Aerodinamika

Aerodinamikai alapok, versenyautó építéshez:

Készítette:

Szvet György

Tartalomjegyzék

BEVEZETÉS…………………………………………………………………………............

VERSENYAUTÓ TERVEZÉSE….....................…………………………….…..........

1.      Áramlástani alapok……………………………………………………….…..........

1.1.      Fizikai mennyiségek, fogalmak...……………………………………...............

1.2.  Áramképek…...………………………………………………………...........

1.2.1. Hatérréteg…………………………………………………………...........

1.2.2. Hatérréteg-leválás…………………………………………………...........

1.2.3. Örvénylés…………………………………………………………...........

1.2.4. Nyomásmegoszlás és áramkép kapcsolata...………………………...........

1.3.  Erőhatások...…………………………………………………………….......

1.3.1. A súrlódási ellenállás……………………………………………..............

1.3.2. Az alakellenállás…………………………………………………............

1.3.3. A járművekre ható légerők.………………………………………...........

1.3.3.1.  Légellenállás….………..…………………………………............

1.3.3.2. Felhajtóerő…………...……………………………………...........

1.4.  Szárnyak…...…………………………………………………………..........

1.4.1. A szárnyelmélet.…………………………………………………............

1.4.2. Jelölések és fogalmak……………………………………………............

1.4.3. Végtelen hosszú szárnyon keletkező erők……………………...…............

1.4.4. Nyomáseloszlás a szárnyszelvényen.……………………………..............

2.      Versenyautók aerodinamikája…..……………………………………….……........

2.1.  Versenyautó csoportok………………………...……….……………….......

2.2.  Áramlások az alapvető,  tompa testű járműformáknál.......……………............

2.3.  Alapvető, versenyautókra jellemző formák....……..……….…………............

2.4.  Járművek talajhatásai…………………………………………………..........

2.4.1. Zárt-szériaversenyautók ……………………………………………......

2.4.2. Nyitott-formaautó…………………………………………………........

BEVEZETÉS

Az autósport nagy ütemben fejlődik, és népszerűsödik ma Magyarországon. Egyike a legszebb, legváltozatosabb, de egyben a legköltségesebb sportágaknak. Különösen hazánkban – ahol nincs önálló személyautó-gyártás – jelent igen nagy anyagi megterhelést az autóversenyzőknek a rendszeres versenyzés. Csak néhány kiváló felkészültségű, elfogadható eredményeket felmutató versenyzőt támogathat sportklubja. Alapvető, hogy a sikert csak kifogástalan állapotú, megfelelően felkészített autóval remélhetjük.
Így van ez az egyes szakágakon belül, konkrétan az autós gyorsasági szakágon belül is. Ahol a verseny győztese az a versenyző, aki a futamban a legrövidebb összesített idő alatt teljesíti a versenytávot. Az idő minimalizálása érdekében arra törekszenek, hogy a szakágon belüli kategóriák technikai szabályai szerint épített versenyautók műszaki fejlettségét fokozzák. Mivel a versenyeken szerzett tapasztalatokat az autógyártók felhasználják a személyautók tervezésénél, ezért fontosnak tartom a versenyautók alkatrészeinek a vizsgálatát, fejlesztését.
Hazánkban sajnos anyagi, és műszaki erőforrás hiányában, saját erőből, tapasztalati úton próbálják megszerezni a szükséges információkat az alkatrészek módosításához, elkészítéséhez. Mivel egyes szakterületek, így az autósporttal kapcsolatos aerodinamika irodalma is hiányos magyar nyelven, ezért csak „ellesett” ötletekkel próbálkoznak.

Úgy gondolom, hogy gondos tervezéssel olyan aerodinamikai elemek készíthetők, melyek nem csak hazánkban, de nemzetközi szinten is versenyképessé teszik a versenyautókat.

Célkitűzések:

-          A kiválasztott tárgykör részletes ismertetése, kitérve a hozzá kapcsolódó fontosabb adatokra, az eddig elért megállapításokra.

VERSENYAUTÓ TERVEZÉSE

Ahogyan a verseny sikerét az idő fogalmával mérik, ugyanúgy az idővel lehet mérni a briliáns és kevésbé sikeres konstrukciók közötti különbséget. Általában azok a győztesek, akik a leggyorsabbak egy új gondolat megfelelő alkalmazásában azaz a legkevesebb változtatással érik el az új megoldást. A források, vagy nagy költségvetések egyenértékűek az idővel, így a nagy költségek gyakran a bölcsességgel felcserélhetők. Elegendő időt adva a rossz konstrukciókat tervező vagy támogatás nélküli csoportok is eljutnak a jó megoldáshoz, de  időközben a kiváló, vagy jól támogatott csoportok már a következő fortélyon dolgoznak. A motorsport egyes ágazataiban a technológiai előnyöket gondosan elemző megfigyelő világosan látja a különböző csapatok jó, és rossz ötletei közötti különbségeket. [3]

Ez a rövid bevezető azt célozza, hogy megmagyarázza azokat a mágikus trükköket, amelyek az aerodinamikai módosításoknál megjelennek, és hogy a legkülöncebbek miért a legjobban támogatott csapatoktól származnak.  Azért, mert azok a csapatok engedték meg – és még ma is – a legnagyobb számú próbálkozást, és hibát, tévedést, amelyek gyakran láthatók a győztesek köreiben, ami nem szükségszerűen jelenti azt, hogy mindenkor nekik volt a legjobb aerodinamikai megoldásuk.

A következő fejezetekben azokra az alapvető elvekre, áramlástani alapokra összpontosítom figyelmemet, amelyek a jármű tervezését, és aerodinamikáját befolyásolják. 

1.  Áramlástani alapok

Az áramlások jellemzése során a legfontosabb feladat az alapösszefüggések, fogalmak meghatározása. Ebben a fejezetben fizikai jellemzőkkel, és leírásuk módjával foglalkozok röviden, a járműdinamikán keresztül, megalapozva ezzel az áramlástani alapegyenletek felírását, az áramlási jelenségek elemzését.

