كاربرد آیرودینامیك در طراحی خودرو

مهم‌ترین کاربرد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا است. البته آیرودینامیك در مهندسی خودرو برای طراحی بدنه خودروها استفاده می‌شود تا نیروی 

    همه ما با مفهوم آیرودینامیك تا حدی آشنا هستیم و حداقل یك بار در مقالات و متون تخصصی آن را دیده ایم. این را هم می دانیم كه اصولاً هرچه طراحی بدنه یك وسیله نقلیه، «آیرودینامیك» تر باشد، مقاومت آن در برابر هوا كمتر بوده و مخصوصاً در سرعتهای بالا راحت تر توده هوا را می شكافد. «آیرودینامیک» یا در زبان فارسی «هواپویش»، شاخه‌ای از دینامیک گازها و سیالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک مانند یك خودرو می‌پردازد. منظور از حل یک مسئله آیرودینامیکی، محاسبه میدان سرعت، فشار، و دمای هوا در اطراف یک خودرو است. برای این منظور باید معادله‌های حاکم بر جریان سیال یا هوای اطراف خودرو را حل کرد و با حل آنها، نیروها و گشتاورهای وارد بر خودرو را حساب کرد. مهم‌ترین کاربرد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا است. البته آیرودینامیك در مهندسی خودرو برای طراحی بدنه خودروها استفاده می‌شود تا نیروی پسای خودرو کم شود. آیرودینامیک علم بررسی نوع حرکت یک جسم سه بعدی در فضای جو یا همان هوا می باشد. معنی آیرودینامیك در تعریف، مطالعه رفتار هوای متحرك اطراف جسم متحرك سه بعدی می باشد.

نیروی درگ و نیروی آیرودینامیكی:

    در سرعتهای بالاتر، نیروهای دیگری غیر از نیروی آیرودینامیكی به خودرو وارد می گردد. «نیروی آیرودینامیکی» به عنوان یکی از نیروهای مقاوم در برابر خودرو می باشد كه از طرف جاده به خودرو وارد می شود. نیروی آیرودینامیک وارد بر خودرو، با نیروی دراگ، نیروی بالا برنده، نیروی پایین برنده، گشتاور دورانی، گشتاور پیچشی، گشتاور چرخشی و صدا اثر متقابل دارد. این نیروها بر مصرف بهینه سوخت، كنترل و هدایت خودرو و (NVH)(Noise, Voice, Harshness) فوق العاده موثرند. هنگام بررسی یک خودرو از نظر آیرودینامیکی و در هنگام مقایسه با ضریبی به نام ضریب درگ یا ضریب کشش (Coefficient of Drag) مواجه می شویم. ضریب درگ میزان مقاومت یا واماندگی یک جسم در مقابل عبور جریان هوا از یک جهت خاص (عموماً از سمت جلو) می باشد و این ضریب یک عدد کاملاً مستقل بوده و ارتباطی با سطح مقطع جسم ندارد. هرچه سطح مقطع یك جسم بیشتر باشد، مقاومت در مقابل جریان باد نیز بیشتر می شود. نیروی مقاومت کلی جسم در برابر عبور جریان هوا حاصلضرب ضریب درگ در سطح مقطع جسم می باشد. سطح مقطع جسم به معنای سطح عمودی حاصل از برش عمودی جسم مورد نظر در بزرگترین نقطه خود بر حسب متر مربع است كه به عنوان مثال سطح مقطع یک کامیون بسیار بزرگتر از سطح مقطع یک خودروی سواری است. ضریب درگ یا ضریب واماندگی در مورد خودروها همواری عددی کوچکتر از یک می باشد. ضریب درگ یک (CD=1) مربوط به یک صفحه کاملاً صاف به فرم دایره است که به صورت عمودی در مقابل جریان عبوری هوا قرار گرفته باشد، ضمنا" اگر جریان اغتشاشی یا آشفته(Turbulent) در پشت این صفحه را در هنگام عبور جریان هوا در نظر بگیریم، مثلاً CD=1.2 خواهد شد که 0.2 اضافه به سبب کشش حاصل از آشفتگی(Turbulency) پشت جسم می باشد. ضریب دراگ کاملا" بستگی به شکل جسم مورد نظر داشته و هرچه که جسم مورد نظر فرمی گردتر با زوایائی تیزتر در جلو و عقب برخوردار باشد، مسلماً ضریب درگی کمتر نیز خواهد داشت. کمترین ضریب درگ دنیا مربوط به قطره باران است که از نظر عددی برابر با 0.05 می باشد. با توجه به اینکه عملاً نمیتوان خودروها را به شکل قطره باران ساخت، خودروهای آیرودینامیك امروزی، ضریب درگی تقریباً معادل با 0.3 دارند.

