آیرودینامیک در طراحی خودروهای فرمول یک – علیرضا محمودی فرد

به گزارش کلام ماندگار، آیرودینامیک در طراحی خودروهای فرمول یک، از ابتدای رقابت در اوایل دهه ۱۹۵۰ مورد توجه قرار گرفته است؛ با این حال، نقش آن ثانویه بود و ملاحظات آیرودینامیکی بر کاهش میزان درگ ایجاد شده در خودرو، متمرکز بود. ظهور بال‌ها در اتومبیل‌های فرمول یک، در سال ۱۹۶۸ اتفاق افتاد، زمانی‌که کالین چپمن، بال‌های جلو و عقب را در لوتوس ۴۹ برای دست‌یابی به نیروی رو به پایین آیرودینامیکی، معرفی کرد، که اهمیت طراحی آیرودینامیکی یک ماشین مسابقه را در عملکرد آن برجسته نمود. نیروی رو به پایین می‌تواند حداکثر نیروهای جانبی و مماسی لاستیک را افزایش دهد و در نتیجه باعث افزایش سرعت پیچیدن خودرو و بهبود عملکرد شتاب و ترمز خودرو می‌شود؛ علاوه‌بر این، مهم‌ترین تأثیر کاهش درگ، افزایش حداکثر سرعت خودرو است. هر جزء خارجی یک خودرو فرمول یک، قبل از اجرا در معرض یک طراحی کامل آیرودینامیکی قرار دارد؛ با این وجود، اکثر این قطعات، اهداف دیگری دارند و بنابراین طراحی آیرودینامیکی آن‌ها تنها بر اساس کاهش میزان درگ ایجاد شده است. تقریبا تمام نیروی رو به پایین تولید شده در خودرو، توسط سه وسیله اصلی آیرودینامیک تأمین می‌شود: بال جلو، بال عقب و کف پخش‌کننده؛ آن‌ها منحصرا بر اساس ملاحظات آیرودینامیکی طراحی می‌شوند و بنابراین نمی‌توان آن‌ها را جداگانه طراحی کرد. اگر از اثرات آیرودینامیکی برای افزایش عملکرد خودرو استفاده شود، تعادل بهینه نیروی رو به پایین بین چرخ‌های جلو و عقب برای متعادل کردن نیروی نرمال اعمال شده در هر دو تایر بسیار مهم است. مرکز فشار، زمانی که در قسمت عقب خودرو قرار می‌گیرد، اطمینان می‌دهد که چرخ‌های جلو، حداکثر نیروی جانبی کمتری دارند و خودرو کم‌فرمان می‌شود؛ از طرفی اگر مرکز فشار در قسمت جلویی خودرو قرار گیرد، چرخ‌های عقب، حداکثر نیروی جانبی کمتری دارند و در نتیجه خودرو، بیش‌فرمانی می‌کند.

این دستگاه آیرودینامیک با تمرکز بر بال جلو، جلویی‌ترین جزء یک ماشین مسابقه‌ای چرخ باز است؛ از یک بال با زاویه حمله منفی با وسایل اضافی مانند فلپ، فلپ گورنی یا صفحات انتهایی تشکیل شده است؛ دو ویژگی عمده در طراحی آن تأثیر مهمی دارند: نزدیکی آسفالت (اثر زمین) و تایرها؛ چندین هدف دارد: ایجاد نیروی رو به پایین (۲۵ تا ۳۰ درصد از نیروی رو به پایین خودرو) در قسمت جلویی خودرو با راندمان آیرودینامیکی بالا، کاهش پسا ایجاد شده در چرخ‌های جلو و کانالیزه کردن جریان هوا به عقب‌ترین اجزا؛ از این‌رو، بال‌های جلوی خودروی مسابقه‌ای دارای نسبت بالابر به درگ بسیار بالایی هستند. شدت بالای نیروهای آیرودینامیکی ایجاد شده در بال‌ها، طراحی سازه را حیاتی می‌کند. در بال جلویی خودروی فرمول یک، بارهای آیرودینامیکی به‌طور قابل توجهی کمتر از یک هواپیمای تجاری است، زیرا حداکثر سرعت و نسبت ابعاد بال به‌طور قابل ملاحظه‌ای کمتر است. هدف اصلی از طراحی ساختاری بال جلو، کاهش وزن سازه است. در یک بخش موتور اسپورت بسیار رقابتی، پارامترسازی صحیح حد بین وزن سبک و قابلیت اطمینان ساختاری ضروری است؛ علاوه‌بر این، مقررات فرمول یک FIA مقرر می‌دارد که تمام دستگاه‌های آیرودینامیک خودرو، از جمله بال جلو، جلو و بدنه، در میان سایر اجزای خارجی، باید مطابق با هواپیمای مرجع خودرو بی‌حرکت باشند؛ بنابراین، بال جلوی یک خودروی فرمول یک، دارای استحکام بسیار بالایی است، بنابراین تغییر شکل آن را به حداقل می‌رساند، که تأثیر منفی بر عملکرد آیرودینامیکی خودرو دارد.

در مطالعه ديناميك خودروهای هیبریدی (نه خودروهای فرمول یک)، به‌كمك مدل‌هاي گوناگون به‌علت استفاده از مدل‌هاي خطي براي مدل‌سازي اجزاء خودرو در مقايسه با نتايج تجربي، تضاد مشاهده مي‌شود؛ منشاء اين تضاد، خاصيت غير خطي اجزاء خودرو مي‌باشد كه سبب به‌وجود آمدن پديده‌هايي از قبيل آشوب مي‌شود كه در تحقيقات مبتني‌بر مدل‌هاي خطي، قابل مشاهده نيست؛ با ورود مدل‌هاي غير خطي اجزاء تشكيل‌دهنده خودرو، مدل‌هاي معرفي شده براي خودرو، مورد بازبيني قرار گرفته‌اند. توسعه مدل‌هاي غير خطي ابتدا با در نظر گرفتن رفتار غير خطي براي سفتي فنر در سيستم تعليق و سفتي تاير آغاز شد؛ در تحقيقات بعدي رفتار غير خطي دمپر نيز مورد توجه قرار گرفت. در عمده تحقيقات انجام شده، رفتار غير خطي دمپر به‌صورت دو خطي منظور شده است؛ توسعه اين مدل‌ها با معرفي دمپرهاي الكترومغناطيسي در صنعت خودروسازي كه داراي ويژگي غير خطي و هيستريستيك هستند، وارد مرحله‌اي تازه شد؛ اين نوع دمپرها داراي ويژگي‌هاي ميرایي متفاوتي نسبت به دمپرهاي متداول هستند؛ اما مدل مورد استفاده در اين تحقيقات با وجود توجه به ويژگي اجزاء غير خطي ساده و از نوع يك‌چهارم با يك درجه آزادي است كه در نظر نگرفتن جرم فنربندي نشده، سبب به‌وجود آمدن كاستي در اين مدل مي‌شود.

علیرضا محمودی‌فرد – مدرس نرم‌افزارهای عمومی و تخصصیِ مهندسی در دانشگاه‌ها