1.1. Fizikai mennyiségek, fogalmak.

Állandó sűrűségű közegben

 „folyadék”: Egyaránt jelenti a cseppfolyós, és a légnemű halmazállapotú közegeket. Csak szükség esetén teszünk különbséget. [6]

Nyomás: A tér egy pontjában iránnyal nem jellemezhető, skaláris mennyiség. Általában a hely, és az idő függvénye. Értéke megegyezik az egységnyi felületre ható erő abszolút értékével:

                        

                                              (1.1)

Össznyomás:  A statikus és a dinamikus nyomás összege,  jele: p_ö:

                                                (1.2)

A megállított közeg nyomása (Torlóponti nyomás). Tehát, ha

                        - a közeg súrlódásmentes,

                        - az áramlás stacionárius (ld. később),

                        - az erőtér hatásától eltekintünk,

                        - a sűrűség állandó,

akkor a Bernoulli-egyenlet alapján (ld. később) megállapítható, hogy örvénymentes áramlás esetén az össznyomás a teljes áramlási térben állandó, vagy örvényes áramlásban egy áramvonal mentén állandó. Örvényes áramlásban az össznyomás áramvonalról áramvonalra változik. Az áramlási tér egy adott P pontjában össznyomások mérésével meghatározhatjuk az örvényességet.

Statikus nyomás: jele: p_∞    

   

Dinamikus nyomás:  Az össznyomás és a statikus nyomás különbsége,  jele: p_d. [6]                      

                                                      (1.3)

Áramlás: a folyadékelemek együttes mozgása. [11]

Áramlási sebesség: Az áramló közeg egyetlen elemi részének  a sebességvektorát jelenti. Hely, és idő függvénye. [15]

Pályagörbe: kiszemelt pontszerű folyadékrész egymást követő pillanatokban elfoglalt helyeit összekötő görbe. [6]

Áramvonal: Olyan görbe, amelyet egy adott pillanatban minden pontjában érinti a sebességvektor. [6]

Nyomvonal: A tér egy pontján egymás után áthaladó folyadékrészeket egy adott pillanatban összekötő görbe. Ilyen nyomvonal pl. a járművek szélcsatorna-kísérleteinél létrehozott füstcsík. (1.1.ábra.) Gyakran beszélünk áramvonalas autókról, sokszor látunk olyan képeket, amelyek a szélcsatornában lévő járművek körüli áramlást mutatják az áramlásba bevezetett füst segítségével. [5]

1.1.  ábra. Porsche 911 szélcsatornában

Áramfelület: Áramvonalak által alkotott felület. (nincs átáramlás, pl. egy szilárd test) [15]

Stacionárius áramlás: Állandósult, a jellemzők (v, p, r, T) nem függenek az időtől. [5]

Instacionárius áramlás: Az áramlás az időtől is függ.

Egyes áramlások attól függően lehetnek stacionáriusak, vagy instacionáriusak, hogy milyen koordináta-rendszerből vizsgáljuk azokat. Az instacionárius áramlás egyes esetekben tehát stacionáriussá tehető a koordináta-rendszer helyes megválasztásával. Ezt általában az abszolút rendszerből a relatív rendszerbe történő áttéréssel valósítjuk meg. [5]

A folytonosság (kontinuitás) tétele: A folyadékrészek mozgásának eleget kell tennie az anyagmegmaradás törvényének. Az áramlási sebesség egy áramcső mentén fordítottan arányos a hozzá tartozó keresztmetszetek területével: [10]

                                                                                                                    

Bernoulli-egyenlet: Legegyszerűbb alakja azt fejezi ki, hogy ahol a sebesség nagy, ott a nyomás kicsi, és fordítva. Alkalmazásával lehetővé válik, hogy az áramlási tér két pontjában érvényes áramlási paraméterek között kapcsolatot létesítsünk. Így, ha az egyik pontban teljesen, a másik pontban egy paraméter kivételével ismertek a viszonyok, a Bernoulli-egyenlet segítségével meghatározható a másik pontban a hiányzó áramlási paraméter (pl. a nyomás) értéke. A műszaki gyakorlatban leggyakrabban előforduló esetekben az áramlás stacionárius, lehet áramvonalon integrálni, az erőtér a Föld nehézségi erőtere, a sűrűség pedig állandó. Ilyen esetben a Bernoulli-egyenlet az alábbi, jól ismert alakban írható fel: [6]

                                                                                       

Diffúzor:

Táguló cső ahol a mozgási energia csökken (kontinuitás tétele). A veszteségek szempontjából az energia átalakulás kedvezőtlenebb, mert a csökkenő sebességgel áramló folyadékelemek egyre nagyobb nyomással kerülnek szembe (Bernoulli), ami az áramlás rendezettségét veszélyezteti. Minél nagyobb a diffúzor kúpossága, annál kevésbé tudják követni a folyadékelemek csatornafalakkal megszabott pályájukat, és egy-egy keresztmetszeten belül a sebességeloszlás egyenletessége is megszűnik. Az áramlás rendezettsége miatt a veszteségek (leválási veszteség) is jelentősen megnőnek. A legnagyobb diffuzorhatásfok a keresztmetszetviszonytól is függően 7° kúpszög közelében van. Mégis a gyakorlatban 15° körüli kúpszöget választunk, hogy elkerüljük a túl hosszú diffúzorok alkalmazását. [11]

1.2. Áramképek:

A test körül kialakuló áramkép mindenekelőtt a test alakjától függ. A karcsú, lapszerű vagy áramvonalas testek hátsó éle után az áramlás összezáródik. A zömök vagy szögletes testek után többé-kevésbé kiterjedt holttér alakul ki.

