กันชนคาร์บอนสามารถลดแรงต้านลมได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่

การออกแบบกันชนรถยนต์มีอิทธิพลต่อแอโรไดนามิกส์และแรงต้านลมอย่างไร

การออกแบบกันชนรถยนต์มีบทบาทสำคัญในการควบคุมรูปแบบการไหลของอากาศรอบตัวรถในยานยนต์สมัยใหม่ โดยการเบี่ยงเบนอนุภาคลมที่ปั่นป่วนออกจากบริเวณล้อและลดความแตกต่างของแรงดัน ทำให้เรขาคณิตของกันชนที่ได้รับการปรับแต่งช่วยลดแรงต้านทางแอโรไดนามิกซึ่งคิดเป็น 40–60% ของแรงต้านทานรวมของรถที่ความเร็วบนทางหลวง

บทบาทของแผ่นตัวถังในการกำหนดทิศทางการไหลของอากาศและลดแรงต้าน

กันชนรถยนต์ทำหน้าที่มากกว่าแค่ความสวยงาม เพราะพวกมันยังมีบทบาทในการกำหนดทิศทางการไหลของอากาศรอบๆ ตัวรถขณะขับขี่ด้วยความเร็ว เมื่อกันชนได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมร่วมกับกันชนหน้า-หลัง และแผงต่างๆ ใต้ตัวรถ จะช่วยนำพาให้อากาศไหลผ่านพื้นผิวของรถได้อย่างลื่นไหล แต่หากบริเวณที่ชิ้นส่วนต่างๆ มาบรรจบกันมีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน ก็อาจก่อให้เกิดปัญหาการไหลของอากาศหลุดออกจากตัวถัง ส่งผลให้เกิดการปั่นป่วนของอากาศบริเวณด้านหลังรถมากขึ้น การทดสอบในอุโมงค์ลมพบข้อมูลที่น่าสนใจเกี่ยวกับซุ้มล้อบานปลาย (fender flares) เช่นกัน โดยซุ้มล้อที่มีมุมเหลี่ยมคม มักจะเพิ่มค่าแรงต้านลมประมาณ 0.03 หน่วยบนสเกล Cd เมื่อเทียบกับซุ้มล้อที่มีรูปร่างโค้งมน ความแตกต่างเล็กน้อยนี้มีความสำคัญอย่างมากในด้านพลศาสตร์ของการไหล เพราะเส้นโค้งที่เรียบเนียนจะช่วยให้อากาศเคลื่อนตัวเป็นชั้นๆ แทนที่จะปั่นป่วนและไม่เป็นระเบียบ

หลักฟิสิกส์ของการรบกวนการไหลของอากาศที่เกิดจากโครงสร้างซุ้มล้อแบบดั้งเดิม

ปีกหน้าแบบแบนดั้งเดิมทำหน้าที่คล้ายกับใบเรือเมื่อเจอกับลมขวาง ซึ่งสร้างโซนความดันสูงและต่ำสลับกัน ส่งผลให้เกิดความไม่เสถียรและก่อให้เกิดการหมุนวนของอากาศ ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานในการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเพิ่มขึ้น 7–12% ปีกโค้งสามารถลดผลกระทบดังกล่าวได้ถึง 34% โดยการควบคุมการเร่งของกระแสลม ช่วยลดการกระเพื่อมและเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม

เปรียบเทียบปีกเหล็ก ปีกคอมโพสิต และปีกคาร์บอนไฟเบอร์ในด้านสมรรถนะแอโรไดนามิก

ความแข็งแรงของวัสดุมีผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของแอโรไดนามิกในช่วงความเร็วต่างๆ:

คาร์บอนไฟเบอร์มีความคงตัวทางมิติสูง ช่วยรักษารูปแบบการไหลของอากาศตามที่ออกแบบไว้ โดยมีการบิดเบี้ยวของพื้นผิวน้อยกว่าเหล็กตีขึ้นรูปถึง 93% เมื่อเผชิญกับแรงแอโรไดนามิก จึงรับประกันสมรรถนะที่สม่ำเสมอในความเร็วสูง