    نیروهای آیرودینامیکی خودرو، از دو منبع نیروی فشار درگ (Drag Pressure) و اصطکاک چسبنده به وجود می آیند. به بعضی از نقاط خودرو كه جریان هوا در محدوده آنها متوقف می شود، «نقطه جدایش» می گویند. پدیده جدایش از اینکه جریان هوا به سادگی از پشت خودرو خارج شود، جلوگیری می کند. فشار در مناطق جدایش، کمتر از منطقه جلوی خودرو است و اختلاف این نیروهای فشاری به خاطر شکل نیروی درگ است. نیروی درگ ناشی از نیروی اصطکاک چسبنده در لایه های مرزی روی سطح خودرو را «نیروی درگ اصطکاکی» گویند.

دیاگرام تونل باد برای یك خودروی اسپرت كوچك

مقاومت هوا:

    یكی از نیروهای وارد بر خودرو، نیروی مقاومت هوا می باشد. نیروی مقاومت در برابر عبور جریان هوا در یک خودرو از طریق فرمول زیر قابل محاسبه است:

F=0.615*V²*A*CD
    در این فرمول F نیروی مقاومت هوا، Vسرعت حرکت خودرو برحسب متر برثانیه، A سطح مقطع موثرخودرو و CD ضریب درگ می باشد که مقاومت حاصل از حرکت جریان هوا با دوبرابر شدن سرعت به میزان چهار برابر افزایش پیدا می کند، یعنی خودروئی که با سرعت 100 کیلومتر در ساعت در حال حرکت است، نیاز به نیرویی برابر یک چهارم حرکت با سرعت 200 کیلومتر در ساعت دارد و در نتیجه مصرف سوخت خودرو در سرعت صد كیلومتر در ساعت تقریباً یک چهارم مصرف آن در سرعت دویست كیلومتر بر ساعت می باشد. وقتی كه یك خودرو در سیال هوا حركت می كند، فشار منفی بر روی قسمت جلویی درب موتور خودرو ایجاد می شود و فشار مخالفی كه در این منطقه ایجاد می گردد، می تواند جریان هوای لایه مرزی را که موجب بوجود آمدن نیروی درگ در این ناحیه می شود، ساکن کند. در چند سال اخیر در طراحی خودروها، نصب قطعه کوچکی در قسمت جلویی خط روی در موتور، اهمیت دارد، زیرا موجب جلوگیری از جدا شدن جریان ورودی در موتور و در نتیجه کاهش نیروی درگ می شود. انتخاب شیب اتاق در قسمت عقب و همچنین طول صندوق عقب خودرو، رابطه مستقیمی با نیروی آیرودینامیکی که از طریق نقطه جدایش ایجاد می شود، دارد. جدایی باید در نواحی مشخص و محدود روی دهد و هر چه این نواحی کوچکتر باشند، نیروهای مقاوم کمتر می شوند. از نظر تئوری آیرودینامیكی، یک شکل ایده آل برای قسمت عقب خودرو، شکلی شبیه به قطره اشک می باشد.

    از آنجایی که اندازه منطقه جدایش روی نیروی مقاوم آیرودینامیک تاثیر مستقیم دارد، جریانی که به قسمت عقب خودرو و به سمت پایین آن فشار می آورد، به نیروی بالابرنده آیرودینامیکی عقب خودرو تاثیر می گذارد. نکته دیگری که باید در طراحی قسمت عقب بدنه خودرو مورد توجه قرار گیرد، توانایی رفع گرد و غبار از روی شیشه و چراغهای عقب است. آشفتگی زیاد جریان در منطقه عقب خودرو، باعث چرخش هوا شده و گرد و خاک در نواحی شیشه و درب صندوق عقب انباشته خواهد شد و مانع دید راننده می شود. در نتیجه عکس العمل متقابل بدنه خودرو و جریان هوا، نیروها و گشتاورهایی حول بدنه خودرو ایجاد می شوند. این نیروها را می توان به عنوان سه گشتاور در جهت سه نیرو مشخص کردکه حول محورهای اصلی خودرو به شرح ذیل عمل می کنند:

