نیروی آیرودینامیکی به عنوان یکی از نیروهای مقاوم وارد از طرف جاده شناخته می شود. نیروی آیرودینامیک وارد بر خورد، با نیروی ودراگ و نیروی بالا برنده و پایین برنده، گشتاور دورانی، پیچشی و چرخشی و صدا اثر متقابل دارد. این نیرو ها بر مصرف اقتصادی سوخت ، کنترل خودرو و NVH فوق العاده موثرند. نیروهای آیرودینامیکی خودرو، از دو منبع نیروی فشار ( دراگ) و اصطکاک چسبنده ( گران رو) به وجود می آیند. در بعضی از نقاط جریان متوقف می شود. نقطه جدایش گویند. پدیده جدایش از اینکه جریان به سادگی از پشت خودرو خارج می شود. جلوگیری می کند فشار در نقطه جدایش، کمتر از منطقه جلوی خودرو است و اختلاف این نیروهای فشار به خاطر شکل نیروی دراگ است. نیروی دراگ ناشی از نیروی اصطکاک گران رو را، در لایه های مرزی روی سطح خودرو، نیروی دراگ اصطکاکی گویند. فشار منفی بر روی قسمت جلویی کاپوت خودرو ایجاد میشود گرادیان فشار مخالف در این منطقه دارای این توانایییچ است که جریان لایه مرزی را که موجب بوجود آمدن نیروی دراگ در این نامیده میشود ساکن کند. در چند سال گذشته نصب قطعه کوچکی در جلوی خط کاپوت دارای ارجعیت می باشد زیرا موجب جلوگیری از جدا شدن جریان ورودی کاپوت و کاهش نیروی دراگ میشود. انتخاب شیب اتاق عقب و همچنین طول صندوق عقب خودرو رابطه مستقیمی با نیروی آیرودینامیکی که از طریق نقطه جدایش ایجاد می شود دارد. جدایی باید در نقاط مشخص و محدود روی دهد. هر چه این ناحیه کوچک تر باشد نیروی مقاوم کمتر میشود. به صورت تئوری یک شکل ایده آل برای عقب خودرو از نظر آئرودینامیکی شکلی شبیه قطره اشک است. از آنجایی که اندازه منطقه جدایش روی نیروی مقاوم آیرودینامیک که تاثیر مستقیم دارد دامنه جریانی که به قسمت عقب خودرو و برای چرخش به سمت پایین آن فشار می آورد بر نیروی بالا برنده آیرودینامیکی بر عقب تاثیر می گذارد. نکته دیگری که باید در طراحی عقب خودرو مورد توجه قرار گیرد. توانایی رفع گرد و غبار روی اتاق عقب و چراغ های عقب است. آشفتگی زیاد جریان در منطقه شامل این چنین اجرایی می باشد. و خاک در این نواحی انباشته خواهد شد. و مانع دید عقب می شود.
نیروی آیرودینامیکی: در نتیجه عکس العمل متقابل بدنه خودرو و جریان هوا، نیروها، و گشتاور ها ایجاد می شوند. این نیرو ها را می توان به صورت سینماتیک به عنوان سه نیرو و سه گشتاور مشخص کردکه این گشتاورها و نیروها حول محورهای اصلی خودرو عمل میکند. این عکس العمل ها به شرح زیرند:
گشتاور نیرو جهت گشتاور پیچشی نیروی آیرودینامیکی ( مثبت در جهت محورx) طولی گشتاور دورانی نیروی جانبی(کناری) ( مثبت متمایل به راست محورY) جانبی گشتاور چرخشی نیروی بالا برنده ( مثبت در جهت بالا محورZ) عرضی