1.2.1. Hatérréteg:

A test elején T torlópont keletkezik, ahol a sebesség zérus. A torlópontba érkező áramvonal szétválik, és a test körvonalát követi. A folyadékrészecskék a test felületére tapadnak. A sebesség a testet körülvevő vékony határrétegen belül rohamosan változik, amíg el nem éri a külső áramlás sebességét. A test elején, mivel a T torlópont közelében a sebesség kicsi, a határréteg rendszerint lamináris. A test felülete mentén a határréteg vastagsága egyre növekszik, majd az áramlás turbulenssé válik. Lapszerű vagy karcsú testeknél a határréteg a test teljes felületét befedheti. (A határréteg vastagsága és a laminárisból turbulensbe való átváltás helye összefüggések alapján becsülhető.)

A térbelileg kiterjedt testek körül kialakuló térbeli áramlásban is határréteg keletkezik a test felszínén. Ez a test elején lamináris, majd attól távolodva turbulenssé válik. A test felületén tehát a sík lapéhoz hasonló jelenségek alakulnak ki.

1.2.2. Hatérréteg-leválás:

Amíg a test áramlásra merőleges mérete nő, az áramlás gyorsul, a határréteg követi a test felszínét. Ahol ez a méret az áramlás irányában haladva csökken, a sebesség is csökken és a nyomás nő. A test vége felé, ahol a felület görbülete nagy, ott olyan mértékű lehet a lassulás, hogy a határréteg leválik a test felületéről és visszaáramlás  és örvénylő holttér keletkezik (1.2. ábra). A leválás azzal kerülhető el, ha a test vége felé a keresztirányú méret kismértékben fokozatosan csökken (áramvonalas testek).

Élben találkozó határoló felületeknél, az áramlás az él mentén többnyire leválik és a testnek az áramlás irányára merőleges vetületével egyező, vagy annál nagyobb keresztmetszetű holttér keletkezik. [13]

1.2. ábra. Leválás és visszaáramlás, az áramlási irányban hirtelenül vékonyodó testnél

1.2.3. Örvénylés:

Szimmetrikus, tompa végű testek éleinél örvények keletkeznek (A folyadékelemek haladó mozgás végzése mellett tengelyük körül is elfordulnak) [10]. Előfordul, hogy a két élen keletkező örvénypár a test éléhez tapad, de lehetséges az is, hogy ezek váltakozva leválnak, és örvénysor képződik. Főleg a R_e-számtól (ld. 5. fejezet) függ a test tompa vége mögött kialakuló áramlás jellege. Nagyon kis sebességnél (R_e-számnál) az áramlás a két élt megkerülve összezáródik a fal mentén. A sebesség növekedésével jön létre az örvénypár és a sebességet tovább növelve indul meg az örvények váltakozó leválása. A műszaki gyakorlatban a tompa végű testek mögött kialakuló ún. Kármán-féle örvénysornak jelentős szerepe van.

1.2.4. Nyomásmegoszlás és áramkép kapcsolata

Sok esetben (így pl. gázok áramlása esetén) a nyomásmegoszlásról az áramképre, ill. az áramképről a nyomásmegoszlásra következtethetünk. Így ismert nyomásviszonyokból következtethetünk akkor, ha különböző nyomású terek összenyitása esetére azt prognosztizáljuk, hogy a nagyobb nyomású térből a kisebb nyomású térbe áramlik a közeg. Ugyanis ismert, hogy a folyadékrészek csökkenő nyomás irányában gyorsulnak.

További következtetések ismertek még: párhuzamos egyenes áramvonalakra merőlegesen nem változik a nyomás, és görbült áramvonalakra merőlegesen a görbületi középponttól kifelé nő a nyomás (a nyomásból származó centripetális erő kényszeríti körpályára a folyadékrészeket).

1.3. ábra Személyautó körüli áramlás

Az 1.3. ábrán látható személyautó karosszériáján kialakuló nyomásmegoszlás jellegét meghatározhatjuk, ha a fenti meggondolásokat figyelembe vesszük: az áramvonalak görbületi pontjából kifelé mutató nyilak a nyomás növekedésének irányát mutatják. A + és – jelek a nyilakkal összhangban a zavartalan áramláshoz tartozó nyomáshoz képest a karosszéria felületén mutatkozó kompressziót, ill. depressziót (a külsőhöz képest nagyobb, ill. kisebb nyomást) jelölik. Egy német gyár által tanulmányozott személyautó körüli nyomásmegoszlást láthatunk az 1. mellékletben, ahol még az első és hátsó spoiler hatását is szemlélteti, melyekre a későbbiek kitérek. [6]

1.3. Erőhatások

Az áramlás következtében a testre ható erőt általában két összetevőre bontjuk. Az áramlás irányára merőleges összetevő az F_f felhajtóerő, az áramlás irányával párhuzamos az F_e ellenálláserő, röviden: ellenállás. (Ezek az elnevezések a repüléssel kapcsolatban alakultak ki.) Az ellenálláserőt – az azt létrehozó fizikai jelenségek alapján – több összetevő eredőjének tekintjük:

-                Súrlódási ellenállás: A test felületén az áramló közeg súrlódása következtében keletkezik.

-                Alakellenállás: A testen kialakuló nyomáskülönbség okozza. Az alakellenállás egyik része közvetlenül függ a felhajtóerőtől, ezt a részt indukált ellenállásnak nevezik. [13]

1.3.1. A súrlódási ellenállás

A test felülete mentén kialakuló határrétegben jelentős a sebességváltozás, ezért nagy csúsztatófeszültségek keletkeznek. A test felületén keletkező csúsztatófeszültségek áramlásirányú összetevőit összegezve adódik a test súrlódási ellenállása (F_es). A súrlódási ellenállás a körüláramlott test felületével és az áramlási sebesség dinamikus nyomásával arányos. [13]

1.3.2. Az alakellenállás

Az áramlásba helyezett (körüláramlott) testre ható, nyomásból adódó erőknek az áramlás irányú eredője képezi az ún. „alakellenállást”. Súrlódásmentes és leválásmentes áramlásban a test elején keletkező erők és annak végére ható erők kiegyenlítik egymást. A valóságos áramlásban a testek homlokfelületén mindig nagyobb erő keletkezik, mint annak végén. Ezért keletkezik alakellenállás.

