Week 4 Aero Dynamics / Gravity Force and Total Resistance Force

ตรวจสอบลมและอื่นๆ ผ่าน Windy

ระบบ Porsche Active Aerodynamics (PAA)

จากรถที่แต่ละกลุ่มเลือกไว้
จงหาค่าและคำนวน
แรงขับเคลื่อน
หาขนาดล้อและยาง / คำนวนรัศมียังผลของล้อจาก 95% ของขนาดล้อและยาง
หาอัตราทดเกียร์ 1 (เกียร์ต่ำสุด) และเกียร์สูงสุด
หาอัตราทดเฟืองท้าย
หา Torque สูงสุด และความเร็วเครื่องยนต์ / คำนวนกำลังเครื่องยนต์
หา Power สูงสุด และความเร็วเครื่องยนต์ / คำนวนแรงบิดที่ล้อและความเร็วที่เกียร์สูงสุด
แรงต้าน
หาค่า Rolling Resistance ที่เหมาะสมของการวิ่งบนถนน
หาค่า Air drag Resistance ของรถยนต์
หาค่าพื้นที่หน้าตัดที่รับลมของรถยนต์
หาค่าแรงต้านทางชันสูงสุดในกรณีวิ่งในมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ศรีราชา ?
แรงต้านรวมกรณีวิ่งทางชัน 10% ความเร็ว 50 km/h
ภาระต้านทานการเคลื่อนที่
แรงต้านการหมุนที่ล้อ
แรงต้านทางชัน
แรงต้านอากาศ

Vehicle Aerodynamics: ศาสตร์ที่ว่าด้วยการไหลของอากาศผ่านยานยนต์ *แรงฉุดอากาศมีผลต่อการประหยัดน้ำมัน (โดยเฉพาะที่ความเร็วสูง) *การลดแรงฉุดอากาศ ยังมีผลต่อการยกของอากาศ ซึ่งมีผลต่อการทรงตัวของยานยนต์ ระยะห่างระหว่างพื้นรถถึงถนนมีผลต่อแรงยกมาก
นักออกแบบด้านอากาศพลศาสตร์ ต้องคำนึงถึงการไหลของอากาศที่สามารถควบคุมการจับตัวหยดน้ำที่ผิวกระจก และเสียงดังเนื่องจากการไหลของลม
การไหลของอากาศยังนำมาใช้ในการถ่ายเทความร้อนของเครื่องยนต์ ระบบเกียร์และระบบเบรก เพื่อถ่ายเทอากาศในห้องผู้โดยสาร
การทดสอบในอุโมงค์ลม สามารถทดลองและจำลองการไหลจริงได้
เทคนิคทางคอมพิวเตอร์ถูกนำมาใช้เพื่อทำนายการไหลของอากาศ

การเคลื่อนไหวของอากาศผ่านรถยนต์ ในส่วนหน้ารถมีการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง แต่บริเวณท้ายรถยนต์มีการเกิดอากาศหมุนวนซึ่งทำให้ความเร็วอากาศสูงกว่า จึงมีแรงดันอากาศต่ำกว่า จึงทำให้เกิดแรงต้านอากาศเพิ่มขึ้น
การออกแบบรถให้ลาดลงช่วยให้เกิดการหมุนวนอากาศลดลงด้วย

การทดสอบวัตถุต่างๆเพื่อหาแรงฉุดหรือแรงต้านอากาศ พบว่าวัตถุที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม และมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากันพบว่าวัตถุทรงหยดน้ำมีการต้านอากาศต่ำสุด
รูปทรงของวัตถุที่เพรียวลม รูปทรงคล้ายหยดน้ำเป็นรูปทรงที่เพรียวลมและมีแรงต้านอากาศต่ำ ระยะที่เหมาะสมที่สุดที่แรงต้านน้อยสุดคือ a/b =1/2.5
หยดน้ำที่ยาวเกินไป จะเพิ่มแรงฉุดที่บริเวณผิวสัมผัสของทรงหยดน้ำกับอากาศ ทำให้แรงต้านเพิ่มขึ้น
หยดน้ำที่สั้นเกินไป จะมีอากาศหมุนบริเวณส่วนท้ายมาก ทำให้แรง ต้านเพิ่มขึ้น
Ra = แรงฉุดหรือต้านอากาศ (N)
Rl = แรงยก (N)
p = ความหนาแน่นอากาศ (kg/m3)
v = ความเร็วอากาศ (m/s)
A = พื้นที่หน้าตัดของรถยนต์ (m2)
Cd = ส.ป.ส. แรงฉุดของอากาศ
Cl = ส.ป.ส. แรงยกของอากาศ