مولفه های نیروی مقاوم(دراگ): نیروی دراگ بزرگترین و مهمترین نیروی آیرودینامیکی است که خودروهای سواری در سرعتهای معمولی بزرگراهها ، با ان روبرو هستند دراگ کل بر روی خودرو های سواری از ترکیب منابع زیادی ناشی می شودکارهای متفاوتی ممکن است برای کاهش اثرات این نیرو انجام گیرد . شکل زیر یستی از مهمترین نیروهای مقاوم و راههای کاهش آنها را بروی قسمت های مختلف خوردو د ردهه 1970 نشان میدهد . از جمله راههای مناسب برای کاهش نیروی دراگ می توان به استفاده از یک صفحه صاف در زیر خودرو ، طراحی درست بر آمدگی های بدنه مانند چرخها حفرها ی چرخ ها اشاره کرد. نیروی دراگ قابل توجهی در چرخها به علت جریان برگشتی گردابی در فضاهای خالی بوجود می آید لبه های تیز چرخ ، فرصت بوجود آمدن اثرات جریان در یک سطح افقی را از بین می برد تا زمانی که جرخ تمایل دارد به صورت دایره ای در یک سطح عمودی بچرخد . این تأثیرات بیشتر از آنجه که به نظر بیاید به جرخ برای اثر گذاری بیشتر جریان ، کمک می کند زیرا قسمت جلو در معرض جریان هوا قرار دارد . برای بهبود این وضعیت معمول این است که سپر آیرودینامیکی محافظتی در نواحی چرخ ها و سوراخ های چرخ ها قرار می گیرد در صورتی که در چرخ های عقب می توان با کاهش فضای میان سطح زیری وزمین با کم کردن حفر? چرخ ها و کم چرخ ها را در ایجاد نیروی دراگ آیرودینامیکی کاهش داد . سیستم خنک کننده آخرین عامل عمد تآثیر گذار بر نیروی دراگ است جریان هوای عبوری از رادیاتور به موتور و محفظ احتراق بر خورد می کند و فشار دینامیکی آن مثل نیروی دراگ روی خودرو اعمال می شود . الگوی جریان هوا درون یک قسمت مشخص موتور ممکن است به علت فقدان عمل آیرودینامیکی در این ناحیه بسیار نامنظم باشد بدون توجه به کنترل جریان هوا ف هوای ورودی از میان رادیاتور ، قسمتی از حرکت پیش برنده را تلف می کند .
آیرودینامیک و کاهش مصرف سوخت
همانطور که مشخص است کلیه خودروها در هوا یک سیال است حرکت می کنند. از این رو با شکل گیری لایه هیدرودینامیکی بر روی بدنه خودرو نیروی درگ بر روی خودرو اثر می گذارد حال اگر این نیرو را بر هر صورتی به مقدار حداقل و بهینه رساند. می توان تا حد قابل ملاحظه ای در مصرف سوخت صرفه جویی کرد و بنابراین تا حد زیادی از تولید آلاینده ها و بالخص گاز دی اکسید کربن جلوگیری می شود. حرکت در جهت بهینه سازی بدنه 1975 با جهش در مصرف سوخت خودرو های بین نسل تولیدی دهه 1960و 1970 آغاز گردید. در این خودرو ها مصرف بنزین افزایش چشمگیری نشان می داد که علت آن ساخت خودروهایی با سطح جلوی عمودی و وسیع قسمت عقبی بریده شده شبیه فرم اتومبیل پیکان بود. در این خودرو ها به علت وجود نقطه جدایش در قسمت انتهایی نیروی درگ بالایی بوجود می آمد. راه حل مناسبی که برای رفع این نقیصه پیشنهاد شد اضافه کردن قسمتی به ناحیه انتهایی و ایجاد فرم دئکی شکل بود. در سال 1975 پروفسور (آلبرتومورلی) طرحی برای بدنه ایده آل آیرودینامیک و قابل ساخت ارائه داد. ویژگیهای اصلی چنین طرحهایی عبارتند از تلاش جهت دستیابی به نیروی بالا برنده در حد صفر و نیز نیروی درگ بسیار پایین که در نتیجه پایداری اتومبیل و کنترل بر توزیع نیروهای محوری افزایش می یابد. البته طرحهای آیرودینامیک ضعفهایی هم دارند که از جمله آنها تأثیر بادهای جانبی بر روی عملکرد خودرو است که بیشتر از آن چیزی است که مورد انتظار است و نیز انحراف جانبی خودرو تاثیر شدیدی بر پایداری خودرو می گذارد. بر اساس طرح پرفسور مورلی اتومبیلی به نا م