Az alakellenállást többnyire nem a test felszínére, hanem az áramlási irányra vetített A_hf homlokfelületre vonatkoztatjuk. Mivel az alakellenállás mindig a súrlódási ellenállással együttesen lép fel, az F_ea értékének pontos kísérleti meghatározása csak a nyomáseloszlás megmérése útján lehetséges. Az alakellenállás a test alakjának „áramvonalazásával” csökkenthető. Ez akkor a legkisebb, ha a határréteg turbulens. [13]

1.3.3. A járművekre ható légerők:

1.3.3.1. Légellenállás:

A menetiránnyal ellentétesen ható légellenállás az alakellenállás és súrlódási ellenállás összege. Ezt módosítja még hűtők, szellőzők stb. átáramlásából származó súrlódási ellenállás. Az alakellenállás a túlnyomó, az összellenállás legnagyobb részét ez teszi ki. A légellenállás számítása nyugvó környezeti levegőben:                  

                                                           (1.4)

c_e (c_w) - ellenállás-tényező (dimenzió nélküli) lényegében a jármű alakjától függ. pl. régebbi alakú személygépkocsik esetén 0,38-0,56, áramvonalas személygépkocsiknál 0,25-0,38. A R_e-számnak gyakorlatilag nincsen befolyása.

v_h (v_∞) - a jármű haladási sebessége

A_hf - annak menetirányú vetülete.

A légellenállás legyőzéséhez szükséges teljesítmény:

                                                                                                                                                                         

1.3.3.2. Felhajtóerő:

A felhajtóerő a menetirányra merőlegesen hat és az ellenálláserőhöz hasonlóan számítható:                           

                                                          (1.5)

c_f - felhajtóerő-tényező. A különböző alakú járműveknél következő értékek között van:

Terepjáró alak                         c_f ≈ 0,17…0,32,

Áramvonalas alak                   c_f ≈ 0,25…0,33,

Autóbusz- és kombialak         c_f ≈ 0,12…0,21,

A felhajtóerő jelentősen csökkentheti a jármű súlyából származó, az úttestre ható tapadóerőt. A tapadóerő csökkenése nagy sebességnél 8% is lehet. [13]

1.4. Szárnyak

A szárnyak (pl. versenyautó szárnyai) különleges keresztmetszetű áramvonalas testek. Keresztmetszetük alakját úgy határozták meg, hogy párhuzamos áramlásban a sebességre merőleges felhajtóerő lehetőleg nagy legyen az ugyanakkor keletkező sebesség irányú ellenálláserőhöz viszonyítva.

A szárnyak körüli áramlást és a rajtuk keletkező erőket nemcsak a repülőgép-tervezőknek kell ismerniük, hanem az áramlástechnikai gépekkel, elemekkel és hasonló feladatokkal foglalkozó mérnököknek is.

1.4.1. A szárnyelmélet

A szárny megváltoztatja a közelében elhaladó áramlás irányát, ezért a szárnyra erő hat, amelynek iránya az elterelés irányával ellentétes. Hasonló jelenség a körhengerrel kapcsolatban is tapasztalható.

Párhuzamos áramlásba helyezett körhengerre felhajtóerő nem hat. A körhengert saját tengelye körül forgatva, a súrlódás következtében a közeg az örvényhez hasonló módon áramlik, kör alakú áramvonalak mentén. Ezek középpontja a henger tengelyében van.

Ezt a körök menti áramlást a párhuzamos áramlással összegezve, a henger feletti tartományban a sebesség megnő, ami a Bernoulli-egyenlet szerint nyomáscsökkenéssel jár. A henger alsó részén fordított hatás jelentkezik. Így a henger körüli áramlás aszimmetrikussá válik. A henger felületén uralkodó nyomásokat összegezve, felfelé irányuló eredőerőt kapunk. Ezt a párhuzamos áramlásra merőleges erőt felhajtóerőnek nevezhetjük. A leírt jelenséget felfedezőjéről Magnus-effektusnak nevezik.

E jelenség bemutatásának célja a felhajtóerő kialakulásának szemléltetése. A szárnyon kialakuló felhajtóerő is a párhuzamos áramlás és az örvények egymásra helyezésével mutatható be. (Kutta és Zsukovszki tétele)

A tapasztalat is igazolja, hogy a szárny körül örvény jön létre. Nyugvó közegben álló szárny körüli örvény nem lehetséges. A szárnyat, helyes működésének megfelelő helyzetében, mozgásba hozva azt tapasztalhatjuk, hogy a szárny éles végéről, a „kilépőél”-ről örvény válik le. Ez az ún. „indulási örvény”. Ez azonban az elmélet szerint csak akkor jöhet létre, ha egyidejűleg egy másik, az előbbivel ellentétes értelmű örvény is keletkezik. Az örvények ugyanis mindig párosan, de ellenkező forgásiránnyal keletkeznek. [13]

1.4.2. Jelölések és fogalmak

A szárny geometriai méreteivel és annak alakjával kapcsolatos.

határoló vonal (kontúr): A szárnymetszet alakját határozzák meg.

alapvonal, ill. „húr”: A koordinátatengely.

Így az alul homorú szárnymetszet alapvonala az alsó érintője. A mindkét oldalán domború szárnymetszet alapvonala a kilépőélre és az orr görbületi középpontjára illeszkedik.

állásszög: (α) a v_∞ megfúvási sebesség és az alapvonal által bezárt szög.

szárnymetszet hossza vagy húrhossz: (l)

fesztáv (a szárny hossza, terjedtsége): (b) szelvényszélességnek is nevezik.

szárnyfelület: A_sz=bl ismerete szükséges az erők kiszámításához.

