Fluxo turbulento
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Como a tecnologia moderna altera a aerodinâmica de um carro
A baixa resistência do ar ajuda a reduzir o consumo de combustível. Nesse sentido, no entanto, existem enormes oportunidades de desenvolvimento. Até agora, é claro, os especialistas em aerodinâmica concordam com a opinião dos projetistas.
"Aerodinâmica para quem não pode fabricar motocicletas." Essas palavras foram ditas por Enzo Ferrari nos anos 60 e demonstram claramente a atitude de muitos projetistas em relação a esse aspecto tecnológico do carro. Porém, apenas dez anos depois, a primeira crise do petróleo chegou e todo o seu sistema de valores mudou radicalmente. Os momentos em que todas as forças de resistência no movimento do carro, e especialmente as que surgem como resultado de sua passagem pelas camadas de ar, são superadas por extensas soluções técnicas, como o aumento do volume de trabalho e da potência dos motores, independentemente da quantidade de combustível consumida, eles desaparecem e os engenheiros começam a trabalhar. procure maneiras mais eficazes de atingir seus objetivos.
No momento, o fator tecnológico da aerodinâmica é coberto por uma espessa camada de poeira no esquecimento, mas não é totalmente novo para os projetistas. A história da tecnologia mostra que, mesmo nos anos 77, cérebros avançados e inventivos, como o alemão Edmund Rumpler e o húngaro Paul Jaray (que criou o culto ao Tatra T1930), formaram superfícies aerodinâmicas e lançaram as bases para uma abordagem aerodinâmica do design da carroceria. Eles foram seguidos por uma segunda onda de especialistas em aerodinâmica, como o Barão Reinhard von Kenich-Faxenfeld e Wunibald Kam, que desenvolveram suas idéias na década de XNUMX.
É claro para todos que, com o aumento da velocidade, chega-se a um limite, acima do qual a resistência do ar se torna um fator crítico na direção de um carro. A criação de formas otimizadas aerodinamicamente pode deslocar significativamente esse limite para cima e é expressa pelo chamado coeficiente de fluxo Cx, pois um valor de 1,05 tem um cubo invertido perpendicularmente ao fluxo de ar (se for girado 45 graus ao longo de seu eixo, de modo que sua borda a montante é reduzida para 0,80). No entanto, este coeficiente é apenas uma parte da equação da resistência do ar - o tamanho da área frontal do carro (A) deve ser adicionado como um elemento essencial. A primeira das tarefas dos aerodinâmicos é criar superfícies limpas e aerodinamicamente eficientes (fatores dos quais, como veremos, existem muitos no carro), o que acaba levando a uma diminuição do coeficiente de fluxo. Para medir este último, é necessário um túnel de vento, que é uma instalação cara e extremamente complexa – um exemplo disso é o túnel de 2009 milhões de euros da BMW encomendado em 170. O componente mais importante nele não é um ventilador gigante, que consome tanta eletricidade que precisa de uma estação de transformador separada, mas um suporte de rolos preciso que mede todas as forças e momentos que o jato de ar exerce sobre o carro. Seu trabalho é avaliar toda a interação do carro com o fluxo de ar e ajudar os especialistas a estudar cada detalhe e alterá-lo de forma a torná-lo não apenas eficiente no fluxo de ar, mas também de acordo com os desejos dos projetistas. . Basicamente, os principais componentes de arrasto que um carro encontra vêm quando o ar à sua frente se comprime e muda e – algo extremamente importante – da intensa turbulência atrás dele na parte traseira. Ali se forma uma zona de baixa pressão que tende a puxar o carro, que por sua vez se mistura com a forte influência do vórtice, que os aerodinamicistas também chamam de "excitação morta". Por razões lógicas, por trás dos modelos imobiliários, o nível de pressão reduzida é maior, o que faz com que o coeficiente de fluxo se deteriore.