ตัวชี้วัดแอโรไดนามิกหลัก: การเข้าใจสัมประสิทธิ์แรงต้าน (Cd) และผลกระทบของปีก

ทุกการลดค่า Cd ลง 0.01 จากการออกแบบฝากระโปรงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงได้ 1.2% ที่ความเร็ว 65 ไมล์ต่อชั่วโมง ฝากระโปรงคาร์บอนแบบระบายอากาศ ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วในสนามแข่งรถ สามารถปรับปรุงค่า Cd ได้ถึง 0.04–0.07 โดยการเร่งการไหลของอากาศผ่านช่องล้อ ลดการปั่นป่วนของลมบริเวณล้อหน้าลง 41% และลดแรงดันสะสมใต้ฝากระโปรงลง 19%

ฝากระโปรงคาร์บอนไฟเบอร์: ข้อได้เปรียบของวัสดุและการลดแรงต้านทางอากาศที่วัดได้

กันชนไฟเบอร์คาร์บอนช่วยลดแรงต้านลมได้เนื่องจากมีข้อดีหลักสามประการ ได้แก่ ความแข็งแรงเชิงโครงสร้าง พื้นผิวที่เรียบ และความแม่นยำในการผลิต กันชนโลหะมักจะงอเมื่อขับเกิน 60 ไมล์ต่อชั่วโมง ซึ่งทำให้เกิดการกระเพื่อมของอากาศ แต่กันชนคาร์บอนไฟเบอร์ไม่เป็นเช่นนั้น การทอเส้นใยคาร์บอนร่วมกับเรซินทำให้พื้นผิวเรียบกว่าเหล็กทั่วไปประมาณ 32% ส่งผลให้อากาศไหลเวียนรอบตัวรถได้ดีขึ้น ผลการทดสอบในอุโมงค์ลมยืนยันเรื่องนี้ด้วย คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์แรงต้าน (drag coefficient) ลงได้ระหว่าง 0.03 ถึง 0.05 เมื่อเทียบกับกันชนเหล็ก ซึ่งเทียบเท่ากับการลดแรงต้านทางอากาศพลศาสตร์โดยรวมประมาณ 3 ถึง 5% ทีมฟอร์มูล่าวันสังเกตเห็นผลจริงในสนามอย่างซิลเวอร์สโตน ที่นักขับสามารถทำเวลาต่อรอบดีขึ้นได้ถึง 0.8 วินาที เนื่องจากการจัดการแรงดันที่ดีขึ้นทั่วรถยนต์ และถึงแม้ว่าคาร์บอนไฟเบอร์จะมีน้ำหนักเบากว่าเหล็กประมาณ 40 ถึง 60% งานศึกษาส่วนใหญ่ชี้ว่าประมาณสองในสามของการลดแรงต้านนั้นมาจากคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร์ มากกว่าจะเป็นเพียงเพราะน้ำหนักที่เบา ดังนั้นจึงมีข้อได้เปรียบด้านสมรรถนะที่ชัดเจน ซึ่งมากกว่าการลดน้ำหนักเพียงอย่างเดียว

ช่องระบายอากาศที่ซุ้มล้อและการจัดการการไหลของอากาศแบบแอคทีฟเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านแอโรไดนามิกส์

การออกแบบรถยนต์ยุคใหม่ใช้ประโยชน์จากซุ้มล้อคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีช่องระบายอากาศ เพื่อยกระดับสมรรถนะด้านแอโรไดนามิกส์ ระบบเหล่านี้ผสานวิทยาศาสตร์วัสดุกับวิศวกรรมการไหลของอากาศ เพื่อลดแรงต้านขณะที่ควบคุมภาระความร้อนและการกระจายแรงดัน

ซุ้มล้อคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีช่องระบายอากาศช่วยปรับปรุงการไหลของอากาศและลดการสะสมแรงดันสูงได้อย่างไร

