공기 역학 핸드북

차량의 공기 저항에 영향을 미치는 가장 중요한 요소

낮은 공기 저항은 연료 소비를 줄이는 데 도움이됩니다. 그러나 이와 관련하여 개발의 여지가 많습니다. 물론 공기 역학 전문가가 설계자의 의견에 동의한다면.

"오토바이를 만들 수없는 사람들을위한 공기 역학." 이 말은 XNUMX 년대에 Enzo Ferrari가 말한 것으로, 자동차의 기술적 측면에 대한 당시 많은 디자이너의 태도를 분명히 보여줍니다. 그러나 첫 번째 석유 위기가 발생하여 전체 가치 체계를 근본적으로 바꾸어 놓은 것은 불과 XNUMX 년 후였습니다. 자동차의 이동 중 모든 저항력, 특히 공기층을 통과 할 때 발생하는 모든 저항력이 연료 소비량에 관계없이 엔진의 변위 및 출력을 증가시키는 것과 같은 광범위한 기술 솔루션으로 극복되는 경우, 사라지고 엔지니어가보기 시작합니다. 목표를 달성하는 더 효과적인 방법.

현재 공기 역학의 기술적 요소는 두꺼운 망각 먼지로 덮여 있지만 디자이너에게는 이것은 뉴스가 아닙니다. 기술의 역사는 77 년대에도 독일 Edmund Rumpler와 헝가리의 Paul Zharai (아이코닉 Tatra TXNUMX를 만든)와 같은 진보적이고 창의적인 정신이 유선형 표면을 형성하고 차체 디자인에 대한 공기 역학적 접근의 기반을 마련했음을 보여줍니다. XNUMXs에서 아이디어를 개발 한 Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld 및 Wunibald Kam과 같은 공기 역학 전문가의 두 번째 물결이 이어졌습니다.

속도가 증가함에 따라 한계가 생기고 그 이상에서는 공기 저항이 자동차 운전에 중요한 요소가 된다는 것은 모든 사람에게 분명합니다. 공기역학적으로 최적화된 모양을 만들면 이 한계를 상당히 높일 수 있으며 소위 흐름 계수 Cx로 표현됩니다. 값 1,05는 공기 흐름에 수직으로 큐브가 반전되기 때문입니다(축을 따라 45도 회전하면 상류가 가장자리는 0,80으로 감소합니다). 그러나이 계수는 공기 저항 방정식의 일부일뿐입니다. 중요한 요소로 자동차 (A)의 전면 영역 크기를 추가해야합니다. 공기역학자의 첫 번째 임무는 깨끗하고 공기역학적으로 효율적인 표면(우리가 볼 수 있듯이 자동차에서 많이 볼 수 있는 요소)을 만들어 궁극적으로 더 낮은 흐름 계수를 만드는 것입니다. 후자를 측정하려면 풍동이 필요하며 이는 비용이 많이 들고 매우 복잡한 구조입니다. 예를 들어 2009년에 시운전된 터널이 있습니다. 회사 비용이 170 억 XNUMX 천만 유로 인 BMW. 그것의 가장 중요한 구성 요소는 별도의 변압기 변전소가 필요할 정도로 많은 전기를 소비하는 거대한 팬이 아니라 공기 제트가 자동차에 가하는 모든 힘과 모멘트를 측정하는 정확한 롤러 스탠드입니다. 그의 임무는 공기 흐름과 자동차의 전체 상호 작용을 평가하고 전문가가 모든 세부 사항을 연구하고 공기 흐름에 효과적일 뿐만 아니라 디자이너의 희망에 따라 변경하도록 돕는 것입니다. . 기본적으로 자동차가 마주치는 주요 항력 요소는 전방의 공기가 압축되고 이동할 때 발생하며, 매우 중요하게는 후방의 강렬한 난기류에서 발생합니다. 차를 당기는 경향이 있는 낮은 압력 영역이 있으며, 이는 공기역학자들이 "죽은 여기"라고도 부르는 강한 와류 효과와 혼합됩니다. 논리적 이유로 스테이션 왜건 모델 이후에는 진공 수준이 높아져 소비 계수가 저하됩니다.

