تحول آيروديناميكي در اتومبيل هاي فرمولاوان:

[M.Schumacher]

تحول آيروديناميكي در اتومبيل هاي فرمولاوان:
مديران و مسئولان تيم هاي شركت كننده در مسابقات فرمولاوان طي دو دهه اخير، بيشتر به اهميت «علم آيروديناميك» در عملكرد اتومبيل هاي خود پي برده اند و لذا تكامل و تحوّل در اين عرصه به نحو چشمگيري در حال افزايش است.
هدف از تحوّل آيروديناميكي:
اهميت «آيروديناميك» (Aerodynamic) در يك اتومبيل فرمولاوان ناشي از واقعيت هاي ذيل است: كاهش مقاومت آيروديناميكي منجر به افزايش حداكثر سرعت و شتاب مي گردد، افزايش نيروي عمودي باعث چسبندگي بيشتر تاير به سطح مسير حركت مي گردد كه امكان عبور سريع تر از دايره پيچ و اصطكاك حركتي چرخ را بهبود مي بخشد، علاوه بر موارد فوق موضوع ديگري تحت عنوان پايداري آيروديناميكي وجود دارد كه مي تواند بهبودي هر چه اندك در ترمز گرفتن، شتابگيري و عبور از پيچ را باعث گردد.
تدوين استاندارد و اهداف:
براساس آنچه كه در بالا عنوان گرديد، هدف تيم هاي آيروديناميك كه مسئول مستقيم رعايت مسائل آن در اتومبيل هاي فرمولاوان بوده عبارت است از اصلاح مشخصه هايي در اتومبيل كه در كاهش زمان مورد نياز براي طي يك دور پيست مسابقه تأثيرگذار هستند.
واقعيت اين است كه يك پيست مسابقه مجموعه اي است از خطوط مستقيم به همراه پيچ هايي با شعاع هاي متفاوت كه داراي شرايط، ويژگي و تأثيراتي به شرح ذيل است:
الف) از آنجايي كه سرعت حركت اتومبيل دائماً در حال تغيير است بنابراين ارتفاع و زاويه اي را كه با سطح مسير حركت ايجاد مي كند دائماً در حال تغيير بوده و در نتيجه موقعيت اتومبيل پارامتر مهمي است كه در محاسبه كارآيي آن بايد لحاظ شود.
ب) در هنگام عبور از پيچ، يك اتومبيل حالتهاي مختلفي را تجربه مي كند كه به مراتب پيچيده تر و متفاوت تر از حالت حركت به خط مستقيم است. چنين اتومبيلي در معرض معلق زدن، منحرف شدن از خط و محور عمودي و همين طور تغيير زاويه نسبت به سطح مسير حركت بوده و چرخهاي جلوي آن يك وضعيت ثابت و پايدار نسبت به شاسي ندارند.
ج) بهينه سازي ويژگي هاي آيروديناميكي در هنگام عبور از پيچ و دايره آن مي تواند تأثير زيادي در حركت به خط مستقيم داشته باشد و بالعكس چون افزايش نيروي عمودي وارده به اتومبيل باعث افزايش «پساي القايي» ( يعني آن قسمت از كل يا مقاومت هوا در مقابل حركت اتومبيل كه از عبور جريان هوا در اطراف آن حاصل مي شود ) مي گردد. پي آمدهايي چنين چيزي براي سيستم آيروديناميك دو انتخاب گذاشته است:
● بهينه سازي وضعيت ظاهري اتومبيل به نحوي كه ارتفاع، زاويه، وضعيت چرخش، فرمان و ... به وضعيت مناسب و قابل قبول در آيد.
● در انتخاب يك قطعه جديد بايد دوگانگي هاي ناشي از ويژگي هاي آيروديناميكي لحاظ شود.
علاوه بر مواردي كه ذكر شد بعضاً طراحان با شرايط و با اهدافي مواجه مي شوند كه بايد الزامات موتور و يا سستم ترمز را نيز در نظر بگيرند و به منظور نيل به اين اهداف، يك روش شبيه سازي دقيق مورد نياز است كه در ادامه به شرح آن خواهيم پرداخت.
