طراحی خودرو ، یک تحقیق کامل

0

طراحی خودرو

طراحی خودرو فرآیند توسعه شکل ظاهری و تا حدی ارگونومی وسایل نقلیه موتوری از جمله اتومبیل ، موتورسیکلت ، کامیون ، اتوبوس ، مربی و کامیونت است .

طراحی کاربردی و توسعه یک وسیله نقلیه موتوری مدرن معمولاً توسط تیم بزرگی از رشته های مختلف شامل مهندسی خودرو انجام می شود ، با این حال ، نقش های طراحی با الزامات لازم برای صلاحیت های حرفه ای یا مهندس مجاز همراه نیستند. طراحی خودرو در این زمینه در درجه اول به ایجاد ظاهر بصری یا زیبایی ظاهری خودرو مربوط می شود ، اگرچه در ایجاد مفهوم محصول نیز نقش دارد . طراحی خودرو به عنوان یک حرفه حرفه ای توسط طراحانی انجام می شود که ممکن است دارای سابقه هنری و مدرک طراحی صنعتی یا طراحی حمل و نقل باشند. اصطلاحات مورد استفاده در این زمینه در واژه نامه طراحی خودرو یافت می شود.

اگر کاربران دانشکده ها نیاز به فایل ورد این مقاله را داشتند از طریق نظرات ، نظرات خود را بیان کنید و  ما از طریق ایمیل این فایل ورد را برای شما ارسال خواهیم کرد.

آیرو دینامیک

طراحی خودرو

دانشکده ها : نیروی آیرودینامیک به عنوان یکی از نیروهای مقاوم وارد از طرف جاده شناخته می شود . نیروی آیرودینامیک وارد بر خودرو ، با نیروی دراگ و نیروی بالابرنده یا پایین برنده ، گشاور دورانی ،  پیچشی و چرخشی و صدا اثر متقابل دارد . این نیروها بر مصرف اقتصادی سوخت ، کنترل کردن خودروو NVH بسیار موثرند .

نیروهای آیرودینامیکی روی خودرو از دو منبع نیروی فشار (دراگ) و اصطکاک چسبنده (گران رو) به وجود می ایند . در ابتدا مکانیک جرین هوا به منظور تشریح ماهینت جریان اطراف بدنه خودرو بررسی می شود سپس ساختار طراحی خودرو برای نمایش اثر کیفی کارکرد آیرودینامیکی مورد مطالعه قرار می گیرد .

مکانیک جریان هوای اطراف خودرو

توده جریان هوای روی بدنه یک خودرو از رابطه بین سرعت و فشار در معادله برنولی به دست می آید .

طراحی خودرو

در فاصله دور از خودرو ، فشار استاتیکی هوا همان فشار محیطی یا فشار با رومتری یا فشار اتمسفری است . فشار دینامیکی به وسیله رابطه سرعت مربوط به دست می آید . رابطه ای که برای تمام خطوط جریان هوایی که به خودرو نزدیک می شوند صادق است . بنابراین فشار کل برای تمام خطوط جریان هوا ثابت است و برابر است با . هنگامی که جریان هوا به خودرو نزدیک می شود توده جریان هوا شکافته می شود که قسمتی به بالای خودرو و بقیه به زیر می روند . در نتیجه یک خط جریان مستقیما به بدنه برخورد می کند و به آن می چسبد (همان جریانی که با سپر خودرو بر خورد کرده ) و سرعت جریان به صفر میل می کند . با سرعت صفر ، فشار استاتیکی در آن نقطه از خودرو برابر خواهد بود و در صورتی که فشار ضربه وارد در این نقطه از خودرو صفر باشد فشار استاتیکی برابر فشار کل خواهد بود .

در نظر بگیرید چه اتفاقی برای جریان روی کاپوت می افتد . در ابتدا خطوط جریان به طرف بالا هدایت می شوند و انحناء خطوط جریان به صورت مقعر به سمت بالاست . در فاصله ای از بالای خودرو برای نیروهای آیرودینامیکی می توان در معادهل برنولی جریان هوا را غیر متراکم فرض کرد در حالی که رابطه مناسب برای جریان هوای متراکم معادله اول است .

این رابطه از به کار بردن قانون دوم نیوتن برای یک پیکر قابل رشد ، و از جریان سیال در یک مدل مناسب به دست آمده است . رفتار معقول (خوش رفتاری) به این معنی است که حرکت جریان هوا به آرامی صورت گیرد و اصطکاک ناچیز و جزئی باشد . برای جریان هوای نزدیک خودروی موتوری می توان از این فرض استفاده کرد . این معادله از مجموع نیروهایی که اثر فشاری روی ناحیه های مختلفی از بدنه سیال دارند به دست آمده است که این اندازه حرکت با تغییر آهنگ زمانی بر حسب سرعت بیان می شود .

هنگامی که جریان هوا به خودرو نزدیک می شود معادله برنولی بیان می کند که مقدار فشار استاتیکی به عالوه فشار دینامیکی هوا مقدار مشخص   خواهد بود . تصور کنید که خودرو ساکن است و هوا حرکت می کند (مثل تونل باد) جریان هوا در امتداد خطوطی حرکت می کند که خط جریان نامیده می شود .

خطوط جریان یک دسته خطوطو هوا به شکل لوله جریان هوا هستند . جریان دود د رتونل باد به مرئی شدن لوله های جریان هوا کمک می کند .

در جایی که خطوط جریان مستقیم هستند فشار استاتیکی برابر با فشار محیط خواهد بود . به این خاطر که خطوط جریان به سمت بالا انحنا پیدا کرده اند و برای جلوگیری از نیرویی که مسیر جریان هوا را به سمت بالا هدایت می کند فشار استاتیکی آن نقاط از فشار محیط بیشتر خواهد بود .

ار گفشار استاتیکی بیشتر باشد سرعت کاهی یابد . بر عکس هنگامی که جریان روی کاپوت حرکت می کند (قیمت پایینی انحناء لبه کاپوت) فشار باید از فشار محیط کمتر باشد زیرا جریان هوا انحناء پیدا کرده و سرعت افزایش می یابد . این نقاط در شکل ۲ به تصویر کشیده شده اند و جریان هوای اطراف استوانه ای را نشان می دهد .

