TEKNILLINEN€KORKEAKOULU Konetekniikan€osasto › files › 938 › Raskaan_kaluston_aerodynamiikan...TEKNILLINEN€KORKEAKOULU Konetekniikan€osasto Juha€Nyholm...

TEKNILLINEN KORKEAKOULUKonetekniikan osasto

Juha Nyholm

Raskaan kaluston aerodynamiikan kehittäminen

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomiinsinöörin tutkintoa varten.

Espoo 5.12.2006

Valvoja: Professori Matti Juhala

Ohjaaja: Diplomiinsinööri Tapio Koisaari

_____________________________________________________________________Tiivistelmä

1

TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖNTIIVISTELMÄ

Tekijä Juha Nyholm

Työn nimi Raskaan kaluston aerodynamiikan kehittäminen

Päivämäärä 5.12.2006 Sivumäärä 82

Osasto Konetekniikan osasto

Professuuri Kon16 Auto ja työkonetekniikka

Valvoja Professori Matti Juhala

Ohjaaja Diplomiinsinööri Tapio Koisaari

Työn tarkoituksena on tutkia raskaan kaluston aerodynaamisen kehityksen tilaa jatutustua maaliikennekulkuneuvoihin vaikuttaviin aerodynaamisiin ilmiöihin. Työssäperehdytään ilmanvastusvoiman syntymekanismeihin raskaan kaluston ajoneuvojenkannalta ja käydään läpi kuorma ja linjaautojen eri muotojen vaikutus. Kuormaauton ilmanohjaimien ja sivuhelmojen vaikutukset ja toiminta selvitetään. Avainasemassa raskaan kaluston aerodynamiikan parantamisessa on ajoneuvon etu ja takapään muotoilu. Etupään kulmat tulisi pyöristää, jonka jälkeen suurin osa ajoneuvon ilmanvastuksesta syntyy auton takapään vaikutuksesta. Takapään muotoilua voidaan parantaa pyöristämällä kulmat ja viistämällä kattoa ja kylkiä.

Työssä esitellään keskeisimmät tutkimus ja mittaustavat. Tuulitunnelikokeiden tekeminen on perinteisesti käytetyin tutkimusmenetelmä, mutta CFDlaskenta yleistyyjatkuvasti tietokoneiden kehittyessä. Ilmanvastusta voidaan mitata kokeellisesti myösrullauskokeilla.

Työhön sisältyy myös kokeellinen osuus, jossa tehtiin tuulitunnelimittauksia pikavuorolinjaauton pienoismallilla. Mittauksissa pyrittiin selvittämään erilaisten keulaja perämuotojen vaikutusta ajoneuvon ilmanvastuskertoimeen ja sivuvoimaan. Mittauksissa käytettiin neljää erilaista keulaa ja kolmea erilaista perää, joista koottiinerilaisia yhdistelmiä kaikkiaan kymmenen kappaletta. Sivutuulen vaikutuksen simuloimiseksi kaikkia muotoja ajettiin eri kulmilla virtaukseen nähden 25 asteeseen asti.Mittaustuloksista nähtiin, että keulan pyöristäminen madaltaa ilmanvastusta selvästi,mutta tuulilasin kallistuksella ei saada huomattavaa etua. Perien osalta tuloksista nähtiin, että kulmien pyöristäminen pienentää vastuskerrointa selkeästi ja perän viistäminen lisäksi suippomaiseksi alentaa vastuskerrointa jo erittäin paljon. Yksittäisistämuodoista parhaaksi osoittautuikin juuri suippomainen perä. Sivutuuliherkkyydenkannalta olennaisen sivuvoiman kannalta tuloksista nähtiin, että peräpään muotoilullaon suurempi vaikutus kuin etupään muotoilulla.

_____________________________________________________________________Abstract

2

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THEMASTER’S THESIS

Author Juha Nyholm

Title of thethesis Development of Heavy Vehicle Aerodynamics

Date 5. December 2006 Number of pages 82

Department Department of Mechanical Engineering

Professorship Kon16 Automotive Engineering

Supervisor Professor Matti Juhala

Instructor Tapio Koisaari, M.Sc. (Tech.)

The purpose of this thesis is to research the aerodynamics of heavy vehicles and tostudy the aerodynamic occurrences which interact with ground vehicles. In this thesisthe formation of aerodynamic forces in heavy vehicles and effects of the differentshapes of trucks and coaches are familiarized. In addition, the influence and functionof truck wind deflectors and side skirts is examined. In heavy vehicles, the most important factor as regards to aerodynamics is the body design in the front and the rearends. If the corners in the front end are rounded, the rear end produces most of vehicle’s drag. The form of the rear end can be improved by rounding the corners orchamfering the edges in the rear part of the roof and sides.

The most important research and measuring methods are also introduced in this thesis. Traditionally, the most widely used way to study aerodynamics has been windtunnel measurements, but CFDcalculations have become more common as computertechnology evolves. Measuring of the drag force can also be performed by rollingtests.

In the experimental part of this thesis, wind tunnel measurements with a coach scalemodel were made. The target was to compare the effect of different front and rearend shapes. The interest was in the drag coefficients and side forces that the differentshapes produced. Four different front ends and three different read ends were used.From these parts, a total of ten combinations were made and each of them was testedin different angles up to 25 degrees to simulate side wind effect. Results show thatrounding the front end lowers the drag coefficient, but tilting the windscreen backwards has only little effect. Rounding was also effective in the rear end, but the overall best shape was rear end which was both chamfered and rounded. Results alsoshow that the rear end has more influence when minimizing the side force under sidewind conditions than front end.

_____________________________________________________________________Alkulause

3

AlkulauseDiplomityö tehtiin Teknillisen Korkeakoulun Autotekniikan laboratoriolla 1.6.5.12.2006 välisenä aikana. Kiitän työn valvojaa professori Matti Juhalaa ohjauksestaja neuvoista. Samoin kiitän työn ohjaajaa assistentti Tapio Koisaarta neuvoista ja ajatuksista joita hän on prosessin aikana esittänyt. Erityisesti kiitän Tapiota mielenkiinnosta työtäni kohtaan. Lisäksi kiitän laboratorioinsinööri Panu Sainiota avusta, ohjeista ja työhöni liittyvien käytännön asioiden hoitamisesta. Kiitän myös kaikkia muita TKK:n Autolaboratorion henkilökuntaan kuuluvia miellyttävästä ja virikkeellisestätyöilmapiiristä.

Työssä tehtiin tuulitunnelimittauksia, jotka suunniteltiin yhdessä Kabus Oy:n henkilökunnan kanssa. Haluankin kiittää johtaja Martti Tommolaa, tuotekehityspäällikköTommi Mutasta ja Niklas Löfbergiä sekä muita projektiin osallistuneita Kabus Oy:ntyöntekijöitä työhön osallistumisesta ja pienoismallin valmistamisesta.

Tuulitunnelimittaukset tehtiin 3.6.10.2006 Teknillisen Korkeakoulun Aerodynamiikan laboratoriossa. Kiitän laboratorioinsinööri Mikko Korhosta tiedoista, neuvoistaja materiaalista sekä mahdollisuudesta mittausten suorittamiseen. Lisäksi kiitän laboratoriomestari Tarja Matsuoita tuulitunnelin käytöstä ja muita projektiin osallistuneita Aerodynamiikan laboratorion työntekijöitä.

Tutkimusinsinööri Kimmo Erkkilää VTT:ltä haluan kiittää materiaalin toimittamisesta ja kiinnostuksesta työtäni kohtaan. Lisäksi kiitän kehityspäällikkö Kimmo NykästäTranspoint Oy Ab:sta häneltä saamistani tiedoista.

Erityisesti kiitän äitiäni Sirkkaa ja isääni Artoa, jonka olisin toivonut ehtivän näkemään tämän työn, sekä tietenkin Maria.

Espoossa 5.12.2006

____________________________ Juha Nyholm

___________________________________________________________________Sisällysluettelo

4

SisällysluetteloAlkulause ................................................................................................................. 3

Symboliluettelo ........................................................................................................ 6

Nomenclature........................................................................................................... 7

1. Johdanto ........................................................................................................... 8

2. Virtausmekaniikan perusteita............................................................................ 92.1. Fluidien ominaisuudet............................................................................... 9

2.1.1. Kaasujen yleinen tilanyhtälö.............................................................. 92.1.2. Viskositeetti ...................................................................................... 9

2.2. Rajakerrosteoriaa .................................................................................... 102.2.1. Virtauksen irtoaminen ..................................................................... 11

2.3. Reynoldsin luku ...................................................................................... 122.4. Bernoullin yhtälö .................................................................................... 122.5. Patopiste ja paine................................................................................... 13

3. Ajoneuvon aerodynamiikka ............................................................................ 143.1. Aerodynaamiset voimat .......................................................................... 14

3.1.1. Ilmanvastus ..................................................................................... 143.1.2. Noste............................................................................................... 163.1.3. Sivutuulen vaikutukset .................................................................... 16

3.2. Ajoneuvon virtauskenttä ......................................................................... 193.2.1. Ulkoinen virtaus.............................................................................. 193.2.2. Sisäinen virtaus ............................................................................... 203.2.3. Moottorin ilmavirtaus...................................................................... 213.2.4. Virtauskenttä pyörien ympärillä ...................................................... 21

4. Aerodynamiikan tutkimusmenetelmät............................................................. 234.1. Tuulitunnelikokeet .................................................................................. 23

4.1.1. Tuulitunnelin rakenne ..................................................................... 234.1.2. Mittaaminen.................................................................................... 244.1.3. Tuulitunnelin mittalaitteet ............................................................... 26

4.2. Laskennalliset menetelmät ...................................................................... 304.2.1. Laskenta.......................................................................................... 32

4.3. Tiekokeet................................................................................................ 334.3.1. Rullauskokeet.................................................................................. 33

5. Hyötyajoneuvojen aerodynamiikan parantaminen........................................... 355.1. Kuormaautot.......................................................................................... 35

5.1.1. Ohjaamon muotoilu......................................................................... 365.1.2. Ilmanohjaimet ohjaamon katolla ja sivuissa..................................... 385.1.3. Vetoauton ja perävaunun väli .......................................................... 415.1.4. Sivuhelmat ...................................................................................... 425.1.5. Kuormatilan muotoilu ..................................................................... 435.1.6. Sivutuuliominaisuudet..................................................................... 44

5.2. Linjaautot .............................................................................................. 455.2.1. Keulan muotoilu.............................................................................. 455.2.2. Perän muotoilu ................................................................................ 475.2.3. Sivutuuliominaisuudet..................................................................... 48

___________________________________________________________________Sisällysluettelo

5

6. Vesiroiskeiden ja sumun vähentäminen ......................................................... 506.1. Vesiroiskeiden ja sumun synty............................................................... 506.2. Lokasuojien toiminta .............................................................................. 516.3. Vesisumun vähentäminen aerodynaamisesti............................................ 53

7. Linjaauton pienoismallin tuulitunnelikokeet .................................................. 557.1. Tutkimuksen kohde................................................................................. 55

7.1.1. Tuulitunnelimalli............................................................................. 567.2. Koejärjestely........................................................................................... 58

7.2.1. Tuulitunneli..................................................................................... 587.2.2. Mittalaitteet..................................................................................... 59

7.3. Tuulitunnelimittaukset ............................................................................ 607.3.1. Valmistelevat toimenpiteet .............................................................. 607.3.2. Mittaukset ....................................................................................... 62

7.4. Kokeiden tulokset ................................................................................... 627.4.1. Tulosten käsittely ............................................................................ 647.4.2. Ilmanvastuskertoimet ...................................................................... 667.4.3. Sivuvoima....................................................................................... 69

8. Yhteenveto ja suositukset ............................................................................... 72

Lähteet ................................................................................................................... 74

Liitteet.................................................................................................................... 77Liite 1: Kuvia linjaauton pienoismallista ........................................................... 77Liite 2: Käytössä olevien tuulitunnelien tietoja ................................................... 82

___________________________________________________________________Symboliluettelo

6

SymboliluetteloA = otsapintaala [m2]Am = pienoismallin otsapintaala [m2]AN = mittatilan poikkipintaala [m2]c = virtausnopeus [m/s]C = mittatilan efektiivinen poikkipintaala [m2]cd = ilmanvastuskerroin []E = kylläisen höyryn paine [Pa]Fi = ilmanvastusvoima [N]Fn = nousuvastus [N]Fr = mekaaniset vastusvoimat [N]Ftot = kokonaisvastusvoima [N]g = patopaine [Pa]H = korkeus [m]Hm = pienoismallin korkeus [m]I0 = rullaavan akselin hitausmomentti [kgm2]Id = vetävän akselin ja voimansiirron hitausmomentti [kgm2]L = pituus [m]Lk = mittatilan poikkipintaalan kehäpituus [m]Lm = pienoismallin pituus [m]m = ajoneuvon massa [kg]

⋅

m = massavirta [kg/s]Ma = Mach:n luku []n = ainemäärä [mol]p = paine (staattinen) [Pa]p0 = kokonaispaine [Pa]pa = ilmakehän paine [Pa]

pdyn = dynaaminen paine [Pa]R = moolinen kaasuvakio [J/(mol·K)]r0 = rullaavan pyörän dynaaminen vierintäsäde [m]rd = vetävän pyörän dynaaminen vierintäsäde [m]Re = Reynoldsin luku []T = lämpötila [°C]U = suhteellinen kosteusprosentti []V = tilavuus [m3]v = ajonopeus [m/s]v0 = tuulennopeus [m/s]Vm = pienoismallin tilavuus [m3]

= mäen kaltevuuskulma [°]3 = rajakerroksen paksuus mittatilassa [m]s = mittatilan seinämien kiinteä kuristew = pienoismallin vanaveden aiheuttama kuriste

= blockage ratio []= dynaaminen viskositeetti [Ns/m2]= kinemaattinen viskositeetti [m2/s]= ilman tiheys [kg/m3]= liukukulma [°]

___________________________________________________________________Nomenclature

7

Nomenclature

CFD Computational Fluid Dynamics

Coast Down Rullauskoe tasaisella

DPIV Digital Particle Image Velocimetry

Ground Plane Maataso

Hill Rolling Rullauskoe mäessä

LES Large Eddy Simulation

NVH Noise, Vibration and Harshness

PIV Particle Image Velocimetry

RANS ReynoldsAveraged NavierStokes

Splash Renkaan synnyttämä vesiroiske

Spray Renkaan nostattama vesisumu

Yaw Angle Liukukulma

___________________________________________________________________1. Johdanto

8

1. JohdantoTämä diplomityö tehtiin osana Motivan ”Rastu” tutkimushanketta. ”Rastu”, eli raskas ajoneuvokalusto: turvallisuus, ympäristöominaisuudet ja uusi tekniikka, on kuuden tutkijaosapuolen hanke, joka ajoittuu vuosiin 2006–2008. Hankkeen sisällä diplomityö sijoittuu TKK:n ja VTT:n vetämään ”ajoneuvotekninen kehitystyö” osatehtävään.

Maantienopeuksissa kuorma ja linjaautojen ilmanvastus kasvaa suurimmaksi vastusvoimaksi. Perinteisesti raskasta kalustoa ei ole suunniteltu aerodynamiikan ehdoilla ja näiden ajoneuvojen aerodynamiikan kehittämisellä voidaankin saada huomattavia parannuksia energiatehokkuuteen. Koska raskaan kaluston ajoneuvokohtaisetvuosittaiset ajosuoritteet ja polttoaineenkulutus ovat henkilöautoja huomattavastikorkeampia, kehittyy myös esimerkiksi 10 prosentin vähennyksestä polttoaineen kulutukseen huomattavan suuri säästö tarkasteltaessa litraa autoa kohden. Mikäli lisäksitarkastelussa huomioidaan raskaan kaluston ajoneuvojen lukumäärä, voidaan asiassanähdä jopa kansantaloudellisia merkityksiä. Aerodynamiikalla voidaan myös vaikuttaa myönteisesti ajettavuuteen ja turvallisuuteen. Oikealla muotoilulla voidaan sivutuulen vaikutuksia vähentää ja vesisumun syntymistä sekä leviämistä ehkäistä.

Tämä työ jakautuu karkeasti kahteen osaan; kirjallisuustutkimukseen ja kokeelliseenosioon. Alkuosan kirjallisuustutkimuksessa käydään läpi virtausopin peruskäsitteitä,aerodynaamisia ilmiöitä ja voimia. Lisäksi esitellään ajoneuvon virtauskenttä ja ajoneuvon eri osien vaikutus ympärillä kulkevaan virtaukseen. Alkuosassa selvitetäänmyös ajoneuvotyypeittäin kuorma ja linjaautojen muotojen ja yksityiskohtien vaikutusta syntyvään ilmanvastus ja sivuvoimaan. Lisäksi alkuosassa käsitellään vesisumun syntymiseen ja leviämiseen vaikuttavat asiat ja perehdytään vesisumun ehkäisemiseen käytettäviin keinoihin.

Kokeellisessa osiossa on raportoituna työn puitteissa tehdyt tuulitunnelimittaukset janiiden tulokset. Tuulitunnelimittaukset tehtiin pikavuorolinjaauton 1:10 pienoismallilla ja tarkoituksena oli selvittää erilaisten keula ja perämuotojen vaikutusta ilmanvastuskertoimeen ja syntyneeseen sivuvoimaan. Lähtökohtaisesti tuulitunnelimittaukset olivat tyypiltään vertailevia, joissa pyrittiin vain löytämään eroja eri muotojenväliltä ja arvioimaan erojen suhteellista suuruutta. Koska mittausjärjestelyn tarkkuusja toiminta eivät olleet etukäteen riittävän hyvin tiedossa, ei absoluuttisia vastuskertoimia ollut edes tarkoitus määrittää. Tarkkuutta vähentävänä tekijöinä olivat pienoismallin vähäiset yksityiskohdat ja kiinteän maatason käyttäminen. Tuloksissa vastuskertoimet on kuitenkin laskettu, sillä tunnelista saatu mittausdata vaikutti siihenriittävän tarkalta.

Työn lopussa käsitellään mittauksissa saadut tulokset ja niitä verrataan kirjallisuustutkimuksessa saatuihin tietoihin. Yhteenvedossa on myös suosituksia, jotka on laadittu työssä esitettyjen tietojen pohjalta.

___________________________________________________________________2. Virtausmekaniikan perusteita

9

2. Virtausmekaniikan perusteitaVirtausmekaniikka on kontinuumimekaniikan osaalue, joka tutkii nesteiden ja kaasujen käyttäytymistä. Aerodynamiikka on puolestaan eräs virtausmekaniikan ala, joten perehdyttäessä aerodynamiikkaan voidaan tarkastelu aloittaa tutustumalla yleisemmällä tasolla virtausmekaniikan aihealueeseen. Pohjimmiltaan ilman virtauksenpisteestä toiseen synnyttää aina pisteiden välillä vallitseva paineero.