แรงอากาศพลวัตประกอบด้วย
แรงฉุด (Drag Force)
แรงกระทำด้านข้าง (Side Force)
แรงยก (Lift Force)

มุมก้ม (Angle of Incident)
และลักษณะพื้นถนนมีผลอย่างมากต่อแรงยก
แรงทั้งหมดกระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน (Center of Pressure)

มีค่าเป็น
โดยที่ A = พื้นที่หน้าตัดของรถยนต์ (m2)
W = ความกว้างของรถยนต์ (m)
H = ความสูงของรถยนต์ (m)

แรงต้านอากาศ – อากาศหมุนท้ายรถ
เป็นการออกแบบให้รถมีแรงต้านอากาศน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เมื่อมีแรงต้านน้อยแล้ว ก็จะทำให้ประหยัดน้ำมันมากยิ่งขึ้น มีอัตราเร่งที่ดีขึ้นอีกด้วย
สมมติว่ามีรถกระบะอยู่ 2 คัน ทั้งสองคันนี้มีเครื่องยนต์ที่มีแรงม้าเท่ากัน แน่นอนว่า คันที่มีแรงต้านอากาศน้อยกว่าจะสามารถทำอัตราเร่งได้ดีกว่า และก็ยังมีความเร็วสูงสุดมากกว่าอีกด้วย
โดยปกติแล้ว รถกระบะจะมีแรงต้านอากาศมากกว่ารถเก๋ง ปัจจัยหลักที่ทำให้รถกระบะมีแรงต้านมากกว่าก็คือ “พื้นที่ปะทะลม” เพราะว่ารถกระบะมีความกว้างและความสูงมากกว่า จึงทำให้รถกระบะมีพื้นที่ปะทะลมกว่า
การไหลของอากาศบริเวณกระบะ เนื่องจากกระแสลมที่ไหลผ่านหลังคา จะไหลม้วนลงไปยังบริเวณกระบะทำให้เกิดเป็นกระแสปั่นป่วน (Turbulent flow) ซึ่งทำให้เกิดแรงต้านเพิ่มขึ้นไปอีก และยิ่งอากาศมีความปั่นป่วนมาก ก็จะยิ่งมีแรงต้านมาก
บริษัท GM (General Motor) USA ได้ทำการทดสอบรถกระบะ 2014 All New Sierra ภายในอุโมงค์ลม โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อสังเกตการไหลของอากาศบริเวณฝาท้าย จากการทดสอบในอุโมงค์ลม เผยให้เห็นว่าความจริงที่น่าตกใจว่า “การเปิดฝาท้ายไม่ได้ทำให้แรงต้านอากาศลดลงอย่างที่เราเข้าใจกัน
แต่กลับทำให้แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้นเสียด้วยซ้ำ”
นาย McKernan ชาวอเมริกัน ซึ่งเป็นนักวิจัยผลิตภัณฑ์จากองค์กร SEMA* (Specialty Equipment Market Association) ได้ทำการทดลองอย่างภายในอุโมงค์ลมแบบ “ฟูล-สเกล” (Full-scale) ในรัฐ North Carolina ในประเทศสหรัฐอเมริกา โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อหาคำตอบว่า “ฝาครอบกระบะ สามารถลดแรงต้านอากาศได้จริงหรือไม่?”
และเพื่อให้การทดสอบในครั้งนี้เป็นไปอย่างโปร่งใสและไม่มีข้อกังขา พวกเขาจึงใช้รถกระบะทั้งหมด 3 คันจาก 3 ยี่ห้อชื่อดัง ซึ่งประกอบไปด้วย Ford F-150, Dodge Ram 1500 และ GMC Sierra  กระบะทั้ง 3 คันได้ถูกทำการทดสอบครั้งแล้วครั้งเล่า เพื่อให้ได้ผลการทดลองที่มีความแม่นยำมากที่สุด และในครั้งนี้ พวกเขายังได้ทำการทดสอบ “ผ้าใบคลุมกระบะ”(Bed cover) และนำผลการทดสอบมาเปรียบเทียบกันอีกด้วย
“ฝาครอบกระบะ” สามารถลดแรงต้านอากาศได้สูงสุดถึง 7%
“ผ้าใบคลุมกระบะ” นั้น ปรากฏว่าสามารถลดแรงต้านอากาศได้เช่นเดียวกัน แต่จะสามารถลดได้น้อยกว่า “ฝาครอบกระบะ” นั่นก็คือลดได้ประมาณ  5-6%  สาเหตุที่ทำให้ผ้าคลุมกระบะลดแรงต้านได้น้อยกว่าก็คือว่า ในขณะที่รถวิ่งด้วยความเร็วสูงๆ ผ้าคลุมกระบะจะ “กระพือ”
“การเปิดฝาท้ายจะทำให้ แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้นประมาณ 2-3% เนื่องจากการเปิดฝาท้ายทำให้กระแสอากาศบริเวณท้ายรถมีความปั่นป่วนมากขึ้น ซึ่งความปั่นป่วนนี้คือตัวการสำคัญที่ทำให้แรงต้านอากาศมีค่าเพิ่มขึ้น”
กระบะที่ปิดฝาท้าย จะเห็นได้ว่า อากาศที่ไหลผ่านหลังคา จะไหลม้วนลงมาในกระบะและชนกับฝาท้าย ทำให้เกิดเป็น “ลมหมุน” ซึ่งจะหมุนวนอยู่ภายในกระบะเป็นวงกลม เราเรียกลมหมุนแบบนี้ว่า “Locked Vortex Flow” เมื่อลมหมุนก่อตัวเต็มพื้นที่กระบะแล้ว อากาศที่ไหลผ่านหลังคาจะไม่สามารถไหลลงมายังกระบะได้อีก

