autótechnika

Mit kell legyőznünk? Menetellenállások 2. rész

2014.08.22.

A légellenállás. Aki ennek a témának a feldolgozásába belefog, kiengedi a szelet a palackból… Hamar belekerülünk a légellenállás csökkentését tárgyalva az autók formavilágába, és ennek nincs se vége, se hossza.

Az autók aerodinamikája ma már messze nem csak sportkocsiknál, fogyasztási rekordereknél, sebességi rekordautóknál bír jelentőséggel. A mai CO2 csökkentési korban, az egyre nagyobb maximális sebességű tesztciklusoknál (amely alatt határozzák meg a CO2 kibocsátást), a légellenállás csökkentése a gyártók jól felfogott érdeke. Hamar bekövetkezhet, hogy a légellenállást adó egyik karosszéria tartozékot, a visszapillantó tükröket nagylátószögű kamerák váltsák fel.

Az autóépítés hajnalán, ha nem is az első években, de ahogy az autók sebessége növekedett, a légellenállás csökkentését már nem lehetett figyelmen kívül hagyni. Már a korai időkben is szempont volt, hogy a sebességet, a korlátozott motorteljesítmény miatt a légellenállás csökkentésével növeljék, és már akkor sem volt nagyon mellékes, hogy csökkentsék a többször tíz literes fogyasztást.

A légellenállás (közegellenállás) is természetesen erő, mely a haladó jármű ellen hat, azt visszafogni igyekszik, méghozzá a sebesség négyzetével növekvő mértékben. 100 km/h sebességű haladáshoz képest 140-es tempónál a légellenállás megduplázódik, szinte hallani, ahogy ürül a pénztárcánk…

A légellenállási erő képlete:

 

ahol:

cw - a légellenállási tényező,

A - az ún. homlokfelület (a jármű menetirányra merőleges legnagyobb területű szelvénye),

ρ - a levegő sűrűsége,

v – a jármű sebessége.

A járműsebesség szélcsendes időben azonos a levegő sebességével (az autóból tekintve szembe jön velünk a levegő). Ha van ellenszél, az megnöveli a képletben alkalmazandó számítási sebességet, a hátszél pedig lecsökkenti.

A légellenállásnak is vannak összetevői:

  • a torlónyomásból származó légellenállás (a felületre ható normálerők eredője),
  • az indukált ellenállás (a menetirányra merőleges áramlások okozzák)
  • felületsúrlódási ellenállás (3 … 15%) a felületminőségétől függ,
  • a leválási veszteségek visszahúzó hatása és
  • a belső ellenállás (2 … 11%) az autóba bevezetett levegő például a motorhűtés, a fékhűtés, a kipufogórendszer hűtése, az utastér szellőzés.

Az autó légellenállását – mint saját konstrukciós jellemző - természetesen a cw x A szorzat határozza meg.

A légellenállási tényező (cw, cd vagy cx), angol megnevezéssel drag coefficient, németül Luftwiderstandsbeiwert, mindent magába foglal, ami az áramlási ellenállást meghatározza: az adott karosszéria alakja, a felületi érdesség, a felület-menti áramlási jellemzők. Az áramlási határréteg elválhat a felülettől és visszaáramlás, örvények keletkezése figyelhető meg. A leváláskor ugrásszerűen megnő a légellenállás. Például fékezőerőt ad egy ablaktörlő lapát, egy antenna, a kerekek, a visszapillantó tükör, hajdan volt márkajelvény, kilincsek stb. Külön lecke a levegőbevezető nyílások geometriai kialakítása, az autó teljes hátsó része, a fenéklemez területének áramlási szempontból történő optimalizálása. Az áramlási ellenállás csökkentése érdekében történő alsó borítás és a kipufogó hűtése között kell megtalálni az optimális megoldást.

A légellenállás hasznunkra is lehet! A gépjárművet a légáram ereje a talajra le is szoríthatja, ha azt célszerűen pl. szárnyelemekkel irányítják vagy a gépkocsi alatti légáramlást alakítják úgy, hogy az leszorító erőt hozzon létre. Ez nem csak a pályagépeknél, vagy a formula sorozatokban érdekes, hanem a sportkocsik esetében is létfontosságú lehet. A sebesség függvényében kiemelkedő hátsó szárnyak mind a vonóerő átszármaztatást, mind a stabilitást szolgálják.

Járay Pál, az áramvonalas karosszéria megalkotója

Az autók aerodinamikájának tudományos alapjait Járay Pál (külföldön ismert nevén Paul Jaray) rakta le. Járay Pál számos mérnöki területen alkotott maradandót, mint feltaláló, de őt elsősorban a Zeppelin léghajók és az autók légellenállás-csökkentés szellemi atyjának tekintik az egész világon.