Fatores aerodinâmicos de arrasto
Este último depende não apenas de fatores como a forma geral do carro, mas também de partes e superfícies específicas. Na prática, a forma geral e as proporções dos carros modernos representam 40% da resistência total do ar, um quarto da qual é determinado pela estrutura da superfície do objeto e recursos como espelhos, luzes, placa de carro e antena. 10% da resistência do ar é devido ao fluxo através dos orifícios para os freios, motor e caixa de câmbio. 20% são resultado do vórtice nas diversas estruturas de piso e suspensão, ou seja, tudo o que acontece embaixo do carro. E o mais interessante é que até 30% da resistência do ar se deve aos vórtices criados ao redor das rodas e asas. Uma demonstração prática desse fenômeno dá uma indicação clara disso - o coeficiente de consumo de 0,28 por carro diminui para 0,18 quando as rodas são removidas e os buracos na asa são cobertos com a conclusão da forma do carro. Não é coincidência que todos os carros com quilometragem surpreendentemente baixa, como o primeiro Honda Insight e o carro elétrico EV1 da GM, tenham para-lamas traseiros ocultos. A forma aerodinâmica geral e a frente fechada, devido ao fato de o motor elétrico não exigir uma grande quantidade de ar de resfriamento, permitiram que os desenvolvedores da GM desenvolvessem o modelo EV1 com um coeficiente de fluxo de apenas 0,195. Tesla modelo 3 tem Cx 0,21. Para reduzir o vórtice em torno das rodas em veículos com motores de combustão interna, os chamados. "Cortinas de ar" na forma de uma fina corrente vertical de ar são direcionadas a partir da abertura no para-choque dianteiro, soprando ao redor das rodas e estabilizando os vórtices. O fluxo para o motor é limitado por persianas aerodinâmicas e o fundo é completamente fechado.
Quanto menores as forças medidas pelo suporte de rolos, menor o Cx. Segundo a norma, ela é medida a uma velocidade de 140 km/h - um valor de 0,30, por exemplo, significa que 30% do ar por onde passa um carro acelera até sua velocidade. Quanto à área frontal, sua leitura requer um procedimento muito mais simples - para isso, com o auxílio de um laser, os contornos externos do carro são delineados quando vistos de frente, e a área fechada em metros quadrados é calculada. Isso é posteriormente multiplicado pelo fator de fluxo para obter a resistência total do ar do veículo em metros quadrados.
Voltando ao esboço histórico de nossa descrição aerodinâmica, descobrimos que a criação do ciclo de medição de consumo de combustível padronizado (NEFZ) em 1996, na verdade, desempenhou um papel negativo na evolução aerodinâmica dos automóveis (que avançou significativamente na década de 1980). ) porque o fator aerodinâmico tem pouco efeito devido ao curto período de movimento em alta velocidade. Embora o coeficiente de fluxo diminua com o tempo, aumentar o tamanho dos veículos em cada classe resulta em um aumento na área frontal e, portanto, um aumento na resistência do ar. Carros como o VW Golf, Opel Astra e BMW Série 7 tinham maior resistência ao ar do que seus antecessores na década de 1990. Esta tendência é alimentada por uma coorte de impressionantes modelos SUV com sua grande área frontal e tráfego deteriorado. Esse tipo de carro tem sido criticado principalmente por seu enorme peso, mas na prática esse fator assume uma importância relativa menor com o aumento da velocidade - enquanto ao dirigir fora da cidade a uma velocidade de cerca de 90 km / h, a proporção de resistência do ar é cerca de 50 por cento, em velocidades de rodovia, aumenta para 80 por cento do arrasto total que o veículo encontra.
Tubo aerodinâmico
Outro exemplo do papel da resistência do ar na operação de um carro é um modelo típico de cidade inteligente. Um veículo de dois lugares pode ser ágil e ágil nas ruas da cidade, mas um corpo curto e proporcional é extremamente ineficiente do ponto de vista aerodinâmico. Contra o pano de fundo leve, a resistência do ar está se tornando um elemento cada vez mais importante e, com o Smart, começa a ter uma forte influência a velocidades de 50 km / h.Não é de surpreender que não atendeu às expectativas de baixo custo, apesar de sua construção leve.