แรงยก ทำให้ความสามารถในการยึดเกาะถนนของยางรถยนต์ลดลง (ทรงตัวไม่ดี)
แรงฉุด ทำให้สิ้นเปลืองกำลังจากเครื่องยนต์ ทำให้เปลืองน้ำมันเชื้อเพลิง
แรงฉุดอากาศแบ่งออกเป็น แรงฉุดผิวสัมผัส แรงฉุดความดัน (ความแตกต่างของความดัน) โดยปัจจัยที่ทำให้แรงฉุดอากาศสูง เช่น ช่วงล่าง และห้องเกียร์ หม้อน้ำ ผิวไม่เรียบ การเปิดกระจก

การออกแบบจมูกรถที่ดี จะไม่ทำให้เกิดจุดแยกตัวบนฝากระโปรงหน้าสามารถช่วยลดค่า cd ลงได้ และทำให้แรงดันที่ส่วนล่างของกระจกหน้ามากขึ้น ทำให้เกิดการไหลเวียนของอากาศภายในห้องโดยสารดีขึ้น
การออกแบบส่วนอื่นๆได้แก่
กระจกหน้ายื่นได้ระดับเดียวกับโครงตัวถัง
ออกแบบใบปัดน้ำฝนให้ซ่อนเก็บไว้ด้านล่าง
ออกแบบกระจกข้างให้ลู่ลม
ออกแบบขอบล้อให้เกิดความปั่นป่วนน้อยที่สุด
ออกแบบรั่วของประตูให้สามารถป้องกันการรั่วไหลของลมได้ดี
เสาโครงหน้า (A-Pillar) มีผลต่อการต้านการไหลของอากาศ มีผลต่อการไหลของน้ำที่เกาะที่กระจก มีผลต่อการเกิดเสียงดังของลมที่ไหลผ่าน