معادله برنولی چگونگی تغییرات فشار و سرعت را برای توده ی جریان هوای روی بدنه خودرو توضیح می دهد . در صورت عدم وجود نیروی اصطکاک جریان هوا به راحتی از بالای سقف خودرو حرکت کرده و از پشت خودرو پائین می آید و تغییرات فشار در اثر سرعت همان طوری که در جلوی خودرو اتفاق افتاده بود انجام می گیرد .

در این حالت نیروی فشار در پشت خودرو دقیقا معادل نیروی جلو خواهد بود که موجب تولید نیروی مقاوم دراگ می شود/

o,nv,

 

 

 

در شکل ۳ در طراحی خودرو به جریان یکنواختی که به لبه تیز بدنه نزدیک می شود توجه کنید .

نزدیک به بدنه تمام لایه های هوا دارای سرعت یکسان هستند ( در نظر بگیرید که جریان آرام خوش رفتار است ) هنگامی که جریان از روی بدنه می گذرد و به سطح برخورد می کند به علت اصطکاک سطح سرعت به سمت صفر کاهش پیدا می کند .

بنابراین بروفیل سرعت نزدیک سطح گسترش می یابد و برای بعضی از فواصل    سرعت از سرعت جریان اصلی هم کمتر است . منطقه ای که سرعت در آن کاهش یافته ، به ناحیه لایه مرزی معروف است . لایه مرزی با ضخامت صفر شروع به تشکیل کرده و در طول بدنه افزایش می یابد در ابتدا این جریان از نوع جریان آرام است ولی ناگهان تبدیل به جریان آشفته می شود.

طراحی

 

 

 

توزیع فشار روی خودرو

یک مکانیزم کلی برای توزیع فشار استاتیکی در امتداد بدنه خودرو در نظر گرفته می شود .ش کل ۵ نشان دهنده اندازه گیری تجربی فشار عمودی روی سطح است . فشارهای منفی یا مثبت با توجه به فشار محیطی در روی بعضی از نقاط خودرو مشخص شده اند .

هنگامی که جریان هوا روی خودرو می چرخد و به صورت افقی در طول کاپوت حرکت می کند ، فشار منفی بر روی قسمت لبه جلویی کاپوت خودرو ایجاد می شود . گرادیان فشار مخالف در این منطقه دارای این توانایی است که جریان لایه مرزی را که موجب به وجود آمدن نیروی دراگ در این ناحیه می شود ساکن کند . در چند سال گذشته نصب قطعه کوچکی در جلوی خط کاپوت دارای ارجحیت بوده زیرا موجب جلوگیری از جداشدن جریان در روی کاپوت و کاهش نیروی دراگ می شود .

طراحی خودرو

 

در طراحی خودرو نزدیک برف پاکن ها و جلوی اتاق خودرو جریان باید به طرف بالا خم شود ؛ بنابراین فشار زیادی تولید می شود این منطقه فشار قوی منطقه مناسبی برای دخالت هوا در سیستم های کنترل هوا یا ورودی هوا به طرف موتور است و در گذشته برای این منظور در اکثر خودروها از این منطلب استفاده می شده است .

 

فشار زیاد همراه با سرعت کم در این منطقه ایجاد می شود و موجب می شود که برف پاکن ها از گزند نیروی آیرودینامیک در امان باشند . در بالای سقف خودرو هنگامی که جریان از خط سقف عبور می کند فشار دوباره منفی می شود .

یک نمونه کلی برای جریان هوا بر روی خودرو و اطراف آن در شکل ۶ نشان داده شده است . جریان اطراف خودرو به سمت منطقه کم فشار در قسمت عقب کشیده می شود و ترکیب این جریان با جریانی که از سقف عبور می کند باعث ایجاد جریانهای حلقوی عقب خودرو می شود .

طراحی عقب خودرو

 

 

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 محدودی روی دهد هر چند این ناحیه کوچکتر باشد نیروی مقاوم کمتر می شود . به صورت تئوری یک شکل ایده آل برای عقب خودرو از نظر ایرودینامیکی شکلی شبیه به قطره اشک است .

این شکل مثل یک مخروط است که راس ان زاویه ای کمتر از ۱۵ درجه یا برابر ۱۵ درجه داشته باشد . این نکته در دهه ۱۹۳۰ کشف شد . به خاطر اینکه نوک مخروط بسیار کوچک است انتهای خودروی ایده آل بدون ناحیه جدایی بزرگی برش زده می شود .

با صاف کردن شکل انتهای خودرو ، ارتفاع برای صندلی عقب بیشتر می شود بدون اینکه نیروی دراگ قابل ملاحظه ای تولید شود . اسم این مشخصه از عبارت « کام بک » به دست آمده است . از آنجایی که اندازه منطقه جدایش روی نیروی مقاوم آیرودینامیک تاثیر مستقیم دارد دامنه جریانی که به قسمت عقب خودرو و برای چرخش به سمت پائین آن فشار می آورد بر نیروی بالا برنده آیرودینامیکی در عقب تاثیر می گذارد . شکل (۸-۴) اثر نیروی آیرودینامیکی بالا برندهن را نشان می دهد که بر روی عقب خودرو تاثیر می گذارد . شکل ۷ اثر نیروی آیرودینامیکی بالا برنده و نیروی دراگ را برای انواع مختلف خودرو نشان می دهد . کنترل جریانی که منطقه جدایش را کاهش می دهد موجب تولدی نیروی آیرودینامیکی بالا برنده بیشتری در عقب خودرو می شود زیرا همان طور که جریان کاهش می یابد فشار هم کم می شود .

طراحی خودرو

 

 

پدیده جدایش که در لبه عقبی سقف اتفاق می افتد شدیدا به شکل جایی که اتفاق می افتد و زاویه اتاق عقب بستگی دارد . برای شکل سمت چپ لبه تیز در روی خط سقف باعث گسترش جدایی در این محل می شود هنگامی که یک مرز جدایی کامل و مشخص به کوچک شدن مخروط ایرودینامیک کمک کند با دخالت اتاق عقب در منطقه جدایی میزان نشست گرد و غبار روی شیشه ها افزایش می یابد . در حالی که خودرویی که در سمت راست قرار دارد از نظر زاویه اتاق عقب نیز مناسب است به آرامی جریان هوا را به عقب سقف انتقال می دهد و علاوه بر این یک صندوق عقب کوچک باعث می شود که جریان هوا از اطراف خودرو به پائین بیاید . منطقه جدایی کاملا به وسیله کناره های تند و تیز انتهای صندوق مشخص می شود و به ثبات منطقه جدایی و کوچک کردن شکل مخروط کمک می کند با این طراحی خودرو مفقط چراغهای عقب در معرض گردو خاک جاده است .