2.1. Fluidien ominaisuudetFluidi on yleisnimitys aineelle, jossa molekyylit voivat liikkua vapaasti toistensa suhteen. Fluideja ovat kaasut, nesteet ja plasmat. Nesteet ovat paineen vaikutuksen allalähes kokoonpuristumattomia ja kaasut puolestaan kokoonpuristuvia fluideja. Fluideille on tyypillistä, että ne eivät voi kantaa pienintäkään jatkuvasti vaikuttavaa leikkausjännitystä, eikä niissä voi esiintyä vetojännityksiä. Koska tässä työssä tehtävässävirtausmekaanisessa pohdinnassa kaasu on väliaineena, keskitytään myös ominaisuuksien selvittelyssä lähes ainoastaan kaasuihin./1/

Ilman ominaisuudet määräytyvät sen koostumuksen mukaan, joka on likimain 78 %typpeä, 21 % happea ja muita kaasuja sekä vesihöyryä noin 1 %. Edellä esitetyt prosenttiosuudet kuvaavat tilavuutta./2/

2.1.1. Kaasujen yleinen tilanyhtälöNesteiden tiheys riippuu vain hyvin vähän vallitsevasta paineesta tai lämpötilasta,mutta kaasuilla nämä riippuvuudet ovat huomattavasti suuremmat. Ihannekaasun tiheyden riippuvuus paineesta ja lämpötilasta voidaan kuvata seuraavasti;/1/

RTp ρ= , (1)

jossa p on paine, on tiheys, R on kaasuvakio ja T vallitseva lämpötila. Toisaaltatiedetään, että;

Vn

=ρ , (2)

jossa n on ainemäärä ja V on tilavuus. Nyt kaavoista (1) ja (2) saadaan;

nRTpV = , (3)

joka on kaasujen yleinen tilanyhtälö.

Ilmakehän paine merenpinnan tasolla on 1 bar, kun lämpötila on 15 °C ja tiheys 1,2kg/m3. Moolisen kaasuvakion R arvo on 8,314510 J/(mol·K)./28/

2.1.2. ViskositeettiViskositeetti on fysikaalinen suure, joka kuvaa fluidin kykyä vastustaa muodonmuutosta. Viskositeetin suuruus riippuu fluidin sisäisestä kitkasta, eli molekyylien välisestä vuorovaikutuksesta. Kullakin fluidilla on sille ominainen dynaaminen viskositeetti , joka on riippuvainen lämpötilasta. Kinemaattinen viskositeetti voidaan


10

puolestaan määrittää kaavalla;/5/

ρµν = . (4)

Viskositeetilla on merkittävä vaikutus kitkallisen virtauksen rajakerroksen syntymiseen. Viskositeetti myös aiheuttaa kitkavastusta virtaukseen joka etenee kiinteän pinnan yli. Mitä suurempi viskositeetti aineella on, sitä ”paksumpaa” aine on. Toisinsanottuna: mitä suurempi viskositeetti väliaineella on, sitä vaikeampi kiinteää kappaletta on kuljettaa sen läpi./2/

2.2. RajakerrosteoriaaFluidin virratessa kiinteän pinnan yli on nopeasti etenevän virtauksen ja paikallaanolevan tasopinnan välillä alue, jossa virtauksen nopeus kasvaa eksponentiaalisestisiirryttäessä etäämmälle pinnasta. Tätä virtauskentän osaa kutsutaan rajakerrokseksi.Lähestyttäessä pintaa rajakerroksen virtausnopeus laskee kohti nollaa ja siirryttäessäetäämmälle pinnasta uloimman osan nopeus taas lähestyy varsinaisen virtauksen nopeutta. Virtauksen nopeusjakauma rajakerroksessa on esitetty kuvassa 1./3/

Kuva 1. Virtausnopeus rajakerroksessa./3/

Rajakerroksen paksuuteen vaikuttavat pinnan epätasaisuudet, virtaavan fluidin viskositeetti, paine sekä virtausnopeus. Rajakerros myös paksunee pinnan epätasaisuuksien vaikutuksesta virtauksen edetessä pinnan yli. Rajakerros paksunee, sillä virtaushidastuu menettäessään kineettistä energiaansa pintakitkan vaikutuksesta /2/. Virtaviivaisesti muotoillun henkilöauton etupäässä 100 kilometrin tuntinopeudella rajakerros on tyypillisesti muutamia millimetrejä paksu, mutta takapäässä rajakerros voi ollajo useita senttimetrejä /4/. Pinnan epätasaisuuden vaikutus rajakerroksen paksuuteenon esitetty kuvassa 2./3/


11

Kuva 2. Pinnanlaadun vaikutus rajakerroksen paksuuteen./3/

Alkuvaiheessa rajakerros on aina laminaarinen, mutta kasvaessaan riittävästi se tuleeepästabiiliksi ja muuttuu turbulenttiseksi. Pistettä, jossa virtaus muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi, kutsutaan transitiopisteeksi. Turbulenttinen rajakerros on paksumpi kuin laminaarinen ja se aiheuttaa enemmän vastusta, sillä pintakitka on suurempi /4/. Virtausnopeuden kasvattaminen siirtää transitiopistettä edemmäksi esimerkiksi auton katolla. Aivan tason pinnan läheisyydessä virtaus säilyy kuitenkinaina laminaarisena. Eri virtaustyyppien esiintyminen rajakerroksessa on esitetty kuvassa 3./1/

Kuva 3. Laminaarinen ja turbulentti virtaus rajakerroksessa./1/

2.2.1. Virtauksen irtoaminenVirtauksen kulkiessa pinnan yli voi samanaikainen nopeuden lasku ja paineen nousukääntää virtauksen suunnan aivan pinnan tuntumassa, eli rajakerroksen hitaimmassaosassa, päinvastaiseksi eli tulosuuntaan. Tällöin pinnalle syntyy pyörre ja virtauspyrkii irtautumaan pinnasta. Virtauksen irtoamiselle on lisäksi edellytys, että virtauksen ja pinnan välillä esiintyy kitkaa. Tämä edellytys toteutuu reaalimaailmassa poikkeuksetta. Liian aikaisin ja pyörteillen irronnut virtaus aiheuttaa aerodynaamisenvastusvoiman huomattavaa kasvua. Kuvassa 4 on havainnollistettu virtauksen irtoaminen lentokoneen siiven päältä, kun kohtauskulma kasvaa liian suureksi./1/

Kuva 4. Virtauksen irtoaminen lentokoneen siiveltä kohtauskulman ollessa liian suuri./1/


12

Laminaarinen virtaus on selvästi herkempi irtoamaan pinnasta kuin turbulenttinenvirtaus. Tästä syystä turbulenttisen rajakerroksen yli kulkeva virtaus saadaan myötäilemään ajoneuvon pinnan muotoa paremmin. Tähän perustuu muun muassa Golfpallon pinnan kuvioiminen painanteilla. Näin ollen on tilanteita, jolloin turbulenttinen rajakerros on haluttu laminaarisen sijaan suuremmasta pintakitkasta huolimatta.Transitiopisteen sijaintiin voidaan vaikuttaa esimerkiksi pinnanlaadun muutoksilla.Henkilöautoissa rajakerros paksunnetaan usein keinotekoisesti takakulmissa, jottavarsinainen virtaus saadaan kääntymään auton taakse paremmin. Paksuntaminen voitapahtua esimerkiksi lisäämällä takavalojen laseihin sopivaa epätasaisuutta./4/

2.3. Reynoldsin lukuReynoldsin luku on dimensioton suhdeluku, joka kuvaa virtauksen luonnetta. PieniReynoldsin luku kuvaa laminaarista virtausta ja vastaavasti suuri luku turbulenttistavirtausta. Reynoldsin luku määritetään kaavalla; /5/

µρcL

=Re , (5)

jossa c on virtausnopeus ja L virtausta luonnehtiva pituus, yleensä siis kappaleen pituus tai muu dimensio. Maaliikennekulkuneuvojen kohdalla L voi joskus olla myösesimerkiksi kappaleen tehollinen halkaisija. Yhtälö (5) voidaan edelleen muuntaakaavan (4) avulla muotoon:

vVL

=Re . (6)

Ajoneuvon aerodynamiikkaa tutkittaessa on virtausnopeus ajoneuvon etenemisnopeus, mikäli tuuli ei vaikuta tilanteeseen ja virtausta luonnehtiva pituus puolestaan onajoneuvon pituus. Tuulen vaikutusta on käsitelty tarkemmin luvussa 3.1.3.

Kahta virtausta voidaan pitää ominaisuuksiltaan ja vaikutuksiltaan vastaavanlaisina,mikäli niiden Reynoldsin luvut vastaavat toisiaan. Tämä ominaisuus on hyödyllinen,mikäli esimerkiksi mitattava kappale on liian suuri mitattavaksi tietyssä tuulitunnelissa. Tällöin kappaleesta voidaan valmistaa tunneliin sopiva pienoismalli ja Reynoldsin luku korjataan kohdalleen virtausnopeutta nostamalla. Jos pienoismalli onmittakaavassa 1:4, nähdään yhtälöstä (6) että virtausnopeuden tulee olla nelinkertainen jotta Reynoldsin luku saadaan samaan arvoon. Aerodynaamisia voimia voidaanmäärittää myös vedessä. Tällöin mallia yleensä vedetään seisovan veden poikki.Koska veden viskositeetin ja tiheyden suhde on noin 15kertainen ilman vastaavaannähden, nähdään kaavasta (5) että veden ollessa väliaineena riittää virtausnopeudeksiviidestoistaosa alkuperäisestä nopeudesta./4/

2.4. Bernoullin yhtälöVirtausopissa erittäin hyödyllinen kaava on niin sanottu Bernoullin yhtälö, jonka laati Daniel Bernoulli (1700–1782). Bernoullin yhtälö on; /1/

vakiocpp =+= 20 2

1 ρ , (7)


13

jossa on tiheys ja c on virtausnopeus. Näin ollen p0 on kokonaispaine, p on staatti

nen paine ja21 c2 on dynaaminen paine. Bernoullin yhtälön mukaan kokonaispaine

p0 kuvaa virtauksen energiaa, joka koostuu paineenergiasta ja kineettisestä energiasta /2/. Energian säilyvyyden vuoksi kokonaispaine on siis vakio koko virtauskentänalueella, mikäli häviöt jätetään huomioimatta./1/

2.5. Patopiste ja paineKun virtauskentässä tarkastellaan kahta eri pistettä, voidaan Bernoullin yhtälö kirjoittaa muotoon; /1/

02211 21

21 pcpcp =+=+ ρρ . (8)

Virtauksen kohdatessa kiinteän esteen, on virtauskentässä aina piste P, jossa virtausnopeus c on nolla. Tällöin piste P on niin kutsuttu patopiste ja pisteessä vallitsevapaine p on patopaine. Patopiste on esitetty kuvassa 5. Patopisteessä virtaus on luovuttanut kaiken kineettisen energiansa staattiseksi paineeksi /2/. Patopaineen suuruusalisoonisessa virtauksessa on vallitsevan kokonaispaineen suuruinen; kun virtausnopeus c on nolla, saadaan kaavasta (7);

0pp = .

Kuva 5. Patopiste P virtauksen kohdatessa kiinteän esteen./1/

__________________________________________________________________3. Ajoneuvon aerodynamiikka

14

3. Ajoneuvon aerodynamiikka

3.1. Aerodynaamiset voimatEdetessään ajoneuvo syrjäyttää ilmaa työntämällä sitä ylös katolle, alleen ja kyljilleen. Ajoneuvon etuosan muotoilu määrittää, miten ilmavirta ohjautuu kuhunkinsuuntaan. Ajoneuvon eri osiin osuva ja eri suuntiin ohjautuva ilmavirta aiheuttaa ajoneuvon koriin voimavaikutuksia. Aerodynaamiset voimat ja momentit suuntineen onesitetty kuvassa 6. Voimat voivat olla paine ja kitkavoimia. Painevoimat voivat aiheuttaa kaiken suuntaisia voimia ja siten synnyttää nostetta, ilmanvastusta ja myössivuvoimia. Kitkavoimat puolestaan synnyttävät voimaa vain virtauksen kulkusuunnassa, eli ne synnyttävät pääasiassa ilmanvastusta. Kulkusuuntaan nähden vinollapinnoilla kitkavoimat voivat kuitenkin synnyttää myös nostetta ja sivuvoimaa. Koskaajoneuvot ovat yleensä symmetrisiä kulkusuuntaansa nähden, on syntyvien aerodynaamisten sivuvoimien summa nolla, mikäli sivutuulta ei esiinny./4/

Kuva 6. Ajoneuvoon vaikuttavat aerodynaamiset voimat ja momentit suuntineen. Kuvassa x ja zakselien suunnat ovat normaaliin käytäntöön nähden päinvastoin./6/

3.1.1. IlmanvastusMekaniikan ensimmäisen peruslain mukaan kappale pyrkii säilyttämään liiketilansa,ellei mikään voima pyri muuttamaan tätä liiketilaa. Tämän lain mukaan siis ajonopeuteen kiihdytetty ajoneuvo pyrkii säilyttämään nopeutensa, ellei jokin voima vaikuta siihen. Reaalimaailmassa ajoneuvo kohtaa kuitenkin voimia, jotka pyrkivät estämään ajoneuvon etenemistä. Suurimmat näistä voimista ovat renkaiden vierintävastus ja ilmanvastus. Myös kaikki liikkuvat osat, kuten pyörivät laakerit synnyttävätkitkaa ja aiheuttavat siten vastusvoimia.

Renkaiden vierintävastus on hitaissa nopeuksissa suurin ajovastus ja se pysyy likimain vakiona nopeudesta riippumatta. Ilmanvastus puolestaan kasvaa suhteessa nopeuden toiseen potenssiin ja näin ollen suurissa nopeuksissa se onkin suurin vastusvoima. Henkilöauton vierintä ja ilmanvastus ajonopeuden suhteen on esitetty kuvassa 7. Kuormaauton vastaavat kuvaajat on esitetty kuvassa 8. Kuvaajista nähdään,


15

että suomalaisissa maantienopeuksissa, 80100km/h, korkean ilmanvastuskertoimenomaavien henkilöautojen ja kuormaautojen ilmanvastusvoiman suuruus ylittää vierintävastuksesta aiheutuvan voiman. Mikäli raskaalla kalustolla ajonopeus olisi 110kilometriä tunnissa, kuluisi etenemiseen vaadittavasta energiasta jo noin 65 prosenttia ilmanvastusvoiman vaikutuksen voittamiseen /7/.

Kuva 7. Henkilöauton ilmanvastus ja vierintävastus nopeuden funktiona./3/

Kuva 8. Kuormaauton ilmanvastus ja vierintävastus nopeuden funktiona./8/


16

Ilmanvastusvoima määritetään kaavalla;/9/

20 )(

21 vvAcF di +⋅⋅⋅⋅= ρ , (9)

jossa on ilman tiheys, cd on ajoneuvon ilmanvastuskerroin, A on ajoneuvon otsapintaala, v on ajoneuvon etenemisnopeus ja v0 tuulen nopeus ajoneuvon etenemissuunnassa. Termi v0 on positiivinen, mikäli ajoneuvo etenee vastatuuleen ja negatiivinen mikäli ajoneuvo etenee myötätuuleen. Tuulen vaikutusta ilmanvastukseen onkäsitelty tarkemmin kappaleessa 3.1.3. Kaavasta nähdään, että ilmanvastusvoimakasvaa suhteessa ajonopeuden toiseen potenssiin. Näin ollen kaavan tekijöistä ajonopeudella on suurin merkitys ilmanvastusvoiman suuruuteen.

Perusperiaatteena ajoneuvon muotoilussa voidaan pitää, että ajoneuvon keulan tulisisiirtää ilmaa sivusuunnassa mahdollisimman sulavasti, kylkien tulisi pitää ilmavirtaus mahdollisimman hyvin kiinni pinnassa ja perän puolestaan tulisi ohjata ilmavirtamahdollisimman jouhevasti täyttämään ajoneuvon takana olevaa alipainealuetta.Ajoneuvon matkalla virtauksen tulisi siis seurata ajoneuvon muotoa mahdollisimmantarkasti ja ajoneuvon loppuessa virtauksen tulisi irrota pinnasta mahdollisimman hyvin.

3.1.2. NosteNoste on pystysuuntainen voima, joka syntyy kappaleen ylä ja alapinnan välisestäpaineerosta. Perusperiaatteena voidaan pitää, että ajoneuvo toimii kuin lentokoneensiipi (kuvat 4 ja 12). Kappaleen yli ohjautuva ilmavirta etenee nopeammin, kuin kappaleen ali kulkeva virtaus. Virtausopin mukaisesti nopeampi virtaus aiheuttaa alhaisemman paineen, eli kappaleen yläpuolella vallitsee matalampi paine kuin alapuolella. Paineero puolestaan synnyttää kappaleeseen ylöspäin suuntautuvan voiman./3/

Nosteen merkitys korostuu suurilla nopeuksilla. Kilpa ja urheiluautojen aerodynaamisessa suunnittelussa noste on ehkä suurimpia mielenkiinnon kohteita. Näissä autoissa nostevoima pyritään kääntämään negatiiviseksi, eli synnyttämään niin sanottuadownforce:a. Henkilöautoissakin nosteen vaikutukset huomioidaan lähinnä varmistamalla, ettei auto tule vaarallisen epävakaaksi suurissa nopeuksissa. Nostevoimatovat nopeudesta riippuvaisia ja ajonopeuden noustessa saattaa henkilöauton tasapaino etu ja takaakselin välillä muuttua runsaastikin. Raskaalla kalustolla nosteella eiole voimana merkitystä, sillä syntyvän nostevoiman suuruus on verrattain pieni ajoneuvon massaan nähden. Suunnittelussa tulisikin tällöin pyrkiä mahdollisimman pienen nostevoiman synnyttämiseen, sillä nosteen energia otetaan aina ajoneuvon liikeenergiasta.

3.1.3. Sivutuulen vaikutuksetSivutuulen vaikutus on tärkeä tekijä ajoneuvon aerodynamiikan kannalta. Luonnontuuli on äärimmäisen monimutkainen virtausilmiö, jossa virtauksen nopeus ja suuntavoivat vaihdella huomattavasti lyhyen ajan sisällä tai verrattain lyhyellä matkalla.Tuulen suuntaan ja voimakkuuteen vaikuttavat suuresti maastonmuodot, rakennuksetja metsien sekä avoimien alueiden vaihtelut. Tuulen vaikutukset korostuvat avoimillapaikoilla kulkevilla pengerretyillä teillä, silloilla ja aukeiden reunaalueilla. Mikälituulen suunta ei ole täysin ajoneuvon etenemissuunnan suuntainen tai vastainen, ei


17

myöskään ajoneuvon kohtaama virtaus ole etenemissuunnan mukainen./10/

Ajoneuvon etenemisestä aiheutuvan virtauksen ja tuulen yhteisvaikutus voidaanmäärittää vektoriopin avulla, kuten kuvassa 9 on esitetty. Kuvassa 9 symboli kuvaaliukukulmaa, eli tuulen suuntavektorin ja ajoneuvon etenemissuunnan välistä kulmaa. Sivutuulen vaikutus ajoneuvon kohtaaman virtauskentän suuntaan ja voimakkuuteen on esitetty kuvassa 10.

Kuva 9. Sivutuulen vaikutuksen selvittäminen vektoriopin avulla./5/

Mikäli sivutuulta ei esiinny, on ajoneuvon otsapinnan projektio virtaukseen nähdensymmetrinen ja virtauksen aiheuttama voima kohdistuu suoraan ajoneuvon pituusakselille. Mikäli ajoneuvo puolestaan etenee sivutuulen vaikutuksessa, ei otsapinnanprojektio ole symmetrinen eikä virtauksen aiheuttama voima kohdistu ajoneuvoonsen pituusakselin suunnassa. Tässä tapauksessa virtauksen aiheuttama voima synnyttää momentin, joka pyrkii kiertämään autoa. Tämä momentti pyrkii siis kääntämäänajoneuvoa vinoon kulkusuuntaansa nähden. Jotta ajoneuvo etenisi haluttuun suuntaanmyös sivutuulen vaikutuksessa, tulee sivutuulen aiheuttamaa korin kääntymistäkompensoida ohjauskulmalla. Tämä on kuljettajalle rasittavaa, varsinkin kun otetaanhuomioon luonnontuulen puuskaisuus.