E-Autoدر سال 1992 ساخته شد. که با همه بهینه سازی ها این اتومبیل دیفرانسیل جلوی موتور وسط سه نفرهد 1.57 لیتر بنزین در هر صد کیلو متر مصرف می کرد. البته طرح پیشنهادی پرفسور مورلی در قسمت آیرودینامیک بسیار تاثیر گذار بود. و نمای جانبی، بسیاری از خودرو های کم مصرف و نیز خودروهای اسپرتی که در سرعت های بالا نیروی درگ مشکلی اساسی بود. شبیه فرم ایده ال پرفسور مورلی است. خودروهای کم مصصرف مانند هوندای هیبریدی اینسانت، پروژه EV1 جنرال موتور و خودروهای اسپرتی مانند انواع مک لارن F1 جانبی کاملاً آیرودینامیکی دارند. لازم بذکر است طرحهای آیرودینامیک اغلب زیباتر و از لحاظ ایمنی هم برتری بر خودروهایی با طرحهای قدیمی دارند . در خودروهای آیرودینامیک ارتفاع در پوش موتور کاهش یافته و سطح شیشه جلوی راننده افزایش یافته پس راننده کنترل بهتری دارد. و دید بهتری نسبت به اطراف دارد.
نتایج چند نمونه طرحهای ایده آل آیرودینامیک: یکی ازمحصولات کمپانی جنرال موتور طرحی است به نام آئرو 2002 که بر درگ حمل چهار نفر مسافر در نظر گرفته شده است شیب شیشه جلوی آن 68 و بسیار خوابیده تر از اتومبیل های معمولی است. است. ضریب درگ این بدنه که از جنس فایبر گلاس است معادل رقم باور نکردنی 0.14 (در صد ضریب پسای هواپیما ) است و سطح پیشین آن برابر 1.68 متر مربع است لازم به ذکر که رقم ضریب برای اتومبیل های معمولی در حد 3/.0 تا 4/0 می باشد. و رقم های زیر 3/0 طرحهای بسیار پخته و فنی می باشند. توان آئرودینامیک این خودرو و یا به عبارت دیگر توان مورد نیاز جهت غلبه بر مقاومت هوا در سرعت 50 کیلومتر بر ساعت معادل 1/2 اسب بخار می باشد. و مصرف سوخت آن برای هر یک کیلومتر برابر 7/3 لیتر می باشد. از جمله ویزگیهای این طرح زیرین صافی و بسته وجود روپوش روی چرخهای جلو و عقب و شیشه های همسطح بدنه می باشد. یک طرح موفق دیگر، اتومبیل پرو ب 4 ساخت فورد می باشد. که مجهز به یک موتور خطی 6/1 لیتری چهار سیلندر است که به طور عرضی در اومبیل کار گذاشته می شود. و باعث چرخش چرخهای جلو می شود. توان آئرودینامیک این خودرو و معادل 5/2 اسب بخار برای حرکت در سرعت 50 کیلومتر بر ساعت می باشد. از جمله ویژگیهای این طرح شیشه های همسطح بدنه و شیب 600 شیشه جلو و آینه بغل آئرودینامیک است از دیگر ویژگیهای این طرح محفظه چرخهای جلو است که توسط یک پوسته انعطاف پذیر از جنس ( پلی اتیلن الاستومر) پوشانیده شده و یک حفاظ انحنا دهنده بر روی آن قسمت لاستیک و رینگ که در پشت این پوسته مخفی گشته پوسته را به بیرون انحنا می دهد. و سطح خارجی قوسی دار و آئرودینامیکی را که هوا به راحتی از کنار آن می گذرد. بوجود آورده است همین پوسته باعث کاهش 9 در صدی ضریب پسا شده است. طرح دیگری که بین صنعت و دانشگاه شکل گرفته به عنوان ASCC نامیده می شود. این طرح که همکاری دانشگاه کرنفیلد انگلستان و کمپانی لوتوس و شرکت رینارد انجام گرفت. و نشان داد که دسترسی به سطح نهایی مورد نظر در مصرف سوخت اتومبیل با فن آوری فعلی صنایع خودرو سازی کاملاً امکان پذیر است. در طرح از نتایج بدست آمده در طراحی و ساخت