طراحی

 

 

نیروهای آیرودینامیکی

در نتیجه عکس العمل متقابل بدنه خودرو و جریان هوا نیروها و گشتاورها ایجاد می شوند . این نیروها را می توان به صورت سینماتیک به عنوان سه ینرو و سه گشتاور مانند شکل ۹مشخص کرد که این گشتاور ها و نیروها حول محورهای اصلی خوردو عمل می کنند . این عکس العملها به شرح زیراند .

گشتاور            نیرو                          جهت

گشتاور پیچشی          نیروی آیرودینامیکی دراگ         مثبت در جهت عقب محورX  طولی

گشتاور دورانی                            نیروهای جانبی (کناری) مثبت متمایل به راست محور y جانبی

گشتاور چرخشی     نیروی بالا برنده              مثبت در جهت بالا محور Z عرضی

خودرو

در استاندارد ۱۵۹۴ SAEJ مبدا سیستم محورها تعریف شده است . از آنجایی که عکس العملهای آیرودینامیکی روی خودرو وابسته به مرکز ثقل نیستند (مرکز ثقل  خودرو در تونل باد قابل شناسایی نیست ) مبدا اندازه گیری نیرو بر روی نقشه سطحی روی وسط فاصله محوری بین چرخ های جلو وعقب و در وسط خودرو قرار دارد .

طراحی خودرو موله های نیروی مقاوم (دراگ)

نیروی دراگ بزرگترین و مهم ترین نیروی آیرودینامیکی است که خودروهای سواری در سرعتهای معمولی بزرگراهها با آن روبرو هستند . دراگ کل بر روی طراحی خودرو های سواری از ترکیب منابع زیادی ناشی می شود . کارهای متفاوتی ممکن است برای کاهش اثرات این نیرو انجام گیرد .

برای خودروی نشان داده شده در این شکل در حدود ۶۵% نیروی مقاوم از بدنه (جلوی بدنه ، پشت بدنه ، زیربدنه و اصطکاک سطح) ناشی می شوند . بیتشرین کمک برای کاهش نیروی مقاوم ، عقب بدنه است زیرا نیروی مقاوم به وسیله منطقه جدایی در قسمت عقب خودرو تولید می شود در این منطقه است که حداکثر پتانسیل برای کاهش نیروی مقاوم امکان پذیر می شود .

شکل ۱۰ نشان دهنده اثر زاویه ی شیب عقب خودرو بر روی دراگ برای طولهای متفاوتی از گسترش عقب خودرو است .زوایای شیب تا ۱۵ درجه به طور مداوم نیروی مقاوم را کاهش می دهند .

هنگامی که زاویه افزایش می یابد نیروی مقاوم نیز افزایش می یابد و این به دلایل پدیده جدایش است (در عمل افت بیشتر زوایا بدون جدایی به دست می اید )

طراحی خودرو

 

نیروی دراگ تحت تاثیر طراحی لبه جلویی و زاویه شیشه جلوی خودرو است . معمولا گردی لبه جلو ناحیه ای را به وجود می آورد که فشار دینامیکی می تواند بر نیروی مقاوم غلبه کند . شکل ۱۱ تاثیر ارتفاع لبه جلویی خودرو را نشان می دهد . موقعیت این نقطه با موقعیت خط جریان تا نقطه رکود مشخص می شود این خط جریان از آن جهت مهم است که باعث جدایی جریان بالایی و پایینی بدنه خودرو می شود . حداقل نیروی مقاوم وقتی به دست می آید که نقطه رکود در پروفیل جلوی خودرو پایین باشد از نظر آیرودینامیکی عموما یک شکل گرد خوب در مقایسه با خطوط موجدار برای جلوی پنجره خودروهای سواری ارائه می شود . یک خط کاپوتی که کمی گرد شده می تواند بین ۵ تا ۱۵% ضریب نیروی دراگ را کاهش دهد .

طراحی خودرو

 

طراحی خودرو در شیشه جلو

شیشه جلو ، مسیر جریان هوا را همان طور که به سقف خودرو نزدیک می شود مشخص می کند . بنابراین زاویه آن تاثیر مستقیمی بر نیروی دراگ خصوصا در خودروهای سنگین دارد . زوایای کوچک ، نیروی دراگ را کاهش می دهند ولی طراحی خودرو را پیچیده می کنند . زیرا این طراحی با توجه به افزایش بارهای حرارتی خورشید و درخواست سازندگان شیشه جلو از حالت زاویه اسمی ۲۸ درجه به بالا مورد استفاده قرار می گیرد در یک زاویه با شیب زیاد سرعت هوای نزدیک شده به شیشه جلو توسط فشار بالای آن ناحیه کاهش می یابد . با یک زاویه کوچک و اضافه شدن نیروهای آیرودینامیکی روی برف پاک کنهایش شیشه جلو سرعت باد بیشتر خواهد شد .

طراحی خودرو

 

 

در زیر بدنه خودرو یک ناحیه بحرانی وجود دارد که نیروی دراگ بدنه را تولید می کند سیستمهای تعلیق و اگزوز و سایر اجزاء برآمده در زیر بدنه بر نیروی دراگ تاثیر می گذارند.

یک راه مناسب برای کم کردن نیروی دراگ زیر بدنه استفاده از یک صفحه صاف در زیر خودرو است .

برآمدگیهای بدنه دومین قسمت از ناحیه هایی

طراحی خودرو

هستند که طراحی درست آنها می تواند نیروی دراگ را کاهش دهد در این مرحله چرخها و حفره های چرخها از عوامل اصلی هستند . نیروی دراگ قابل توجهی در چرخها خودرو  به علت جریان برگشتی گردابی در فضاهای خالی به وجود می آید .

 

سیستم خنک کننده ، آخرین عامل عمده تاثیر گذار بر نیروی دراگ است . جریان هوای عبوری از رادیاتور به موتور و محفظه احتراق برخورد می کند و فشار دینامیکی ان 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 .