Raskaalla kalustolla yleinen ongelma on myös sivutuulen aiheuttaman voiman painopisteen sijoittuminen korkeammalle kuin ajoneuvon kallistusakseli, jolloin momentti pyrkii kallistamaan autoa. Myös tuulivoiman painopisteen mahdollinen sijoittuminen ajoneuvon kallistusakselin alapuolelle pyrkii kallistamaan autoa, mutta tällöin momenttivaikutus jää verrattain pieneksi, sillä normaaleissa kulkuneuvoissa kallistusakseli sijaitsee niin alhaalla että momenttivarsi ei yksinkertaisesti voi muodostua kovin pitkäksi.


18

Kuva 10. Sivutuulen vaikutus ajoneuvon kohtaaman virtauksen suuntaan ja nopeuteen./5/

Henkilöautoilla sivutuulen vaikutus ilmanvastukseen on verrattain pieni, mutta raskaalla kalustolla sivutuuli aiheuttaa huomattavaa vastuksen kasvua. Raskaan kalustonajoneuvoilla on tyypillisesti laajat, tasomaiset kyljet ja paljon teräviä särmiä. Näinollen ajoneuvon otsapintaalan projektio virtaukseen nähden kasvaa rajusti kun liukukulma kasvaa ja samalla virtaus osuu yleensä muodoltaan epäoptimaalisiin osiin.Lisäksi raskaan kaluston ajoneuvoissa on lukuisia rakoja ja muita epäedullisen muotoisia yksityiskohtia. Näiden muotojen vaikutus kertautuu sivutuulen vaikutuksessa.Mitä monitahoisempi ajoneuvon muoto on, sitä suuremmaksi muodostuu sivutuulenvaikutus ilmanvastukseen. Täysperävaunullinen kuormaautoyhdistelmä on kaikkeinherkin sivutuulelle, kuten kuvasta 11 voidaan havaita. Ilmanvastuksen lisäksi ajovastukset kasvavat myös renkaiden vierintäkitkan kasvaessa, sillä sivutuulen kääntäessäautoa pyöriin syntyy sortokulma./5/

Kuva 11. Erilaisten hyötyajoneuvojen ilmanvastuksen riippuvuus liukukulmasta. Pystyakselilla vastuskertoimen suhde nolla liukukulman vastuskertoimeen./5/


19

3.2. Ajoneuvon virtauskenttäAjoneuvon etenemiseen liittyvät ilmavirrat voidaan jaotella kolmeen eri ryhmään.Ulkoinen virtaus kulkee ajoneuvon ulkopintaa pitkin. Ulkoinen virtaus on virtausmäärältään suurin ja samalla suurin vastusta aiheuttava virtaus. Sisäinen virtaus puolestaan kulkee jollakin tapaa ajoneuvon läpi. Sisäistä virtausta ovat esimerkiksi jäähdyttäjän ja moottoritilan läpi kulkeva virtaus, sekä ajoneuvon lämmityslaitteen ja ohjaamon läpi kulkeva virtaus. Sisäisellä virtauksella on oma vaikutuksensa vastukseenja sen merkitys korostuu alueilla, joissa sisäinen virtaus erkanee ja yhtyy ulkoiseenvirtaukseen. Yksinkertaistettu ajoneuvon virtauskenttä on esitetty kuvassa 12. Kuvasta nähdään myös painejakauma auton eri osissa. Kolmas virtaustyyppi on moottorinläpi kulkeva virtaus. Tämä virtaus on ajoneuvon etenemisen kannalta välttämätön,mutta sen vaikutus vastukseen on vähäinen. Toisaalta moottorin läpi kulkevaa virtausta tehostamalla voidaan kasvattaa moottorin tehoa.

Kuva 12. Henkilöauton yksinkertaistettu virtauskenttä ja painejakauma./5/

3.2.1. Ulkoinen virtausUlkoinen virtaus on se ilmavirta, joka virtaa ajoneuvon ohitse sen ulkopintaa pitkin.Ulkoisella virtauksella on suurin vaikutus syntyviin voimiin, kuten ilmanvastukseenja nosteeseen. Näin ollen suurin parannuspotentiaalikin on juuri ulkoisen virtauksenhallinnassa.

Virtauksen kulkiessa katon, kylkien ja pohjan ohi se pyrkii seuraamaan pintaa jollaintarkkuudella. Mikäli pinnan suunta muuttuu äkisti virtauksen suuntaan nähden, saattaa virtaus irrota pinnasta. Irrottuaan virtaus jättää itsensä ja pinnan väliin alipaineisen alueen, kuten henkilöauton katon etureunassa. Hetkellisesti irronnut virtaus kiinnittyy takaisin pintaan pisteessä, jonka sijainti riippuu ajonopeudesta. Ajoneuvon pe


20

rässä virtaus irtoaa jossain vaiheessa synnyttäen pyörteitä. Virtaus irtoaa pinnan kohtauskulman kääntyessä virtaukseen nähden riittävästi negatiiviseksi, kuten henkilöauton takalasin kohdalla. Virtauksen irtoaminen lentokoneen siiveltä on esitetty kuvassa 4. Viimeistään virtaus irtoaa ajoneuvon perän kohdalla. Edetessään ajoneuvo jättää jälkeensä alueen, jossa vallitsee alipaine. Alipaine muodostuu, koska irtoava virtaus ei kykene muuttamaan suuntaansa riittävän nopeasti ohjautuakseen tähän alueeseen. Mikäli lisäksi ajoneuvon perässä on jyrkkiä kulmia tai ajoneuvon poikkipintaala muuttuu muuten nopeasti pienemmäksi, syntyy irtoavaan virtaukseen pyörteitä.Käytännössä näin tapahtuu kaikissa normaaleissa ajoneuvoissa.

Etenevän ajoneuvon taakseen jättämä alipainealue täyttyy verrattain nopeasti, muttaeri suunnista tulevilla virtauksilla on kineettistä energiaa, jolloin pyörteily jatkuu pitkään. Kaikkien näiden pyörteiden synnyttämiseen ja ylläpitämiseen energia otetaanajoneuvon liikeenergiasta. Pyörteily saattaa jatkua vielä 10–20 ajoneuvon mitanpäässä takanapäin ja tällä alueella ilmalla on liikeenergiaa ajoneuvon kulkusuuntaan. Tästä ilmiöstä johtuu niin sanottu imuvaikutus; toisen ajoneuvon perässä ajavaajoneuvo etenee helpommin, sillä sen kohtaama ilma ei ole paikallaan vaan eteneejollain nopeudella samaan suuntaan. Näin nopeusero ilman ja takana tulevan ajoneuvon välillä jää alhaisemmaksi. Ilmanvastuksen kannalta on edullista, että ajoneuvontakana esiintyy useampia pieniä pyörteitä, kuin yksi suuri pyörre./4/

Nykyaikaiset ajoneuvot ovat perusrakenteeltaan melko yhtenäisiä eikä niissä ole juurikaan ulkonevia osia peilejä lukuun ottamatta. Tyypillisesti peilit sijaitsevat apilarissa tai sen juuressa. Tämä alue on virtauksen kannalta erittäin tärkeä sekä henkilö, että kuorma ja linjaautoissa. Virtauksen kääntyessä tuulilasilta kyljille sillä onsuuri nopeus juuri peilien kohdalla. Tästä syystä peileillä on kokoonsa nähden suurivaikutus syntyvän vastuksen määrään. Peilien vaikutus virtauskenttään on suurestiriippuvainen vallitsevasta liukukulmasta. Lisäksi huonosti suunnitellut peilit saattavat alkaa värisemään suuremmissa nopeuksissa ja ne saattavat tuottaa häiritsevää melua./11/

Ajoneuvon ulkoisesta virtauksesta aiheutuva ilmanvastusvoima syntyy teoriassa kahden komponentin vaikutuksesta. Ajoneuvon edetessä sen liikeenergiaa siirtyy ympärillä vallitsevaan ilmakehään virtauksen ja kiinteän pinnan välillä vallitsevan kitkanja toisaalta korin liikkeen synnyttämien paineerojen kautta. Todellisessa maailmassakiinteän pinnan yli kulkeva virtaus on aina kitkallista, eli virtauksen ja pinnan välilläesiintyy kitkaa, joka pyrkii vastustamaan virtauksen kulkua. Kitkavastuksen suuruuteen vaikuttaa pinnankarheus.

3.2.2. Sisäinen virtausAjoneuvon korin läpi kulkeva ilmavirtaus on sisäistä virtausta. Ilmaa ohjataan korinläpi hallitusti muun muassa moottorin, vaihteiston ja jarrujen jäähdyttämistä ja matkustamon tuulettamista varten. Sisäistä virtausta voidaan verrata putkivirtaukseen,jolloin kuristukset ja mutkat aiheuttavat vastusta. Ulkoiseen virtaukseen verrattunasisäisen virtauksen virtausmäärät ovat vähäisiä ja yleensä ajoneuvon ilmanvastuksenkannalta sisäinen virtaus ei ole merkittävässä osassa. Sisäiseen virtauksen suuruuteenvaikuttavat muun muassa vaadittavat jäähdytys ja lämmitystehot. Henkilöautossa,jolla on alhainen ilmanvastuskerroin ja jossa on suuritehoinen moottori, on sisäisenvirtauksen vaikutus kokonaisilmanvastukseen suhteellisesti suurempi kuin esimer


21

kiksi kuormaautolla. Sisäisen virtauksen osalta suunnittelussa keskitytäänkin yleensä vain virtaukselta edellytettävän toiminnon, kuten moottorin jäähdytyksen, mahdollisimman hyvään toteutukseen. Koska sisäisen virtauksen suuruus on suuresti riippuvainen ajonopeudesta, voi syntyä tilanteita, jolloin virtauksen määrä ei ole riittävämoottorin jäähdyttämiseen tai matkustamon tuulettamiseen. Tällöin virtausta voidaanlisätä erillisillä puhaltimilla./5/

3.2.3. Moottorin ilmavirtausMoottorin ilmanvirtauksella tarkoitetaan sitä ilmavirtaa, jonka moottori imee polttoprosessia varten. Vastaavasti moottorin ilmanvirtaukseen voidaan lukea myös pakoputkesta ulos työntyvä pakokaasu. Ajoneuvon ilmanvastukselle moottorin ilmavirralla on häviävän pieni vaikutus, mutta ajoneuvon parhaan mahdollisen toiminnan takaamiseksi tulee ajoneuvon ympärillä vallitseva virtauskenttä tuntea muista syistä.Suunnitteluvaiheessa on huomioitava, että esimerkiksi moottorin imuilma tulisi imeämahdollisimman kuivasta, puhtaasta ja viileästä paikasta. Lisäksi, mikäli mahdollista, tässä pisteessä tulisi vallita mahdollisimman korkea paine. Vastaavasti pakoputken pää tulisi sijoittaa siten, ettei pakoputkesta tuleva pakokaasu likaa auton takaosaa. Pakoputken pää tulisi myös kyetä sijoittamaan alueelle, jossa vallitsee mahdollisimman matala paine. Toisaalta henkilöautoissa matkustamon poistoilmaventtiili onmyös sijoitettu auton takaosaan yleensä matalapaineiselle alueelle. Tällöin tuleevarmistua, ettei missään tilanteessa ole mahdollista, että pakokaasut pääsisivät kulkeutumaan poistoilmaventtiilin kautta matkustamoon.

3.2.4. Virtauskenttä pyörien ympärilläHenkilöautoissa pyörien ympärillä liikkuvalla virtauksella on huomattava vaikutusilmanvastukseen. Raskaalla kalustolla merkitys ei ole suhteellisesti yhtä suuri, muttamerkittävä kuitenkin. Raskaan kaluston erityinen kiinnostuksen kohde on pyörienympärillä kulkevan ilmavirran liittyminen vesisumun syntymiseen ja leviämiseen.Virtauskenttä pyörien ympärillä on erittäin monimutkainen ja virtauksella voi ollapienelläkin alueella useita etenemissuuntia. Selitys renkaiden suhteellisen suureenvaikutukseen kokonaisilmanvastukseen voidaan jakaa kolmeen osaalueeseen:/5/

1. pyöriä ei ole muotoiltu aerodynaamisiksi

2. paikallinen virtaus ei lähesty renkaita suoraan edestä

3. pyörät pyörivät pyöräkoteloissa.

Edellä esitettyjen osaalueiden vaikutukset sekoittuvat voimakkaasti luoden monimutkaisen kolmiulotteisen virtauskentän. Renkaiden suunnittelun tärkeimpänä tekijänä ovat luonnollisesti pitoominaisuudet ja aerodynaamiset seikat ovat pahasti ristiriidassa näiden tekijöiden kanssa. Aerodynaamiseksi suunnitellussa renkaassa kulutuspinta olisi kapea ja pyöreä, jolloin pito ja kuormankantokyky puolestaan olisivathuonoja. Todellisen renkaan kulutuspinta on leveä ja suora, jolloin virtaus törmäärenkaan etureunaan ja irtoaa pinnasta kääntyessään renkaan sivuille. Virtaus pyörivän renkaan ympärillä on esitetty kuvassa 13. Renkaan etupuolelle syntyy patopiste,jonka painetta edelleen lisää renkaan pyörivä liike. Kitkan vaikutuksesta pyörivärengas pumppaa lisää ilmaa etupuolelle. Rengas pyrkii ohjaamaan virtausta edessäänalaspäin, kunnes maanpinnan läheisyydessä virtaus purkautuu turbulenttisena sivuil


22

le. Pyöräkoteloissa pyörivät renkaat toimivat ikään kuin pumppuina pyrkien siirtämään ilmaa mukanaan. Tätä pumppausvaikutusta voidaan pienentää vähentämälläpyöriin osuvaa virtausta erillisin ilmanohjaimin, pienentämällä pyöräkoteloita taisulkemalla pyöränaukot kokonaan sivuilta. Myös vanteiden muotoilulla voidaan vaikuttaa virtauskentän käyttäytymiseen. Oikealla vannemuotoilulla ilmavirtaa voidaanohjata pyörän sisään jäähdyttämään jarruja ja pyörän laakerointia./5/

Kuva 13. Virtaus peittämättömän pyörivän renkaan ympärillä./5/

Tyypillisesti auton alla kulkeva virtaus pyrkii purkautumaan ulos sivuilta, näin ollenvirtaus osuu pyöriin jossain kulmassa. Kulman suuruus on riippuvainen auton muotoilusta, mutta se on henkilöauton eturenkaissa noin 15°. Tuloksena on, että renkaankatvepuolella, eli ulkoreunalla virtaus irtoaa rajusti turbulenttisena. Tällä ilmiöllä onhuomattava vaikutus vesisumun muodostumiseen ja leviämiseen. Kulman kasvattaminen lisää huomattavasti renkaan ilmanvastusta. Virtauksen suuntaan voidaan vaikuttaa ajoneuvon etuosan muotoilulla. Mitä vähemmän auton alle keulasta ohjautuuilmaa, sitä pienemmäksi virtauksen kohtauskulma renkaaseen jää./5/

___________________________________________________________________4. Aerodynamiikan tutkimusmenetelmät

23

4. Aerodynamiikan tutkimusmenetelmät

4.1. TuulitunnelikokeetYleisin kokeellinen aerodynamiikan tutkimusmenetelmä on tuulitunnelikokeet. Tuulitunnelimittauksissa pyritään simuloimaan laboratoriossa todellisia tieolosuhteitamahdollisimman suurella tarkkuudella. Yksinkertaistetusti voidaan ajatella, että virtauksen ominaisuuksiin ei vaikuta liikkuuko ilma vai ajoneuvo. Tällöin voidaan virtauskenttää simuloida tarkasti pitämällä ajoneuvo paikallaan ja kohdistamalla siihentasainen ilmavirtaus. Maakulkuneuvoissa vaaditaan lisäksi tarkkojen tulosten saamiseksi niin sanotun liikkuvan maatason käyttöä. Tuulitunnelin käyttäminen mittauksissa mahdollistaa vallitsevien olosuhteiden kontrolloimisen ja näin mittaustuloksistasaadaan vähennettyä häiriötekijöitä. Tuulitunnelimittauksia voidaan pitää äärimmäisinä yksinkertaistuksina todellisesta maailmasta. Toisin kuin luonnossa, tuulitunnelissa voidaan tarkasti hallita virtauksen nopeutta ja suuntaa, ilmanpainetta, kosteuttaja lämpötilaa. Samoin tuulitunnelissa voidaan eliminoida esimerkiksi sateen, lian,tienlaadun ja auringonpaisteen vaikutukset. Lisäksi mittaaminen laboratoriossa onteknisesti helpompaa kuin luonnossa, sillä tarkastelun kohteena oleva ajoneuvo eiliiku./5/

Luonnossa ajoneuvoon kohdistuva virtaus muodostuu kahdesta komponentista; paikallaan olevasta ilmasta, jota etenevä ajoneuvo syrjäyttää ja tuulesta. Ensimmäisenkomponentin suunta on päinvastainen ajoneuvon liikesuuntaan nähden ja nopeusajoneuvon nopeutta vastaava. Tuuli sen sijaan voi tulla mistä suunnasta tahansa jasen nopeus vaihtelee. Kohdatessaan esteitä luonnontuulen virtaus häiriintyy ja tuloksena on, että suunta ja nopeus voivat vaihdella suurestikin lyhyen aikavälin sisällä.Luonnontuulen vaikutusta simuloidaan tuulitunnelissa kääntämällä mallia virtaukseen nähden niin sanottuun liukukulmaan./5/

4.1.1. Tuulitunnelin rakennePerusrakenteeltaan tuulitunneli kostuu ilmavirtaa tuottavasta puhaltimesta, mittatilasta ja putkistosta, jonka tehtävänä on ohjata ilmavirta mittatilaan mahdollisimman laminaarisena. Tuulitunneleita on kahta päätyyppiä; avointa Eiffeltyyppistä ja suljetulla kierrolla olevaa Göttingentyyppistä. Nämä tyypit on esitetty kuvassa 14. Eiffeltyyppisessä tuulitunnelissa puhallin imee jatkuvasti uutta ilmaa ulkoa ja työntää laitteiston läpi kulkeneen ilman jälleen ulos. Eiffeltyyppinen tunneli voidaan myös sijoittaa suureen rakennukseen, joka toimii ilmavirran lepotilana. Näin roskien päätyminen tunneliin on helpommin estettävissä ja melu lähiympäristöön jää alhaisemmaksi kuin suoraan ulkoilmaan toimivassa rakenteessa. Göttingentyyppisessä tuulitunnelissa puolestaan puhallin kierrättää jatkuvasti samaa ilmaa, jolloin tunnelinenergiantarve jää huomattavasti pienemmäksi. Göttingentunneli vaatii kuitenkinjäähdytysjärjestelmän, sillä jatkuvasti kierrätettävä ilma pyrkii lämpiämään. Tunnelien, joihin halutaan lämpötilan hallinta, on oltava joko Göttingentyyppisiä tai rakennukseen sijoitettuja Eiffeltyyppisiä./5/


24

Kuva 14. Tuulitunnelityypit; ylempänä avoin Eiffeltunneli ja alempana suljetulla kierrolla oleva Göttingentyyppinen tunneli./5/

Ilmavirta ohjataan mittatilaan putkistoa pitkin. Putkisto on suunniteltu siten, että ilmavirta saadaan mittatilaan tullessa mahdollisimman laminaariseksi. Virtauksen laminaarisuuden ohella mittausten tarkkuuden kannalta oleellinen on mittatilan poikkileikkauksen pintaalan suuruus. Mitattavan kappaleen otsapintaalan suhde mittatilanpoikkileikkauksen pintaalaan, niin sanottu ”blockage ratio” määritellään seuraavasti:/5/

NAA

=θ (10)

Jossa A on mitattavan kappaleen otsapintaala ja AN mittatilan poikkileikkauksen pintaala. Koska luonnossa ajoneuvo etenee rajattomassa tilassa, tulisi vastaavien olosuhteiden aikaansaamiseksi pintaalojen suhteen olla ääretön, eli mittatila olisi äärettömän suuri. Tämä puolestaan edellyttäisi puhaltimelta ääretöntä tehoa. Todellisenkokoisella henkilöautolla testattaessa mittatilojen poikkileikkausten pintaalat vaihtelevat autoteollisuuden käyttämissä tuulitunneleissa välillä 10 – 37,5m2 ( = 0,05 –0,2)./5/

Mittatila voi myös olla niin sanottu suljettu mittatila, jolloin mittatila on vain putkenyksi osuus. Tämän tyyppiseen mittatilaan on virtauksen ohjaaminen laminaarisenahelpompaa, mutta poikkipintaalan pienuuden takia virtaus on herkempi häiriintymään tunnelin seinämistä kuin avoimessa mittatilassa./4/

4.1.2. MittaaminenTuulitunnelimittauksia voidaan suorittaa varsinaisilla ajoneuvoilla, mutta myös pienoismalleilla. Käytettäessä pienoismalleja mittausten tarkkuus kärsii, sillä kaikkiayksityiskohtia on mahdotonta jäljentää pienoismalliin. Myös normaalisti ilmanvastusta kasvattava ajoneuvon sisäinen virtaus on mahdotonta mallintaa pienoiskoossaoikein. Kuvassa 15 on esitetty suhteessa 1:5 oleva henkilöauton pienoismalli. Pienoismallien käyttämisessä on kuitenkin etuna vaadittavan tuulitunnelin koon pienentyminen. Toisaalta kaavasta (6) nähdään, että Reynoldsin luvun Re ja kinemaattisenviskositeetin ollessa vakioita, riippuu virtausnopeus käänteisesti kappaleen pituudesta. Näin ollen mikäli käytetään esimerkiksi pienoismallia, jonka mittakaava on1:5 alkuperäisestä, tulee mittauksissa käyttää viisi kertaa suurempaa virtausnopeuttakuin täysikokoisen ajoneuvon haluttu mittausnopeus. Käytännössä pienoismallien


25

käyttöä rajoittaa huomattavan suureksi kasvava virtausnopeus, jota ei kyetä tuottamaan normaalissa tuulitunnelissa./5/

Kuva 15. Tuulitunnelimittauksissa käytetty henkilöauton pienoismalli mittakaavassa 1:5./12/

Nykyaikana suuri osa autojen aerodynamiikan tutkimuksesta liittyy sivutuulen vaikutuksiin. Tuulitunnelissa sivutuulen vaikutuksia pyritään simuloimaan kiinnittämällämitattava kappale kääntöpöytään. Kääntöpöydällä voidaan kappaletta kiertää virtauksen suuntaan nähden.