ívmagasság távolsága: x irányú x_f koordinátája.

szelvény legnagyobb vastagsága: (d)

1.4.3. Végtelen hosszú szárnyon keletkező erők

Tekintsük a szárny körül kialakuló áramlást egyelőre síkáramlásnak. Ilyen áramlás a valóságban csak igen hosszú (végtelen hosszúnak tekinthető) szárnyaknál jönnek létre, vagy akkor, ha a szárnyat gondolatban egymástól b távolságban levő falakkal határoljuk (pl. megközelítőleg mai Formula-1-es autó hátsó szárnya). Így e falakkal párhuzamos síkban az áramlás azonos. Az ilyen szárnyat végtelen oldalviszonyúnak nevezhetjük.

1.4.4. Nyomáseloszlás a szárnyszelvényen

A szelvény aszimmetrikus körüláramlása következtében az erősebben görbült felső oldala mentén a sebesség nagyobb, mint a kevésbé görbült alsó oldala mentén. Ennek következtében a szárnyszelvény felső részén a környezeti nyomásnál kisebb, alsó részén annál nagyobb a nyomás. A helyi nyomás és a környezeti nyomás különbségének a zavartalan áramlás (ρ/2)v_∞² dinamikus nyomásához (1.1. rész) viszonyított értékeit a szelvény mentén felrajzolva a… ábrán feltüntetett nyomáseloszlást kapjuk. A kisnyomású, szívottoldali nyomások legnagyobb értéke az orrponthoz közel helyezkedik el és a dinamikus nyomás a torlónyomás (össznyomás) kétszeresét, háromszorosát is elérheti. [13]

1.4. ábra. Nyomáseloszlás a szárnyon

2. Versenyautók aerodinamikája

Ebben a fejezetben azt fogom megvizsgálni, hogy milyen általános karosszéria formák alkalmazhatók a nagysebességű járművek tervezésénél, valamint néhány olyan összetevőt, amelyek a különböző versenyautók aerodinamikai teljesítményének javítását célozzák.

2.1. Versenyautó csoportok

Hogy a kezdeti megközelítést leegyszerűsítsem, a versenyautók változatos formái három alapvető csoportba sorolhatók.:

1.      Zárt-szériaversenyautók: IMSA GTU, GTO, NASCAR, European Touring (ETCC), WTCC, DTM, stb.

Ezek az autók külső vonalaikban erősen hasonlítanak személyautó testvéreikhez, és csak kisebb aerodinamikai módosításuk megengedett.         2.1. ábra egy ilyen járművet mutat. [3]

2.      Zárt-formaautók (zárt-kerekű): IMSA GTP, FISA C csoport, stb.

Alapvetően ezek a járművek a tervezők álmai, mivel a karosszéria formái szinte végtelen szabadságot engednek meg. A legtöbb liga engedélyezi az alsó járatokat, és komplex szárnyformákat. Prototípusok. 2.2. ábra egy példa erre csoportra. [3]

3.      Nyitott-formaautók (nyitott-kerekű): Indy, Formula 1, 3000, stb.

Ezeknek, az autóknak szabadon van a négy kerekük, keskeny karosszériával, melyek alsó részén lehetnek járatkialakítások, és két nagyméretű szárny van elől, és hátul felszerelve a jármű leszorítására. Ezek a versenyautók együlésesek, míg a két előző kategóriában, elvben lehet szélesebb ülőterület. 2.3. ábra. [3]

2.1. ábra. Renault Megane Trophy pályautó

2.2. ábra. Jaguar XJR-14 prototípus

                                

2.3. ábra. Renault Formula 1-es versenyautó

2.4. ábra. Szimulációs programmal készített Formula autó áramvonalai

A következőkben a különböző aerodinamikai megfigyelések a fenti három járműkategóriára vonatkoznak. Ezek az áramlásdinamikai jelenségek aztán, mint építőkövek használhatók egy feltételezett, tervezett jármű – jelen esetben a Renault 5 fenéklemez – kialakításához. Részletesebb geometriai fogalmak bemutatása a jármű aerodinamikai javítására a fejezetben később kerül bemutatásra.

Általánosságban a sedan típusú, és prototípus versenyautóknak van ígéretesebb lehetőségük egy hatékony aerodinamikai tervezésre. Ez azért van, mert egy nyitott formaautónál az aerodinamikai összetevők a négy nagy, nyitott kerék által keltett áramlat területén romlanak. 2.4. ábra.

A jármű teljesítményére gyakorolt aerodinamikai hatásról szóló megállapítások világosan mutatják, hogy a jó aerodinamikai tervezés alapvető céljai: [3]

            1. leszorító erő növelése

            2. légellenállás –

            3. leszorító erő érzékenység -

            4. hirtelen fordulás érzékenység -

            5. gördülő ellenállás csökkentése

Ezeket, a célokat figyelembe véve nézzük meg, hogy a karosszéria geometriáján végrehajtott néhány általános módosítás milyen hatással van annak aerodinamikai javulására.

Az ebben a témakörben tapasztaltakat további két alcsoportba lehet osztani:

-          Alapvető, tompa testű személygépkocsi formák, egyszerűsített szögletes kialakítással. (ld. 2.2. alfejezet)

-          Alapvető, versenyautókra jellemző formák, melyekben jelentős potenciál van a leszorító erő generálására lehetőleg kicsi légellenállással. (ld. 2.3. alfejezet)

2.2.  Áramlások az alapvető, tompa testű járműformáknál.

Pozitív, és negatív emelés képződik, amikor ezeket, a testeket a talajhoz közel helyezzük. Az ellenállás azonban főleg a hátulsó vég formájának eredménye, ahol helyi áramlás leválás (határréteg leválás) képződik (lásd 1. fejezet). Megjegyzem, hogy a felületi súrlódás ellenállása általában kicsi. A határréteg leválások a jármű szögletesebb geometriáján különböző helyeken megjelenhetnek, közúti járműveken örvényes áramlatok alakulhatnak ki.