طراحی خودرو

 

 

 شکل ۱۴ این وضعیت را نشان می دهد . بدون توجه به کنترل جریان هوا هوای ورودی از میان رادیاتور قسمتی از حرکت پیش برنده را تلف می کند . در برابر آن اجزاء طراحی خودرو در قسمت موتور قبل از اینکه هوا از مجاری و منافذ زیری خارج شود آن ار پراکنده میک نند تغییرات اندازه حرکت مستقیما در جهت افزایش نیروی دراگ عمل می کند .

هدایت و کنترل جریان هوا سیستم خنک کننده می تواند بر ضریب دراگ به میزان ۲۵% تاثیر بگذارد .

طراحی خودرو

 

طراحی دقیق برای جریان مستقیم هوا (به منظور پایین ماندن فشار استاتیکی و حفظ سرعت آن ) می تواند تولید نیروی دراگ را کاهش دهد .

قطعات آیرودینامیکی

منحرف کننده جبهه هوای جلوی خودرو

منحرف کننده جبهه جلو یک سری سطوح ایرودینامیکی است که به طرف پایین امتداد پیدا می کنند تا از جریان برشی که به شدت به اجزاء زیر بدنه برخورد می کند جلوگیری کند و آن را هدایت کند . از آنجایی که منحرف کننده ها در فشار دراگ دخالت دارند –حداقل با ارتفاع کم – در کاهش دراگ زیر بدنه بسیار مهم هستند . اگر ارتفاع منحرف کننده ها افزایش یابد فشار دراگ خارجی افزایش می یابد و علاوه بر این نیروی دراگ زیر بدنه کاهش یافته و نیروی دراگ کل افزایش می یابد . همچنین این فشار کم در کاهش پرش جلو و ع قب خودرو موثر است .

منحرف کننده های روی صندوق عقب

منحرف کننده ها بر فویلهای صندوق عقب برای چند منظوره کار برده می شوند . همانطوری که در شکل ۱۵ نشان داده شده است با هدایت هوا به سمت بالا و طبعا افزایش فشار به روی صندوق عقب نیروی پایین برنده ایجاد خواهد شد که این خود مزیتی است در جهت کاهش نیروی بالا برنده عقب خورد . منحرف کننده ها همچنین می توانند برای متعادل کردن جریانات گردابی در نقطه جدایش به کار برده شودند ؛ لذا ضربات ن اگهانی آیرودینامیکی را کاهش می دهند ولی در حالت کلی منحرف کننده های روی صندوق عقب نیروی دراگ را افزایش می د هند .

طراح خودرو

 

بادگیرها

بادگیرها سطوح محدود کننده جریان هوا هستند که در اطراف رادیاتورها به منظور افزایش هوای عبوری از رادیاتور در سرعتهای پائین خودرو نصب می شوند . این بهبود از کاهش فشار پشت فن رادیاتور ناشی می شود و ممکن است دراگ را با کاهش فشار دمحفظه احتراق کاهش دهد .

رفتار ستونها و پنجره ها :

ریلهای آب چکان و لوله های میان پنجره ها و ستونهای بدنه خودرو همیشه منابع ایجاد نیروی دراگ هستند . موانع جریان هوا در این نواحی سبب ایجاد نواحی جدایش کوچکی می شوند . آشفتگی جریان هوا در سرعتهای زیاد ، باعث از بین رفتن اندازه حرکتی که خود نیروی دراگ را به وجود می آورد می شود طرحهای صیقلی نه تنها برای کاهش نیروی دراگ بلکه برای کاهش صداهای آیرودینامیکی نیز مهم هستند .

بهینه سازی

پیشرفت در زمینه علم آیرودینامیک خودرو در سه مرحله صورت گرفته است :

۱ – سازگاری و تناسب خطوط جریان هوا در قالب اصول منظم (برایمثال ساختمان کشتی) در اوایل قرن ؛

۲ – استفاده از علم مکانیک سیالات در علم آیرودینامیک هواپیما در دهه ۱۹۳۰ ؛

۳ – تلاشهای کنونی برای بهینه سازی جزئیات فراوانی در طراحی خودرو جهت به دست آوردن خواص مناسب جریان هوا .

راه کارهای یافت شده اجاده داده است که معمولا طرحی کلی برقرار شود و تلاش های انجام شده برای بهینه سازی های آیرودینامیکی فقط تغییر شکلهای جزئی در طراحی خودرو ایجاد کرده است .

طراحی خودرو

 

نیروی دراگ

از آنجایی که جریان هوا در سرتاسر خودرو (یا هر جسم دیگری از آن قالب) بسیار پیچیده است ایجاد مدلهای نیمه تجربی برای نشان دادن این اثر ضروری است .

نکته : استاندارد SAE برای دراگ نماد D را در نظر گرفت و لی در متن برای متمایز کردن نیروی آیرودینامیکی از دیگر نمادهای مورد استفاده از نماد همراه با اندیکس A استفاده می شود .

چگالی هوا

چگالی هوا با درجه حرارت ، فشار و مقدار رطوبت تغییر می یابد . در وضعیت استاندارد 

                است برای استفاده از این معادله چگالی هوا باید به عنوان چگالی جرمی بیان شود که از تقسیم بر شتاب جاذبه زمین به دست می آید .

طراحی خودرو

 

 

ضریب دراگ

ضریب دراگ به طور آزمایشی از آزمایشهای تونل باد یا آزمایشهای خلاصی پایین به دست می آید .

ضریب دراگ در یک دامنه بزرگ با شکلهای مختلف تغییر می یابد . شکل ۲۰-۴ ضرایب را برای تعدادی از اشکال دیگر نشان می دهد در هر مورد فرض شده است که هوای نزدیک بدنه موله جانبی ندارد ( برای سرتاسر محور طولی خودرو مستقیم است ) یادآور می شود که یک صفحه تخت ساده ضریب دراگ ۹۵/۱ دارد . این ضریب به این معنی است که نیروی دراگ ۹۵/۱ بار بزرگتر از فشار دینامیکی فعال در سرتاسر ضخامت این صفحه است . حداکثر دراگ تولید شده یک صفحه از این حقیقت ناشی می شود که هوای اطراف یک صفحه یک ناحیه جدایی بسیار بزرگتر از خود صفحه ایجاد می کند . در آزمایش خودرویی که در طول جاده حرکت می کند علاوه بر بادهایی که از سرعت خود خودرو ایجاد می شوند و بر آن وارد می شوند بادهای اتمسفری نیز وجود دارند .

