2 VISOKA TEHNIČKA ŠKOLASTRUKOVNIH STUDIJAKRAGUJEVAC

Studijski program: Motori i vozilaPredmet: Motorna vozila I

OTPOR VAZDUHA PRI KRETANJU VOZILA

- seminarski rad -

Autori:

1. 190/2011 Branimir Živanović _______________

2. 199/2011 Velimir Obradović _______________

3. 191/2011 Aleksandar Milić _______________

Predmetni nastavnik:

Dr Milosav Đorđević, prof.

Datum 19.11.2012 godine

2

Sadržaj

UVOD............................................................................................................................. 3

1. SILE OTPORA VAZDUHA .................................................................................... 4

1.1 Rezultanta normalnih sila pritiska................................................................................ 41.2 Rezultanta tangencijalnih sila ....................................................................................... 4

1.3 Rezultujući otpor usled pojave prekidnih zona ................................................................ 5

1.4 Rezultanta unutrašnjeg prostrujavanja vazduha ............................................................... 5

2. AERODINAMIČNOST VOZILA.......................................................................... 7

2.1. Ispitivanje aerodinamicnosti vozila (aerodinamicki tunel – vazdušni tunel) ................. 9

3. RAZVOJ AERODINAMIČNOSTI VOZILA..................................................... 10

3.1. Volkswagen 1L ............................................................................................................ 11

4. ZAKLJUČAK ........................................................................................................ 12

5. LITERATURA........................................................................................................ 13

3

UVOD

Svako vozilo koje vrši kretanje kao što je automobil naprimer, predstavlja objekat kojije izložen odredjenim silama otpora. Sile otpora koje dejstvuju na vozilo u kretanju mogu sepodeliti na unutrašnje i spoljašnje sile otpora. Pod unutrašnjim silama otpora podrazumavajuse sve sile koje dejstvuju pri prenosu snage od motora do točka. Stoga se ove sile otpora izovu unutrašnjim silama.

Spoljašnje sile otpora se mogu podeliti na:

- Sile otpora pri kretanju vozila iz mesta- Sile otpora pri stacionarnom i nestacionarnom kretanju

Sile otpora pri kretanju vozila iz stanja mirovanja (pokretanje vozila iz mesta) zaviseod stanja kolovoza, pneumatika i mase vozila, a potiču od plastičnih i elastičnih deformacijapodloge, elastičnih deformacija točkova i inercionih sila kao sile otpora pri ubrzanju.

Kretanju vozila ustaljenom brzinom suprotstavljaju se sledeće sile:

- sile otpora vazduha Rv- sile otpora pri kotrljanju Rf- sile otpora pri usponu Rα- sila otpora vuče prikolice Rp

Slika 1. – Sile otpora koje dejstvuju na vozilu u kretanju [1]

4

1. SILE OTPORA VAZDUHA

Sila otpora vazduha ima suprotno dejstvo od dejstva sile trenja. Povećanjem sileotpora vazduha kod vozila povećava se i potrošnja goriva. Što nas dovodi do zaključka: da štoje sila otpora vazduha veća time je potrebna i veća snaga da bi vozilo nastavilo sa svojimkretanjem. Otpor vazduha na vozilu se smanjuje boljim aerodinamičkim karakteristikamavozila. Faktori od kojih zavisi veličina otpora vazduha Rv su:

- Rezultanta normalnih sila pritiska- Rezultanta tangencijalnih sila- Rezultujući otpor usled pojave prekidnih zona- Rezultanta unutrašnjeg prostrujavanja vazduha

1.1 Rezultanta normalnih sila pritiska koja dejstvuju na spoljnu površinu vozila.

Pri kretanju vozila vrši se sabijanječestica vazduha u prednjem delu, dok se uzadnjem delu automobila vrši razređivanječestica. Usled toga pojavljuje se čeoni udarkojim se vazduh suprotstavlja kretanjuautomobila. Veličina čeonog udara raste sapovećanjem brzine kretanja vozila. Ovaj deoukupnog otpora ima najveći uticaj i naziva seotpor oblika. Na njegovu veličinu pre svegautiče osnovni oblik vozila, odnosno podužniprofil vozila, i on čini oko 55 do 60%ukupnog otpora vazduha Rv.