ชุดแฟลร์ล้อแบบมาตรฐานมักจะกักอากาศไว้ภายในซุ้มล้อนั้น ซึ่งส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านเพิ่มขึ้นประมาณ 0.03 จุด อาจดูไม่มากนัก แต่เมื่อเวลาผ่านไป ก็สะสมเป็นผลที่ชัดเจนได้ ทางออกคือแฟลร์คาร์บอนไฟเบอร์แบบมีช่องระบายอากาศ ที่ช่วยให้อากาศที่ถูกกักอยู่สามารถระบายออกไปได้ผ่านช่องออกแบบพิเศษ การทดสอบในอุโมงค์ลมแสดงให้เห็นว่าช่องระบายเหล่านี้สามารถลดแรงดันบริเวณด้านหน้าของรถลงได้ระหว่าง 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ สิ่งที่ทำให้ระบบนี้ทำงานได้มีประสิทธิภาพคือความแข็งแรงของตัวคาร์บอนไฟเบอร์เอง ต่างจากชิ้นส่วนโลหะทั่วไปที่อาจเกิดการยืดหรือบิดเบี้ยวเมื่อเผชิญกับแรงลมความเร็วสูง คาร์บอนไฟเบอร์รักษารูปร่างได้อย่างสมบูรณ์ ทำให้รูปแบบการไหลของอากาศคงที่ตลอดการเดินทาง ผู้ผลิตรถยนต์เริ่มสังเกตเห็นความแตกต่างด้านประสิทธิภาพนี้ในการทดสอบบนสนามต่างๆ ของพวกเขา

การจัดการความร้อนและแรงดันผ่านการวางตำแหน่งช่องระบายอากาศบนแฟลร์ล้ออย่างมีกลยุทธ์

ในการออกแบบรถยนต์ วิศวกรด้านพลศาสตร์ของไหลจะพึ่งพาการจำลองกระแสอากาศด้วยคอมพิวเตอร์ หรือ CFD เพื่อกำหนดตำแหน่งที่เหมาะสมสำหรับช่องระบายอากาศบริเวณปีกหลังล้อเล็กๆ เหล่านี้ ให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเน้นที่สามประเด็นหลัก ได้แก่ การรักษาอุณหภูมิของเบรกให้อยู่ในระดับที่เพียงพอ การจัดการกับการปั่นป่วนของอากาศรอบๆ ยาง และการควบคุมจุดความดันที่ด้านหน้าของรถ การออกแบบช่องระบายอากาศให้ถูกต้องมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะสามารถลดอุณหภูมิภายในซุ้มล้อหน้าได้เกือบ 27 องศาเซลเซียส หรือประมาณ 49 องศาฟาเรนไฮต์ เมื่อขับผ่านทางโค้งด้วยความเร็วสูง นอกจากนี้ ช่องระบายอากาศที่ติดตั้งอย่างเหมาะสมยังช่วยลดแรงยกจากจุดที่มีความดันสูง ซึ่งเป็นปัญหาที่พบบ่อย ได้ราว 38 เปอร์เซ็นต์ ในรถยนต์ผลิตเชิงพาณิชย์ทั่วไป แล้วสิ่งนี้หมายความอะไรสำหรับผู้ขับขี่ทั่วไป? หมายถึงแรงต้านที่ลดลง ทำให้รถเคลื่อนที่ได้ราบรื่นขึ้น และระบบระบายความร้อนทำงานได้ดีขึ้น ลดภาระโดยรวม ส่งผลให้สมรรถนะดีขึ้นและชิ้นส่วนต่างๆ มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น

ข้อมูลการทดสอบจริงเกี่ยวกับการลดแรงต้านจากชุดปีกคาร์บอนแบบมีช่องระบายอากาศ

การทดสอบบนสนามแสดงให้เห็นว่า ระบบคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีช่องระบายอากาศสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านได้ต่ำกว่ากันชนแบบปิดสนิทถึง 6% ในรถยนต์ทั่วไป โดยรถต้นแบบแข่งขันสามารถปรับปรุงได้สูงสุดถึง 11% ภายใต้สภาวะการใช้งานจริงบนทางหลวง ยานพาหนะผลิตเชิงพาณิชย์ที่มีการจัดวางช่องระบายอากาศอย่างเหมาะสมแสดงผลดังนี้

ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันถึงผลกระทบในทางปฏิบัติของกันชนคาร์บอนไฟเบอร์แบบมีช่องระบายอากาศ ที่ใช้ได้ผลดีกับแพลตฟอร์มรถซีดาน คูเป้ และ SUV