2.5. ábra. Különböző alakzatok mellet kialakuló áramlatok

2.6. ábra. Venturi tényeződiagrammja

(2.5. „A” ábra.) Örvényes áramlat alakul ki vékony, alacsony szárnyoldalú, sima lemez felületén szabad áramlatba helyezve, nagyobb, mint 10°-os támadási szögben (állásszögben). Jelen esetben számunkra ennek az áramlásnak az az aspektusa fontos, amely örvénylés a két oldalsó szélen képződik, melyek az áramlás szomszédos területét uralják. Ez a két örvénylés nagy sebességet kényszerít a lemezre (az örvények alatt) erős szívóerőt létrehozva, amelyek jelentősen növelik a sima lemez emelését.

(2.5. „B” ábra.) Hasonló helyzet alakul ki, amikor egy általános tégla alakú test felső felületének hátulját ferdére állítjuk. Ez az örvényes áramlat 10°<θ<30° dőlésszögnél jelen van. Nagyobb dőlésszögnél az áramlás az egész felület felett elkülönül, mint a függőlegesen kialakított farkiképzésnél. (Elkülönülés, és nyomáseloszlás az 2. Mellékletben található.)

(2.5. „C” ábra.) Ez az elkülönülés, leválás jelenik meg a bemutatott alap járműforma (három doboz test) különböző tipikus helyein. Ez esetben  a motorháztető, és szélvédő töréspontjánál lévő elülső áramlásokat figyeljük meg. A hátsó szélvédő, és csomagtartó rész között, nagy szögben lévő áramlás hasonlóan megfigyelt terület.

(2.5. „D” ábra.) Az általános tégla alakú test alsó felületének a hátsó rész ferdére állításával is hasonló áramlatok jönnek létre. Ez az elv a versenyautóknál is hasznosítható, mivel egy mérsékelt szögnél (általában kevesebb 15°-nál) a lefelé ható erő növekedése figyelhető meg.

(2.5. „E” ábra.) Mindazonáltal sokkal érdekesebb eset az, ha ezt a ferdére kialakított részt lezárjuk a két oldalon elhelyezett függőleges vezérsíkkal, ami által egy fenéklemez alatti csatorna jön létre, melyet néha „Venturi”-nak neveznek. Ez a geometria egészen nagy értékeket tud létrehozni a negatív emelésben - következésképp a leszorító erőben – úgy, hogy az ellenállás csak mérsékelten növekszik. A létrehozott lefelé ható erő még tovább fokozható kis mértékben, és így nagyobb értékek érhetők el a hosszanti élek növelésével. (2.6. ábra.)

Ezzel eljutottunk egy a versenyautóknál használatos aerodinamikai alap trükkhöz, mely a diffúzor (lásd 1. fejezet.) elvén működik, és amit a későbbiek folyamán bővebben bemutatok.

2.3.  Alapvető, versenyautókra jellemző formák.

Versenyautóknál a cél az, hogy olyan fenéklemez kialakítást kell készíteni, amelyek lefelé ható erőket hoznak létre nagy ellenállási erő képzése nélkül. Ilyen alapvető testformákat mutatok be a következőkben.

Az előző, 2.2. alfejezetben bemutatott alapvető formákat ismerve, lehetőségünk van arra, hogy korlátozott számú változatot határozzunk meg elvi versenyautókra, melyekből néhányat a 2.7. ábra mutat be.

2.7. ábra. Alapvető, versenyautó formák néhány változata

(2.7. „A” ábra) Az első alapformátum a nagyon alacsony ellenállás konfigurációt tűzte ki célul amellett, hogy a testformátummal emelést, vagy lefelé ható erőt lehessen generálni. Ilyen változatot tanulmányozott Morelli. Az ellenállási tényező értéke kevesebb, mint (C_D) C_e=0,1 volt elérhető, míg az emelést a test enyhe hajlításával lehetett változtatni. Az emelési (felhajtóerő) tényező (C_L) C_f=0,25, 6°-os pozitív hajlításnál, lefelé C_f= -0,75, 6°-os negatív hajlításnál. Ilyen alacsony konfiguráció általában azokra a sebességi rekordot célul tűző autókra alkalmazható, amelyek hosszú egyenes szakaszon, bármiféle fordulás nélkül futnak. Ezek a járművek alacsony szintű leszorító erőt igényelnek, elsődlegesen a nagy-sebességű stabilitás javítására, és általában nem rendelkeznek pótlólapos emelési felületekkel (szárnyakkal).

Egy példát a 2.8. ábra mutat, az Oldsmobile Aerotech Aurora V-8, mely 47 sebességi rekordot döntött meg 1992 decemberében.

(2.7. „B” ábra.) Közép-, vagy nagy-sebességű körversenyeken a nagy leszorító erővel rendelkező járművek gyorsabb köridőket tudnak lefutni. Ha egy aerodinamikai szakembert megkérdeznének arról, hogy milyen konfigurációt ajánl ilyen körpályára magas leszorító erővel, és viszonylag alacsony ellenállással, akkor nagy valószínűséggel a választása egy talajhatáson alapuló, megfordított szárnyra lenne alapozva. Alakja lefelé ható erőt képez (lásd 1. fejezet.), a talajhoz közel helyezve pedig talajhatás érvényesül. Az oldalélek hozzáadása, mely az oldalakról eltereli a légáramlást, jelentősen növeli a leszorító erőt, mivel egy két-dimenziós szárnymetszet emelése nagyobb, mint egy kis fesztávolságú szárny emelése. Ennek az elvnek az érvényesülése a versenyautóknak a „szoknya korszakában” testesült meg, és egy példa a 2.9. ábrán látható. Ennél a Formula 1-es versenyautónak az oldalszekrényei egy megfordított szárnyra hasonlítanak, míg az oldalsó szoknyarész (az úton csúszva) hatékonyan hozta létre a nagy leszorító erőt.