Slika 1.1 - Strujanje vazduha [4]

1.2 Rezultanta tangencijalnih sila koje dejstvuju na spoljne površine vozila.

Komponente ovih sila prouzrokovanesu trenjem čestica vazduha o površinuautomobila. Često se ovaj deo ukupnogotpora naziva otpor površinskog trenja. Tajotpor može da čini i do 10% od ukupnogotpora vazduha Rv. To znači da zahtev zaravnim i glatkim površinama, posebno kodputničkog vozila, nije samo uslov estetike.

Slika 1.2 - Uticaj glatke površine na otpor trenja vazduha[4]

5

1.3 Rezultujući otpor usled pojave prekidnih zona

Su oni otpori koje prouzrokuju pojedinifunkcionalno neophodni delovi koji bilo na kojinačin odstupaju od osnovnog oblika (profila)automobila, kao što su brave, ogledala, stubovi kaoi delovi ispod automobila. Ovaj otpor nazivamoprekidni otpori. Oni mogu da čine i do 15% odukupnog otpora vazduha Rv.

Slika 1.3 - Pojava prekidnih zona usled strujanja vazduha [4]

1.4 Rezultanta unutrašnjeg prostrujavanja vazduha

Čine komponente otpora usled prolaza vazduhakroz unutrašnjost vozila (hladnjak, uređaj zaprovetravanje itd.). Toje otpor prostrujavanja. Ovajotpor čini oko 10% od ukupnog otpora vazduha Rv.

Slika 1.4 - Unutrašnje prostrujavanje vazduha [4]

Na sl. 1.5 dat je grafički prikaz učešća pojedinih komponenata ukupnog koeficijentaotpora vazduha pri kretanju putničkog vozila, čija je maksimalna brzina veća od lOOkm/h,nijedna od napred navedenih komponenata otpora vazduha nije zanemarljiva.

Slika 1.5 - Uticaj pojedinih komponenti u ukupnom koeficijentu otpora - CX [2]

6

Kao što je već pomenuto, minimiziranje koeficijenta otpora vazduha kod putničkogautomobila, vrlo značajno utiče na smanjenje potrošnje goriva i na smanjenje potrebne snagemotora. Na sl. 1.6 dat je primer uticaja koeficijenta otpora vazduha na potrošnju goriva, dokje na sl. 1.7. dat uticaj koeficijenta otpora vazduha pri maksimalnim brzinama automobila,prema analizama firme AUDI.

Slika 1.6 [2] Slika 1.7 [2]

Analize mnogobrojnih rezultata ispitivanja pokazuju da se kod putničkih vozila trebada imaju u vidu svi napred navedeni oblici otpora vazduha. Svakako kad se radi o malim isrednjim brzinama najznačajniju ulogu imaju faktori koji su vezani za otpor oblika, brzinakretanja automobila, produžni profil automobila, poprečni presek i gustina vazduhapredstavljaju najuticajnije faktore. I iz toga proizilazi zavisnost sile otpora vazduha inavedenih parametara.

Gde su:

CX - Koeficijent otpora vazduha (sa njim su uzeti u obzir unapred navedeni oblici otporavazduha). S obzirom da je otpor oblika automobila najbitniji, koeficijent CX se čestonaziva koeficijent otpora oblika.

γ - specifična težina vazduha u [N/m3];ρ - gustina vazduha u [kg/m3];A - površina koja se dobija projektovanjem automobila na ravan upravnu na pravac kretanja;

ovo je takozvana čeona površina iskazana u [m2];Vrx - komponenta rezultujuće relativne brzine strujanja vazduha u odnosu na automobil, u

[m/s].

7

2. AERODINAMIČNOST VOZILA

Aerodinamika je nauka koja se baviproučavanjem dejstva sila na objekte koji se krećukroz vazduh. Na sl. 2. mozemo videti principstrujanja vazduha oko tri najosnovnija oblika i koji odnjih priža najmanji otpor.