تونل باد:
اصول انجام آزمايش در تونل باد به شرح ذيل است:
براي در نظر گرفتن حركت نسبي هوا و جاده بايد از مدلي استفاده شود كه از نظر هندسي مشابه اتومبيل واقعي بوده چرا كه نيروهايي كه اندازه گيري مي شوند، آن هم برروي مدل آزمايشي، قابل استناد در اتومبيل واقعي باشند. در تونل باد همانند آن است كه اتومبيل در حال حركت در شرايطي است كه مسير حركت ثابت بوده و هوا نيز ساكن است ولي با عملياتي شدن كار در تونل، هم هوا به جريان مي افتد و هم مسير حركت كه براي به حركت درآوردن مسير حركت، از سيستم غلطكي استفاده مي شود كه قادر است اتومبيل ساكن را به سرعت هاي مختلفي برساند. در انجام آزمايش با اتومبيل هاي اسپرت ميزان حركت نسبي جاده يا بهتر بگوييم مسير حركت براي مدل مورد آزمايش از اهميت حياتي برخوردار بوده چرا كه فاصله كف اتومبيل تا سطح مسير حركت بسيار كم است. چنانچه اين عوامل در نظر گرفته نشوند، نتايج بدست آمده به هيچ عنوان قابل اعتماد و درست نيستند. مدل آزمايشي بايد معرف تمام عيار يك اتومبيل واقعي باشد آن هم در هر شرايطي از حركت.
شباهت جريان هوا با جريان هواي واقعي بسيار زياد است و اين موضوع ارتباطي به اندازه مدل آزمايشي ندارد به طوري كه تجربيات و آزمايش هاي مختلف نشان داده كه نتايج بدست آمده در اندازه واقعي و اندازه كوچك تر، تفاوت چنداني ندارد. از بين نقاط ضعف و جنبه هاي منفي تونل باد كه ممكن است اعتبار نتايج بدست آمده را دچار خدشه كند وجود ديوارهايي است كه اتومبيل مدل برروي آن نصب شده چرا كه ممكن است وجود آنها
شرايطي را بوجود آورد كه مدل آزمايشي به وضعيت افزايش سرعت غيرواقعي برسد. به همين دليل متخصصين تيم هاي فرمولاوان در سالهاي اخير تجهيزات بزرگتري را ساخته اند تا باعث كاهش چنين اثراتي شوند. امّا جنبه منفي ديگر، نحوه قراردادن مدل ماشين در داخل تونل بوده چون هر نوع سازه نگهدارنده اي برروي جريان هوا تأثير داشته و بنابراين شرايط را با دنياي واقعي متفاوت مي كند.
مدل آزمايشي:
همان گونه كه در بالا اشاره شد شبيه سازي، زماني معتبر است كه مدل آزمايشي از نظر هندسي كاملاً مطابقت با نمونه اصلي داشته باشد. با وجود اينكه گفته شد كه ابعاد تأثير چنداني برروي نتايج آزمايش ندارند ولي بايد ذكر شود كه هر چه ابعاد از نظر هندسي به ابعاد واقعي نزديك تر باشد، نتايج دقيق تر است.
افزايش نيروي عمودي:
بخش ها و قطعاتي كه باعث ايجاد نيروي عمود مي شوند، آنهايي هستند كه ميزان توزيع فشار در قسمت زيرين آنها كمتر از بخش بالايي آنها بوده مانند بالچه ها. قوانين تدوين شده توسط FIA محدوديت هاي زيادي را در خصوص آزادي در شكل هندسي بخش هاي مختلف قائل شده و اين قوانين با گذشت سالها بدليل مسائل ايمني روز به روز محدودتر شده اند. طبق مقررات جاري بخش ها و قطعات اصلي توليد كننده نيروي عمودي عيارتند از بالچه هاي عقب و جلو كه مجموعاً 55درصد نيروي عمودي را ايجاد مي كنند كه در جدول به نمايش در آمده و بقيه اين نيرو توسط بدنه به خصوص كف و تقسيم كننده زيرين Diffuser ايجاد مي شود.
بالهاي عقب:
امروزه تعداد بالهي عقب در يك اتومبيل فرمولاوان محدود به سه بال است. امروزه تلاش طراحان و متخصصان آيروديناميك در خصوص بالهاي عقب تمركز بيشتر برروي شكل ظاهرش و نوع ارتباط عملياتي آن با ساير قسمت هاي اتومبيل مانند چرخ هاي عقب و توزيع كننده يا Diffuser است.
بالهاي عقب در واقع قسمتي از اتومبيل فرمولاوان هستند كه داراي تأثيرات آيروديناميكي مخصوص خود بوده كه به كل اتومبيل وارد مي شود و اين تأثيرات هم به صورت عمودي و هم به صورت افقي است و بنابراين شكل هندسي بالها مي تواند نوع اين تأثيرات را تغيير دهد. ميزان گستردگي بالهاي عقب بايد طبق قوانين تدوين شده توسط FIA باشد.