1. گشتاور پیچشی نیروی آیرودینامیکی (مثبت در جهت محورX) طولی

2. گشتاور دورانی نیروی جانبی (مثبت متمایل به راست محورY) جانبی

3. گشتاور چرخشی نیروی بالا برنده (مثبت در جهت بالای محورZ) عرضی

كاهش نیروی درگ و جریانات آشفته در عقب خودرو با استفاده از باله عقب یا اسپویلر(Spoiler)

مؤلفه های نیروی مقاوم(درگ):

    نیروی درگ بزرگترین و مهمترین نیروی آیرودینامیکی است که خودروهای سواری در سرعتهای معمولی و در طول بزرگراهها با آن روبرو هستند و این در حالی است كه نیروی درگ كلی بر روی خودروها از ترکیب مؤلفه های مختلفی از نیروهای مقاوم ناشی می شود. کارهای متفاوتی را می توان برای کاهش اثرات این نیرو انجام داد. از جمله راههای مناسب برای کاهش نیروی درگ می توان به استفاده از یک صفحه صاف در زیر خودرو، طراحی درست برآمدگیهای بدنه مانند گلگیرها، درب موتور و حتی چرخها و سوراخهای رینگها اشاره کرد. نیروی درگ قابل توجهی در زیر خودرو، محفظه گلگیرها و همچنین رینگ چرخها به علت جریان برگشتی گردابی در فضاهای خالی بوجود می آید. اگر با استقرار یك صفحه صاف در قسمت زیر خودرو، ورود جریان هوا از زیر خودرو را به محفظه موتور،گلگیرها و سپرها كنترل نماییم، جزء زیادی از نیروی درگ را مهار نموده ایم. لبه های تیز چرخ، فرصت ایجاد تاثیرات جریان هوا در یک سطح افقی را از بین می برند و تا زمانی که چرخ می چرخد و به حركت دایره ای در یک سطح عمودی تمایل دارد، این جریانات بیشتر از آن چه که به نظر می رسد، روی چرخ خودرو تاثیر دارد، زیرا قسمت جلویی چرخ در معرض جریان هوا قرار دارد.

    برای بهبود بخشیدن به این وضعیت و پیشگیری از ایجاد جریانات مقاوم و نیروی درگ آیرودینامیكی، معمولاً برای چرخهای جلوی خودرو، سپر آیرودینامیکی محافظتی در نواحی چرخها و سوراخهای آنها قرار می دهند، در صورتی که برای چرخهای عقب می توان برای كاهش نیروهای درگ اصطكاكی و آیرودینامیكی، حفره چرخها را كمتر نمود، فضای میان سطح بالایی چرخها و محفظه گلگیر را كاهش داد و از طرفی سطح مشترك لاستیكها و زمین را با تنظیم باد لاستیك و استفاده از لاستیك با قطر مناسب كاهش داد. رادیاتور یا سیستم خنک کننده موتور خودرو آخرین عامل تاثیرگذار بر روی نیروی درگ است، چون جریان هوای عبوری از رادیاتور به موتور و محفظ احتراق خودرو برخورد می کند و فشار دینامیکی آن مانند نیروی درگ بر روی خودرو اعمال می گردد. مخصوصاً كه ممكن است الگوی جریان هوا درون یک قسمت مشخص از محفظه موتور، به علت فقدان خواص آیرودینامیکی در آن ناحیه بسیار نامنظم یا آشفته (Turbulent) باشد و بدون توجه به جریان هوای ورودی از میان رادیاتور، قسمتی از نیروی پیش برنده را تلف نماید.