Normaalisti ajoneuvo tai pienoismallimittauksia suoritettaessa mitattava kappaleasetetaan niin sanotulle maatasolle, jolla pyritään vähentämään tunnelin lattiaa vastenmuodostuvan rajakerroksen vaikutuksia. Todellisuudessa auton edetessä tiellä tyynellä ilmalla on sen kohtaama ilmakerros paikallaan, mikä siis vastaa laminaaristavirtauskerrosta, jonka kaikilla partikkeleilla on sama etenemisnopeus ja suunta. Tätäei normaalissa tuulitunnelissa kyetä simuloimaan, sillä ajoneuvo on asetettava tasolle, joka puolestaan tuottaa virtaukseen aina rajakerroksen. Rajakerroksessa partikkeleiden nopeudet ja suunnat vaihtelevat. Kuvassa 16 on esitetty erilaisia rakenteita,joilla pyritään ehkäisemään rajakerroksen syntymistä. Parhaiten todellista tilannettakyetään simuloimaan käyttämällä liikkuvalla maatasolla varustettua tuulitunnelia.Liikkuva maataso toteutetaan asettamalla ajoneuvo tai pienoismalli hihnalle, jokapyörii virtauksen suuntaan virtauksen nopeudella. Näin saadaan samalla toteutettuarenkaan pyöriminen tarkasti ilman erillisiä rullia.

Kuva 16. Tuulitunnelin lattiaratkaisuja, joilla pyritään vähentämän lattialle syntyvän rajakerroksenvaikutusta./5/

Tutkimuksissa on havaittu huomattavia eroja mittaustuloksissa riippuen siitä käytetäänkö kiinteää vai liikkuvaa maatasoa. Selvitysten mukaan liikkuvalla maatasollatoteutetut mittaukset antavat noin 9 prosenttia pienemmän vastuskertoimen ja noin19 prosenttia pienemmän nostovoimakertoimen./13/


26

Liikkuvan maatason käyttämisellä on vaikutusta koko virtauskenttään ajoneuvonympärillä, mutta suurin vaikutus sillä on ajoneuvon ali ja pyörien ympärillä kulkevaan virtaukseen. Ajoneuvon ali kulkevalla virtauksella on puolestaan vaikutustaajoneuvon perän alipainealueen täyttymiseen, kuten kuvasta 17 voidaan havaita./5/

Kuva 17. Liikkuvan maatason käytön vaikutus linjaauton perän virtaukseen. Yllä kiinteä ja alla liikkuva maataso./5/

Tuulitunnelimittauksien tuloksia korjataan yleensä laskennallisesti, jotta tunnelinseinämien vaikutuksia virtaukseen saadaan vähennettyä. Vaikka lähtökohtaisesti pyrittäisiin hyvinkin tarkkaan mittausjärjestelyyn, ei tunneli koskaan vastaa olosuhteitaluonnossa. Suurimpana ongelmana on rajallinen mittatila, sillä tunnelin seinämätsynnyttävät rajakerroksen ja kuristavat virtausta. Myös mitattava kohde kuristaa virtausta. Tuulitunnelikorjausten laskentakaavat ovat yksilöllisiä kullekin tunnelille jane laaditaan tunnelin kalibroinnin yhteydessä suoritettavassa perusteellisessa tutkimuksessa.

4.1.3. Tuulitunnelin mittalaitteetAerodynaamisten voimien, kuten ilmanvastusvoiman ja nostevoimien määrittämiseen käytetään voimaantureita. Mitattava kappale kiinnitetään mittavaakaan, jokakykenee mittaamaan voimat kolmen akselin suunnissa ja momentit näiden akseleidenympäri. Yksittäisten voimaantureiden tuloksista voidaan laskea halutun suuntaisetvoimat. Mittapöydän ja mallin kiinnityksen tulee olla sellaisia, että malli ei pääseliikkumaan hallitsemattomasti mittauksen aikana. Voimien välitysreitillä mallistaantureihin ei saa esiintyä kitkaa tai hystereesiä./5/

Mitattavan ajoneuvon otsapintaalan määrittäminen voidaan tehdä heijastamalla tehokkaalla valonheittimellä ajoneuvon varjo valkealle kankaalle ja piirtämällä kuvasyntyneestä varjosta. Tarkkuuden varmistamiseksi valonheitin tulee sijoittaa riittävänetäälle kohteesta. Otsapintaala voidaan määrittää tarkasti myös valokuvalla, kunkäytetyt linssit ja järjestelyt tunnetaan riittävällä tarkkuudella. Nykyään otsapintaalan määrittäminen tehdään yleensä laservalon avulla. Mittauksessa laservalonlähdeja valotunnistin liikkuvat tasossa ja ajoneuvon taakse asetetaan heijastava pinta. Laserilla tapahtuva otsapintaalan määrittäminen on esitetty kuvassa 18./5/


27

Kuva 18. Ajoneuvon otsapintaalan määrittäminen laserin avulla./5/

Virtauksen käyttäytymistä ajoneuvon ympäristössä voidaan tehokkaasti tutkia visuaalisin keinoin. Perinteinen tapa on liimata tai teipata ajoneuvon pinnalle villalanganpätkiä, jotka kääntyvät virtauksen vaikutuksesta osoittaen sen suunnan kullakin alueella. Nykyaikaisempi tapa vastaavanlaiseen tutkimukseen on laittaa ajoneuvon pinnalle fluorisoivaa nestettä, joka kulkeutuu virtauksen mukana kuten kuvassa 19.Haittapuolena nesteen käytössä on painovoiman vaikutus, joka vääristää pisaroidenkulkureittejä. Painovoiman vaikutus näkyy varsinkin alueilla, joilla virtaus hidastuuvoimakkaasti tai irtoaa.

Kuva 19. Virtauksen visualisoiminen ajoneuvon pinnalla värillisen nesteen avulla./12/

Nykyään yleinen tapa virtauksen visualisoimiseksi on käyttää savua. Savu on tarkemmin sanottuna höyrystettyä vesialkoholiseosta ja se ohjataan ilmavirtaan pitkällä ohuella putkella. Höyry kulkeutuu virtauksen mukana virtaviivojen mukaisesti,kuten kuvassa 20. Menetelmää voidaan tehostaa syöttämällä höyryä useista suuttimista ja valaisemalla ajoneuvoa tasomaisesti laservaloverholla. Valoverho valaiseevirtauksen halutun tason suunnassa ja tarkastelu on helpompaa. Virtauksen visualisoimiseen voidaan käyttää myös saippuakuplia, jotka on täytetty heliumilla./5/


28

Kuva 20. Virtauksen visualisoiminen höyryn avulla./12/

Virtauksen dynaamista painetta voidaan mitata niin sanotulla Pitotputkella. Pitotputki mittaa staattista painetta p putken sivulta ja patopainetta g putken suulta. Näiden paineiden erotus on virtauksen dynaaminen paine pdyn. Pitotputken rakenne onesitetty kuvassa 21. Paine johdetaan mittapisteestä varsinaiselle paineanturille, joinakäytetään manometreja sekä mekaanisia ja elektronisia antureita. Nykyään käytetäänyleensä pietsosähköisiä elektronisia antureita, sillä niistä data kyetään siirtämäänsuoraan tietokoneelle. Tuulitunnelissa paineenvaihtelut voivat olla erittäin nopeita,joten anturilla tulisi olla lukemisen helpottamiseksi hyvä vaimennuskyky. Vaimentamaton anturi tuottaa nopeasti vaihtelevaa dataa, josta keskiarvon määrittäminen voiolla vaikeaa. Vaimennettu anturi puolestaan tuottaa jatkuvasti keskiarvoista dataa.Manometrilla on hyvä vaimennuskyky, mutta mekaaniset ja sähköiset anturit vaativaterillisen vaimentimen./5/

Kuva 21. Pitotputken rakenne./5/

Virtauksen nopeus voidaan laskea dynaamisesta paineesta kaavalla;/5/

dynpv ∆=ρ2 , (11)

jossa pdyn on dynaaminen paine ja ilman tiheys. Ilman tiheys riippuu lämpötilastaT, ilmakehän paineesta p ja kosteudesta pe kaavan;/5/

Tpp e131349 −

=ρ (12)


29

mukaisesti, jossa;/5/

100UEpe = . (13)

Kaavassa (13) U on suhteellinen kosteusprosentti ja E on kylläisen höyryn painelämpötilassa T.

Pitotputkella voidaan mitata tarkasti vain, jos virtaus on tasainen ja sen suunta ontunnettu. Pitotputken tarkkuus kärsii myös, mikäli virtausnopeus on alhainen. Pienillä alle 3m/s virtausnopeuksilla voidaan virtauksen nopeutta mitata tarkasti esimerkiksi siipianemometrillä. Siipianemometrissä on pieni potkuri, jota ilmavirta pyörittää.Potkurin pyörimisnopeudesta voidaan päätellä virtauksen nopeus. Siipianemometrion helppokäyttöisyytensä vuoksi yleinen mittalaite tuulitunnelikokeissa. Virtauksennopeutta voidaan mitata myös kuumalankaanturilla. Kuumalankaanturissa on ohutvolframista valmistettu lanka kahden elektrodin välillä. Elektrodeihin johdetaan jännite, jolloin sähkövirta kuumentaa langan. Volframilangan sähkönjohtavuus muuttuulämpötilan funktiona ja ilmavirran jäähdyttäessä lankaa, voidaan virtauksen nopeusmäärittää langan vastusarvosta tai langan läpi kulkevasta virrasta. Kuumalankaanturin tavoin toimii myös kuumakalvoanturi, jossa langan tilalla on ohut kvartsinenkalvo. Kuumalanka ja kuumakalvoantureiden tarkkuutta voidaan parantaa lisäämälläuseampia lankoja tai kalvoja. Näin antureista saadaan kaksi tai kolmiulotteisia. Virtausnopeuden määrittämiseen ja virtauskentän hahmottamiseen voidaan käyttää myösoptisia menetelmiä, kuten laserdoppleranemometriä./5/

Virtauksen suunnan määrittäminen voidaan tehdä yksinkertaisimmin visuaalisestikäyttämällä ohuen kepin päähän kiinnitettyä villalangan pätkää. Mikäli virtauksensuunta halutaan tietää tarkemmin, voidaan käyttää anturia jossa on kaksi hieman erisuuntaan osoittavaa paineputkea. Anturia käännetään ja kun paineero putkien välilläon nolla, osoittaa anturi suoraan virtausta kohti. Myös vastaavalla periaatteella toimivia, mutta useammalla paineputkella varustettuja antureita käytetään./5/

Tuulitunnelikokeissa tulee vallitsevat lämpötilat tuntea tarkasti, jotta lämpötilan vaikutus ilman tiheyteen voidaan määrittää. Lämpötilaa voidaan seurata mittaamallajonkin pisteen lämpötilaa tai vertaamalla kahden eri pisteen lämpötiloja keskenään.Yleisimmin lämpötilan mittaukseen käytetään termopareja, sillä niiden käyttö on yksinkertaista ja erilaisia antureita on tarjolla kattava valikoima. Mikäli lämpötilan mittaukselta edellytetään suurta tarkkuutta, voidaan käyttää vastustyyppisiä antureita.Näiden antureiden toiminta perustuu metallin sähkönjohtavuuden riippuvuuteen vallitsevasta lämpötilasta./5/

Niin kutsutulla PIVlaitteistolla (Particle Image Velocimetry) tai DPIVlaitteistolla(Digital Particle Image Velocimetry) voidaan tuulitunnelin virtausilmiöt tallentaatarkempaa tarkastelua varten. Digitaalinen PIVlaitteisto on esitetty kuvassa 22. Laitteisto tallentaa virtauksen mukana kulkevien partikkeleiden kulkureitin ja nopeuden.Partikkelit voivat olla esimerkiksi pieniä öljypisaroita. Järjestelmä koostuu laserprojektorista ja kamerasta. Projektorilla luodaan haluttuun tasoon halutulla hetkellä laservaloverho jonka kamera tallentaa. Kun kuvia otetaan riittävän nopeasti, saadaan


30

partikkelien kulkurata valoverhon tasossa tallennettua. Mikäli verhon sijaintia muutetaan synkronoituna kameran toimintaan, kyetään virtaus tallentamaan myös kolmiulotteisena./7/

Kuva 22. Digitaalinen PIVlaitteisto, jolla voidaan tallentaa virtauksen käyttäytyminen./14/

4.2. Laskennalliset menetelmätAjoneuvotekniikan kehittyessä aina suurempia panostuksia tehdään aerodynamiikantutkimukseen. Tietokonetekniikan kehitys on mahdollistanut laskennallisen analysoinnin tehokkaan soveltamisen ajoneuvojen suunnitteluvaiheessa. Kolmiulotteisenvirtauskentän mallintaminen vaatii lukemattomia laskutoimituksia ja edellyttää tietokoneilta suurta laskentatehoa. Tietokoneella suoritettava virtauslaskenta, eli niin kutsuttu CFDlaskenta on yleistynyt varsinkin suunnittelun alkuvaiheessa, sillä malleihin on helppo tehdä muutoksia ja simuloinnin ajaminen on halpaa verrattuna kokeelliseen tutkimukseen. CFDlaskennassa käytettävät mallit voidaan luoda suoraanCADmalleista, jolloin tärkeää työaikaa säästyy. Tuulitunnelimittaukset puolestaanvaativat aina paljon varoja, vaikka tehtaalla olisikin oma tunneli käytössä. CFDlaskennalla ei teoriassa ole ylärajaa tarkkuuden suhteen ja käytännössä mallin rakentamiseen käytettävissä oleva aika ja simulointiin käytettävissä oleva laskentateho sanelevat laskennan tarkkuuden. Tarkkuutta rajoittavana tekijänä voidaankin pitää laskennan perustana olevan fysikaalisen teorian tarkkuutta. Tietotekniikan kehittyessä jalaskennan halventuessa CFDlaskenta valtaa jatkuvasti alaa perinteiseltä tuulitunnelimittaukselta. Ajoneuvon ulkokuoren lisäksi CFDlaskennalla voidaan tutkia esimerkiksi moottoritilan tai matkustamon virtausta. Kokonaisuutena tuulitunnelimittausten määrä ei välttämättä vähene, vaan CFDlaskentaa käytetään nopeuttamaan tuotekehitysprosessia tekemällä sillä karkeat testaukset digitaalisessa muodossa. Tuulitunnelitestausta käytetään puolestaan suunnittelun loppuvaiheessa, kun hiotaan yksityiskohtia tai halutaan vähentää esimerkiksi ilmavirran aiheuttamaa melua./5/


31

CFDlaskenta tapahtuu kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa luodaan simuloitava malli CADmallin pohjalta. Kappaleen pinta mallinnetaan pintamallinnuksena, jolloin kappaleen muoto luodaan verkottamalla määrämuotoisten elementtienavulla. Elementit kytketään toisiinsa niin sanottujen solmujen avulla. Elementtien jasolmujen lukumäärä määrittää mallinnuksen tarkkuuden. Esimerkiksi lähteen /15/tutkimuksessa puoliperävaunuyhdistelmän mallintaminen peileineen oli toteutettu1,78 miljoonalla nelikulmaisella elementillä. Toisessa vaiheessa määritetään laskennassa vaadittavat parametrit, kuten väliaineen tiheys, virtausnopeus, virtauksen suunta ja mitattavan kappaleen asento virtaukseen nähden. Lisäksi suoritetaan varsinainenlaskenta, joka vaatii paljon aikaa ja prosessoritehoa. Kolmas vaihe on tulosten tarkastelu. Kuvassa 23 on esitetty suhteellinen ajantarve ja sen jakautuminen kolmella eritapaa toteutetulla analysoinnilla.

Kuva 23. Ajantarpeen jakautuminen eri tavoin suoritetussa CFDmallinnuksessa./16/

Pintamallin luomiseen kuluvaa aikaa voidaan säästää, kun hyödynnetään ajoneuvonsymmetrisyyttä. Riittää, että luodaan vain ajoneuvon toinen puoli, joka sitten peilataan muodostamaan toinen puoli. CFDlaskentaa voidaan tehdä myös kaksiulotteisena, jolloin kappaleen profiilin toimintaa voidaan tarkastella. Kaksiulotteinen simulointi on verrattain nopeaa sekä mallin luomisen, että simuloinnin ajamisen kannalta.

Kuva 24. CFDlaskennalla saatuja tuloksia kuormaauton ohjaamon virtauskentästä graafisessamuodossa./17/

Tuloksia voidaan tarkastella numeerisesti ja selvittää halutut parametrit, kuten ilmanvastuskerroin tai noste. Tuloksia voidaan tarkastella myös graafisesti virtaviivojen avulla. Kuvassa 24 on esitetty kuormaauton ohjaamon virtauskenttää CFDmallinnuksen tuloksena. Graafinen kuva yhdessä paikallisten paine ja virtausnopeustietojen kanssa antaa hyvän kuvan virtauksen käyttäytymisestä./5/


32

4.2.1. LaskentaTietokoneella tapahtuva virtauslaskenta perustuu yksinkertaisimmillaan kahteen periaatteeseen; massan ja liikemäärän säilyvyyteen. Massan säilyvyyttä voidaan hyödyntää massavirran yhtälön kautta. Massavirta saadaan laskettua yhtälöllä:/4/

111

.