การออกแบบรถ Ford Probe IV ให้ค่า Cd ต่ำ =0.15 ประกอบด้วย
โครงตัวถังหุ้มรอบล้อหลังสองข้าง ลดแรงฉุด 9%
ล้อหน้าหุ้มด้วยผนังบาง ลดแรงฉุด 5%
ระบบควบคุมความสูง (ลดความสูง 30mm ลดแรงฉุด 5%)
โครงเสริมบริเวณส่วนหน้าล้อหน้า และส่วนล้อหลัง
ใต้ท้องรถราบเรียบไม่มีการสุดุดของอากาศ
ระบบหล่อเย็นติดตั้งส่วนท้ายของรถยนต์
เครื่องยนต์วางตามขวางและเอียง ทำให้ลดระดับฝากระโปรงหน้าได้มาก
โดยทั่วไปเมื่อพิจารณาแรงต้านอากาศหรือแรงฉุด
สามารถแยกได้เป็น
แรงต้านอากาศเนื่องจากผลต่างความดันอากาศด้านหน้าและด้านหลังของรถ เท่ากับ (55-60%)
แรงต้านส่วนต่างๆที่ยื่นจากตัวถัง เช่น กันโคลน ป้ายทะเบียน เท่ากับ (12-18%)
แรงต้านจากอากาศที่ไหลผ่านหม้อน้ำและช่องว่างที่ฝากระโปรงหน้า เท่ากับ (10-15%)
แรงต้านเนื่องจากความเสียดทานผิวส่วนนอก (ชั้นชิดผิว) เท่ากับ (8-10%)
แรงต้านอากาศเนื่องจากผลต่างความดันอากาศส่วนบนและส่วนล่างของรถ เท่ากับ (5-8%)

https://www.youtube.com/user/RotaryRebuilder/videos

*อากาศพลศาสตร์ของรถบรรทุกและรถยนต์โดยสาร * – รถบรรทุกค่า Cd มากกว่ารถเก๋งประมาณ 2 เท่า * – รถบรรทุกค่า A มากกว่ารถเก๋งประมาณ 2-3 เท่า *แรงต้านอากาศของรถบรรทุกมากกว่ารถเก๋งประมาณ …. เท่า *แรงต้านการหมุนของล้อที่มากกว่ารถเก๋งเช่นกัน

ปัจจัยที่มีผลต่อแรงต้านอากาศของรถบรรทุก
ส่วนใหญ่ค่า Cd รถบรรทุกมีค่าประมาณ 0.9 แต่ถ้ามีมุมเบี่ยงเบนของความเร็วแล้ว อาจมีค่าเท่ากับ 1
วิธีการปรับปรุงทางพลศาสตร์ของรถบรรทุก
ขอบมุมส่วนหน้าของรถยนต์มีลักษณะโค้งมน เพื่อให้อากาศไหลสะดวก
กระจกหน้าเอียงมีมุมเอียงไปจากแนวดิ่ง
ขอบมุมต่างๆระหว่างระนาบด้านข้างมีลักษณะโค้ง
ต.ย. จากการปรับส่วนหน้าของรถ Volkswagen Microbus ให้โค้งนูน และกระจกหน้าเอียง ค่า Cd จะเหลือ 0.76 แต่ถ้าสามารถปรับแต่งขอบมุมได้ทั้งหมดคาดว่าจะลดได้เหลือ Cd 0.42
สัดส่วน r/b แสดงถึงความโค้งมนของมุมและขอบเพื่อไม่ให้อากาศเกิดจุดแยกตัว ค่า r/b ต้องมีค่ามากพอ ส่วนใหญ่มีค่า 0.1
รถบรรทุกแบ่งเป็น 2 แบบ คือแบบหัวลากและตู้พ่วง กับแบบเป็นชุดเดียวกัน
แบบหัวลากและตู้พ่วง มีการเลี้ยวที่คล่องตัวกว่า เนื่องจากมีช่องว่างระหว่างหัวลากและตู้พ่วง โดยทดสอบให้ตู้พ่วงไม่มีความโค้งมน แต่หัวลากมีความโค้งมน ค่า r/b=0.1 จะได้ว่า