U razvoju automobila sve vise pažnje se polaže nanjegovu aerodinamičnost. Dve grupe faktora ističuposeban značaj aerodinamičnosti putničkihautomobile, i zahtevaju vrlo detaljna istraživanjauticaja kako oblika automobila u celini tako ipojedinih spoljašnjih delova. To su:

- ekonomičnost potrošnje goriva,- dinamičko ponašanje automobila i stabilnost.

Slika 2. - Strujanje vazduha [4]

Na sl. 2.1 prikazane su izmene u osnovnom obliku (podužnom preseku) i horizontalnojprojekciji modela AUDI III u odnosu na prethodni model AUDI II u cilju boljegaerodinamičkog oblikovanja. Pored osnovnog oblika (pudužnog prrseka) automobila kojipreko rezultante otpora oblika najznačajnije opredeljuje ukupnu rezultujuću silu otporavazduha. Kod putničkih automobila treba obratiti pažnju podjednako i na ostale uticajnefaktore u toku procesa razvoja automobila.

Slika 2.1 [2]

8

Na sl. 2.2 prikazano je nekoliko značajnih zona na koje treba obratiti pažnju pridefinitivnom oblikovanju karoserije putničkog automobila. Takođe analize firme- AUDIistakle su određene značajne detalje putničkog automobila od uticaja na otpor vazduha. Isti sunaznačeni na sl. 2.3

Slika 2.2 [2]

Slika 2.3 [2]

Navodimo prema sl. 2.3 intervencije koje su dovele do sniženja koeficijenta otporavazduha Cx u odnosu na prethodni model.

1. Manji deflektor (spojler) - 0,0042. Precizno vođenje i zaptivanje vazduha za hladenje - 0,0053. Pokrivanje brisača stakla - 0,0014. Oblikovanje spoljašnjeg ogledala - 0,0055. Uklapanje veze vetrobrana i krova u ravni osnovnog oblika - 0,0036. Bočna stakla, uklapanje veze u ravni osnovnog oblika - 0,0147. Zadnje staklo, uklapanje veze u ravni osnovnog oblika - 0,0038. Smanjenje poluprečnika na zadnjoj ivici - 0,0039. Oblikovanje zadnjeg zaštitnog lima sa donje strane - 0,00210. Oblikovanje i postavljanje rezervoara za gorivo, prostora za prtljag, posebno

unutrašnjeg blatobrana kao i profila osovine - 0,00411. Optimizacija oblika praga automobila - 0,00312. Glatki poklopci točkova - 0,00513. Izostavljanje profilisanih kišnih letvi -0,003

9

2.1. Ispitivanje aerodinamicnosti vozila (aerodinamicki tunel – vazdušni tunel)

Aerodinamičke osobineautomobila određuju se kada se modelili stvarni automobil podvrgnestrujanju vazduha u specijalnomaerodinamičkom tunelu. Samo najvećiproizvođači putničkih automobilamogu da podnesu troškove investicijaza izgradnju aerodinamičkih tunela ukojima se vrši ispitivanje stvarnogautomobila, odnosno izrađenih modelaprototipova u razmeri 1 : 1. Mnogočešće su u primeni tuneli za ispitivanjeaerodinamičkih svojstava modelaautomobila koji se obično izrađuju urazmeri 1 : 5 do 1 : 10.

Slika 2.1.1 – Vazdušni tunel [4]

Kao što je poznato iz teorije sličnosti rezultati eksperimenata sa modelom mogu sepreneti na stvarni problem pod uslovom da je Rejnoldsov broj, Re, isti za model i za objekat uprirodnoj veličini. Prema definiciji imamo:

gde su:

l - proizvoljna dimenzija modela u [m];v - brzina vazduha, brzina produvavanja u zoni modela u [m/s];μ - apsolutna ili dinamička viskoznost u [Ns/m2];v = μ/ρ - kinematska viskoznost u [m2/s]. [2]