2.8. ábra. Oldsmobile Aerotech Aurora V8

2.9. ábra. Lotus 79 F 1-es versenyautó

(2.7. „C” ábra.) Egy realisztikusabb forma a versenyautók prototípusaihoz a „katamarán” koncepció. A kerekek letakarásának szükséglete a jármű két oldalán egy eléggé magas központi alagút szárnyban végződő formáját eredményezte, mérsékelt lejtéssel, hátul emelkedéssel (venturi). A zavartalan szabad áramlásoknak a jármű alatti átvezetési képessége csökkenti a határréteg-leválás területét a test hátsó részén, és egy ideálisan magas leszorító erőt, és alacsony ellenállást hozva létre. A versenyautók modern változatai részben hasznosítják ezt az elvet. A 2.10. ábra példaként egy ilyen alap kismodellt mutat be, amelynél 6 fölötti (C_L/C_D) C_f/C_e értéket sikerült elérni.

(2.7. „D” ábra.) Egy még népszerűbb koncepció a „vákuumos” autó. Ennél az alapnál minden erőfeszítést megtesznek azért, hogy a jármű első része, és két oldala valamint a talaj közötti rést lecsökkentsék, hogy ott teljesen kizárjanak mindenféle légáramlást. Az alsó résznél lévő határréteg-leválás, és a venturi kiképzés miatt az alsó rész nyomása (P_b) nagyon alacsony, erős szívóerőt (leszorító erőt) létrehozva. A szívóhatás egy kis spoiler-rel növelhető, és az emelés/ellenállás arány (ebből a nyomásból következően) egészen jól megközelíthető a hosszúság/szélesség arányából.

                                                               

Ennek a koncepciónak logikus feljavítása, egy ventillátor hozzáadása, amely egyrészt vákuumot hoz létre kiszippantva a levegőt az alsó részből, másrészt a jármű mögött képződő, leváló áramlás buborékot megtöltve csökkenti az ellenállást. Viszonylag korán (1969-ben) már alkalmazták ezt az ötletet.

(2.7. „D_i” ábra.) A koncepció sikere gyorsan elvezetett az aktív aerodinamikai kiegészítők betiltásához a versenyautókon, mint a ventillátorok, vagy változtatható szögű szárnyak.

(2.7. „D_ii” ábra.) A fennmaradó alternatíva a nyomás csökkentésére a szárny használata, ugyanakkor csökkentve a (h) hátsó felépítményrész magasságát ellenállás-megtakarítási megfontolásokból. A 2.11. ábrán látható versenyautó ennek a formatervezési filozófiának egy példája.

(2.7. „E” ábra.) Az örvényemelés elve szintén használható a leszorító erő létrehozására. Ebben az esetben bemutatott megfordított delta szárny  (C_L) C_f ~ -1 nagyságú leszorító erőt tud létrehozni (a szárnyfelület területén) körülbelül 30°-os negatív hajlításnál, kb. 1,7 emelés/ellenállás arányban. Hátránya ennek az elvnek, hogy a delta tervformának a szélein  képződő örvényes áramlatok jelentősen lecsökkentik a mögöttük elhelyezkedő hagyományos hátsó szárny hatékonyságát. Így amikor hátsó szárnyat használnak, akkor a fő delta szárnysíkot sokkal kisebb belépési szögben kell elhelyezni. Ennek az elvnek a számos alkalmazását látni a versenyautók orr - , vagy hátsó részére illesztve.

2.10. ábra. „Katamarán” kismodell

2.11. ábra. Chevrolet Intrepid GTP, 1992

2.4.  Járművek talajhatásai

Talajhatáson alapuló aerodinamikai paraméterek hatását két típuson mutatom be: egy sport sedan, és egy nyitott-formaautó példáján. Az aerodinamikai tényezők döntően a jármű formájától függenek, és nagy mértékben módosíthatók egyik konfigurációról a másikra. Korlátozottságra való tekintettel csak a fenéklemezhez tartozó tárgykört érintem, az oly nagy-terjedelmű témából, amivel hosszasan lehetne foglalkozni. Így a következő két példa az alapvető irányokat demonstrálja, de nem szükségszerűen pontos bármely konkrét járműre.

2.4.1. Zárt-versenyautók

A talaj közelségének, az alap testek aerodinamikai tényezőire erős hatása van. Fontos paraméter, amelynek erős aerodinamikai befolyása van, az a fenéklemez dőlésszöge (α) a talajhoz viszonyítva. A 2.12. ábrán megfigyelhetjük ennek változásának következményét az ellenállásra, és emelésre nézve. Ahol látszik, – a későbbiek folyamán feltüntetve a szögállás irányát – hogy a dőlésszög arányában hogyan változik meg az ellenállás, de főleg az leszorító erő.  A zárt-formaautóknál meglehetősen hibátlan fenéklemez áramlásnál az ellenállás, és emelés általában csökken, bizonyos mértékig csökkenő talajtávolság esetében, amint azt a 2.13. ábra mutatja.

2.12. ábra. Dőlésszög-ellenállás/emelés függvénye

2.13. ábra. Talajtáv- ellenállás/emelés függvénye

A leszorító erő növekedése nagyobb sebességeknek is tulajdonítható csökkent

talajtérrel. Az ellenállás csökkenése a járműformáknál a fő hátsó határréteg-leválások esetében részben ennek a jármű alatt képződő gyorsabb légáramlásnak az eredménye, amely a hátsó határréteg-leválást csökkenti.

Egy másik olyan hatás, amely ezt a trendet erősíti, a kerekek előtti elülső területcsökkenése (mivel a kerekek becsúsznak a testbe), amely így a csökkent talajtér révén csökkenti az ellenállást. Az emelést illetően az érdekes megfigyelés az, hogy egy bizonyos kis távolságnál megfordul. Ez a letapadás hatásának eredménye, a túl kicsi talajtávolság sűrű határrétege leblokkolja az áramlást az út, és a jármű fenéklemeze között. Az emelés megfordulásának ez a kritikus távolsága 3,5 cm közelében van.

