Dodge Viper ACR Аеродинамика на уличен легален състезателен автомобил SpringerLink
От 1992 г. Dodge Viper - особено версията ACR, представена за първи път през 1999 г. - винаги е проектирана за екстремни характеристики. За новия Viper ACR, както е описано в MTZ 3/2017, FCA съчетава високи изходни стойности и V10 атмосферен двигател с 481 kW, за да донесе тази мощност на пътя. В тази статия инженерите обясняват как са проектирали аеродинамичните компоненти на Viper ACR.
Кралица на пистата
Собствениците на Viper използват своите превозни средства, за да бъдат по различни начини, включително в състезания с драгстер/автокрос/гимхана, а също и в улични състезания. През годините много от собствениците на състезателни ентусиасти Viper са поискали от производителя все повече и повече производителност.
Първият Dodge Viper ACR (American Club Racer) е базиран на второто поколение модел Viper и излезе на пазара през 1999 г., за да отговори на това търсене. Еволюцията на шасито и двигателя на първия ACR се фокусира върху максимизиране на производителността при състезания по пътищата и автокрос. Мощността на двигателя е увеличена от 336 kW на 343 kW със специален въздушен филтър и полирани всмукателни канали на карбуратора. Собственото тегло е намалено с повече от 22 кг, като се пропусне аудио системата и друго несъществено оборудване като фаровете за мъгла. Новото, по-твърдо и адаптивно шаси спести още 6 кг тегло.
Втората версия на Viper ACR е базирана на четвъртото поколение на Viper Coupé и е построена през моделните години 2008-2010. Viper ACR от 2008/2009 г. донесе на пътя мощността на стандартната версия от 447 kW с максимален въртящ момент от 759 Nm и се характеризира с допълнителни подобрения в аеродинамиката, спирачките и шасито. Една от целите на техническото развитие беше постигането на притискаща сила от 453 кг при скорост 241 км/ч чрез оптимален аеродинамичен баланс - което беше постигнато и чрез числена механика на флуидите и тестове на аеродинамични тунели. Специалните подпори на окачването позволяват контрол на нивото и позволяват постепенно регулиране на нивата на компресия и отскок.
Ефективността на пружините и стабилизаторите е подобрена и ACR е оборудван с ковани алуминиеви джанти и спортни гуми, готови за състезателни писти. Новите джанти и гуми, както и дисковата спирачна система от две части спестиха около 18 кг в сравнение с теглото на основния Viper. Допълнително намаляване на теглото с 18 кг (от общо 36 кг) беше възможно, ако ACR беше поръчан с твърдия пакет, т.е. без аудио система, килим на багажника и звукоизолация. 2008 Viper ACR демонстрира своя потенциал за изпълнение с нов рекорд от 7: 22,1 минути на 20,8 км от Nordschleife на Нюрбургринг.
В модела от 2010 г. аеродинамиката и притискащата сила при зеване са допълнително подобрени от новопроектирания Gurney Flap на задното крило и капака. В допълнение, по-краткото съотношение на петата скорост увеличава ускорението при високи скорости и максималната скорост. Тези подобрения са пряк резултат от знанията, които фирмата за настройка SRT е придобила на Nordschleife на Нюрбургринг: че промяната в предавателното число ще даде възможност за по-висока скорост и съответно по-кратки времена. В края на септември 2011 г. Dodge се завърна на известната писта и постави рекорд на обиколка за серийни автомобили със 7: 12,13 минути.
В края на 2009 г. Dodge обяви не-уличен Viper ACR-X, предназначен да се обърне към състезателния пурист. Dodge Viper ACR-X от 2010 г. се задвижва от добре познатия 8.4-литров V10 бензинов двигател - оборудван с фабрично монтирани изпускателни колектори, ковани бутала и дроселирана изпускателна система - който генерира 477 kW (30 kW повече от серийното превозно средство). Шасито е настроено за пистата и теглото е намалено със 73 кг в сравнение с серийното превозно средство, за да се справи с най-взискателния маршрут. Допълнителните аеродинамични подобрения оптимизираха притискащата сила и стабилността, както и задържането на пътя в бързи завои. Viper ACR-X разполага с фабрично инсталирано и разработено оборудване за безопасност, което включва клетка, резервоар за гориво и състезателна седалка.