آیرودینامیک و کاهش مصرف سوخت:

    همانطور که در تونلهای باد مشخص است، خودرو در یك سیال (هوا) حرکت می کند و با شکل گیری لایه هیدرودینامیکی بر روی بدنه خودرو، نیروی درگ بر روی خودرو اثر می گذارد. حال اگر این نیرو را به هر ترتیبی به مقدار حداقل یا میزان بهینه برسانیم، می توان تا حد قابل ملاحظه ای در مصرف سوخت صرفه جویی کرد و در نتیجه تا حد زیادی از تولید گازهای آلاینده هوا، مخصوصاً دی اکسید کربن جلوگیری می شود. آغاز حرکت در جهت بهینه سازی بدنه خودروها و كاهش سوخت آنها، از سال ۱۹۷۵در پی افزایش جهشی در مصرف سوخت نسل خودروهای تولیدی سالهای۱۹۶۰تا ۱۹۷۰بود. در خودروهای این نسل، ناگهان مصرف بنزین افزایش چشمگیری نشان داد که علت آن ساخت خودروهایی با سطح جلوی عمودی و وسیع، قسمت عقبی بریده شده(شبیه به فرم خودروی پیکان) بود. در این خودروها به علت وجود نقطه جدایش در قسمت انتهایی بدنه، نیروی درگ بسیار بالایی بوجود می آمد. راه حل مناسبی که برای رفع این نقیصه پیشنهاد شد، اضافه نمودن قسمت دیگری به ناحیه انتهایی بدنه و ایجاد فرم دوکی شکل برای بدنه خودرو بود. در سال ۱۹۷۵«پروفسور آلبرتو مورلی» (Professor Alberto Morley) طرحی برای یك بدنه ایده آل آیرودینامیک و قابل ساخت ارائه داد كه ویژگیهای اصلی این طرح عبارت بودند از:

-         تلاش جهت دستیابی به نیروی بالا برنده در حد صفر

-         نیروی درگ بسیار پایین

     که در نتیجه این دو ویژگی، پایداری خودرو و همچنین کنترل بر توزیع نیروهای محوری افزایش می یافت. البته طرحهای بدنه آیرودینامیک خودروها ضعفهایی هم دارند که از آن جمله تأثیر بادهای جانبی بر روی عملکرد خودرو می باشد که بیشتر از انتظار بوده و در نتیجه انحراف جانبی خودرو تاثیر شدیدی بر پایداری خودرو می گذارد. بر اساس طرح پرفسور مورلی، خودرویی به نام E-Auto در سال ۱۹۹۲ساخته شد. که با كلیه عملیات بهینه سازی، این اتومبیل دیفرانسیل جلوی موتور وسط سه نفره 1.57 لیتر بنزین در هر صد کیلومتر مصرف می کرد. البته طرح پیشنهادی پرفسور مورلی در قسمت آیرودینامیک بسیار تاثیرگذار بود و نمای جانبی بسیاری از خودروهای کم مصرف و خودروهای اسپرت، شبیه فرم ایده آل پرفسور مورلی بوده است. خودروهای کم مصرف مانند «هوندا اینسایت هیبریدی»(Honda Insight)، پروژه EV1 جنرال موتورز و خودروهای اسپرت مانند مک لارن اف یك(Mclaren F1) نمای جانبی کاملاً آیرودینامیک دارند. لازم به ذکر است كه خودروهای با طرح آیرودینامیک اغلب زیباتر می باشند و از لحاظ ایمنی هم بر خودروهای با طرح قدیمی برتری دارند. در خودروهای آیرودینامیک، ارتفاع درب موتور کاهش یافته و زاویه و سطح شیشه جلوی راننده افزایش یافته است، پس در نتیجه راننده کنترل بیشتری روی خودرو دارد و همچنین دید بهتری نسبت به اطراف خواهد داشت.

خودروهای «هوندا اینسایت» و «مك لارن اف یك» دو نمونه از خودروهای آیرودینامیك شهری و اسپرت

نتایج چند نمونه از طرحهای ایده آل آیرودینامیک:

    یکی ازمحصولات کمپانی «جنرال موتورز» طرحی است به نام «Aero 2002» که برای حمل چهار نفر مسافر در نظر گرفته شده است. شیب شیشه جلوی این خودرو ۶۸ درجه و بسیار خوابیده تر از خودروهای معمولی است. ضریب درگ بدنه که از جنس فایبرگلاس است، معادل رقم باور نکردنی 0.14 (معادل با درصد ضریب پسای هواپیما) می باشد و سطح پیشین آن برابر 1.68 متر مربع است. لازم به ذکر که رقم ضریب درگ برای خودروهای معمولی در حد 0.3 تا 0.4 می باشد و ضرایب درگ زیر 0.3 طرحهای بسیار پخته و فنی می باشند. توان آیرودینامیک این خودرو یا به عبارت دیگر توان مورد نیاز جهت غلبه بر مقاومت هوا در سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت معادل 1.2 اسب بخار و مصرف سوخت آن برای هر صد کیلومتر برابر 3.7 لیتر می باشد. از جمله ویژگیهای این طرح، وجود روپوش روی چرخهای جلو و عقب و شیشه های همسطح با بدنه می باشد. یک طرح موفق دیگر در زمینه آیرودینامیك، اتومبیل «فورد پراب»(Ford Probe) ساخت كارخانه معظم فورد می باشد که مجهز به یک موتور چهار سیلندر خطی1.6 لیتری است که به طور عرضی در محفظه موتور جای گرفته است و باعث چرخش چرخهای جلو می شود. توان آیرودینامیک این خودرو معادل 2.5 اسب بخار برای حرکت در سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت می باشد. از جمله ویژگیهای این طرح شیشه های همسطح با بدنه و شیب ۶۰ درجه شیشه جلویی و آینه های بغل آیرودینامیک است. در این خودرو، محفظه چرخهای جلو توسط یک پوسته انعطاف پذیر از «الاستومر پلی اتیلن»(Polyethylene Elastomer) پوشانده شده اند كه در قسمت رینگ و لاستیک به طرف بیرون انحنا دارد و سطح خارجی قوس دار و آیرودینامیکی را به وجود آورده است که هوا به راحتی از کنار آن می گذرد. جالب اینجاست كه همین پوسته باعث کاهش 9 درصدی ضریب پسا یا ضریب درگ شده است.

خودرو كانسپت «فورد پراب» نمونه ای از طراحی خودروی آیرودینامیك در دهه هشتاد میلادی

    طراحی دیگر آیرودینامیكی که در سال 2010 توسط صنعت و دانشگاه شکل گرفته است، ASCC نامیده می شود. این طرح که با همکاری دانشگاه کورنفیلد(Cornfield University) انگلستان، کمپانی خودروسازی لوتوس(Lotus) و شرکت رینارد(Reynard) انجام گرفت، نشان داد که دسترسی به میزان مورد نیاز مصرف سوخت در خودروها با فناوری فعلی صنایع خودروسازی کاملاً امکان پذیر است. در طراحی و ساخت این مدل، از نتایج بدست آمده در خودروی E-Auto پروفسور «مورلی» استفاده زیادی گردید، که مصرف بنزین در آن 1.47 لیتر در 100 كیلومتر بود. لازم به ذکر است که این خودرو كه بدنه ای از جنس فیبرکربن داشت، به نام «خودرو كربنی هواسُر»((Aero Stable Carbon Car نامیده می شد.

خودروی كانسپت «لوتوس ایوورا»(Lotus Evora) از جنس كربن نمونه یك طراحی آیرودینامیك موفق

    در انتها به عنوان یک نمونه عملی در ایران می توان از خودرو پژو آر.دی(Peugeot 1600RD) نام برد که موتور آن با موتور پیکان ۱۶۰۰یکسان است و فقط پژو آر.دی دنده پنجم «آور درایو»(Over Drive) در سیستم انتقال قدرت دارد که البته در آزمون مصرف سوخت از آن استفاده نشده است. پس تنها تفاوت این دو خودرو در طراحی بدنه و فرم آیرودینامیک پژو می باشد. طبق کاتالوگ دو خودرو مصرف پیکان ۱۶۰۰ در جاده، در هر صد کیلومتربرابر 10.2 لیتر است، در صورتی كه این رقم در پژو ۱۶۰۰آر.دی با همان موتور، برابر 8.5 لیتر در هر صد کیلومتر می باشد، که این کاهش مصرف سوخت را تا ۹۰% می توان به فرم آیرودینامیکی بدنه پژو ۱۶۰۰آر.دی نسبت داد. پس نتیجه می گیریم كه هرچه سطح مقطع یك خودرو كوچكتر و سقف آن كوتاهتر باشد، ضریب درگ كمتری دارد و در نتیجه نیروی كمتری از طرف هوا و سطح زمین به آن وارد گردیده و در نتیجه سوخت كمتری مصرف خواهد كرد.

منابع:

1. Warren Beauchamp; "Car Aerodynamics", 2009

2. Simon McBeath & Graham Templeman; "Automotive Aerodynamics", 2011