1 Acm ρ= , (14)

jossa 1 on tiheys, c1 on virtausnopeus ja A1 virtauksen poikkipintaala pisteessä 1.Massan säilyvyyden mukaan säilyy myös massavirta vakiona. Tällöin:/4/

..

2

.

1 mmm == . (15)

Nyt kaavoista (14) ja (15) saadaan: /4/

222111 AcAc ρρ = . (16)

Liikemäärän säilyminen puolestaan perustuu ajatukseen, jonka mukaan partikkelinliikemäärän muutos on suorassa suhteessa siihen vaikuttaviin voimiin. Tällöin: /4/

)( 12

.

1

.

12

.

2 ccmcmcmF −=−=∑ . (17)

Jos partikkeliin vaikuttavat voimat ovat ainoastaan painevoimia ja tarkastelu rajoitetaan käsittämään vain xsuunnan, voidaan kaava (17) kirjoittaa muotoon: /4/

2211 )()( AppAppFF aa −−−+=∑ , (18)

jossa p1 ja p2 ovat staattiset paineet pisteissä 1 ja 2. Tekijä pa on puolestaan vallitsevan ilmakehän paine. Kun kaavaan (18) sijoitetaan kaavat (17) ja (14) saadaan: /4/

12112

2221122 )()( AcAcAppAppF aa ρρ −+−−−= . (19)

Yksinkertaisimmat tietotekniset laskentaohjelmat perustuvat vain edellä esitettyihinkaavoihin. Tämän tyyppiset ohjelmat eivät ota huomioon viskositeetin vaikutusta, eline eivät kykene kuvaamaan kitkavastusta eivätkä virtauksen irtoamisesta aiheutuvaavastusta tarkasti. Näillä yksikertaisemmilla ohjelmilla voidaan kuitenkin tehdä nopeasti visualisointeja virtauksesta erilaisten kappaleiden ympärillä. Juuri nopeuden takia ne ovat käteviä työkaluja suunnittelun alkuvaiheessa ja tehtävissä joissa ei absoluuttisen tarkkoja tuloksia edes vaadita./4/

Monimutkaisemmat laskentaohjelmat perustuvat niin kutsuttuihin NavierStokes yhtälöihin. Nämä RANSsimuloinnit ottavat huomioon viskositeetin vaikutuksen ja nekykenevät ainakin teoriassa mallintamaan myös pintakitkan ja virtauksen irtoamisenvaikutukset. Edelleen suurempaa tarkkuutta haluttaessa tulee ohjelman kyetä mallintamaan myös virtauskentän turbulenttiset alueet ja rajakerros, sekä laskemaan virtauksen käyttäytymistä kolmiulotteisena. Näin monimutkaisilla ohjelmilla mallintaminen vaatii kuitenkin huomattavasti enemmän prosessoritehoa ja aikaa./4/


33

4.3. TiekokeetAjoneuvojen aerodynaamisia ominaisuuksia voidaan tutkia myös niiden todellisessaympäristössä. Tiellä tehtävät kokeet ovat periaatteessa tarkkoja, sillä olosuhteet vastaavat täysin todellisia. Ongelmana on kuitenkin, että luonnossa olosuhteet eivät olemitenkään hallitut tai edes vakiot. Näin ollen tuloksissa on aina paljon ulkoisten tekijöiden aiheuttamaa tulkinnan varaa ja mittausten toistettavuus on huono. Tiekokeillapyritään selvittämään ilmanvastusvoimaa, mutta mekaanisten vastusvoimien erottaminen kokonaisvastuksesta tarkasti on hankalaa. Lisäksi tiekokeilla voidaan testatamoottorin jäähdytysjärjestelmän ja matkustamon ilmanvaihtojärjestelmän toimintaasekä mitata ajoneuvon sisämelua. Usein tiekokeita käytetään suunnittelun loppuvaiheessa lähinnä tuulitunnelissa saatujen tulosten oikeellisuuden varmistamiseen./5/

4.3.1. RullauskokeetAjoneuvon vastusvoimia voidaan selvittää suorittamalla rullauskokeita niin sanotullaCoast Down menetelmällä tai Hill Rolling mäkikokeella. Coast Down menetelmässä ajoneuvo kiihdytetään johonkin nopeuteen ja annetaan tämän jälkeenrullata vaihde vapaalla. Määrätyllä nopeusvälillä esimerkiksi 80 à 50km/h ajoneuvon hidastuvuus määritetään käytetyn ajan perusteella. Hidastuvuudesta voidaan päätellä kokonaisvastus Ftot kaavalla;/8/

ritot FFmtvF +=

∆∆

= (20)

jossa v on nopeuden muutos, t on ajan muutos ja m on ajoneuvon massa. Fi onpuolestaan ilmanvastusvoima ja Fr mekaaniset vastusvoimat, kuten vierintävastus jalaakereiden kitkavoimat. Vertailevassa tutkimuksessa voidaan verrata suoraan hidastuvuusaikoja tai kokonaisvastusta erojen havaitsemiseksi, sillä Fr:n osuus vastusvoimista säilyy likimain vakiona nopeudesta riippumatta. Jos ilmanvastusvoima halutaan selvittää, tulee mittaukset tehdä vähintään kahdella eri nopeudella, jolloin vakiona säilyvä mekaaninen vastusvoima Fr voidaan erottaa laskennallisesti./8/

Edellä esitetyssä tarkastelussa ei huomioida mitenkään pyörivien osien hitausmomentteja, joilla on oma vaikutuksensa hidastuvuuteen. Mikäli pyörien ja akseleidenhitausmomentit tunnetaan, voidaan kokonaisvastus ratkaista kaavalla;/5/

dttdVfmFtot)()1( += (21)

jossa;/5/

mrI

rI

f d

d2

0

02 +

= . (22)

Kaavassa (22) Id on hitausmomentti vetävälle akselille ja voimalinjalle, rd on vetävien pyörien dynaaminen vierintäsäde, I0 on rullaavan akselin hitausmomentti ja r0 onrullaavien pyörien dynaaminen vierintäsäde.

Coast Down rullauskokeet pyritään tekemään vaakasuoralla ja tasaisella alustalla.Käytännössä testejä tehdään lentokentillä ja tasaisilla tieosuuksilla. Yleensä nämä


34

pinnat eivät kuitenkaan ole täysin vaakasuoria eivätkä tasaisia. Varsinkin raskaankaluston rullauskokeissa saattavat rullausmatkat kasvaa huomattavan pitkiksi ja tällöin edes lentokenttien suoruudet eivät riitä sellaisenaan. Myötä ja vastamäkien vaikutus joudutaan poistamaan laskennallisesti. Tällöin ilmanvastuksen Fi ja vierintävastuksen Fr lisäksi kokonaisvastus Ftot sisältää nousuvastuksen tekijän Fn, joka määritellään kaavalla:

)sin(α⋅⋅= gmFn , (23)

jossa m on ajoneuvon massa, g putoamiskiihtyvyys ja on mäen kaltevuuskulma.Mittaradan kaltevuuden vaikutus voidaan poistaa myös suorittamalla kokeet radallamolempiin suuntiin ja laskemalla tulosten keskiarvot. Myös mittaradan epäsuoruusvoidaan poistaa laskennallisesti, mikäli radan profiili tunnetaan riittävän tarkasti.Laskenta tapahtuu periaatteessa kaavan (23) mukaisesti, mutta tällöin tarkastelu tarkennetaan koskemaan radan pieniäkin nousuja ja laskuja.

Hill Rolling mäkikokeessa mitataan vakiojyrkkyydellä laskevassa mäessä ajoneuvonniin sanottu mäkinopeus, eli vakionopeus jonka ajoneuvo vapaasti rullatessaan saavuttaa. Kun mäkinopeus on selvitetty, voidaan ajoneuvoon tehdä muutoksia ja tutkianiiden vaikutuksia mäkinopeuteen./8/

Rullauskokeissa kaikki muut kuin mitattavat tekijät on pyrittävä vakioimaan. Tuuliolosuhteiden tulisi olla jatkuvasti samat, eli käytännössä mahdollisimman tyyni.Myöskään lämpötila, ilmanpaine ja kosteus sekä vierintäominaisuudet eivät saisivaihdella mittausten aikana. Vierintäominaisuuksien säilymisen varmistamiseksi tulee renkaiden paineet tarkistaa usein, jotta lämpötilan vaikutus paineeseen havaitaan.Tarvittaessa renkaat voidaan täyttää typellä ilmiön vähentämiseksi. Kokeiden tekemiseen vaaditaan laitteisto ajoneuvon nopeuden ja ajan mittaamiseksi sekä laitteettuulen nopeuden ja suunnan määrittämiseksi. Tarkimmat tulokset saadaan, mikäliajoneuvon paikka ajan suhteen voidaan mitata esimerkiksi GPSlaitteella. Näin voidaan tarkastella mittausalueelta mitä tahansa nopeusväliä./8/

Ajoneuvon vierintävastus voidaan määrittää laskennallisesti, mutta myös kokeellisesti. Ajoneuvo voidaan esimerkiksi sijoittaa suojakuomun alle ja kiinnittää suojakuomuun voimaanturilla. Kun kuomua vedetään vakionopeudella, voidaan voimaanturin lukemasta määrittää vierintävastusvoima. Ajoneuvon kokonaisvastus voidaanmyös määrittää kokeellisesti esimerkiksi työntämällä ajoneuvoa toisella ajoneuvollapitkän tangon välityksellä. Tankoon on sijoitettu voimaanturi ja tangon tulee ollahyvin pitkä, jotta voidaan varmistua, ettei ajoneuvoilla ole minkäänlaista aerodynaamista vuorovaikutusta keskenään./5/

___________________________________________________________________5. Hyötyajoneuvojen aerodynamiikan parantaminen

35

5. Hyötyajoneuvojen aerodynamiikan parantaminen

5.1. KuormaautotPerinteisesti kuormaautojen suunnittelussa tärkeimpänä tekijänä on ollut mahdollisimman hyvä kuormankuljetuskyky. Kaikkea suunnittelua on ohjannut tarve maksimoida kuormatilan koko ja tehdä kuorman lastaus ja purku mahdollisimman helpoksi. Polttoaineen kulutus ei ole ollut merkittävä tekijä, sillä suurilla kuormamäärilläkuljetukset ovat kuitenkin olleet kannattavia. Nykyään öljyn hinnan noustessa ja huolen ympäristöstä kasvaessa on huomiota kiinnitetty myös ajovastuksien minimoimiseen. Aerodynaamisen muotoilun kannalta tilanne on kuitenkin haastava, sillä kehitys on kulkenut väärään suuntaan lähes sadan vuoden ajan. Esimerkiksi puoliperävaunuyhdistelmän ilmanvastuskerrointa on kuitenkin mahdollista parantaa jopa noin40 % perinteiseen rakenteeseen verrattuna. Eri osaalueiden vaikutukset liukukulmanfunktiona on esitetty kuvassa 25. Huomattava asia on, että kaikki kuvassa esitetytratkaisut nojaavat nykyisenkaltaisen ajoneuvoyhdistelmän perusrakenteeseen, eikämitään radikaaleja teknisiä tai muotoilullisia muutoksia vaadita./5/

Kuva 25. Erilaisten ratkaisuiden vaikutus kuormaauton ilmanvastukseen liukukulman funktiona./5/


36

Kuormaautojen suunnitteleminen aerodynaamisemmiksi on hankala tehtävä, silläauton sisätilat tulisi kyetä maksimoimaan säädettyjen ulkomittojen puitteissa. Tällöinperusmuodoksi määräytyy useimmiten ulkomittojen sanelema suorakulmainen särmiö. Suomen lainsäädännön mukaisesti auton ja perävaunun suurin sallittu korkeuson 4,2 metriä ja suurin sallittu leveys on 2,60 metriä. Muun kuin lämpöeristetyn ajoneuvoyhdistelmän, joka kiinteältä rakenteeltaan on yli 22,00 metrin pituinen, suurinsallittu leveys on kuitenkin 2,55 metriä. Kuormaauton pituus saa olla suurimmillaan12 metriä samoin kuin puoliperävaunun ja yli 22 metrin pituisessa yhdistelmässäkäytetyn varsinaisen perävaunun pituus vetotapin pystyakselista tai etuakselistonkääntöpisteestä perävaunun perään. Muiden kuin edellä mainittujen perävaunujenpituus saa olla suurimmillaan 12,5 metriä. Perävaunussa etäisyys vetotapin pystyakselista tai etuakseliston kääntöpisteestä vaakatasossa mihin tahansa sen etupuolellaolevaan kohtaan saa olla suurimmillaan 2,04 metriä. N2 ja N3luokan ajoneuvon japuoliperävaunun yhdistelmän suurin sallittu pituus on 16,5 metriä. Auton ja keskiakseliperävaunun yhdistelmän suurin sallittu pituus on 18,75 metriä ja kuormatilojenpituuksien summa enimmillään 15,65 metriä. Lisäksi kyseisessä yhdistelmässä etäisyys vetoauton kuormatilan etupäästä perävaunun kuormatilan takapäähän saa ollaenimmillään 16,4 metriä. N2 tai N3luokan kuormaauton ja kaksi tai useampiakselisen varsinaisen perävaunun sekä kuormaauton, apuvaunun ja puoliperävaunun samoin kuin kuormaauton, puoliperävaunun ja siihen kytketyn keskiakseli tai puoliperävaunun yhdistelmän suurin sallittu pituus on 25,25 metriä, josta mitasta kuormatilojen ulkopituuksien summa on enimmillään 21,42metriä./18/

Eräänä ratkaisuna rahtitilan muodon säilyttämiseen ja samalla tapahtuvaan aerodynamiikan parantamiseen on kokeiltu pneumaattista laitteistoa. Teknologia on sovellettu käyttöön lentokonetekniikasta. Ideana on puhaltaa erillisellä pneumaattisellalaitteistolla ilmaa ajoneuvon ympärillä esiintyviin alipainealueisiin. Tyynellä ilmallaajettaessa ilmaa puhalletaan auton taakse ja sivutuulen vaikutuksessa myös autonkatvepuolen kyljelle. Simuloinneilla on saatu erittäin positiivisia tuloksia; riippuenpuhallettavan ilman määrästä pieneni puoliperävaunuyhdistelmän ilmanvastuskerroinjopa 5080 prosenttia ja samalla saadaan aerodynaamiset voimat kaikilla kolmellaakselilla tehokkaasti hallintaan. Hyöty ei kuitenkaan siirry suoraan energiansäästöksi,sillä puhallettavan ilman paineen ja riittävän tilavuusvirran tuottamiseen vaaditaantoimilaite, joka huonontaa ajoneuvon energiatehokkuutta. Toisaalta sivutuulen vaikutusten minimoimiseen järjestelmä toimii verrattain hyvin./19/

5.1.1. Ohjaamon muotoiluKuormaauton ilmanvastuksen pienentämisen kannalta auton ohjaamon muotoilullaon suuri vaikutus. Tutkimuksissa on kuitenkin havaittu, että mikäli autossa on perinteinen teräväkulmainen kuormatila, ei ohjaamon pyöristämisellä ole juuri vaikutustakokonaisvastukseen pienillä liukukulmilla. Syynä ovat kuormatilan terävät kulmat,joiden aiheuttama vastus kasvaa ohjaamon ollessa virtaviivaisempi. Näin ollen perinteisellä konstruktiolla ohjaamon ilmanvastuksen pieneneminen kasvattaa kuormatilanvastusta. Lopulliseen vastuksen muutokseen vaikuttavat muun muassa ohjaamonkorkeuden suhde kuormatilan korkeuteen ja ohjaamon sekä kuormatilan etäisyys, elionko kyseessä kuormaauto vai puoliperävaunuyhdistelmä. Tyypillisesti ohjaamon jakuormatilan korkeuseron tai niiden välisen etäisyyden kasvattaminen lisää myös ilmanvastusta. Ohjaamon pyöristämisestä saadaan kuitenkin huomattavaa hyötyä sivutuulen vaikuttaessa ajoneuvoon, eli liukukulman kasvaessa. Kuten kuvasta 26 näh


37

dään, voidaan pyöristetyllä ohjaamolla saavuttaa jopa 0,2:n parannus ilmanvastuskertoimeen liukukulman ollessa 20°./5/

Kuva 26. Kuormaauton ohjaamon pyöristämisen vaikutus ilmanvastukseen. Kuvissa käyrä viittaaaina ajoneuvon tummennetun alueen ilmanvastuskertoimeen./5/

Ohjaamon muotoa voidaan parantaa pyöristämällä ja viistämällä kulmat sekä kallistamalla tuulilasia taaksepäin. Teoriassa ohjaamon virtausominaisuudet ovat sitä paremmat, mitä suuremmat kulmapyöristykset ja viisteet ovat. Käytännössä muotoiluarajoittavat ohjaamon tekniset ja tilankäytölliset vaatimukset. Kuten kuvasta 37 nähdään, hidastuu pyöristyssäteen vaikutus vastukseen säteen ylittäessä 120mm. Tätäarvoa voidaankin pitää optimaalisena kompromissina tilantarpeen ja vastuksen välillä. Kuvan 37 tiedot pätevät myös kuormaautoihin. Viisteiden ja pyöristyksien lisäksivirtausta etukulmien ympäri voidaan ohjata erillisillä kulmaan sijoitettavilla ilmanohjaimilla. Koska eurooppalaistyyppisessä kuormaautossa keula on laaja tasomainen jaajosuuntaan kohtisuorassa oleva pinta, kääntyy virtaus pinnan suuntaiseksi ja samallavirtausnopeus kasvaa. Kun sivusuuntaan etenevä virtaus kohtaa kulman, se pyrkiisuuren liikeenergiansa turvin erkanemaan kauas auton korista kääntyessään kyljensuuntaiseksi. Kulmakohtiin sijoitetut ilmanohjaimet kääntävät väkisin osan virtauksesta kyljen suuntaiseksi. Kulmailmanohjaimet voivat olla erillisesti kiinnitettäviäkaarevia levyjä, tai koriin integroituja rakenteita. Kuvassa 27 on esitetty kaksi tyypillistä integroitua ratkaisua./5/


38

Kuva 27. Nykyaikaisia kulmailmanohjainratkaisuja. Oikealla esitetyllä ratkaisulla pyritään myös pitämään ajovalot puhtaana.

Kuormaautojen muotoilun kehitystä seurattaessa 80luvulta nykypäivään voidaanhavaita, että etupuskuri on jatkuvasti madaltunut. Syynä tähän suuntaukseen on pitkälti määräysten tiukentuminen alleajosuojien mitoituksen osalta. Keulan madaltamisella pyritään myös rajoittamaan auton alle ohjautuvan ilmavirran suuruutta.