Последният модел Viper ACR от 2016 г. се характеризира с аеродинамика, която осигурява контактно налягане на ниво състезателен автомобил и донася изключителна производителност на пистата. Високото контактно налягане в комбинация с двигател V10 с мощност 481 кВт, специални гуми Kumho и пакет шаси, включващ регулируеми амортисьори Bilstein, трябва да превърнат Viper ACR в най-добрата улична състезателна кола. Той постави повече рекорди на курса от всяко друго серийно превозно средство - включително общо 13 рекорда за обиколки за серийни превозни средства в САЩ, включително записи, държани преди това от хиперкари като Porsche 918 и McLaren P1 [1], Таблица 1.
За да се изгради пътно превозно средство с толкова високо контактно налягане, трябваше да се овладеят редица технически предизвикателства, включително създаване на естетичен външен вид без загуба на функционалност, осигуряване на конструкции, които поддържат аеродинамичното натоварване и осигуряване на трайността на аеродинамичните компоненти, изработени от въглеродни влакна близо до земята.
Аеродинамичният пакет е реализиран със следните инструменти:
- 1: 1 аероакустичен аеродинамичен тунел във Fiat Chrysler Automobiles (FCA) в Обърн Хилс, Мичиган
- числена симулация на потока (CFD)
- Използване на метода Six Sigma (DFSS) за оптимизиране на физическите свойства на компонентите
- Проследяване на тестове с управление на инструмента.
Преглед на аеродинамичните компоненти
Стандартният аеродинамичен пакет на 2016 Dodge Viper ACR се състои от четири важни компонента. Предният сплитер се състои от широка плоча от въглеродни влакна. Той изпълнява няколко функции на пода на превозното средство, създава ефективен натиск отпред и е до голяма степен невидим, когато превозното средство е на пътя. Увеличението на предния сплитер е предназначено за пистата и удължава ръба на сплитера към предната част, за да генерира допълнително контактно налягане. Долен асансьор от всяка страна на предната престилка осигурява допълнително контактно налягане. И накрая, 1,776 m широко задно крило с регулируем ъгъл на атака взаимодейства с предните аеродинамични компоненти, за да се получи балансиран общ резултат.
Опционалният пакет Extreme Aero на Viper ACR, Фигура 1, също включва екстремно уголемяване на сплитера, което е по-дълго от стандартното уголемяване на сплитера, създава значително по-голямо контактно налягане и изисква допълнителни опорни подпори. В допълнение, над стандартните ACR индекси, бяха прикрепени допълнителни индекси за увеличаване на притискащата сила отпред, която може да бъде увеличена чрез премахване на жалузите на вентилационните прорези в предния калник или шестте вентилационни отвора в капака. Шест извити вложки, изработени от въглеродни влакна на задния дифузьор на стандартния Viper, както и удължени ремъци за пистата създават по-голямо контактно налягане отзад, особено при прозяване. Не на последно място, екстремното задно крило, поради по-високото и задното си положение върху автомобила, специфичната клапа на Гърни и 10 см по-голяма ширина създава по-високо контактно налягане от стандартното задно крило.
Аеродинамични компоненти на Viper ACR 2016 с опция Extreme Aero
Формата следва функцията
Генерирането на повече мощност беше основната причина за аеродинамичния пакет Viper ACR. Но външният вид на превозното средство също изигра важна роля. За да се постигне успешен външен вид без загуба на производителност, беше необходимо да се определят количествено ефектите от различните аеродинамични компоненти, за да може Службата за дизайн на продукта на FCA да подобри външния вид на местата, които са най-малко подходящи за изпълнението.
Например с крилото работата по ранно развитие се фокусира върху важни свойства като височина на крилото, надлъжно и задно положение, ширина спрямо превозното средство и общия контур. Показателите за ефективност включват за даден аеродинамичен баланс, аеродинамична ефективност и обща сила на притискане по време на криволичене. Тестовете за CFD и аеродинамичните тунели показаха, че много широко крило е най-добре да се монтира високо и отместено назад. Визуалният резултат обаче изглеждаше твърде агресивен за група потенциални клиенти, поради което беше решено да се предложат два различни аеродинамични пакета - стандартният пакет ACR и опционалният пакет Extreme Aero. Последното позволи да се направят допълнителни промени на други компоненти, като вентилационните прорези в предния калник, специалните разширители на сплитера, както и дълбоките кормила и дифузорните вложки.