A 2014-es évet tekinthetjük Járay emlékévnek is, mert születése 125. és halála 40. évfordulójáról emlékezhetünk meg. Reméljük ezt több fórumon meg is teszik. 1889. március 10-én Bécsben született, ahová a család Temesvárról költözött. Tanulmányait a bécsi Maschinenbauschulén végezte, majd a Prágai Műszaki Egyetemen asszisztensként dolgozott. Később a Bécs melletti Fischamendben repülőgép-tervezéssel foglalkozott. 1913-ban áthelyezték Friedrichshafenbe, ahol a Zeppelin-léghajók áramlástani vizsgálatával bízták meg. Az első világháborút követően a Zeppelin számára elkészítette a világ akkor legnagyobbnak számító szélcsatornáját, amely előrelendítette a további kutatásokat. 1920-ban szabadalmaztatta a legkisebb légellenállású léghajóalakot, az elöl lekerekített, hátul kúpban végződő forgástestet. Kutatásai nyomán a léghajók gazdaságossága megduplázódott.

Ezek után kutatói érdeklődése az automobilok légellenállás-csökkentése irányába fordult. Felismerte, hogy a talaj közelében tartózkodó testek körül kialakuló áramlás jelentős mértékben eltér attól az ideális áramlási hely zettől, mint amikor az adott test a talajtól magasabban fekszik. Ezért az ilyen körülményekre kialakított ideális, legkisebb ellenállást kiváltó testforma a talajközelben korántsem jelent majd ideálisnak megfelelő alakot. Az automobilokra tervezett áramvonalas karosszéria kialakításában az ideális alak szimmetriasíkját vette a talaj síkjának, s az efölötti féltestet az ideális testnek. A legkedvezőbb alak tehát egy elöl erősen lekerekített, hátul pedig hosszan elnyúló test, melynek alsó része a talajjal párhuzamos sík felület. Az új alakformát, a döntött szélvédő alkalmazásával és az utastér lefedésével, Járay 1921. március 25-én szabadalmaztatta, majd 1922-ben a Der Motorwagen című szaklapban a Stromlinienwagen, eine neue Form der Automobilkarosse¬rie cikkében értekezett róla bővebben. Járay kimutatta, hogy nem elegendő a szögletes részeket csupán lekerekíteni, ugyanis a levegő csak bizonyos alakokat részesít előnyben. Döntött szélvédőt alkalmazott, a kerekeket a karosszéria alá helyezte, és az utasteret is csepp alakúra tervezte. Ezt követően a Ley gyár alvázára megépítette első autókarosszériáját, amellyel reklámutat tett Friedrichshafen és Berlin között.

1923 nyarán a Berliner Illustrierte Zeitung címlapjára került a kocsija. 1923 őszén a Dixi-Werke egy 24 LE-s, 6 hengeres kocsit készített az általa tervezett karosszériával, amelyet kiállításon mutattak be. Ugyanabban az évben Ley típusú versenyautója megnyerte a 225 km-es Rund und Belzig autóversenyt.

Járművei a légellenállást a hagyományos járművekhez képest negyedével csökkentették, ami 30 százalékos tüzelőanyag-megtakarítást eredményezett. Kezdetben az autógyártók teljesen közömbösen fogadták áramvonalas kiképzésű karosszériáinak ötletét, de az 1920-as évek második felétől egyre-másra kezdtek alvázaikra Járay tervezésű felépítményeket szerelni. Először a Dixi, az Audi, az Adler, azután a Bugatti és a Voison márkákra kerültek rá a merész vonalú karosszériák, végül nem maradtak ki a sorból a Mercedes és Maybach márkák sem. A Járay-féle formát hosszabb ideig a Tatra gyár autóin lehetett látni, és a világszerte elterjedt „bogárhátú" Volkswagenre is az általa szabadalmaztatott karosszéria került.

A Járay-féle alak légellenállása kiválónak mondható, eredményeit mind a mai napig tanítják, hasznosítják.

A Járay-féle karosszéria előnyei ellenére sem vált általánossá, amit csak részben magyaráz a harmincas évek gazdasági válsága, az autógyárak közötti verseny állandó formai újítást kényszerített ki, és a teljesen áramvonalas karosszéria hosszan elnyúló hátsó része hátrányt jelentett a növekvő városi forgalomban. Pályafutását a zürichi Eidgenössische Technische Hochschule (Svájci Állami Műszaki Főiskola) tanáraként fejezte be. 1974. szeptember 22-én hunyt el St. Gallenben. (Forrás: magyarjarmu.hu; wikipedia; MTVA Archivum)

Járay-féle Ley és a legendás Tatra T77 modelleket a következő részben mutatjuk be.