Apesar das deficiências do Smart, no entanto, a abordagem da empresa-mãe da Mercedes à aerodinâmica exemplifica uma abordagem metódica, consistente e proativa para o processo de criação de formas eficientes. Pode-se argumentar que os resultados dos investimentos em túneis de vento e trabalho árduo nesta área são especialmente visíveis nesta empresa. Um exemplo particularmente marcante do efeito desse processo é o fato de que o atual Classe S (Cx 0,24) tem menos resistência ao vento do que o Golf VII (0,28). No processo de busca por mais espaço interno, a forma do modelo compacto adquiriu uma área frontal bastante grande, e o coeficiente de fluxo é pior que o da classe S devido ao menor comprimento, que não permite longas superfícies aerodinâmicas e principalmente devido a uma transição brusca para trás, promovendo a formação de vórtices. A VW estava convencida de que a nova oitava geração do Golf teria significativamente menos resistência ao ar e um formato mais baixo e aerodinâmico, mas, apesar do novo design e das capacidades de teste, isso se mostrou extremamente desafiador para o carro. com este formato. No entanto, com um fator de 0,275, este é o Golf mais aerodinâmico já feito. A taxa de consumo de combustível mais baixa registrada de 0,22 por veículo com motor de combustão interna é a do Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
A vantagem dos veículos elétricos
Outro exemplo da importância da forma aerodinâmica no contexto do peso são os modelos híbridos modernos, e mais ainda os carros elétricos. No caso do Prius, por exemplo, a necessidade de uma forma altamente aerodinâmica também é ditada pelo fato de que, com o aumento da velocidade, a eficiência da usina híbrida diminui. No caso de veículos elétricos, tudo relacionado ao aumento de quilometragem no modo elétrico é extremamente importante. Segundo especialistas, uma perda de peso de 100 kg aumentará a quilometragem do carro em apenas alguns quilômetros, mas, por outro lado, a aerodinâmica é de suma importância para um veículo elétrico. Em primeiro lugar, porque a grande massa desses carros lhes permite retornar parte da energia consumida pela recuperação e, em segundo lugar, porque o alto torque do motor elétrico permite compensar a influência do peso na inicialização e sua eficiência diminui em altas e altas velocidades. Além disso, a eletrônica de potência e o motor elétrico requerem menos ar de resfriamento, o que reduz o orifício na frente do carro, o que, como já observamos, é a principal razão para a deterioração do fluxo da carroceria. Outro elemento de motivação dos projetistas para criar formas mais aerodinamicamente eficientes em modelos híbridos modernos com um módulo plug-in é o modo de movimento sem aceleração apenas com a ajuda de um motor elétrico ou o chamado. Navegando. Ao contrário dos veleiros, onde o termo é usado e o vento deve mover o barco, em carros a quilometragem com eletricidade aumentaria se o carro tivesse menos resistência ao ar. Criar uma forma otimizada aerodinamicamente é a maneira mais econômica de reduzir o consumo de combustível.
As taxas de fluxo de alguns carros famosos:
Mercedes Simplex
Produção 1904, Cx = 1,05
Carro da gota de Rumpler
Produção 1921, Cx = 0,28
Ford Modelo T
Produção 1927, Cx = 0,70
Modelo Experimental Kama
Produção 1938, Cx = 0,36.
Carro record Mercedes
Produção 1938, Cx = 0,12
Barramento VW
Produção 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Tartaruga"
Produção 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Produção 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Produção 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
Produção de 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Produção 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Produção 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Produção 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Carrinha
Produção 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Produção 1983, Cx = 0,31
Mercedes W124
Produção 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Produção 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Produção 1997, Cx = 0,29