В допълнение към това как трябва да бъде разположено задното крило, бяха проучени и няколко основни геометрии на крилото, включително опции като прав, дъгообразен, единичен или двоен елемент и някои форми, които преминаха от единичен към двоен елемент. След това окончателният дизайн доведе до сводест изглед отгоре и разчиташе на сегмент от един елемент, който се сливаше в сегмент на двоен елемент към външния ръб. Тази форма доведе до най-добрата комбинация от общото контактно налягане по време на криволичене, аеродинамична ефективност и тегло, Фигура 2.
Еволюция на задното крило
След като основната форма беше на мястото си, беше използван процес на Design Six Sigma (DFSS), за да се намери оптималната комбинация от свойства, като се вземат предвид както най-високата производителност, така и здравината на дизайна. Тази процедура също така идентифицира физическите свойства, които са оказали най-малко влияние върху производителността, позволявайки на персонала на FCA Product Design Office да променя само тези характеристики, за да постигне желания вид. Тези характеристики, известни също като „контролни фактори“, включват височината на клапата на Гърни, дълбочината на крилото, ъгъла на атака, разстоянието и изместването на елементите и ширината на сегмента на единичния елемент спрямо сегмента на двойния елемент. Тестовете за CFD и аеродинамичните тунели завършиха разследванията на DFSS. Оценката само на 18 комбинации от контролни фактори даде възможност да се предскаже ефективността на повече от 13 000 комбинации, Фигура 3. Придобитите знания с този метод бяха използвани за идентифициране на онези свойства, които могат да бъдат променени по отношение на външния дизайн или поради него специалното им изпълнение беше "неприкосновено".
Качествени прогнози за резултатите за над 13 000 контролирани от фактора решения от проучването DFSS/CAE
структура
Настоящият Viper ACR с пакет Extreme Aero генерира над 544 кг притискаща сила при 241 км/ч и над 771 кг притискаща сила при максимална скорост от 285 км/ч. Такива натоварвания изискват подходящи структурни армировки.
Пример за това е капакът на задното крило от въглеродни влакна. С помощта на измервания на механиката на флуидите бяха определени максималните натоварвания на задното крило, при което компютърно подпомогнати инженерни анализи показаха, че са необходими допълнителни слоеве от въглеродни влакна. Оценката на окончателния проект включваше статично тестово натоварване на превозното средство и последващ тест при високи скорости на пистата. Разширяването на предния сплитер на пакета Extreme Aero изискваше допълнителна опора под формата на подпори, които бяха прикрепени към рамката. В допълнение към изучаването на механиката на флуидите бяха проведени тестове за висока скорост с подпори, снабдени с деформационен манометър, за да се оптимизира разположението на подпорите.
Защита на чувствителните аерокомпоненти
Предният сплитер се състои от голяма плоча от въглеродни влакна с минимален просвет в предния ръб. В пътната конфигурация предният ръб е защитен от абразивна лента, изработена от полиетилен с висока плътност, Фигура 4. За състезателна употреба абразивната лента на пътната версия е заменена с раздробено уголемяване, направено от същия материал. И двете версии на ACR имат удължения на коловозите, но разширението Extreme Aero е по-дълго и изисква допълнителна опора, закрепена към гредата на бронята. Увеличението преживява многократен контакт със земята, което се случва редовно при спиране и при стартиране на бордюрите.
Вложките на задния дифузьор на Extreme Aero ACR също се нуждаят от защита поради близостта им до повърхността на коловоза. Увеличенията на дифузорните вложки, които могат да бъдат монтирани на пистата за допълнителни ефекти, са направени от същия полиетиленов материал с висока плътност като уголемяването на предния сплитер. Тези увеличения защитават вложките от въглеродни влакна в контакт с коловоза, което се случва редовно при бързи завои или други събития със значително компресиране на окачването.