2.4.2. Nyitott-formaautó

Hasonló adatok eléggé ritkák a versenyautókról a hozzáférhető irodalom hiányában. Így a következő adatok, amelyek egy sima fenéklemezű, nyitott-formaautóra vonatkoznak (és különböző származású publikációkból lettek összegyűjtve), nem jellemző minden versenyautó konfigurációra. A dőlésszög, és talajtávolság hatása különböző forrásokból származnak. A 2.14. ábra fenéklemez alatti csatornákkal ellátott nyitott-formaautó talajjal való hatását mutatja be dőlésszög-ellenállás/emelés függvényében. Itt a kis talajtávolság –1°-nál kisebb szög hatásaként a tapadás blokkolja a fenéklemez alatti áramlást, és megállítja a leszorító erő növekedését.

2.14. ábra. Dőlésszög-ellenállás/emelés függvénye nyitott-formaautónál.

2.15. ábra. Talajtáv- ellenállás/emelés függvénye nyitott-formaautónál.

Általában egy kis negatív állásszög kívánatos, hogy kompenzálja a határréteg növekedést, de csak annyi, hogy a test egyetlen része se legyen túl közel a talajhoz. Ez kb.1980-ban megállapított/kikísérletezett talaj-hatás, oldalsó élekkel (szoknyával). A talajtávolság hatása a 2.15. ábrán hasonló a korábban bemutatott adatokhoz. Azaz, a talajhatás növeli a leszorító erőt csökkenő távolságnál, míg egy kritikus határhoz nem ér. Tapasztalat, hogy egy versenyautó fenéklemez alatti csatornákkal jobban süllyeszthető, mint sima fenéklemezzel. Ezért a talajtávolsági határ korlátja az előzőnél kb. 0-5 cm, míg utóbbinál 0-10 cm. Azt is figyelje meg, hogy a (C_L) C_f (felhajtóerő-tényező) skálázása a 2.14., és 2.15. ábrán megváltozott a 2.12., és 2.13.-hoz képest.

Fontos következtetés, amely ezen adatokból levonható, hogy a leszorító erő egy bizonyos talajtávolságnál éri el a maximumot, amely a jármű dőlésszögétől is függ.

1. Melléklet

Német gyár által tanulmányozott személyautó körüli nyomásmegoszlását láthatjuk, melyen látszik a jármű felhajtóerejének negatív hatása. Ezt ellensúlyozzák az elől és hátul felszerelt spoilerek, amit a diagramok jól szemléltetnek. [7]

1. ábra. Személyautó karosszériáján kialakuló nyomásmegoszlás

2. Melléklet

Ez a teljesen elkülönült eset van ábrázolva a (alábbi) 1. ábrán, és a megfelelő nyomáseloszlást mutatja - egy oldalsó AA vonal mentén - egyenletesen elosztva. A két oldalsó szél örvényei összekapcsolódnak közelítve a test hosszirányú középvonalához, jelentős emelőerőt létrehozva. (1. „C” ábra.) A nyomáseloszlás ez esetben mutatja az örvénylés keltette nagy negatív nyomáscsúcsokat a megdöntött hátsó felület oldalain, szabályszerű hatóerőt eredményezve a megdöntött felületre, mely összetevői megjelennek emelésben, és ellenállásban.  (1. „B” ábra.) Amint a dőlésszög zérustól emelkedik, úgy a pozitív emelés egyre nagyobb lesz, és növekszik 30°-ig. 10°-nál magasabb dőlésszögnél ez a negatív nyomás egészen nagy növekedést okoz az ellenállásban, ami az ábrán látható. Ezen adatoknak legérdekesebb tulajdonsága az, hogy egy kritikus szögméret felett (kb. θ=30°) az örvények szerkezete letörik, és az ellenállás valamint a megdöntött hátsó felületemeléshez történő hozzájárulása sokkal kisebb lesz. Ennek a ténynek van hatása a hatchback személygépkocsi típusok tervezésére, ahol a hátsó dőlésszög alacsony - közel függőleges hátfal-kialakítású - vagy több lehet mint a kritikus szögméret. [3]

1. ábra. Ferde hátsó rész nyomáseloszlása (Morell 1976)

Irodalomjegyzék

[1]   Alessandro Talamelli, Johan Westin: Aerodynamics of cars Drag reduction; H.n., I.k., É.n. (Internetbázisú jegyzet) N.a.

[2]       Dr. Gruber József, Dr. Blahó Miklós: Folyadékok mechanikája; Tankönyvkiadó, Budapest, 1973.

[3]  Joseph Katz: Race Car Aerodynamics; USA,Cambridge, 2002. (Internetbázisú jegyzet) (www.bentleypublishers.com)

[4]       Dr. Körmendy Ágoston: Renault 5 – Karbantartás, javítás; Magyar kiadó, Budapest, 1997.

[5]   Lajos Tamás, Szombati Renáta, Kulik Péter: Áramlástan I, II.; Multimédia tananyag; BME    Áramlástan Tanszék, Budapest, 1997.
[6]       Lajos Tamás: Az áramlástan alapjai; Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2004.

[7]       Lajos Tamás: Basics of Vehicle Aerodynamics; University of Rome „La Sapienza”, 2002.

[8]    Lajos Tamás: Autóbuszok körül kialakuló áramlás jellemzőinek elméleti és kísérleti vizsgálata, a szélcsatorna méréstechnika továbbfejlesztése; Doktori értekezés, Budapest, 1987.

[9]       Dr. Pattantyús Á. Géza: Gyakorlati áramlástan; Tankönyvkiadó, Budapest, 1959.

[10]     Dr. Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana; Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983.

[11]     Per Elofsson: KTH Vehicle Aerodynamics; SCANIA, I.k., 2004. (Internetbázisú jegyzet) N.a.

[12]     Szászvári József: Rallye autózás; Kit-Car Motorsport Bt., Budapest, 2000.

[13]     Willi Bohl: Műszaki áramlástan; Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983.

folyt.köv.