10

3. RAZVOJ AERODINAMIČNOSTI VOZILA

U proteklim decenijama inžinjeri su uvodjenjem inovacija napravili veliki pomak upoboljšavanju aerodinamičnosti vozila. Uveli su više zaobljenih površina na spoljašnostikaroserije koji su konstruisani da kanališu vazduh tako da on teče oko automobila sa stomanje otpora. Neka od vozila sa visokim performansama poseduju delove koje omogućuju dase vazduh nesmetano kreće sa donje strane automobila kao i zadnja krila (spojler) koji je tu daobezbedi stabilnost vozila i da ne dovede do njegovog uzdizanja. Sl 3.

Slika 3 [4]

Tako je naprimer jedna odvodećih svetskih firma za proizvodnjuautomobila koja svojom inovativnošćupropisuje standard i postavljanormative u okviru kvalitetu proizvodapredstavila koncept vozilaVolkswagen 1L.

11

3.1. Volkswagen 1L

Volkswagen 1L je automobil za dvojesa izuzetno malom potrošnjom goriva.Projektovan je da troši samo 1 litar dizela na100 pređenih kilometara! Da bi ovo bilodostižno, napravljen je od ultra laganihmaterijala, i ima aerodinamičan oblik ispecijalno podešen motor i menjač za štedljivuvožnju.

Prototip VW 1-litarskog automobilapredstavljen je još 2002. godine. Prvumodifikaciju, poznatu kao L1, ovaj automobilje doživeo 2009., a drugu - XL1 2011

Ovaj dvosed je, zbog aerodinamičnosti,napravljen tako da putnici sede jedan izadrugog. Iz istog razloga nema ni spoljnihretrovizora, nego se koriste kamere ielektronski displeji. Postignut je koeficijentotpora vazduha od samo 0,159.

Svaki deo automobila je projektovantako da bude što lakši. Zbog korišćenja laganihmaterijala - ugljeničnih vlakana, aluminijuma,keramike... ovo vozilo je teško samo 290kg!

Motor je jednocilindrični, zapremine299cm3 i razvija skromnih 8,4 KS. Promenastepena prenosa se vrši pritiskom na prekidač nadesnoj strani volana. Motor je opremljen nekomvrstom Start-Stop sistema.

Kako u VW tvrde, zbog svega ovogaautomobil ima potrošnju od samo 0,99l/100km isa jednim punjenjem rezervoara može da pređe650km. [3]

12

4. ZAKLJUČAK

Sagledavajući celokupne analize koje su vršene nad vozilima i ispitivanjima njihovihaerodinamičkih sposobnosti možemo doći do zaključka da sila otpora vazduha, odnosnokoeficijent otpora vazduha igra veliku ulogu u potrošnji goriva, brzini kretanja vozila istabilnosti. Što znači da nizak koeficijent otpora vazduha povećava maksimalnu brzinu i uisto vreme smanjuje potrošnju goriva i šum vetra.

Smanjenje otpora vazduha ostvaruje se stvaranjem boljih aerodinamičkihkarakteristika vozila. Standardna mera efikasnosti aerodinamike je koeficijent otpora vazduha(ili Cx vrednost).

Što je veći koeficijent otpora, time je veća i sila otpora vazduha koji mora savladatimotor automobila.

13

5. LITERATURA

[1] III – Osnovni vidovi kretanja u prirodi, Mašinski fakultet, Katedra za transportnutehniku i logistiku, Niš

[2] Simić D., Motorna vozila, Naučna knjiga, Beograd, 1988.

[3] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Volkswagen_1-litre_car , Preveo: Auto-Delovi.org http://www.auto-delovi.org/novosti/vw-automobil-koji-trosi-samo-1-litar-goriva/ 13.07.2012

[4] Slike koje su preuzete preko pretraživača Google-a.

Pojmovi pretrage: otpor vazduha, otpori pri kretanju, koeficijent otpora vazduha,aerodinamičnost, aerodinamika vozila, ispitivanje aerodinamičnosti, vazdušni tunel, airresistance, car air resistance, drag coefficient, wind tunnel,