Тестове на аеродинамичен тунел
Световният щаб и технологичен център на Chrysler в Обърн Хилс, Мичиган, разполага с аеродинамичен тунел 1: 1 със секция за измерване на свободна струя, където екипът за разработка на SRT прекара повече от 300 часа в аеродинамичния тунел, за да ускори развитието на Viper ACR в 29 свои собствени тестови писти.
С размер на дюзата 27,9 м2 и дължина на изпитателния стенд 14,4 м, аеродинамичният тунел е в състояние да тества големи превозни средства като камиони и минивани, както и бързи високопроизводителни превозни средства, благодарение на скоростта на въздушния поток от максимум 225 км/ч. Вятърният тунел може да поддържа постоянни температури за прецизни аероакустични тестове. Характеризира се със специфична двуфазна система, която създава отлична дебелина на граничния слой върху грамофона.
- Фаза 1: Дюзата за граничен слой премахва граничния слой на изхода на дюзата.
- Фаза 2: Тангенциален слот на вентилатора вкарва част от въздуха от отклоняващата лопатка при 1,67 пъти скоростта на свободната струя.
За разработване и анализ на кръговия дизайн бяха използвани CFD ресурсите на Fiat Chrysler Automobiles, САЩ. В сравнение с конвенционалните вятърни тунели, той се характеризира с ниски загуби на дебит. Специфичните разтегателни ъгли забавят въздушния поток при завъртане на 90 ° с 46% и по този начин се избягва отделяне на потока. Допълнителните характеристики на този аеродинамичен тунел са изправяне на потока с форма на пчелна пита с проходи 16 пъти по-дълги от диаметъра на клетката. Поставя се на входа на свиването (дюзата). Надолу по течението сито с фини мрежи определя тока, който тече в свиването. Всички въртящи се лопатки са специално проектирани за всеки ъгъл и са проектирани да поемат шума на вентилатора.
Тъй като никой аеродинамичен тунел не може да възпроизведе идеално реалните условия, важно е да се разпознае къде са границите на използвания аеродинамичен тунел. Вятърният тунел Auburn Hills е монтиран за постоянно, поради което този факт трябваше да се вземе предвид при анализ на пода на превозното средство, особено в задната част на превозното средство. Компонентите, изложени на въртящите се колела, бяха друго предизвикателство в закотвения аеродинамичен тунел.В тези случаи екипът на Viper разчиташе на опит от предишни проекти, които провеждаха корелационни тестове между аеродинамичния тунел Auburn Hills и аеродинамичните тунели Rolling Road са били наети. Окончателни аеродинамични тестове за оценка бяха извършени във вятърния тунел WindShear в Конкорд, Северна Каролина (САЩ). CFD анализът беше друг важен инструмент за разбиране на ефектите от всеки компонент.
Тестовете на аеродинамичния тунел също трябваше да вземат предвид разходите и необходимото време. Това ограничи броя на компонентите, които могат да бъдат напълно тествани, като задното крило. За някои компоненти обаче беше установено, че тестовете на аеродинамичния тунел са по-бързи и по-рентабилни от анализите, използващи изчислителна механика на флуидите. Долен асансьор, ключалки на капака и някои части на предния сплитер могат лесно да бъдат възпроизведени и оценени с помощта на модели от дърво, алуминий и лента. В ранните тестове екипът искаше да разработи предните компоненти, но им липсваше задното крило, за да генерира необходимото контактно налягане за балансирана структура. Решението беше да се вземат две крила, това на по-ранно поколение Viper ACR и това на състезателен автомобил Viper Competition Coupé, за да се получи желаната притискаща сила отзад. Тази конструкция, известна като "Червения барон" поради двуетажния външен вид, по никакъв начин не беше толкова ефективна, колкото задното крило на последната серия, но осигуряваше добра работна платформа за разработване на предните елементи, Фигура 5.
Тестове на аеродинамичен тунел в ранните етапи от развитието на задното крило
След като общата форма на крилото беше определена с метода CFD, беше произведено модулно тестово крило, за да се анализират взаимодействията между височината на клапата на Гърни, ъгъла на атака на всеки елемент и разстоянието между елементите, Фигура 6. Дори това да не е е успял да възпроизведе сложните контури на оценката на CFD, това е позволило резултатите от CFD да бъдат валидирани преди да бъде произведено крило, което по-точно съответства на производствения модел.