การรวมระบบด้านแอโรไดนามิกของชิ้นส่วนตัวถังคาร์บอนไฟเบอร์

เหนือกว่ากันชน: ฮูด ปีกหลัง และสปลิเตอร์คาร์บอนไฟเบอร์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการไหลของอากาศโดยรวมอย่างไร

ฝากระโปรงคาร์บอนไฟเบอร์ช่วยสร้างการไหลของอากาศที่ดีขึ้นบริเวณด้านหน้าของรถยนต์ ซึ่งช่วยลดการปั่นป่วนของอากาศที่ด้านหน้า สปอยเลอร์ที่ติดตั้งอยู่บนฝากระโปรงเหล่านี้จัดการกับความแตกต่างของแรงดันที่ด้านหลังของยานพาหนะ สปลิตเตอร์ที่ทำงานร่วมกับแฟลร์ล้อ (ส่วนที่อยู่ข้างๆ ล้อ) จะผลักอากาศออกจากช่องล้อ ป้องกันการเกิดกระแสลมวนที่รบกวนเหล่านี้ ผู้เชี่ยวชาญบางรายในอุตสาหกรรมได้ศึกษาเรื่องนี้เมื่อไม่นานมานี้และพบสิ่งที่น่าสนใจ: เมื่อแผ่นตัวถังทั้งหมดทำจากคาร์บอนไฟเบอร์แทนการผสมวัสดุ อัตราส่วนแรงต้านลดลงประมาณ 12% ซึ่งถือเป็นการปรับปรุงสมรรถนะที่สำคัญ

การรวมแฟลร์คาร์บอนเข้ากับแผงใต้ท้องรถและดิฟฟิวเซอร์เพื่อการลดแรงต้านอย่างสูงสุด

ชุดอุปกรณ์แอโรไดนามิกสมัยใหม่รวมถึงกันชนคาร์บอนพร้อมแผงท้องรถและตัวกระจายอากาศที่ออกแบบเป็นพิเศษ เพื่อรักษาระบบการไหลของอากาศให้เรียบเนียนตลอดทั้งคันรถ วิธีการทำงานร่วมกันของชิ้นส่วนเหล่านี้ช่วยลดแรงดันใต้ตัวถังรถ ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้รถยนต์เริ่มลอยจากพื้นถนนเมื่อความเร็วสูง การทดสอบในอุโมงค์ลมแสดงให้เห็นว่า เมื่อชิ้นส่วนคาร์บอนทั้งหมดจัดเรียงได้พอดีกับรูปร่างของท้องรถอย่างเหมาะสม ค่าสัมประสิทธิ์แรงต้าน (drag) สามารถลดลงต่ำกว่า 0.28 ได้ สมรรถนะในลักษณะนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการพิจารณาทั้งระบบในการออกแบบยานยนต์ในปัจจุบัน

คำถามที่พบบ่อย

กันชนมีบทบาทอย่างไรต่อแอโรไดนามิกของรถยนต์

กันชนช่วยกำหนดทิศทางการไหลของอากาศรอบตัวรถ ลดการเกิดการกระเพื่อมและความต้านทานทางแอโรไดนามิก โดยเฉพาะที่ความเร็วสูง

กันชนไฟเบอร์คาร์บอนช่วยปรับปรุงแอโรไดนามิกอย่างไร

กันชนไฟเบอร์คาร์บอนมีน้ำหนักเบาและรักษารูปร่างได้ดีภายใต้สภาวะความดันสูง ส่งผลให้การไหลของอากาศเรียบเนียนขึ้นและลดแรงต้านได้ดีขึ้น

ผลกระทบของช่องระบายอากาศที่กันชนต่อแอโรไดนามิกคืออะไร

ช่องระบายอากาศที่กันโคลงช่วยให้อากาศที่ถูกกักอยู่สามารถระบายออกได้ ลดการสะสมของแรงดันและปรับปรุงการไหลของอากาศ ซึ่งช่วยลดสัมประสิทธิ์แรงต้านและเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน

เหตุใดการเลือกวัสดุจึงมีความสำคัญต่อการออกแบบกันโคลง

วัสดุต่างชนิดกันมีระดับความแข็งและความเรียบของพื้นผิวที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของกันโคลงในการจัดการการไหลของอากาศและรักษารูปแบบการไหลที่มีประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์