بادهای جوی در سراسر ایالت آمریکا از نظر شدت متفاوت هستند . بعضی از انواع آنها بین ۱۰ تا ۲۰ میل بر ساعت و بادهای بسیار تند بین ۵۰ تا ۶۰ میل بر ساعت سرعت دارند . بادهای جوی با توجه به حرکت خودرو از نظر جهت اتفاقی هستند بنابراین باد نسبی که به خودرو برخورد می کند شامل مولفه ناشی از سرعت خودرو به علاوه یک جزء کوچکتر باد جوی در هر جهت است .

وقتی که باد جوی به طرف خودرو می وزد یک باد مخالف به وجود می آید . و سرعت نهایی بکار گرفته شده در معادله زیر عبارت است از :

V = Vv+Vw

که در « :

Vv : سرعت خودرو

Vw : سرعت باد

هستند .

وزش باد در جهت حرکت را باد موافق گویند به طوری که سرعتها از هم کم شوند . از انجا که معادله فوق سرعت به توان رسیده است افزایش نیروی دراگ باد مخالف در یک سرعت معین بسیار بزرگتر از کاهش نیروی دراگ باد موافق در همان سرعت است . باد نسبی را می توان با یک بردار که از هر نقطه روی محیط دایره خارج می شود تعریف نمود و نیروی دراگ متوسط در جاده با سرعت متوسط خودرو معادل نخواهد بود . روشی که در آن ضریب نیروی مقاوم با مولفه های بادهای جانبی تغییر می کند دارای اهمیت است .

طراح خودرو

 

در تریلرها بادهای جانبی مهم هستند زیرا آنها مانعی برای میدان جریان آیرودینامیکی هستند.شکل ۲۲-۴ جریان هوای اطراف یک تریلر را در هنگام وزش باد نسبی در زاویه ۳۰ درجه نشان می دهد . جریان هوا به خوبی به سمت راست خودرو چسبیده است اما یک منطقه جدا کننده بزگر در طرف باد پایینی قرار دارد . به علاو نیروی مقاوم ناشی از برخورد باد به جلوی کامیون جزء بزرگی است که بدیگر اجزاء نیروی دراگ اضافه می شود . بدین ترتیب در کامیونها و خودروها تغییر در ضریب دراگ با انحراف زاویه باد بسیار مهم است .

طراحی خودرو

 

در مقابه با طراحی بهتر آیرودینامیک خودرو ها ضریب دراگ نسبت به زاویه انحراف حساس نخواهد بود . زیرا باد سریعا جدا نخواهد شد معمولا ضریب دراگ ۵ تا ۱۰ درصد  با زوایای انحراف در دامنه مشخص برای خودروهای سواری در جاده افزایش می یابد . شکل ۲۳-۴ تاثیر زاویه انحراف را برای ضریب دراگ در چندین نوع خودرو نشان می دهد .

نیروی جانبی

وقتی که خودرو در ابتدا با شرایط باد عوضی در جاده مواجه می شود (یک باد عرضه زودگذر) نیروی جانبی در ابتدا بر جلوی خودر و اعمال می شود و ممکن است آنرا به سمت بادهای پایینی متمایل کند . شکل آیرودینامیکی خودرو و حتی مشخصات سیستم فرمان در این عملکرد اثر می گذارند .

عملکرد نیروی جانبی بر بدنه در مرکز فشار خواهد بود که عموما در بالای مرکز جرم قرار دارد چرا که خودرو در باد تغییر جهت می دهد در تونل باد نیروی جانبی در سطح زمین و در وسط فاصله محور جلو و عقب خودرو اندازه گیری می شود . به هنگام وجود نیروی جانبی تفاوت میان این موقعیت و مرکز فشار موجب گشتاور (لنگر) چرخشی می شود .

طراحی خودرو

 

 

نیروی بالابرنده :

اختلاف فشار از بالا به پایین خودرو موجب نیروی بالابرنده می شود . این نیروها به دلیل ارتباط شان با بهینه کردن حالت آیرودینامیک خودرو بسیار حائز اهمیت بوده و تاثیر قابل توجهی به تعادل حرکت خودرو دارند . نیروی بالابرنده از روی مرکز خط مرکزی اتصال دو چرخ عقب و جلو خودرو اندازه گیری می شود .

در مطالعات و بررسیهای ایرودینامیک تاثیر ترکیبی گشتاور دورانی و نیروی بالابرنده همزمان با تعیین ضریب بالابرنده برای هر دو چرخ های جلو وعقب در نظر گرفته می شوند . نیروی بالابرنده می تواند یک ضربه منفی بر کنترل دینامیکی خودرو در خلال کاهش نیروهای کنترلی وارد بر یک تایر داشته باشد . بلند شدن جلوی خودرو که کنترل پذیری فرمان را کاهش می دهد توسط منحرف کننده جبهه هوای جلوی خودرو و پخ در جهت عقب قسمت سطح جلوی خودرو کاهش می یابد . همچنین بلند شدن عقب خودرو که تعادل خودرو را کاهش می دهد می تواند توسط پارامترهای طراحی خودرو تغییر یابد . در حالت کلی طراحی هایی که موجب جداشدن جریان از زاویه جهت پایین عقب خودرو می شوند موجب حالت بلند شدن عقب خودرو می شوند . حالت بلندشدن می تواند با به کارگیری منحرف کننده های جبهه هوا ، صفحات زیرین خودرو و تغییرات درزاویه حمله خودرو کاهش یابد ( به عنوان مثال تغییر سه درجه در شیب بدنه خودرو می تواند نیروی بالابرنده را به اندازه ۴۰ درصد کاهش دهد )

گشتاور دورانی

زمانی که نیروی بالابرنده برای کاهش یا افزایش وزن بر روی اکسلها عمل می کند گشتاور دورانی وظیفه انتقال وزن ما بین اکسل جلو وعقب را بر عهده دارد .

