawiają się na przykład w wypadku roadstera. Problem takiego auta jak Z4 to bardzo krótki tył, a przecież trudno sobie wyobrazić roadstera BMW o innych proporcjach. Taki jest wzór piękna, wystarczy spojrzeć na miny przechodniów. Ale aerodynamicy mają ból głowy - podwyższają krótki tył i kształtują go tak, żeby zmniejszyć siłę nośną, jaka powstaje przy tylnej osi samochodu.

W tunelu aerodynamicznym pracuje się w celu osiągnięcia precyzyjnych parametrów. O ile współczynnik oporu powinien zawsze być jak najniższy, o tyle o wartości siły nośnej decydują spece od zawieszenia i są bardzo konkretni. Mówią na przykład, jakie w wypadku nowej limuzyny serii 7 mogą być maksymalne wartości siły nośnej z przodu i z tyłu. Ich parametry są ekstremalnie trudne do uzyskania.

"Wszystkie osobowe samochody charakteryzuje siła nośna. Tylko niektóre sportowe auta nie mają siły nośnej albo wytwarzają siłę docisku. Chodzi o to, żeby tę siłę stale trzymać pod kontrolą, co ma znaczenie zwłaszcza przy wyższych prędkościach. Dzięki temu zachowanie auta jest zawsze przewidywalne". Właśnie dlatego w wypadku BMW zawsze z przodu jest ciut wyższa siła nośna niż z tyłu.

Aż 30 procent oporu powietrza powstaje w okolicy kół i nadkoli. To absolutnie krytyczny obszar - i jak zdradza Hans Kerschbaum, wciąż nie do końca zbadany. Ciekawostka jest taka, że współczynnik oporu tego samego samochodu, w którym koła się kręcą, jest o 0,01 niższy niż kiedy stoją. "Podstawową sprawą jest to, żeby odstęp między kołem a nadkolem był jak najmniejszy" - mówi Kerschbaum. W takim razie nie powinno być bólu głowy, bo pod tym względem akurat aerodynamika i stylizacja są chyba w harmonii? "Ale nie w wypadku SUV-ów..."

Kolejny szczegół, w którym siedzi stado diabłów, to obręcze kół. Z punktu widzenia aerodynamiki najlepiej byłoby, gdyby można było zakryć je na płasko. Ale takie koło ani nie wygląda atrakcyjnie, ani - jest to przede wszystkim problem przednich kół - nie potrafi skutecznie odprowadzić ciepła z hamulców. Dlatego kompletnie pełnych obręczy prędko nie zobaczymy.

Przepływ powietrza pod podwoziem jest źródłem aż jednej piątej całego oporu. Musi być jak najbardziej płynny, dlatego tak często stosuje się płaskie osłony, pomagające powietrzu gładko prześliznąć się pod nadwoziem. Kolejnym zagadnieniem okazuje się przepływ powietrza przez komorę silnika, gdzie dominującym zjawiskiem jest - kto zgadnie? - różnica ciśnień. Z przodu jest nadciśnienie, które wpycha powietrze do wlotów, natomiast pod maską - podciśnienie; przy czym rzecz jest zagmatwana o tyle, że bywa ono różne w różnych miejscach. Trzeba więc zadbać o odpowiednie otwory, odpowiednio rozmieszczone, żeby móc niepotrzebnego powietrza gładko się pozbyć. Wtedy przepływ jest efektywny. Przy tym przez komorę silnika nie powinno przelatywać zbyt dużo powietrza, bo to zawsze wytwarza większy opór. Dlatego tak ważne jest, aby wloty powietrza nie były niepotrzebnie duże. O kształcie wlotów decydują więc styliści, ale powierzchnię określa się w tunelu aerodynamicznym. To wyjaśnia skąd ten sam model może mieć inny współczynnik oporu, zależnie od silnika - np. X6 xDrive30d ma 0,33, natomiast X6 xDrive50i już 0,36, głównie ze względu na większe wloty powietrza (ale również szersze opony). Dlatego też BMW stosuje żaluzje przy wlotach powietrza, które zamykają przepływ, kiedy np. silnik nie potrzebuje chłodzenia. Tunel aerodynamiczny decyduje również o tym, gdzie znajdują się wyloty powietrza. W dzisiejszych samochodach większość powietrza nie jest wypuszczana w okolicy skrzyni biegów, tylko bokami, przez nadkola. Panuje tam spore podciśnienie, które wysysa gorące powietrze z komory silnika.

 

PRZEPIS NA AUTO

Hans Kerschbaum daje wskazówki jak samemu stworzyć nadwozie o dobrych właściwościach aerodynamicznych.

  • Weź klasycznego sedana, jak BMW 5 albo 7. Nie coupé, nie SUV-a, bo ugrzęźniesz w nietypowych problemach.
  • Zadbaj o to, żeby odstęp między oponą a nadkolem był jak najmniejszy.
  • Przesuń kabinę nieco do przodu, żeby nadwozie miało dłuższy tył. Wszystkie tyły są dzisiaj za krótkie.
  • Przednia szyba nie musi być położona niemal na płasko, może tworzyć z pokrywą silnika wyraźny kąt. Znajdź właściwy kąt nachylenia.
  • Patrząc na nadwozie z góry, upewnij się, że najszersze miejsce jest tam, gdzie zaczynają się przednie drzwi.
  • Spraw, żeby tylna oś była nieco węższa niż przednia.
  • Lusterka zewnętrzne zaprojektuj tak, żeby były przytwierdzone do nadwozia wąskimi wspornikami - to jeden z kluczowych elementów. Efekt tego widać przy tylnym słupku.
  • Włóż dużo wysiłku w to, żeby znaleźć właściwe miejsca dla ostrych krawędzi z tyłu nadwozia. Chodzi o to, żeby strugi powietrza odrywały się od nadwozia w kontrolowany sposób.

Aerodynamiki nikt nie odkrył przedwczoraj, była w okolicy samochodu od czasu, kiedy człowiek go stworzył. Ostatnio gra coraz większą rolę, ma bowiem zbyt duży wpływ na osiągi i ekonomię. A ponieważ samochody jeszcze przez jakiś czas będą się poruszać w gazie zwanym powietrzem, jedno jest pewne - będziemy o niej coraz więcej słyszeć.

Tekst: Roman Popkiewicz

Aktualne ceny nowych samochodów:
 
JUŻ OD 121 671 PLN
Dostępne nadwozia: hatchback-5
SPRAWDŹ OFERTY

Komentarze

 
 

Wypełnij to pole:

  • avatar
    zgłoś
    W poszukiwaniu idealnych kształtów. Aerodynamika ma ogromny wpływ na osiągi i ekonomię, a przy dzisiejszych trendach w motoryzacji wyrasta na jedną z czołowych dziedzin.
    auto motor i sport, 2009-10-16 10:46:27
ZOBACZ RÓWNIEŻ Zamknij