بالهاي جلو:
طراحي و توسعه بالهاي جلوي يك اتومبيل فرمولاوان دو تفاوت عمده با بالهاي عقب دارد كه عبارتند از تأثير زمين (Ground Effect) و تأثير برروي بقيه اتومبيل... وجود زمين در زير بالها باعث افزايش مكش و در نتيجه بالارفتن نيروي عمودي مي شود. چنانچه فاصله تا زمين كاهش پيدا كند، اين تأثير افزايش يافته تا جايي كه ارتفاع بحراني شده و بال به حالت استال در آمده و تأثير عمودي خود را از دست مي دهد. تأثير زمين از نظر آيروديناميكي كاملاً قابل توجه است چرا كه ميزان مقاومت كمي ايجاد مي كند. ضمناً جنبه ديگر تأثير بالهاي جلو، اثر منفي آن برروي پايداري بوده به طور مثال در هنگام ترمزگرفتن قسمت جلوي اتومبيل تمايل به شيرجه رفتن پيدا مي كند و لذا فاصله قسمت جلوي اتومبيل تا زمين كاهش مي يابد. اين عمل منجر به افزايش نيروي عمودي برروي اكسل جلو كه در چنين شرايط به دليل انتقال وزن بيشتر برروي آن سنگين شده، مي گردد. در حالت شتابگيري دقيقاً تمامي اين جريانات معكوس مي شود. در قسمت جلوي بالها هيچ گونه بخشي كه شكل هندسي داشته باشد، وجود ندارد ولي طراحان بايد با جريان مادون صوت برخورد كنند همين طور تأثير بخشهاي مختلف بر يكديگر و بالاخره تأثيري كه خود اتومبيل برروي بالهاي جلو دارد. دومين تأثير مهم اثر بال جلو برروي ساير بخشهاي يك اتومبيل فرمولاوان است.
توزيع كننده يا Diffuser:
«ديفيوزر» همانند بال جلو با استفاده از تأثير زمين ايجاد نيروي عمودي مي كند و بنابراين يك بخش تأثير گذار در اتومبيل است. البته اصطلاحاً كيفيت و گونه اي كه جريان هوا به آن برخورد مي كند، تأثير مستقيمي برروي عملكرد و ميزان نيروي عمودي توليدي توسط آن دارد و به همين دليل در طراحي و تكاملش بايد برروي تمامي بخشهاي آن بادقت مطالعه شود.
كاهش مقاومت در مقابل جريان باد:
بخشي از اين مقاومت را القايي مي گويند كه ناشي از نيروي عمودي توليد شده در خود اتومبيل بود، كه بخش مهمي از آن نيز است. اين بدان معناست كه بايد براي كاهش اين مقاومت، دقت بيشتري در طراحي و ساخت قطعاتي نمود كه نيروي عمودي را توليد مي كنند.
در طول فصل مسابقات مي توان از طريق تنظيم بال عقب و يا نحوه مونتاژ آن، ميزان مقاومت در مقابل عبور جريان هوا را تا حدودي پايين آورد كه اين عمل همان گونه كه توضيح داده شد، منجر به تغييراتي در نيروي عمودي مي شود. از طريق برنامه هاي شبيه سازي مي توان مناسب ترين تركيب حداكثر سرعت در مقابل سرعت عبور از پيچ را براي هر پيست مسابقه و هر نوع اتومبيلي محاسبه و به دست آورد. بنابراين يكي از جنبه هاي كار با تونل باد تعريف مونتاژ و تنظيم مجموعه بالهاي عقب و جلو براي هر پيست مسابقه است. از مثال هاي شناخته شده در اين رابطه مي توان از پيست مسابقه «مونزا» در ايتاليا نام برد كه بايد نوع تنظيم براي ميزان پايين مقاومت باشد و در مونت كارلو بايد تنظيم بالها به گونه اي باشد كه حداكثر نيروي عمودي بر اتومبيل وارد شود و لذا در اين پيست بالها به گونه اي تنظيم مي شوند كه داراي حداكثر مقاومت در مقابل جريان هوا هستند.
جمع بندي:
در اتومبيل هاي فرمولاوان تقريباً تمامي قطعات و بخشهاي آن در عملكردش تأثير دارند و به همين دليل مي توان گفت كه عمليات طراحي، تنظيم و مونتاژ واقعاً پايان ناپذير است.