گشتاور دورانی از این حقیقت ناشی می شود که نیروی دراگ نمی تواند در سطح زمین عمل کند . (بنابراین ارتفاع محل اعمال نیروی دراگ محاسبه می شود ) و نیروی بالابرنده دقیقا در مرکز فاصله بین محور عقب و جلو عمل نمی کند .

گشتاور چرخشی

نیروی جانبی ناشی از باد جانبی نمی تواند در وضعیت وسط فاصله بین دو محور جلو و عقب به طور همزمن عمل نماید و به همین علت گشتاور چرخشی ایجاد می وشد .

ضریب گشتاور چرخشی با جهت باد تغییر می کند که از نقطه صفر زاویه باد نسبی شروع شده و تقریبا به صورت خطی به سمت بالا می رود تا به زاویه ۲۰ درجه برسد .

 

 

گشتاور پیچشی

نیرویجانبی ناشی از باد جانبی در نقاط برآمده خودرو عمل می کند و به همین علت ممان پیچشی تولید می شود . این گشتاور تاثیر کمی بر ثبات طراحی خودرو دارد زیرا به مقدار زیادی به اجزای فرمان پیچشی در سیستمهای تعلیق بستگی دارد .

ضریب ممان پیچشی مانند ضریب ممان چرخشی نسبت به جهت باد حساس است که تماما خطی و در جهت بالا و در محدوده ۲۰ درجه اول از زاویه باد نسبی است . شیب ضریبممان چرخشی از ۰۱۸/۰ درجه تا ۰۴/۰ درجه است .

حساسیت باد مخالف

پیچیدگی زیاد در طراحی آیرودینامیکی وسایل نقلیه موتوری در ترکیب با افزایش حساسیت نسبت به بادهای عرضی و اغلب همراه با کاهش نیروی مقاومت انگیزه برای فهمیدن و کنترل عوامل موثر بر رفتار باد مخالف ایجاد کرده است .

در کل ، حساسیت باد مخالف به عکس العمل های جانبی و انحرافی خودرو در مقابل موانع باد عرضی اشاره دارد . این موانع برتوانایی راننده در هدایت و کنترل خودرو در مسیر و جهت رانندگی موثر هستند . حساسیت به باد مخالف به مواردی بیش از خاصیتهای آیرودینامیکی خودرو بستگی دارد .

در اینجا عوامل کلیدی به صورت زیر تعریف شده است :

خواص آیرودینامیک

خاصیت دینامیک وسایل نقلیه (توزیع وزن ، خواص تایر، سیستم تعلیق)

خواص سیستم فمران (میزان انعطاف پذیری، اصطکاک و گشتاور کمکی)

رفتار فرمان حلقه بسته راننده و ترجیحات آن

رفتار باد عرضی با استفاده از خودروهای مجهز در شرایط تصادفی (محیطی) باد طبیعی مطالعه می شود .

البته این شرایط در آزمایشگاه توسط ژنراتور و فن هایی که باد مخالف را تولید می کنند و شرایط رانندگی شبیه سازی شده ایجاد می شوند .

متغیرهای اولیه برای این منظور عبارتند از عکس ال عمل نسبت به چرخش ، عکس العمل نسبت به شتاب جانبی ، تنظیم فرمان هنگام حفظ مسیری خاص و قضاوت فردی در آزمایش رانندگی . رفتار صحیح باد مخالف قویا با اندازه و مقدار پاسخ تغییر مسیر رابطه دارد .

شکل ۲۷-۴ رابطه بین ارزیابیهای فردی از باد مخالف مهاجم (فن هایی که به طور متناوب در جهت مخالف می وزند) و اندازه و مقدار پاسخ نسبت به نرخ چرخش را نشان می دهد .

 

 

این آزمایشها نشان می دهد که میزان پاسخ دهی به انحراف در بادهای مخالف درارزیابیهای فردی و درخودروهای مختلف متفاوت است .

اندازه گیریهایدیگر از عکس العملها مرتبط با ارزیابی فردی و با توجه به اهمیت آن عبارتند از : شتاب جانبی وارد بر تکیه گاه سر راننده ، جابجایی فرمان و شتاب جانبی

مهمترین خواص آیرودینامیکی در حساسیت باد مخالف ، محل مرکز فشار و فاصله مربوط به آن قبل از نقطه خلاصی فرمان خودرو است .

نقطه خلاصی فرمان NSP نقطه ای در خودرو است که یک نیروی جانبی ، زوایای لغزشی جانبی برابر در روی اکس عقب و اکس جلو ایجاد می کند مرکز فشار ، نقطه اثر برآیند نیروی جانبی و عکس العملهای اندازه حرکت چرخشی روی خودرو است . هر چه مکان فشار مرکزی عقب به نقطه خلاصی فرمان نزدیکتر باشد انحراف مسیر توسط باد مخالف به حداقل می رسد .

در شکل ۲۸-۴ اثر مرکز فشار رو به جلو و  روبه عقب نسبت به عکس العملهای شتاب جانبی در سه خودرو نشان داده شده است . مرکز فشار رو به جلو موجب عکس العمل بزرگ شتاب جانبی می شود زیرا نقطه اثر مرکز فشار نزدیک به خودرو است و خودرو به شدت از مسیر باد دور می شود . توسط مرکز فشار رو به عقب خودرو کمتر منحرف شده و در برابر جابجایی از سمت پهلو مقاومت نشان می دهد .

از دیگر خاصیتهای دینامیکی خودرو تعیین عکس العملهای خودرو نسبت به نیروی باد مخالف است . مثلا توزیع وزن روی اکسل جلو و عقب و تعیین موقعیت مرکز جرم NSP (نقطه خلاصی فرمان)

خواص تایرها مانند سختی در جهت گیری نیز بر موقعیت NSP تاثیر می گذارد و از این رو بردرجه مقاومت خودرو نسبت به گشتاور چرخشی از نیروی جانبی آیرودینامیک اثر می گذارد .

اولین محاسبه حساسیت باد از حاصل جمع مقادیر نرخ چرخش استاتیکی به باد مخالف پایدار بدون ورودی فرمان به دست می آید .

 

 

همان طور که اشاره شد نقطه خلاصی فرمان مشخص می کند که نقطه رو به جلو و رو به عقب در خودرو در جایی که نیروی جانبی و خارجی در خودرو عمل می کنند موجب چرخشی خودرو نخواهد شد . این نقطه از خواص نیرویی چرخها انعطاف پذیری سیستم فرمان سینماتیکهای سیستم تعلیق و توزیع وزن تاثیر می پذیرد .