공기 역학적 항력 계수

후자는 자동차의 전체 모양과 같은 요인뿐만 아니라 특정 부품 및 표면에 따라 달라집니다. 실제로 현대 자동차의 전체 모양과 비율은 전체 공기 저항의 40%를 차지하며, 그 중 10분의 20은 물체 표면 구조와 거울, 조명, 번호판 및 안테나와 같은 기능에 의해 결정됩니다. 공기 저항의 30%는 통풍구를 통해 브레이크, 엔진 및 변속기로 흐르는 흐름 때문입니다. 0,28%는 다양한 플로어 및 서스펜션 디자인의 소용돌이, 즉 차량 아래에서 발생하는 모든 것의 결과입니다. 그리고 가장 흥미로운 점은 공기 저항의 0,18%는 바퀴와 날개 주위에 생성된 소용돌이 때문입니다. 이 현상의 실제적인 시연은 이를 분명히 보여줍니다. 차량당 유량이 1에서 바퀴가 제거되고 펜더 통풍구가 닫히면 1로 떨어집니다. Honda의 첫 번째 Insight 및 GM EV0,195 전기 자동차와 같이 놀랍도록 주행 거리가 짧은 모든 자동차에 후면 펜더가 숨겨져 있는 것은 우연이 아닙니다. 전기 모터가 냉각 공기를 많이 필요로 하지 않는다는 사실로 인해 전체 공기역학적 모양과 폐쇄된 프런트 엔드는 GM 설계자가 3의 흐름 계수로 EV0,21 모델을 개발할 수 있도록 했습니다. Tesla Model XNUMX의 Cx는 XNUMX입니다. 내연 기관이 장착 된 차량의 휠 와도를 줄이기 위해 소위. "에어 커튼"은 전면 범퍼의 개구부에서 향하는 얇은 수직 기류 형태로 휠 주위를 불고 와류를 안정화하며 엔진으로의 흐름은 공기 역학적 셔터에 의해 제한되며 바닥은 완전히 닫힙니다.

롤러 스탠드에서 측정한 힘의 값이 낮을수록 Cx는 작아집니다. 일반적으로 140km/h의 속도로 측정됩니다. 예를 들어 값이 0,30이면 자동차가 통과하는 공기의 30%가 속도로 가속된다는 의미입니다. 전면의 경우 읽기에는 훨씬 간단한 절차가 필요합니다. 이를 위해 전면에서 볼 때 자동차의 외부 윤곽이 레이저로 윤곽이 그려지고 둘러싸인 면적이 평방 미터로 계산됩니다. 그런 다음 평방 미터 단위로 자동차의 총 공기 저항을 얻기 위해 유량 계수를 곱합니다.

공기 역학적 내러티브의 역사적 개요로 돌아가서 1996년에 표준화된 연료 소비 측정 주기(NEFZ)의 생성이 실제로 자동차의 공기 역학적 진화(7 년대에 크게 발전함)에 부정적인 역할을 했음을 발견했습니다. ) 고속 이동의 짧은 주기로 인해 공기역학적 요인의 영향이 적기 때문이다. 수년에 걸친 소비 계수의 감소에도 불구하고 각 클래스의 차량 크기가 증가하면 전면 영역이 증가하고 결과적으로 공기 저항이 증가합니다. 폭스바겐 골프, 오펠 더 아스트라, BMW 90시리즈 같은 자동차는 90년대 이전 모델보다 공기 저항이 더 높았다. 이러한 추세는 전면이 넓고 유선형이 악화되는 인상적인 SUV 모델에 의해 촉진됩니다. 이러한 유형의 차량은 주로 높은 중량 때문에 비판을 받았지만 실제로 이 요소는 속도가 증가함에 따라 상대적 중요성이 낮아집니다. 약 50km/h의 속도로 도시 외부를 주행할 때 공기 저항의 비율은 약 80%, 고속도로 속도에서는 자동차가 직면하는 총 저항에서 XNUMX%까지 증가합니다.

공기 역학적 튜브

차량 성능에서 공기 저항의 역할에 대한 또 다른 예는 전형적인 스마트 시티 모델입니다. 50인승은 도시 거리에서 민첩하고 날렵할 수 있지만 짧고 비례적인 차체는 공기역학적 관점에서 매우 비효율적입니다. 가벼운 무게를 배경으로 공기 저항은 점점 더 중요한 요소가 되고 있으며, Smart와 함께 XNUMXkm/h의 속도에서 강력한 효과를 내기 시작합니다. 상대적으로 저렴한 비용.