خودروی EAUTO استفاده زیادی گردید. که نتیجه آن طی 160 مایل با یک گالن بنزین بود. لازم به ذکر است که این بدنه ای از جنس فیر کربن داشت AEROSTABLE Carbon car نامیده می شود که به معنای اتومبیل کربنی هوا سر می باشد. در انتها به عنوان یک نمونه عملی و ملموس می توان از RD 1600نام برد که موتور آن با موتور پیکان 1600 یکسان است و فقط دنده پنجم اوردرایو در سیستم انتقال قدرت دارد که در آزمون مصرف سوخت از آن استفاده نشده است پس تنها تفاوت این دو خودرو در بدنه و فرم آئرودینامیک پژو 1600RD است. طبق کاتالوگ دو خودرو مصرف پیکان 1600 در جاده و در هر 100 کیلومتر 2/10 لیتر است که این رقم در پژو 1600RD برابر 5/8 لیتر در هر 100 کیلومتر می باشد. که این کاهش مصرف سوخت را تا حد 90 در صد می توان به فرم آئرودینامیکی بدنه پژو 1600RD نسبت دارد. اکنون به عنوان مثال به تحلیل خودروی سمند در نرم افزار Ansys می پردازیم. ابتدا به دلیل اینکه در این پروژه با سیال هوا سروکار داریم. در قسمت راه انداز prodeuct selsction عبارت Mechaniccal Flotron را انتخاب کرده و با دستور RUN وارد نرم افزار می شویم.
کلیه نقاط را با توجه به اندازه خود وارد کرده و ok می کنیم. با وارد کردن نقاط خودرو ، خطوط دور خودرو را ترسیم و همانند اتومبیل نقاطی را که در آن تنش وجود دارد. Filet بندی می کنیم.
در مرحله بعد مدل را در صفحه ایجاد کرده، می دانیم که این مدل یک مدل صفحه ای است. لازم به ذکر است که برای ایجاد چرخ های اتومبیل دو دایره به صورت صفحه ای در زیر مدل ترسیم کرده و سپس سر دایره را از مدل جدا کرده تا مدل طرح یک اتومبیل به ون چرخ باشد.
حال نوبت به طراحی تونل باد می رسد. برای ایجاد تونل باد، در اطراف مدل چهار نقطه انتخاب می کنیم. (تونل باد یک صفحه مستطیلی می باشد) اما باید توجه داشت که فاصله جلوی خودرو تا خط عمودی (ورودی جریان در تونل) باید (4/1) طول خودرو فاصله کف خودرو تا خط افقی تونل باد (جاده) به اندازه تایر خودرو ، و ارتفاع تونل باد 6 برابر ارتفاع خودرو در نهایت فاصله عقب خودرو با خط عمودی (خروجی تونل باد) اندازه طول خودرو می باشد. پس از طراحی تونل باد مدل را مش بندی می کنیم.
مرحله بعد مرحله بارگذاری می باشد. در این مرحله پس از وارد شدن ده به SOLLUTTON باید خصوصیات نیروهای وارده به مدل اعمال شود. مثلاً سرعت باد در خطوط ورودی جریان ، اندازه سرعت ، در خطوط بالا وایین تونل باد که صفر است و فشار در خط خروجی که باز برابر صفر می باشد. در ادامه باید خصوصیات سیال تعریف گردد. سیال Air- SI در نظر گرفته می شود. و با مشخصه های TEMP…..Adiabatic , TREN…..Transitent
COMP…..Incompressible , TURB….TUrlUnt اکنون وارد مرحله پایانی یهنی حل مسیله و دیدن مسئله می شویم . می توان در قسمت کانتورها، کانتورهای سرعت در جهات Vsum,Y,X وکانتور فشار را مشاهده نمود. مشخصات تونل باد و خودرو ، جهت حرکت باد و بردارهای سرعت فشار از دیگر نتایج حل می باشند که می توان مشاهده کرد. لازم به ذکر است که همه ی اشکال و نمودارها در شاخه ی POWER POINT مربوطه وجود دارند.