Madaltamisen lisäksi puskurin muodolla on vaikutusta. Tutkimuksissa on havaittu,että puskurin alaosan tulisi ohjata ilmaa enemmän sivuille kuin alle. Mitä vähemmänauton alle ohjataan ilmaa, sitä alhaisempana pysyy virtausnopeus auton alla ja alustan epätasaisuuksien merkitys vähenee./8/

5.1.2. Ilmanohjaimet ohjaamon katolla ja sivuissaTehokkain keino parantaa kuormaauton aerodynaamisia ominaisuuksia on lisätä ohjaamon katolle ilmanohjain, joka ohjaa ilmavirran jouhevasti kuormatilan katolle jasivuille. Ohjaimen asentaminen on yksinkertaista ja niitä on myös säädettäviä malleja, kuten kuvan 28 ilmanohjain, jotka voidaan säätää sopivaksi kuormatilan korkeuden mahdollisesti muuttuessa. Erityisen käteviä ovat pikasäädettävät mallit. Tällöinkonttikuljetuksiin käytettävästä autosta voidaan ilman konttia ajettaessa ilmanohjainlaskea alas ja pienentää näin huomattavasti otsapintaalaa./5/


39

Kuva 28. Tyypillinen kuormaauton katolle asennettava säädettävä ilmanohjain.

Tuuliohjaimen vaikutusta on tutkittu laajasti ja tulokset osoittavat kiistattomasti, ettätuuliohjaimella on huomattava vaikutus ilmanvastuksen suuruuteen. Tutkimuksissaon havaittu oikein muotoillun ilmanohjaimen pienentävän ilmanvastuskerrointa 19–22 % /20//8/ tai jopa 30 % liukukulman ollessa nolla /5/.

Kuva 29. Scanian korkea ohjaamo.

Kuormaautojen valmistajat ovat viime aikoina siirtyneet makuuohjaamolla varustetuissa pitkän matkan autoissa käyttämään entistä korkeampaa ohjaamoa. Näissä malleissa ohjaamo on kuormatilan korkuinen ja erillistä ilmanohjainta ei tarvita. Korkeaohjaamo mahdollistaa korkeammat sisätilat ja kerrossängyn käytön. Vaihtoehtoisestiohjaamoa voidaan lyhentää takareunastaan lepotilan siirtyessä ylös. Tällöin voidaankuormatilaa kasvattaa ja hyötykuormalle varattu tilavuus suurenee. Useilla valmista


40

jilla ohjaamo ei ole ylä eikä etureunastaan viistetty, vaan katon etureuna on samallatasolla auton keulan kanssa. Tätä rakennetta edustaa kuvassa 29 esitetty Scanian ohjaamo. Tutkimuksien mukaan tämän kaltainen rakenne ei ole merkittävästi aerodynaamisesti huonompi, kuin perinteinen matala ohjaamo erillisellä ilmanohjaimella.Paras tulos tilojen ja aerodynamiikan kannalta kuitenkin saavutetaan, kun ohjaamoon kuormatilan korkuinen ja reilusti yläreunastaan viistetty. Tällöin ilmanohjain ontavallaan integroitu koriin ja sen sisäinen tila saadaan hyötykäyttöön.

Usein kuormaautojen ohjaamo on myös hieman kapeampi kuin kuormatila. Tällöinauton kylkiin ohjaamon ja kuormatilan väliin voidaan asentaa erilliset tuuliohjaimet,jotka ohjaavat kylkeä pitkin kulkevan virtauksen sulavasti ohi levennyksen. Samallanämä ohjaimet estävät virtauksen ohjautumisen ohjaamon ja kuormatilan väliseenrakoon. Vedettäessä puoliperävaunua, jää ohjaamon ja perävaunun väliin melko suurietäisyys. Tämä rako aiheuttaa ilmanvastusta ja vaikutus suurenee huomattavasti liukukulman kasvaessa. Ohjaamoon kiinnitettävillä sivuilmanohjaimilla voidaan tehokkaasti vähentää raon vaikutusta. Sivuilmanohjaimien kokoa rajoittaa kuitenkin perävaunun tilantarve käännöksissä./5/

Kuva 30. Katolle asennetun ilmanohjaimen toiminta./12/

Kuormaauton ohjaamon katolle asennettavan ilmanohjaimen synnyttämiä voimiavoidaan käyttää myös ohjaamon vakauttamiseksi. Näin ohjaamon jousitus saadaantiukkenemaan nopeuden kasvaessa ja häiritsevä keinuminen ja huojuminen saadaanminimoitua. Nykyaikana kyseisen kaltainen suunnittelu ei vielä ole yleistynyt, silläjousituksen ja ilmanohjaimen optimointi voimien osalta on verrattain työlästä. Lisäksi mikäli auton aerodynamiikka ei jossain vaiheessa vastaakaan tehtaalta lähtenyttäversiota, ei optimointi enää toimi. Energiatehokkuuden kannalta kaikki pystysuuntaiset voimat tulisi kyetä minimoimaan ja näin ollen myös ilmanohjaimen tuottamatvoimat tulisi kyetä minimoimaan. Tämä heikentää ohjaamon vakauttamiseen käytettävissä olevan voiman määrää./17/


41

5.1.3. Vetoauton ja perävaunun väliPerinteinen kuormaauto on aerodynaamisesti haastava, sillä kulmikkaiden muotojenlisäksi ajoneuvo koostuu useista suorakulmaisista särmiöistä ja niiden väleistä. Yhden kuoren alla oleva ajoneuvo olisi huomattavasti parempi ratkaisu, mutta käytännössä kuormaautot ovat edelleen verrattain vähäisesti koteloituja ja verhottuja. Syynä tähän on pääasiassa perävaunun vaatima liikevapaus, mutta myös lisäkoteloinninvalmistukseen tuoma kustannuslisä vaikuttaa.

Kaikkiin poikittaisiin rakoihin ja väleihin muodostuu liikkeessä alipainetta ja tällöinne imevät ajoneuvon ulkopintaa pitkin kulkevaa virtausta sisäänsä. Kääntyessään rakoon virtaus törmää raon takareunaan ja aiheuttaa ilmanvastuksen kasvua. Rakojenmerkitys kasvaa liukukulman kasvaessa. Tästä syystä rakojen ja välien tulisi ollamahdollisimman kapeita tai hyvin verhottuja. Käytännössä vetoauton ja perävaununväli jää melko pitkäksi ja tämän raon vaikutuksen minimoimiseksi on kehitetty erilaisia ratkaisuja. Yksinkertaisin ratkaisu on pyöristää perävaunun etukulmat. Toinentapa on asettaa vaunun aisan päälle pitkittäissuuntainen pysty levy, joka vähentääpyörteilyä. Paras tulos saataisiin, mikäli koko väli kyettäisiin peittämään. Tämänkaltaisen ratkaisun käytännön toteutus on kuitenkin erittäin vaikea toteuttaa helppokäyttöisenä ja pitkäikäisenä. Erilaisten ratkaisujen vaikutus ilmanvastuskertoimeen onesitetty kuvassa 31.

Kuva 31. Ratkaisuja perävaunun ilmanvastuksen pienentämiseen./5/

Vetoauton ja perävaunun välin pienentämiseksi on myös kehitetty ratkaisuja, joissauudentyyppisellä aisaratkaisulla pyritään pienentämään rakoa. Eräs ratkaisu on esitetty kuvassa 32. Lain määrittäessä ajoneuvoyhdistelmien maksimipituuden, voitaisiintämän kaltaisella ratkaisulla myös huomattavaa etua kuormatilan tilavuuden kasvamisen kautta. Toistaiseksi uudentyyppiset aisaratkaisut eivät kuitenkaan ole yleistyneet sillä lainsäädännössä on määritelty ajoneuvon kuormatilojen ulkomitat koko auton pituuden lisäksi. Esimerkiksi laissa määritetään kuormaauton ja varsinaisen perävaunun kuormatilojen suurimmaksi yhteenlasketuksi ulkopituudeksi 21,42 metriä/18/.


42

Kuva 32. Aisaratkaisu, jolla pyritään auton ja vaunun välisen etäisyyden minimoimiseen./5/

5.1.4. SivuhelmatKuormaautoihin asennettavien sivuhelmojen on havaittu pienentävät ilmanvastuskerrointa 68 %, mutta niistä on myös muuta hyötyä. Helmojen vaikutus liikenneturvallisuuteen on myös huomattava, sillä ne estävät onnettomuustilanteessa jalankulkijoiden ja pyöräilijöiden ajautumisen auton alle. Lisäksi sivuhelmat vähentävät radikaalisti ilmavirran pyörteilyä auton sivuilla, jolloin sadekelillä vesisumun syntyminen ja leviäminen on huomattavasti vähäisempää. Näin muiden tiellä liikkujien näkyväisyys on parempi. Tyypillinen nykyaikainen sivuhelmarakenne asennettunakuormaautoon on esitetty kuvassa 33. Sivuhelmojen eduksi voidaan lukea myös esteettinen kohennus./5/

Kuva 33. Kuormaauto varustettuna tuuliohjaimella ja sivuhelmoilla./23/


43

Parhaan mahdollisen aerodynaamisen toiminnan saavuttamiseksi sivuhelmojen tulisiolla mahdollisimman suuret ja yhtenäiset. Ongelmana on kuitenkin huollettavuudenhuononeminen, kun pääsy auton alle vaikeutuu. Samasta syystä yleinen ratkaisu onjättää pyöräkaivot kattamatta, vaikka aerodynaamisesti niiden kattaminen olisi kuitenkin edullista. Puoliperävaunuyhdistelmään asennettu pyörät peittävä sivuhelmaratkaisu on esitetty kuvassa 34.

Kuva 34. Nykyaikainen sivuhelmaratkaisu puoliperävaunuyhdistelmässä./21/

5.1.5. Kuormatilan muotoiluKuormaauton kenties tärkein suunnittelukriteeri on perinteisesti ollut kuormankuljetuskapasiteetin maksimoiminen. Autojen maksimiulkomitat on rajoitettu lailla ja säädöksillä. Tästä syystä kaikki mittojen sisään mahtuva tila pyritään käyttämään mahdollisimman tarkasti hyödyksi kuorman kuljetusta varten. Kuormatilan tulisi ollamahdollisimman tarkasti suorakulmainen, sillä kulmien pyöristäminen aiheuttaa ongelmia suorakulmaisten kappaleiden kuormaamisessa. Kulmien pyöristäminen onkuitenkin paras keino kuormatilan aerodynamiikan parantamiseksi. Kuormatilan etureunan pyöristäminen voidaan joissain tapauksissa hoitaa oikein mitoitetuilla tuuliohjaimilla ohjaamon katolla ja sivuilla. Perävaunun etukulmien muotoilulla on merkittävä vaikutus ilmanvastuksen ja pyöristäminen voidaan toteuttaa esimerkiksi erillisellä kuvassa 31 esitetyllä lisäkappaleella ilman kuormatilan pienentymistä./5/

Ongelmallisin alue on auton tai perävaunun takaosa. Mikäli auton keula on edes jossain määrin aerodynaamisesti optimoitu, on peräpäällä suurin yksittäinen vaikutusilmanvastuksen suuruuteen. Usein auton kuormaaminen ja purku tapahtuu peräpäästä, jolloin takana tulee olla mahdollisimman suuri avattava aukko. Lisäksi kuormatilalle haluttava mahdollisimman suuri tilavuus rajoittaa pyöristyksien ja viisteidentekoa. Kun kuormatila venytetään vielä suurimpaan lain sallimaan pituuteen, on lopputuloksena, että poikkeuksetta kuormaautojen ja niiden perävaunujen perä on aerodynaamisesti erittäin epäedullinen pystysuora taso. Kuitenkin auton mittasuhteisiinnähden verrattain pienillä muotoilullisilla seikoilla voidaan saada huomattavaakinparannusta, kuten kuvasta 35 voidaan havaita./5/


44

Kuva 35. Kuormaauton perän viistämisen vaikutus ilmanvastukseen./5/

5.1.6. SivutuuliominaisuudetKuormaauton epäedullinen aerodynaaminen muoto korostuu sivutuulen vaikutuksessa, kuten kuvasta 25 voidaan havaita. Ilmanvastus kasvaa rajusti liukukulman suurentuessa, sillä ajoneuvon otsapintaala virtaukseen nähden kasvaa. Lisäksi ilmavirtatunkeutuu tehokkaammin lukuisiin koloihin ja rakoihin, joita ajoneuvon kyljillä on.Ilmanvastuksen kasvamisen lisäksi sivutuuli synnyttää ajoneuvon etenemissuuntaannähden poikittaisen voimakomponentin. Sivusuuntaisen voiman vaikutus riippuu auton muodosta, kuorman painosta ja painopisteen sijainnista. Suurimmillaan vaikutustuntuu ajettaessa tyhjällä autolla, jolloin sivusuuntainen tuulivoima on suurimmillaansuhteessa ajoneuvon massaan. Tuulivoiman painopiste sijoittuu yleensä auton kallistusakselin yläpuolelle muodostaen momenttivaikutuksen. Tällöin auto pyrkii kallistumaan ja ajaminen vaikeutuu.

Sivutuulen vaikutuksia voidaan vähentää pyöristämällä kuormatilan yläreunat, tukkimalla mahdollisimman paljon rakoja ja muutenkin selkeyttämällä muotoja. Keulanja perän reiluilla pyöristyksillä voidaan myös vähentää sivutuulen vaikutusta. Tutkimuksissa on havaittu, että paras ohjaamon katolle asennettava ilmanohjain on ylhäältä katsottuna kiilamainen tai paraboloidinen joka ohjaa ilmaa myös sivuille. Tällöinsivutuulessa ilmavirta ohjautuu helpommin katvepuolelle ja paineerot auton kylkienvälillä jäävät pienemmiksi.


45

5.2. LinjaautotHenkilöautoihin verrattuna linjaautojen suunnittelussa on huomattavasti rajoittavammat vaatimukset mittojen, muotojen ja toiminnallisuuden osalta. Myös valmistettavuus aiheuttaa ongelmia, sillä sarjakokojen ollessa pieniä, ei monimutkaisia korinosia kyetä valmistamaan riittävän edullisesti. Kuitenkin kuormaautoihin verrattuna linjaauton suunnittelussa on huomattavasti vapaammat kädet. Lisäksi kuormaautoon verrattuna linjaautoilla on aerodynaamisesti edullisemmat muodot, sillä autoon periaatteessa vain yksi suorakulmainen särmiö.

Kuten aina hyviin aerodynaamisiin ominaisuuksiin pyrkiessä, tulee myös linjaautoissa pyrkiä tasoittamaan kaikki ulkopintojen epätasaisuudet. Nykyaikaiset pikavuoroautot ovatkin jo usein varsin hyvin huoliteltuja pienten yksityiskohtien osalta.Valmistustapojen ja tekniikoiden kehittyessä päästään tulevaisuudessa varmasti vielä tarkempaan saumattomuuteen korin osalta. Myös alustan epätasaisuudet tulee pyrkiä tarkasti minimoimaan. Esimerkkinä nykypäivän futuristisesta muotoilusta on kuvassa 36 esitetty Toyotan Intelligent Multimode Transit System, joka on joukkoliikenteeseen tarkoitettu itsenäisesti kulkeva linjaauton ja junan yhdistelmä.

Kuva 36. Toyotan IMTSajoneuvo./22/

Suomen lainsäädännön mukaisesti nivelettömän kaksiakselisen linjaauton pituus saaolla suurimmillaan 13,5 metriä. Vastaavan vähintään kolmiakselisen linjaauton pituus saa puolestaan olla suurimmillaan 15 metriä. Nivelrakenteella varustetun autonpituus saa olla suurimmillaan 18,75 metriä. Linjaauton suurin sallittu leveys on 2,55metriä ja korkeus 4,2 metriä. Näitä mittoja voidaan pitää kriittisenä rajana, joidensisään tulisi suunnitella mahdollisimman suuri ja samalla aerodynaamisesti edullinenmuoto. Koska leveys ja korkeus kasvattavat otsapintaalaa, pyritään yleensä saavuttamaan haluttu tilavuus ensisijaisesti pituuden avulla./18/

5.2.1. Keulan muotoiluLinjaauton keulalla on luonnollisesti suuri vaikutus ilmanvastukseen, sillä perinteisesti keula on ollut suora ja hyvin pystysuuntainen. Helpoin tapa vastuksen vähentämiseen on pyöristää etukulmat ja katon etureuna. Tutkimuksissa on todettu, että pyöristyssädettä kasvattamalla saadaan huomattavia parannuksia aikaan aina 150mm:nsäteeseen asti. Tämän jälkeen vastuksen pieneneminen hidastuu. Ideaalisena komp


46

romissina vastusarvon ja sisätilojen koon osalta voidaan pitää siis juuri tuota150mm:n pyöristyssädettä. Kuvassa 37 on esitetty etukulmien pyöristyssäteen vaikutus vastuskertoimeen./5/

Kuva 37. Linjaauton etukulmien pyöristyssäteen vaikutus vastuskertoimeen./5/

Keulan aerodynamiikkaa voidaan parantaa myös viistämällä keulaa sivuilta tai kallistamalla keulaa yläreunastaan taaksepäin. Molemmat vaihtoehdot ovat rakenteellisestihaastavampia toteuttaa, kuin pelkkä kulmapyöristys. Sekä viistetty, että kallistettukeula ovat tehokkaita tapoja vastuksen pienentämiseen, mutta kulmien pyöristämisenjälkeen kallistamisella on enää vähäinen vaikutus, kuten kuvasta 38 nähdään. Vastuksen kannalta alhaisimpaan tulokseen päästään kuitenkin, kun kaikki keinot hyödynnetään, eli tehdään sivuilta viistetty ja kallistettu keula jonka kaikki kulmat onreilusti pyöristetty./5/

Kuva 38. Linjaauton keulan muotoilun vaikutus vastuskertoimeen. Ylimmän auton keula on suora jateräväkulmainen. Keskimmäisen auton keula on suora mutta kulmistaan pyöristetty. Alimman au

ton keula on sekä kulmiltaan pyöristetty, että reilusti taaksepäin kallistettu./5/


47

Auton kokonaisvastuksen kannalta merkittävää on myös keulan alaosan muotoilu.Mitä alemmas keula yltää, sitä vähemmän auton alle ohjautuu ilmaa. Pienempi virtausmäärä aiheuttaa pienemmän vastuksen, sillä virtausnopeus jää alhaisemmaksi janäin pohjan epätasaisuuksien vaikutus vähenee. Ilman ohjautumiseen voidaan vaikuttaa myös alareunan muodolla. Tutkimuksissa on havaittu, että muoto joka ohjaa ilmaa enemmän sivuille on vastuksen kannalta edullisempi kuin alle ohjaava muoto./8/

5.2.2. Perän muotoiluMikäli linjaauton keulan muodot on jo optimoitu, on suurin ilmanvastuksen suuruuteen vaikuttava tekijä perän muotoilu. Perän muotoilu on ehkä vielä haastavampaakuin keulan muotoilu, sillä useita auton toiminnan vuoksi tärkeitä kohteita sijaitseetakaosassa. Nykyaikana moottori sijoitetaan yleensä aivan auton takaosaan ja matkustajien tilat ulottuvat aivan takaseinään asti. Näin ollen pyöristyksien ja viisteidentekoa rajoittavat auton käyttötarkoitus ja toiminta. Kuten keulassakin, on yksinkertaisin keino vastuksen vähentämiseen pyöristyksien tekeminen kulmiin ja katon takareunaan. Pyöristykset eivät merkittävästi pienennä sisätiloja, joten ne ovat varsinkäyttökelpoinen keino. Pyöristyksillä on havaittu olevan 48 prosentin pienentävävaikutus vastuskertoimeen. Katon takaosaan voidaan myös tehdä erillinen ulkonevapieni huuli, jonka tehtävänä on irroittaa katolta tuleva virtaus mahdollisimman jouhevasti ajoneuvosta. Kuvassa 39 esitetyllä huulella on havaittu jopa 12 prosentinvaikutus vastuskertoimeen./5/

Kuva 39. Linjaauton katon takaosaan lisättävä reunus./5/

Suurin parannuspotentiaali perän muotoilussa on viisteiden tekeminen. Takakylkiinja katon takareunaan tehtyjen viisteiden on havaittu vaikuttavan 620 prosenttia vastuskertoimeen. Mikäli viisteiden lisäksi kulmat on myös pyöristetty, on vaikutuksenhavaittu olevan jopa 922 prosenttia. Paras tulos saataisiin niin sanotulla Boattail muodolla, jossa katto ja kyljet ovat pitkältä matkalta viistetyt. Boattail perällä onhavaittu olevan 1435 prosentin vaikutus vastuskertoimeen. Tämä rakenne on kuitenkin tilankäytöllisesti niin epäedullinen, että sitä tuskin voidaan pitää käyttökelpoisena. Kuvassa 40 on esitetty peräosan eri muotojen vaikutuksia ilmanvastuskertoimeen./5/


48

Kuva 40. Linjaauton perän muotoilun vaikutus vastuskertoimeen./5/

Linjaauton takaosan alareunalla on myös vaikutusta perän alipainealueen täyttymiseen ja sitä kautta ilmanvastukseen. Pohjan takaosan muotoilulle pätevät samat kriteerit kuin katolle ja kyljillekin. Nykyaikaisissa pitkän peräylityksen omaavissa linjaautoissa pohja on jo muista syistä reilusti viistetty. Pohjan takaosan viistäminen niinkutsutuksi diffuussooriksi vahvistaa kuitenkin auton alla esiintyvää venturiilmiötä jakasvattaa virtausnopeutta alustassa. Suuremmalla virtausnopeudella alustan epätasaisuuksilla on suurempi vaikutus, jolloin ilmanvastus taas kasvaa. Tästä syystä viisteensivut tulisi olla hyvin pyöristetyt, jotta viiste imisi ilmaa alustan ohella myös autonkyljiltä. Pohjan ja perän välinen kulma tulisi myös pyöristää reilusti.