그러나 Smart의 단점에도 불구하고 공기역학에 대한 모회사인 Mercedes의 태도는 장관을 이루는 형태를 만드는 과정에 대한 체계적이고 일관되며 능동적인 접근 방식의 한 예입니다. 풍동에 대한 투자와 이 분야에 대한 노력의 결과는 특히 이 회사에서 눈에 띈다고 할 수 있습니다. 이 프로세스의 효과에 대한 특히 놀라운 예는 현재 S-Class(Cx 0,24)가 Golf VII(0,28)보다 공기 저항이 적다는 사실입니다. 더 많은 내부 공간을 찾기 위해 콤팩트 모델의 모양은 다소 큰 전면 영역을 획득했으며 길이가 짧아 유선형 표면과 많은 것을 허용하지 않기 때문에 흐름 계수가 S 클래스보다 나쁩니다. 더. - 이미 뒤에서 급격한 전환으로 인해 소용돌이 형성에 기여합니다. 그러나 VW는 차세대 골프가 공기 저항이 훨씬 적고 낮아지고 유선형이 될 것이라고 단호합니다. 기록된 가장 낮은 연료 소비 계수는 ICE 차량당 0,22로 Mercedes CLA 180 BlueEfficiency입니다.

전기 자동차의 장점

무게 대비 공기 역학적 형태의 중요성에 대한 또 다른 예는 현대 하이브리드 모델과 훨씬 더 많은 전기 자동차입니다. 예를 들어, Prius의 경우 고도의 공기 역학적 설계에 대한 필요성은 속도가 증가함에 따라 하이브리드 파워 트레인의 효율성이 급격히 떨어지기 때문입니다. 전기 자동차의 경우 전기 모드의 주행 거리 증가와 관련된 모든 것이 매우 중요합니다. 전문가에 따르면 무게를 100kg 줄이면 자동차의 연비가 불과 몇 킬로미터 만 증가 할 수 있지만, 전기 자동차의 경우 공기 역학이 가장 중요합니다.

첫째, 이러한 차량의 높은 질량으로 인해 회복에 사용되는 에너지의 일부를 회수할 수 있고, 둘째, 전기 모터의 높은 토크로 인해 시동 시 무게의 영향을 보상할 수 있고 효율성이 감소하기 때문입니다. 고속 및 고속에서. 또한 전력 전자 장치와 전기 모터는 냉각 공기가 덜 필요하므로 이미 언급했듯이 차체 주변의 흐름이 저하되는 주된 원인인 차량 전면의 개구부가 더 작아집니다. 오늘날의 플러그인 하이브리드 모델에서 보다 공기역학적으로 효율적인 모양을 만들려는 디자이너의 동기 부여의 또 다른 요소는 소위 말하는 전기 모터의 도움으로 가속 없이 이동하는 모드입니다. 항해. 바람이 배를 움직인다는 말에서 유래한 범선과 달리 전기차는 공기저항이 적으면 주행거리가 늘어난다. 공기역학적으로 최적화된 형상을 만드는 것이 연료 소비를 줄이는 가장 경제적인 방법입니다.

텍스트 : Georgy Kolev

일부 유명 자동차의 소비 계수 :

Mercedes Simplex

1904 년 생산, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

1921 년 생산, Cx = 0,28

포드 모델 T

1927 년 생산, Cx = 0,70

실험 모델 Kam

1938 년 생산, Cx = 0,36

메르세데스 레코드 카

1938 년 생산, Cx = 0,12

폭스 바겐 버스

1950 년 생산, Cx = 0,44

폭스바겐 "거북이"

1951 년 생산, Cx = 0,40

판 하르트 디나

1954 년 생산, Cx = 0,26

포르쉐 356

1957 년 생산, Cx = 0,36

MG EX 181

1957 년 생산, Cx = 0,15

시트로엥 DS 19

1963 년 생산, Cx = 0,33

NSU 스포츠 프린스

1966 년 생산, Cx = 0,38

메르세데스 C 111

1970 년 생산, Cx = 0,29

볼보 245 밴

1975 년 생산, Cx = 0,47

아우디 100

1983 년 생산, Cx = 0,31

메르세데스 W 124

1985 년 생산, Cx = 0,29

도요타 프리우스 1

1997 년 생산, Cx = 0,29