ثابت دور زدن موثر تایر با مشخصات تایر که یکی از آنها ثابت دور زدن می باشد رابطه مستقیم دارد . و همچنین با حذف انعطاف پذیری (کامپلیانس) فرمان یا سیستم تعلیق که اجزاء اصلی خودرو می باشند و در برابر باد عرضی تاثیر پذیر هستند رابطه مستقیم دارد . نیروی گشتاور سرعت پیش برنده را کاهی می دهد در نتیجه با بالا رفتن سرعت حساسیت باد مخالف افزایش نشان می دهد .

بحث تحلیل استاتیکی فوق ممکن است فاقد سایر خواص دینامیکی خودرو که بر حساسی باد مخالف اثر می گذارد باشد .

انعطاف پذیری در پیچش حول محور طولی موجب ایجاد اثرات فرمان حول محور طولی و سیستم تعلیق می شودو نقش مهمی را ایفا می کند که در این تحلیل ساده آورده نشده است .

بنابراین به منظور پیش بینی دقیق تر حساسیت باد مخالف خودرو تجزیه و تحلیل پیچیده تری با استفاده از مدلهای کامپیوتری از حرکت کامل خودرو و خواص آیرودینامیکی ان ضروری است .

مقاومت غلتشی

یکی از مهمترین نیروهای مقاومت خودرو در سطح جاده مقاومت غلتشی تایرها است . در سرعتهای کم در جاده های سخت مقاومت غلتشی همان نیروی مقاومت حرکت اولیه است . در حقیقه مقاومت آیرودینامیکی در سرعت ۶۰-۵۰ مایل در ساعت با مقاومت غلتشی برابر می شود . در جاده های خارج از بزرگراهها مقاومت غلتشی تنها نیروی مقاوم قابل ملاحظه است .

همانگوه که سایر مقاومتها در شرایط خاصی از حرکت عمل می کنند . مقاومت غلتشی بلافاصله با آغاز چرخشی تایرها صورت می گیرد . علاوه بر این مقاومت غلتشی خاصیت نامطلوب دیگری که دارد تبدیل قسمت عظیمی از نیرو در چرخهای در حال گردش به گرما است .

در نتیجه بالا رفتن درجه حرارت در تایرها مقاومت مالشی و استحکام در برابر خستگی (فرسودگی) خمش در ماد تایر کاهش می یابد که یکی از عوامل محدود کننده کارکرد تایر است .

حدود هفت روش معتبر در ایجاد مقاومت غلتشی وجود دارد :

۱ – اتلاف انرزی ناشی از خمیدگی دیواره کناری تایر در نزدیکی منطقه تماس

۲ – اتلاف انرژی به سبب خمیدگی عناصر آج تایر

۳ – ساییدگی در نقطه تماس چرخ با جاده

۴ – لغزندگی تایر در جهتهای جانبی و طولی

۵ – خمیدگی سطح جاده

۶ – نیروی مقاوم جوی داخل و خارج تایر

۷ – اتلاف انرژی ناشی از ناهمواریهای (ضربات) جاده

 در محاسبات نظری از وزن دینامیکی خودرو استفاده می شود که شامل اثرات شتاب نیروهای یکسان تریلر ، و مولفه های عمودی مقاومت هوا است . ( برای پیش بینی عملکرد خودرو بزرگی تغییرات وزن دینامیکی ، محاسبات را بدون ارائه ، پیشرفتهای ویژه در صحت و دقت آن پیچیده می کند )علاوه بر این انتقال وزن دینامیکی روی اکسل ها کمترین اثر را بر مقاومت غلتشی کل (بدون توجه به نیروی بالابرنده آیرودینامیک ) دارد .

به همین دلایل وزن ثابت خودرو برای محاسبه مقاومت غلتشی ، در بیشتر موارد کاملا درست است . با یک منطق دقیق مشخص است که همه این نکات و توجهات فقط برای حرکت در خط مستقیم استفاده می شود .برای خودروهایی که تحت تاثیر نیروهای جانبی ناشی از دور زدن یا بارهای آیرودینامیکی هستند جهت مقاومت غلتشی از جهت مسیر(حرکت) واقعی به دست می آید و نیروی رانش باید بر برآیند برداری (خط سیر) نیروی جانبی و مقاومت غلتشی غلبه کند .

ضرایب موثر بر مقاومت غلتشی

ضریب مقاومت غلتشی یک ضریب بدون بعد است که اثرات خواص فیزیکی پیچیده و وابسته به هم را برای تایر و سطح جاده بیان می کند .

برقراری شرایط استاندارد برای اندازه گیری متغیرها از جمله ساختار مواد زمین (جاده) ، ترکیب لاستیک ، طراحی اجزاء تایر ، درجه حرارت و غیره اگر غیر ممکن نباشد مشکل است .

بعضی از مهمترین عوامل در زیر آمده است .

درجه حرارت تایر

به دلیل انیکه بیشترین مقاومت غلتشی در سطوح سنگ فرش شده از تغییر شکل و اتلاف انرژی در مواد تایر ناشی می شود دمای تایر نقش مهمی  در آزمایش مقاومت دارد . در این وضعیت تایر در شرایط سرد شروع به گردش می کند و به دنبال آن درجه حرارت افزایش پیدا خواهد کرد و مقاومت  غلتشی آن در اوایل مسیر حرکت کم خواهد شد .

 

 

در اکثر سفرهای کوتاه تایرها گرم نمی شوند تا کمترین سطح احتمال از مقاومت غلتشی حاصل شود .

بار یا فشار تایرها در طراحی خودرو

به طور گسترده فشار باد تایر تعیین کننده خاصیت ارتجاعی تایر در ترکیب با بار تعیین کننده تغییر شکل در دیواره های تایر و منطقه تماس تایر با جاده است .

در سطوح نرم مانند سطوح شنی فشار باد زیاد موجب افزایش فرو رفتگی در زمین می شود و بنابراین ضرایب بالاتر می روند .

 

 

و بالعکس فشار باد کمتر در عین اینکه فرو رفتگی در زمین را کمتر می کند خمیدگی تایر را افزایش می دهد .