5.2.3. SivutuuliominaisuudetLinjaautoissa merkittävä suunnittelunäkökohta on ajoneuvon käyttäytyminen sivutuulen vaikutuksessa. Auton muodon vuoksi kyljet ovat tasomaiset ja laajat, jolloinsivutuulen vaikutussuunnassa otsapinta on aerodynaamisesti epäedullinen. Kuvassa41 on esitetty linja auton korin virtauskentän virtaviivat liukukulman ollessa 15°. Auton katvepuolelle jäävä alipainealue on huomattavan laaja, jolloin ajoneuvoon kohdistuva sivusuuntainen voima pyrkii siirtämään koria sivusuunnassa ajosuuntaannähden. Kuvassa 42 on esitetty linjaauton korin suhteellinen painejakauma pysty javaakatasossa liukukulman ollessa 20°. Sivutuulen aiheuttama voima pienenee, josilmavirta saadaan jouhevammin ohjattua auton ohi ja yli. Yksinkertaisin keino onpyöristää katon sivureunat reilusti. Myös keulan ja perän kulmien pyöristäminen auttaa tilannetta huomattavasti.


49

Kuva 41. Linjaauton virtaviivat liukukulman ollessa 15°./5/

Kuva 42. Linjaauton korin painejakauma liukukulman ollessa 20°. Alemman kuvan numeroidut tasotovat pystysuuntaisia ja niiden painejakaumia kuvaavat vastaavat käyrät ylemmässä kuvassa.

Ylemmän kuvan aakkosilla nimetyt tasot ovat vaakasuuntaisia ja niiden painejakaumia kuvaavatvastaavat käyrät alemmassa kuvassa. Nollatasoa, eli ilmakehän painetta kuvaa auton äärivii

va./5/

_____________________________________________________________________6. Vesiroiskeiden vähentäminen

50

6. Vesiroiskeiden ja sumun vähentäminenVesisumulla on huomattava merkitys liikenneturvallisuuteen ja sen muodostuminenliittyy läheisesti ajoneuvon aerodynamiikan toimivuuteen. Edetessään valtavan vesisumupilven synnyttävä kuormaautoyhdistelmä on epämiellyttävä muille tienkäyttäjille. Vastaantulevan henkilöauton kuljettajan näkyvyys saattaa kadota lähes kokonaan useiksi sekunneiksi kohtaushetkellä. Vastaavasti perässä ajavan ajoneuvon kuljettajan on vaikea tietää tarkalleen etäisyyttä edellä ajavaan rekkaan. Lisäksi tienpinnasta noustessaan vesisumu kuljettaa likaa ja maantiesuolaa mukanaan. Tästä syystävesisumun määrällä on huomattava merkitys korroosiovaurioiden etenemiseen autonalustassa. Ajossa itsensä likaavaa autoa joudutaan pesemään usein, mikä taas puolestaan rasittaa maalipintaa ja ikkunalaseja. Kuraa nostattava auto likaa myös herkästitakavalot ja rekisterikilven. Linjaautoissa ongelmaksi voi lisäksi nousta sivuikkunoiden likaantuminen, jolloin matkustusmukavuus heikkenee. Suomen oloissa aerodynamiikalla on merkitystä myös talvisin pakkaslumen pölyämisen vähentämisessä.

6.1. Vesiroiskeiden ja sumun syntyRenkaan vieriessä märällä pinnalla se synnyttää vesiroiskeita kahdella tavalla. Niinsanottu ”splash” syntyy kun rengas syrjäyttää pinnalla olevaa vettä heittämällä sitäeteen ja sivuille. ”Spray” puolestaan syntyy, kun renkaan kuviointi nostaa pinnaltavettä mukanaan ja sinkoaa sitä tangentiaalisesti. Kuvassa 43 on havainnollistettusplash ja spraykäsitteitä. Sivuille ja eteen leviävän splashin vähentämiseen kyetäänainoastaan rengastekniikan avulla, mutta sprayn ehkäisemiseen on kehitetty lukuisiaratkaisuja./5/

Kuva 43. Renkaan vesiroiskeiden synty. Splashroiskeet lentävät eteen ja sivuille, spraysumu taasleviää taakse ja ylös./5/

Vesisumu syntyy, kun renkaan nostattamat pisarat hajoavat pienemmiksi osuessaankiinteään pintaan tai ilman suuren virtausnopeuden vaikutuksesta. Vähäisemmänmassansa vuoksi pienemmät pisarat kulkeutuvat helpommin ilmavirtausten mukanakuin suuret. Myös renkaan heittämä splash saattaa imeytyä lokasuojaan virtauksenmukana. Tyypillisesti raskaan kaluston ajoneuvot ovat etupäästään varsin tylppiä,jolloin virtaus irtoaa pinnasta kääntyessään etukulmien kohdalla taaksepäin. Irrottuaan virtaus muodostaa alipainealueen juuri etuakselin kohdalle. Tämä alipainealuepuolestaan imee ilmaa lokasuojasta, jolloin pyörän nostattamaa vettä ja likaa tempautuu ajoneuvon kyljille. Vastaavasti ajoneuvojen perä on yleensä varsin tylppä, jolloinauton taakse muodostuu suuri alipainealue. Tämä alue imee itseensä tehokkaasti au


51

ton alta tulevan virtauksen ja nostattaa näin vettä ja likaa korkealle auton takana.Ajonopeudella on suuri vaikutus vesisumun syntymiseen, sillä nopeuden noustessakaikki virtausilmiöt voimistuvat ja vettä kulkeutuu enemmän ilmavirran mukana.Vesisumun määrä voi jopa kaksinkertaistua nopeuden noustessa 60:stä 80:eenkm/h./5/

6.2. Lokasuojien toimintaPyörien nostattaman veden ja lian leviämistä pyritään estämään yleisesti lokasuojilla.Lokasuojan mahdollisimman tehokkaan toiminnan kannalta etäisyys renkaaseen tulisi olla mahdollisimman pieni. Kun etäisyys on pieni, ei renkaan ja lokasuojan välisessä tilassa kulje niin paljoa ilmaa. Ongelmana etäisyyden pienentämisessä ovatpyörien liikevarat joustoissa ja ohjattaessa. Lisäksi ajettaessa loskassa tai mudassa,voivat pyöräkotelot tukkeutua, mikäli etäisyys renkaan ja lokasuojan välillä on liianpieni. Myös huollettavuus ja renkaan vaihtaminen vaikeutuvat, kun tila renkaan ympärillä pienenee. Autoissa lokasuojat on lähes poikkeuksetta kiinnitetty koriin silläakseliin kiinnitetty rakenne, joka liikkuu renkaan mukana, on huomattavasti vaativampi ja kalliimpi valmistaa.

Yksinkertaisin ja yleisesti käytetty tapa roiskeiden ja vesisumun vähentämiseen onkäyttää mahdollisimman suuria roiskeläppiä lokasuojan jatkona. Mitä lähemmäsmaanpintaa roiskeläppä ulottuu, sitä tehokkaammin se toimii. Lokasuoja sieppaarenkaan heittämän pisaran ja johtaa veden takaisin alas kohti tien pintaa. Ongelmanaon pisaran pirstoutuminen sen osuessa vauhdilla lokasuojan sisäpintaan. Pirstoutuneet pienet pisarat ovat herkkiä kulkeutumaan ulos lokasuojasta ilmavirran mukana.Koska virtaus lokasuojan sisällä pyörii renkaan mukana, ajautuvat vesipisarat keskeiskiihtyvyyden vaikutuksesta ulospäin ja vasten lokasuojan sisäpintaa. Veden kulkeutumista ulos lokasuojasta sivujen kautta voidaan vähentää lisäämällä lokasuojanreunaan kouru, joka estää pisaroita kulkeutumasta sivusuunnassa ulos. Vesipisaroiden sivusuuntaista liikettä voidaan tehokkaasti estää myös urittamalla lokasuoja sisäpinnaltaan pitkittäisillä harjanteilla. Uritettu lokasuoja on esitetty kuvassa 44. Uritetulla lokasuojan sisäpinnalla on havaittu jopa 36 %:n väheneminen vesisumun muodostumisessa. Kun uritus jatketaan ulottumaan roiskeläppiin, jotka ulottuvat 50 mm:netäisyydelle maanpinnasta, on havaittu jopa 60 %:n väheneminen vesisumun määrässä./5/

Kuva 44. Kuormaauton takalokasuoja, jossa on veden keräämiseen tarkoitetut harjanteet./5/


52

Pitkittäisten harjanteiden lisäksi vesisumua voidaan siepata ilmavirrasta erilaisillakarhennuksilla, kuvioinneilla tai absorptiomatoilla. Kaksi erityyppistä ratkaisua onesitetty kuvassa 45. Tarkoituksena on kerätä vesisumusta pieniä pisaroita ja johtaaniitä edelleen yhteen suuremmiksi. Suuremmat pisarat valuvat massansa avulla maahan ilmavirtauksesta huolimatta. Suuremmissa nopeuksissa kuitenkin suuremmatkinpisarat saattavat tempautua vielä ilmavirran mukaan tippuessaan lokasuojan alareunasta. Tätä ilmiötä ehkäisemään on kehitetty ratkaisuja, joissa vesi kerätään lokasuojan alareunassa kouruun ja johdetaan edelleen putkea pitkin auton alle lähemmäs ajoneuvon keskilinjaa, missä ilman virtausnopeus on alhaisempi. Kaikki edelläolevat ratkaisut ovat kuitenkin hankalia mutaisissa tai loskaisissa olosuhteissa. Lokasuojassa olevat urat, kolot ja reiät tukkeutuvat herkästi. Sileäpintainen lokasuojapysyy huomattavasti paremmin puhtaana. Muovisissa lokasuojissa saattavat pakkaantunut lumi ja loska aiheuttaa painollaan ongelmia lokasuojan rakenteelle ja kiinnityksille.

Kuva 45. Kuormaauton lokasuojan sisäpinnan karhennusratkaisuja.

Kuormaautojen synnyttämän vesisumun vähentämiseksi on laadittu EECdirektiivinumero 91/226/EEC. Direktiivi koskee yli 7,5 tonnin kuormaautoja ja yli 3,5 tonninperävaunuja. Direktiivissä määritellään lokasuojan mitoitus ja sisäpinnalle kiinnitettävän absorptiomateriaalin koko ja sijainti. EECdirektiivissä määritelty lokasuojanmitoitus on esitetty kuvassa 46. Absorptiomatto on valmistettu pehmeästä ja joustavasta materiaalista, jonka tehtävänä on absorboida siihen roiskuvan veden liikeenergia. Materiaali toimii myös äänieristeenä vaimentaen renkaista syntyvää melua.EEClokasuojien on havaittu vähentävän vesisumua 710 prosenttia nopeudella60km/h ja 3342 prosenttia nopeudella 80km/h. Tulos on mielenkiintoinen, sillä joalas jatkettu lokasuoja ilman absorptiomateriaalia tuottaa likimain saman tuloksen.Näin ollen absorptiomaton merkitys vesisumun vähentämisessä on kiistanalainen./5/


53

Kuva 46. EECdirektiivin mukaisen lokasuojan mitoitus./23/

6.3. Vesisumun vähentäminen aerodynaamisestiPeriaatteena voidaan pitää, että mitä aerodynaamisempi ajoneuvo on, sitä vähemmänse nostattaa vesisumua. Näin ollen auton aerodynamiikkaa parantavat ratkaisut monesti vähentävät myös vesisumun muodostumista ja leviämistä. Esimerkkinä voidaanmainita pyöräkoteloiden virtauksen minimoimista, joka sekä pienentää ilmanvastusta, että vähentää vesisumun muodostumista. Normaalisti keulasta auton alle ahtautuva ilma virtaa ulos etupyörien lähiympäristöstä, kun kyljellä oleva virtaus irtoaa jaluo pyörän viereen alipainealueen. Jos auton alle ohjautuvan ilman määrää rajoitetaan madaltamalla auton keulaa ja virtauksen irtoaminen kyljillä estetään etukulmienmuotoilulla, saattaa etupyöräkoteloissa kulkeva virtaus jopa muuttaa suuntaansa. Tällöin etupyörien nostattama vesi imeytyisi auton alle. Auton peräpään aerodynamiikkaa parantamalla taas voidaan saavuttaa huomattavaa ilmanvastuksen pienenemistäsamalla kun vesisumun leviäminen vähenee pyörteiden pienentyessä.

Kuormaautoissa lokasuojien parantamisen ohella ehkä suurin vaikutus vesisumunkäyttäytymiseen saavutetaan sivuhelmoilla. Yhtenäiset sivuhelmat pienentävät ilmanvastusta ja vähentävät vesisumua pyörteilyn vähentyessä kyljillä. Auton edetessätiellä on kyljillä kulkeva laminaarinen virtaus likimain paikallaan auton kulkiessa senohi. Näin ollen virtauksella on hyvin vähän kineettistä energiaa ja siihen ruiskutettuvesi putoaa painovoiman vaikutuksesta nopeasti maahan. Mikäli kylki on epätasainen, muodostuu kyljelle huomattavia pyörteitä, joihin varautuu kineettistä energiaaajoneuvon etenemisestä. Auton jo ohitettua ilmamolekyylit ne jatkavat liikettään kineettisen energiansa turvin ja kantavat mukanaan vesipisaroita. Tähän perustuu sivuhelmojen tehokas vaikutus vesisumun vähentämisessä. Kuvassa 47 on havainnollistettu sivuhelmojen vaikutusta vesisumun leviämiseen ja näkyvyyteen auton läheisyydessä./5/


54

Kuva 47. Sivuhelmojen vaikutus vesisumun määrään. Alemmissa kuvissa auto on varustettu sivuhelmoilla./5/

Aerodynaamisella suunnittelulla voidaan myös ohjata kuran kulkeutumista epäedullisten ilmiöisen vähentämiseksi. Esimerkiksi sivupeilien muotoilulla voidaan ehkäistä etusivuikkunoiden likaantuminen. Linjaautoissa voidaan käyttää farmarimallisistahenkilöautoista tuttua ilmanohjainta katon takaosassa joka kääntää virtauksen katoltatakaikkunalle pitääkseen sen puhtaana. Usein tämän kaltaiset ratkaisut kuitenkinhuonontavat ilmanvastuskerrointa. Nykyään ovat yleistyneet myös ratkaisut joissailmavirtaa ohjataan pitämään esimerkiksi ajovalot puhtaina, kuten kuvan 27 oikeanpuoleisessa ajoneuvossa.

_____________________________________________________________________7. Linjaauton pienoismallin tuulitunnelikokeet

55

7. Linjaauton pienoismallin tuulitunnelikokeetTyön puitteissa tehtiin tuulitunnelikokeita linjaauton pienoismallilla. Tarkoituksenaoli verrata erilaisten keulan ja perän muotojen vaikutusta nykyisen olemassa olevanauton muotoihin. Kokeissa pyrittiin selvittämään eroja ilmanvastusvoimassa sekäsuoraan ajettaessa, että eri liukukulmilla. Jokaista variaatiota ajettiin liukukulmilla 0,10, 20 ja 25 astetta.

7.1. Tutkimuksen kohdeReferenssinä mittauksissa käytettiin nykyään käytössä olevan Kabus TC6Z3/7300pikavuorolinjaauton muotoa, jonka energiatehokkuus on käytännössä tunnettu. Kyseinen auto edustaa tyypillistä nykyaikaista muotoilulinjaa, jossa auton kori itsessäänon hyvin säännöllinen suorakulmainen särmiö. Aerodynamiikan parantamiseksi auton terävät särmät on pyöristetty ja tuulilasia kallistettu taaksepäin. Nykyiseen muotoon verrattiin kolmea erilaista keulaa ja kahta takapäätä. Keuloista kaksi erosi nykyisestä lähinnä suurempien kulmapyöristysten ja enemmän kallistetun tuulilasin ansiosta, mutta kolmas oli dramaattisemmin pyöristetty. Tutkittavista peristä toinenpuolestaan oli nykyistä perää enemmän kulmistaan pyöristetty toisen perän taas ollessa radikaalimmin sivuilta ja päältä viistetty sekä huomattavasti pidempi. Eri keulojen ja perien muotoja verrattuna nykyiseen on havainnollistettu kuvassa 48. Näistämuodoista luotiin 10 eri variaatiota, jolloin yksittäisten muotojen vertailun lisäksisaatiin tietoa myös mielenkiintoisimmista kombinaatioista. Keulojen ja perien vaikutuksen lisäksi tutkittiin takapyöräkotelojen vaikutusta peittämällä ne kyljestä yhtenäisellä levyllä.

Kuva 48. Tuulitunnelikokeissa käytettyjä korimuotoja ylhäältä kuvattuna. Alin muoto on nykyään käytössä oleva pikavuoroauto.


56

7.1.1. TuulitunnelimalliMittauksissa käytettiin pikavuoroauton pienoismallia, jonka mittakaava oli 1:10. Oikean auton ollessa 12,81 metriä pitkä, oli pienoismalli siis 1,28 metrin mittainen.Pienoismallin keula ja peräkappaleet olivat pulttiliitoksella varsinaisessa koriputkessa, jolloin eri osia päästiin kätevästi vaihtamaan. Pienoismalli keula ja peräosat irrotettuna on esitetty kuvassa 49. Kuvassa 50 on puolestaan esitetty pienoismallin eriosien muodot ja tärkeimmät mitat. Pienoismallista ja sen osista on kuvia lisäksi liitteessä 1.

Kuva 49. Tuulitunnelikokeissa käytetty pienoismalli keula ja peräkappaleet irrotettuna.