Járayra nagy hatást gyakorolt Edmund Rumpler munkássága. Rumpler is az áramvonalas formákat tanulmányozta, ő tervezte a C.I.V. jelzésű repülőgépet, az első világháború legsikeresebb német konstrukcióját. „Cseppautó”-ja mind a mai napig abszolút kuriózumnak számít az autóépítésben, sajnos csak 2 darab maradt fenn belőle. Az autó formatényezője 0,28 melyet a VW szélcsatornájában 1979-ben mértek ki.

A VW ezt az értéket csak az 1988-as Passatnál érte el.

Nézzünk e heti cikkünk zárásaként két cw rekorder autót az autóépítés legendás korszakából.

1938. januárt írtak, amikor Rudolf Caracciola beült a Mercedes W125 jelű, sebességi rekord megdöntésére készült autójába, hogy Frankfurt és Darmstadt között az autópályán új rekordot állítson fel. A V12-es, 5577 cm3 lökettérfogatú motor hamar elérte a 736 LE maximális teljesítményt, és a várt eredmény nem maradt el: oda-vissza futva az átlagsebesség 432,7 km/h volt. Nem verseny, vagy rekord céljára épített pályán – azaz közúton – ez a sebességi rekord mind a mai napig. (Forrás: Mercedes múzeum, Stuttgart; foto: NszI)

Ami csak álom maradt…

A II. Világháború előtt és alatta is a németek meg akarták mutatni, hogy ők képviselik a technika élvonalát és ezért erős politikai nyomásra, mondjuk ki, közvetlenül Adolf Hitler „megrendelésére”, (értsd parancsára), világrekordok felállítására törekedtek szinte minden áron. Ebből nem maradhatott ki az autók gyorsasági sebességi rekordja sem. Ferdinand Porsche 1939-ben tervezte a Mercedes-Benz T80 jelű rekorder autót, melyet a DB 603 típusú repülőgépmotorral hajtottak meg. A V12-es erőforrás lökettérfogata 44,5 liter, maximális teljesítménye 3200 min-1 fordulaton 3000 LE volt. A háromtengelyű, 8,24 méter hosszú, 2,896 tonna tömegű jármű két hátsó tengelyét hajtották. Tervezett végsebessége 600 km/h, melyet a konstrukció végén (az autó elkészült!) már 750 km/h értékre becsültek. Dessau mellett, az autópályán kellett volna elérnie ezt a rekordot.

A II. Világháború kitörése megszakította a rekordkísérletet, az autó raktárba került. Túlélte a háborút, ma a Mercedes Múzeumban látható. Kerékhajtású autóval (és nem rakéta gázsugár hajtással) az abszolút sebességrekord a németeknél csak álom maradt. Amiért itt ezt az autót bemutattuk, természetesen a formája. A tervet Josef Mickl készítette, becsült légellenállási tényezője 0,18. Mickl neves repülőgép konstruktőr 1931-ben csatlakozott a Porsche tervezőirodához (Porsche Konstruktionen GmbH) Stuttgartban.

A Járay-féle áramvonalas karosszéria hosszúra nyúló farát egy jól sikerült metszéssel eltávolították, így született a "Kammback". Légellenállással foglalkozó sorozatunk következő részében – egyéb ígéreteinket is teljesítve – ezt is elmagyarázzuk.

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(Az Autótechnika folyóiratban a témához kapcsolódó számtalan szakmai cikk jelent meg, ezek a lap előfizetőinek visszamenőleg is olvashatóak a http://autotechnika.hu oldalon. További információt is itt találhatnak.)

 

 

Az oldal fő támogatója

 

2019.12.07
Még soha annyi autót nem értékesített a német gyártó egy hónapban, mint most, elsősorban a kínai,....
2019.12.07
A Magnus Aircraft Zrt. üzeme a jövő év elejétől teljes kapacitással üzemel, és már megrendelték az....
2019.12.07
A dél-koreai autógyár 51,35 milliárd dollárt szán erre a célra a következő hat évben. ..
2019.12.07
Mit tud kezdeni az európai autóipar azzal az ellenérzéssel, amely a klasszikus –belsőégésű –....
2019.12.07
A világ legnépesebb országa állami támogatást nyújthatna a jövőben az ott gyártott Tesla autókért,....
2019.12.07
Csökkenhetnek a torlódások, mert újra megnyitják mind a három sávot. ..
2019.12.07
Túlterhelt járműszerelvényt állítottak le a rendőrök Békés megyében, az M44-es autóúton. ..
2019.12.07
Három autó ütközött össze Budapest III. kerületében. ..
2019.12.07
Két új taggal tízre nőtt azoknak a magyar sportdiplomatáknak a száma, akik a Nemzetközi Automobil....
2019.12.07
Véget ért a 2019-es Forma1 szezon, a rajongók nagy bánatára, ugyanakkor ha valaki, Sebastian Vettel....