البته حد مطلوب فشار باد به خواص تغییر شکل سطح تایر بستگی دارد . به طور کلی افزایش رانش چرخ حاصل شده از کم کردن فشار چرخ بر سطو ح شنی دقیقا از کاهش مقاومت غلتشی به دست آمده است . در سطوح موم سان مانند جاده های خاکی اثر فشار باد بر روی تایر و زمین تقریبا متعادل است و ضریب تقریبا مستقل از فشار باقی می ماند .

روی سنگ فر شا افزایش فشار باد ضریب تا زمانی که عمل خمش بدنه تایر به طور قابل ملاحظه ای کم شده باشد کاهش پیدا می کند .

سرعت :

ضریب مستقیما با سرعت – به علت افزایش انعطاف و نوسان بدنه تایر- متناسب است . اگر چه این اثر در سرعتهای متوسط و پائین کوچک وکم است و اغلب در محاسبات این اثر ثابت فرض می شود اثر سرعت زمانی که سرعت با فشار باد کمتر ترکیب می شود بیشتر مورد توجه و بررسی قرار می گیرد .

شکل ۳۱-۴ نسبت مقاومت غلتشی به سرعت برای تایرهای رادیان ، بایاس و بایاس سیمی را نشان می دهد . ( در سرعتهای بالا ، چرخشی رو به بالا و سریع در نتیجه انرژی بالای موج حاصله از لاشه های تیار درست در پشت نقطه تماس تایر با سطح جاده حاصل می گردد ) اگر این روند حتی برای یک دوره زمانی محدود ادامه یابد سبب خطای شکست ناگهانی خواهد شد . بنابراین شکل موجی ایستا ، یکی اثرات اولیه و محدود کننده سرعت برای تیار است . برای سرعتهای بالا تایرهای جدید دارای یک متعادل کننده در فضای پهلویی هستند تا پیشرفت موجهای ایستا را کنترل کند .

 

 

مواد و طراحی تایر خودرو

مواد و سختی دیواره جانبی تایر ( که معمولا لایی تایرگفته می شود ) و آج تایر تعیین کننده سختی و توان اتلافی تایر در حال غلتش می باشند .

پس مانند آج لاستیک برای رانش مطلوب چرخ بسیار مهم است ولی عملکرد مقاومت غلتشی را کاهش می دهد .

در لاستیک های صاف و ساییده شده مقدار ضریب مقاومت غلتشی ۲۰% کمتر از لاستیک های نو است . از طرف دیگر لایه لایه سازی خوب به اندزه ۲۵% ضریب مقاومت غلتشی را افزایش می دهد .

موادنخ دیواره های تایر اثر کمی در این ضریب دارند ولی زاویه نخ و خواص تسمه تایر که بر خلاف تایر های رادیال بسته می شود اثر قابل توجهی دانرد .

 

 

 

لغزش تایر

رانش انتقالی چرخ ها یا نیروهای ترمز مقاومت غلتشی بیشتری را در نتیجه لغزش چرخش و اصطکاک فرسایش نشان می دهند .

نیروهای دور زدن نیز همان اثر را ایجاد می کنند .

 

درزوایای لغزشی معادل شتاب متوسط به بالا ضریب مقاومت غلتشی تقریبا دو برابر می شود اثر ان در رانندگی عادی زمانی که سرعت در هنگام دور زدن سریعا کاهش می یابد قابل مشاهده است .

ضرایب نمونه

عوامل متعدد و مرتبط و تاثیر گذار بر مقاومت غلتشی طرح فرمولی را که تمام متغیرها را در بر داشته باشد غیر ممکن می سازد . قبل از اینکه مقدار ضریب مقاومت غلتشی برای کاربرد ویژه ای انتخاب شود درجه دقت مورد نیاز برای محاسبات باید کاملا تعین شود . معادلات متعددی برای تخمین مقاومت غلتشی طی سالهای اخیر به دست آمده است .

در ابتدایی ترین سطح ضریب مقاومت غلتشی به عنوان یک ثابت تخمین زده می شود .

در جدول زیر مقادیر نمونه برای سطوح ابتدایی آمده است :

جاده شنی

جاده نسبتا سخت

جاده بتونی

نوع خودرو

۳۰/۰

۰۸/۰

۰۱۵/۰

خودروی سواری

۲۵/۰

۰۶/۰

۰۱۲/۰

کامیون سنگین

۲۰/۰

۰۴/۰

۰۲/۰

تراکتور

  در سرعت های پایین ضریب تقریبا به صورت خطی با سرعت افزایش می یابد .

 

مقاومت غلتشی در سطوح خشک سخت و صاف درحداقل مقدار خود است و در یک جاده فرسوده مقاومت غلتشی دو برابر می شود در سطوح مرطوب به علت دمای پایین انعطاف پذیری تایر کاهی یافته است .

مجموع بارهای جاده

مموع مقاومتهای غلتشی و نیروهای آیرودینامیکی و نیروهای ترکیبی بار محرکه جاده را برای خودرو تشکیل می د هند و معمولا به ان «بار جاده » می گویند .

آثار مصرف اقتصادی سوخت

امروزه نیروهای آیرودینامیکی و مقاومت غلتشی به علت اثر آنها بر مصرف سوخت مورد توجه قرار می گیرند . البته نیروی مقاوم آیرودینامیکی یکی از مهم ترین خواص آیرودینامیک است . در دهه ۱۹۷۰ ضرایب نیروی مقاوم از ۴/۰ تا ۴/۰ در خودروهای نسبتا بزرگ متداول بود .

در دهه ۱۹۸۰ ضرایب نیروی مقاوم کمتر از ۴/۰ و برای بعضی خودروها کمتر از ۳/۰ بود .

به علاوه ناحیه هایی با مقطع عرضی کوچک تر در کاهش نیروی مقاوم کل نقش دارند . به علت عدم اطمینان نسبت به نحوه استفاده از خودروها و راندن آنها پیش بینی دقیق در بهبود مصرف اقتصادی سوخت – که از بهبود بارهای جاده انتظار می رود – مشکل است . شکل ۳۷-۴ ارزیابی موقعیت مصرف انرژی از دیدگاه EPA (سازمان حفاظت محیط زیست) را در چرخه های حرکت و رانندگی در بزرگراههای صاف و هموار نشان داده است :

ممکن است شما دوست داشته باشید