Mittausten ajaksi liitosten saumat ja keulassa olevat pultinreiät teipattiin ohuella teipillä. Pienoismalli osineen valmistettiin Necuronmuovista NCohjatulla jyrsimellä javiimeisteltiin käsin. Osat maalattiin käsiteltävyyden ja ulkonäön parantamiseksi. Pienoismalliin kiinnitettiin teräsakselit, joihin liimattiin Necuronista sorvatut pyörät.Jotta pyöräkotelot vastaisivat todellisuutta mahdollisimman tarkasti, valmistettiinlokasuojan reunaosat peltilevyistä, jotka ruuvattiin auton kylkiin tehtyihin upotuksiin. Takalokasuojiin valmistettiin lisäksi suorat peitelevyt, jotka voitiin vaihtaa avonaisten levyjen tilalle pyöräkoteloiden vastusvaikutuksen selvittämiseksi. Mallinpohjaan asennettiin kierreinsertit joista pienoismalli kiinnitettiin mittavaakaan vaarnaruuvien avulla.


57

Päältä Sivulta

Keula 1

Keula 2

Keula 3

Keula 4

Perä 1

Perä 2

Perä 3Kuva 50. Pienoismallin keula ja peräosat mittoineen.


58

7.2. KoejärjestelyTuulitunnelikokeissa käytetyt laitteistot ja mittalaitteet löytyivät Teknillisen Korkeakoulun Aerodynamiikan laboratoriosta. Tuulitunneliin kiinteästi asennettu kuusikomponenttivaaka ja muut mittalaitteet soveltuvat tämäntyyppiseen tutkimukseenhyvin.

7.2.1. TuulitunneliTuulitunnelikokeet tehtiin Teknillisen Korkeakoulun Aerodynamiikan laboratorionalisoonisessa tunnelissa. Kyseisen tunnelin rakenne mitoituksineen on esitetty kuvassa 51. Vuonna 1970 valmistunut tunneli on suljetulla kierrolla oleva Göttingentyyppinen ja sen suurin virtausnopeus on noin 70m/s. Tunnelin mittatila on mitoiltaan 2m x 2m mutta kulmien viistämisen vuoksi mittatilan poikkipintaala on 3,67m2

/24/. Mittatilan poikkileikkaus on esitetty kuvan 51 leikkauksessa AA. Mittavaakaon asennettu mittatilan katolle, jolloin maaliikennekulkuneuvojen mallit kiinnitetääntunneliin ylösalaisin roikkumaan katosta.

Kuva 51. Teknillisen Korkeakoulun Aerodynamiikan laboratorion alisooninen tunneli./25/

Tehtäessä mittauksia maaliikennekulkuneuvoilla, käytetään niin sanottua maatasoa,jolla vähennetään maata vasten muodostuvan rajakerroksen vaikutusta. Mittauksiavarten maataso asennettiin mittatilan yläreunaan kohtaan, josta viisteet alkavat. Kuvassa 52 on esitetty mittatilassa asennettuna maataso sekä itse pienoismalli. Maatasokoostuu kehysosasta, joka on kiinnitetty tukevasti tunnelin seinämiin ja pyörivästäkeskiosasta, joka taas on kiinnitetty mittavaa’an kääntyvään kehikkoon. Keskiosa onpyöreä levy, jonka sisällä on pienoismallin kiinnityskehikko. Pienoismalli kiinnitettiin keskiosan läpi kulkevilla vaarnaruuveilla kiinnityskehikkoon. Pienoismalli asennetaan mahdollisimman lähelle maatasoa, mutta kuitenkin niin etteivät mallin renkaat pääse missään tilanteessa koskettamaan maatasoa. Koska renkailla on merkittä


59

vä osuus ilmanvastuksen muodostumiseen, aiheutuu renkaan ja maatason välisestäraosta virhettä mittauksiin. Samalla ajoneuvon maavara on raon verran suurempikuin todellisuudessa. Maavara voidaan säätää kohdalleen viistämällä renkaista raonsuuruinen kalottialue pois. Maatason kehysosaan kiinnitetään eteen ja taakse muotokappaleet, joiden tarkoituksena on ohjata virtaus mahdollisimman tasaisesti maatasolle ja siltä pois.

Kuva 52. Pienoismalli ja maataso tuulitunnelissa edestä kuvattuna.

7.2.2. MittalaitteetTuulitunnelissa on kiinteästi asennetut mittalaitteet tarvittavien suureiden mittaamiseksi. Tuulitunnelin katolle on asennettu mittavaaka, joka mittaa voimia x, y ja zakseleiden suunnassa ja lisäksi momentteja näiden akseleiden ympäri. Mitattavakappale kiinnitetään vaakaan ja vaaka kalibroidaan tunnelin ollessa sammutettuna.Näin saadaan poistettua kappaleen massan vaikutus voimiin. Vaa’asta tulee tunnelinpuolelle kaksi tankoa, joihin mitattava kappale kiinnitetään. Nämä tangot on eristettävä ilmavirrasta, jottei ilmavirran niihin aiheuttama voima vääristäisi mittaustuloksia. Tankojen eristämiseen käytetään muotosuojia, jotka pysyvät kohtisuorassa virtaukseen nähden vaikka mittavaaka kääntyy./26/

Tuulitunnelin virtausnopeus määritetään dynaamisen paineen anturilla. Dynaaminenpaine saadaan rauhoituskammiossa olevan Pitotputken ja mittatilan alkupäässä olevan staattisen paineen mittaputken paineiden erotuksena. Staattinen ilmanpaine mitattiin mittatilan takaosasta digitaalisella barometrilla ja ilman lämpötila sekä kosteusdigitaalisella kosteusanturilla. Mittavaaka on käännettävissä sähkömoottoreilla ja anturoitu digitaalisin asentokulmaanturein. Antureilla määritetään vaa’an asento pystyja vaakatasossa, kun mittauksia tehdään eri liuku ja kohtauskulmilla. Tuulitunnelin


60

katolle asennettu mittavaaka on esitetty kuvassa 53./25/

Kaikista antureista saatava tieto johdetaan tietokoneelle, jolla mittauksia voidaanseurata ja tallentaa. Mittavaa’an data johdetaan ensin dataloggeriin, joka johtaa signaalin liukuvan keskiarvon edelleen tietokoneelle noin kerran sekunnissa. Näin mittatiedosta saadaan suodatettua mallin värinästä aiheutuvat huippuarvot. Halutullahetkellä voidaan tietokoneelta tallettaa mittatiedot tekstitiedostoon. Näin yhteen tiedostoon tallentuvat sillä hetkellä vallitsevat olosuhteet, vaa’an ja asentoantureidenlukemat sekä virtausnopeus./25/

Kuva 53. Tuulitunnelin katolle asennettu kuusikomponenttinen mittavaaka.

7.3. Tuulitunnelimittaukset

7.3.1. Valmistelevat toimenpiteetEnnen varsinaisten mittausten aloittamista tehtiin muutamia valmistelevia toimenpiteitä. Kun pienoismalli oli asennettu paikalleen, mittavaaka kalibroitiin jotta kappaleen ja laitteiston massojen vaikutukset nollautuvat. Koska maakulkuneuvon mittauksissa ei kohtauskulmaa säädetä, ei painopisteen siirtymästä aiheutuvaa virhettä tarvitse korjata. Pienoismallin liitoskohtien saumat ja keulan pultinreiät teipattiin ohuella teipillä. Virtausta pienoismallin ympärillä tutkittiin visuaalisesti savun ja väriaineen avulla. Savua syötettiin tunneliin ohuella putkella mallin etupuolelle tunnelinvirtausnopeuden ollessa verrattain alhainen. Savulla saadaan virtaus näkyväksi ja senkäyttäytymistä voidaan visuaalisesti arvioida. Savulla tutkittiin virtauksen käyttäytymistä mallin etukulmien läheisyydessä. Savun avulla pystyttiin toteamaan, että nykyisen kaltaista keulaa käytettäessä virtaus kaartuu pienoismallin katolla hyvin, mutta irtoaa kääntyessään kyljille. Kuvassa 54 on esitetty savukokeen suorittaminen pienoismallille.


61

Kuva 54. Virtauksen visualisoiminen savun avulla. Kuva ylösalaisin.

Hypoteesina voidaan pitää, että oikeassa ajoneuvossa virtaus ei irtoa kaartuessaankyljille. Vaikka muodot ovat vastaavat, ei pienoismalli sisällä kaikkia niitä yksityiskohtia, joista todellinen ajoneuvo koostuu. Pienoismalli on hyvin kliininen, jolloinrajakerroksen muodostuminen ei vastaa todellista tilannetta. Todellisessa ajoneuvossa on etukulmien alueella epätasaisuuksia, kuten peltien saumoja ja tuulilasin tiiviste.Nämä epätasaisuudet kasvattavat rajakerroksen paksuutta alueella ja näin edesauttavat virtauksen pysymistä kiinni pinnassa. Tämän ilmiön jäljittelemiseksi pienoismallin keulaosiin laitettiin karhennukset oletettuihin tuulilasin saumakohtiin. Kuvassa 55on esitetty paikalleen asennettu karhennus. Karhennukset valmistettiin ripottelemallahiekkaa kaksipuoliselle teipille.

Kuva 55. Pienoismallin keulaosaan kiinnitetty karhennus.

Karhennusten toimintaa tutkittiin vielä ruiskuttamalla mallin pintaan fluoresoivallaväriaineella värjättyä valopetrolia. Petroli ruiskutettiin tunnelin ollessa ”tyhjäkäynnillä” jonka jälkeen tunnelin virtausnopeus nostettiin mittausnopeuteen. Tällöin petrolikulkeutuu virtauksen mukana kunnes kuivuu. Kuivuneista kuvioista voidaan nähdävirtauksen käyttäytyminen pinnan läheisyydessä ja kohdat jossa virtaus irtoaa jakiinnittyy uudelleen. Koska väriaine oli fluorisoivaa, voitiin tarkastelua helpottaa valaisemalla kohde UVAvalolla. Kuvassa 56 on esitetty väriainekokeen jälkeen UVAvalolla valaistu pienoismalli.


62

Kuva 56. UVAvalolla valaistu pienoismalli väriainekokeessa. Kuva ylösalaisin.

7.3.2. MittauksetVarsinaiset mittaukset ajettiin yhden päivän aikana ja yhteen ajoon aikaa kului noin15 minuuttia. Kaiken kaikkiaan tehtiin 11 varsinaista mittausta eri kombinaatioilla.Kombinaatiot mittauksien mukaisessa suoritusjärjestyksessä on esitetty taulukossa 1.Järjestys laadittiin siten, että vain yhtä muuttujaa muutettiin kerrallaan. Näin mittaukset saatiin etenemään jouhevasti. Jokaisen mittausajon välillä vaihdettiin joko keula tai peräkappale, teipattiin saumat ja ruuvinreiät sekä tarkistettiin mallin kunto jakiinnitykset silmämääräisesti. Jokaisella kombinaatiolla mittaustiedot luettiin talteen8 kertaa. Vaaka kalibroitiin pienoismallin massan vaikutuksen poistamiseksi tunnelinollessa poissa päältä. Varsinaiset mittaustiedot luettiin virtausnopeuden ollessa 61m/s liukukulmilla 0°, 10°, 20°, 25°, 10°, 20°, ja 25°. Pienoismallin mittakaavanollessa 1:10, vastaa virtausnopeus täysikokoisella ajoneuvolla noin nopeutta 22km/h.Mittaukset tehtiin kääntämällä mallia kumpaankin suuntaan. Tällöin vertaamalla vastakkaisten kulmien tuloksia keskenään voidaan arvioida mittausjärjestelyn tarkkuutta.

Taulukko 1. Mitatut kombinaatiot mittausjärjestyksessä perustietoineen.

Yhdistelmä Mallin pituus [m] Mallin tilavuus [m3]1. Keula 1 ja perä 1 1,280 0,08532. Keula 1 ja perä 2 1,283 0,08473. Keula 1 ja perä 3 1,324 0,08634. Keula 2 ja perä 1 1,301 0,08635. Keula 2 ja perä 2 1,304 0,08566. Keula 2 ja perä 3 1,345 0,08727. Keula 3 ja perä 1 1,321 0,08738. Keula 3 ja perä 3 1,365 0,08839. Keula 4 ja perä 1 1,335 0,088110. Keula 4 ja perä 3 1,378 0,089011. Pyöräkaivot peitetty 1,280 0,0853

7.4. Kokeiden tuloksetTuulitunnelin mittavaa’an datasta piirrettiin kuvaajat, joissa on x ja yakselin suuntaiset voimat liukukulman funktiona. Kuvassa 57 on esitetty mitatut xakselin suuntaiset voimat liukukulman funktiona ja kuvassa 58 vastaavat yakselin suuntaisetvoimat.


63

30

40

50

60

70

80

90

25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25Liukukulma

Fx [N

]keula 1 ja perä 1keula 1 ja perä 2keula 1 ja perä 3keula 2 ja perä 1keula 2 ja perä 2keula 2 ja perä 3keula 3 ja perä 1keula 3 ja perä 3keula 4 ja perä 1keula 4 ja perä 3

Kuva 57. Mitatut ajoneuvon xakselin suuntaiset voimat liukukulman funktiona.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25Liukukulma

Fy [N

]

keula 1 ja perä 1keula 1 ja perä 2keula 1 ja perä 3keula 2 ja perä 1keula 2 ja perä 2keula 2 ja perä 3keula 3 ja perä 1keula 3 ja perä 3keula 4 ja perä 1keula 4 ja perä 3

Kuva 58. Mitatut ajoneuvon yakselin suuntaiset voimat liukukulman funktiona.

Kuvaajista nähdään, että käyrät eivät ole symmetriset negatiivisilla ja positiivisillakulmilla. Näin ollen mittausjärjestelyssä on ollut vikaa, sillä mallin ollessa ylhäältäkatsottuna symmetrinen, tulisi myös käyrien olla symmetrisiä. Koska syytä tulostenepäsymmetrisyydelle ei kyetty varmuudella toteamaan, laskettiin x ja yakselinsuuntaiset voimat liukukulmille 0°, 10°, 20° ja 25° vastaavien negatiivisten ja positiivisten kulmien keskiarvona. Kyseiset keskiarvot on esitetty taulukossa 2.


64

Taulukko 2. Mitattujen voimien positiivisten ja negatiivisten liukukulmien keskiarvot.

0° 10° 20° 25° 0° 10° 20° 25°Keula 1 ja perä 1 60,10 76,27 85,00 81,85 0,82 140,49 310,90 402,51Keula 1 ja perä 2 51,45 68,40 81,49 78,99 1,66 134,07 302,27 389,44Keula 1 ja perä 3 46,37 58,85 65,56 60,89 0,20 104,33 265,22 350,14Keula 2 ja perä 1 57,80 73,67 82,77 76,04 1,57 138,55 310,29 400,12Keula 2 ja perä 2 50,21 64,73 76,57 73,05 3,69 134,26 303,43 389,78Keula 2 ja perä 3 44,99 53,46 59,00 52,54 1,13 114,32 270,23 355,70Keula 3 ja perä 1 56,72 73,73 78,75 73,39 0,59 140,34 311,86 402,52Keula 3 ja perä 3 43,82 49,76 55,99 49,51 1,53 110,64 270,90 356,91Keula 4 ja perä 1 53,24 67,93 65,38 56,64 0,17 135,50 304,49 402,49Keula 4 ja perä 3 41,37 45,71 43,54 35,44 0,41 107,46 277,90 365,48Pyöräkaivot peitetty 68,84 81,41 90,06 83,01 9,90 137,70 306,48 399,26

Fx [N] Fy [N]

Viimeisessä mittauksessa oli yhdistelmä keula 1 ja perä 1 sekä takapyöräkaivot peitettynä yhtenäisillä levyillä. Kun verrataan ensimmäisen ja viimeisen mittauksenvoimatasoja keskenään, havaitaan että mittaustulosten perusteella pyöräkaivojenpeittäminen kasvattaa ilmanvastusvoimaa. Tämä tulos on ristiriidassa kirjallisuuteennähden, sillä yleisesti pyöräkaivojen peittämisen on havaittu pienentävän ilmanvastusta. Tältä osin tässä työssä tehtyä mittausta ei voida pitää luotettavana. Mahdollisiasyitä tulosten eroavaisuuteen ovat pienoismallin rajusti pelkistetyt muodot, renkaidenpyörimättömyys ja maatason liikkumattomuus. Lisäksi mittausten välillä oli aikaauseita tunteja, jolloin tehtiin yhdeksän muuta mittausta. Tällöin olosuhteet ovat voineet muuttua ja mittausjärjestelyyn on saattanut syntyä muutoksia. Jotta mittaustulokset olisivat kunnolla vertailukelpoisia, olisi mittaukset pitänyt tehdä peräkkäin jamahdollisesti useampaan kertaan. Lisäksi ensimmäisen mittauksen toistaminen viimeisenä olisi paljastanut, mikäli mittausjärjestelyssä on tapahtunut muutoksia.

7.4.1. Tulosten käsittelyTuulitunnelin mittauslaitteistosta saadusta datasta laskettiin korjaamaton vastuskerroin cd´´. Tässä tapauksessa merkinnällä ´´ tarkoitetaan nimenomaan korjaamatontasuuretta. Datasta oli suoraan luettavissa muun muassa virtausnopeuden, ilman tiheyden, ilmakehän paineen, lämpötilan ja kineettisen paineen arvot. Vastuskertoimellelaskettiin niin sanotut tuulitunnelikorjaukset lähteen /27/ mukaisesti.

Tuulitunnelikorjausten laskenta aloitettiin määrittämällä mittatilan painegradientinvaikutus vastuskertoimeen. Korjattu vastuskerroin saadaan kaavasta;

qdldpH

Acc m

mdd ⋅⋅⋅⋅−= 3

341´´´

1λπ , (24)

jossa Am on pienoismallin otsapintaala, 3 on rungon muodosta ja paksuussuhteestariippuva kerroin ja Hm pienoismallin suurin paksuus eli tässä tapauksessa mallin korkeus. Kertoimen 3 arvo määritettiin lähteen /27/ kuvasta 1 ja sen arvoksi saatiin 3.Tekijä dp/qdl on tunnelin staattisen paineen gradientti, jonka arvo kyseiselle mittatilalle on 0,00455 m1./27/


65

Pienoismalli kuristaa virtausta mittatilassa ja aiheuttaa virtausnopeuden c´ kasvun.Samalla tavalla pienoismallin vanavesi kuristaa virtausta. Virtausnopeus saadaankorjattua kaavalla;

)(´´ wsccc εε +⋅−= , (25)jossa;

)4,01(35,1m

mmms L

HC

VT⋅⋅+⋅= β

βε (26)

joka on mittatilan kiinteä kuriste ja

´´4 0D

mw c

CA

⋅=ε (27)

Joka puolestaan on mallin vanaveden aiheuttama kuriste.

Kaavassa (26) kerroin Tm saatiin lähteen /27/ kuvasta 4 ja arvoksi määritettiin 0,73.Vm on pienoismallin tilavuus ja C on mittatilan efektiivinen poikkipintaala. C määritellään vähentämällä geometrisestä poikkipintaalasta rajakerroksen poikkipintaala.Näissä mittauksissa mittatilan geometrisena poikkipintaalana pidetään maatasonalapuoleista tilaa, jonka poikkipintaala on 3,016128 m2. Rajakerroksen poikkipintaala saadaan kertomalla rajakerroksen paksuus mittatilan poikkileikkauksen kehänpituudella. Rajakerroksen paksuus kyseisessä tunnelissa saadaan kaavasta;

33 10)30835,9048067,0( −⋅+⋅−= cδ . (28)

Mittatilan poikkileikkauksen kehän pituus Lk on 6,7045m. Kaavan (26) tekijä onMach:n luvusta riippuva ja se määritellään kaavan:

21 Ma−=β (29)

mukaisesti. Mach:n luku puolestaan voidaan määrittää kaavalla:

ap

cMa

⋅

=

ρκ

, (30)

jossa on ilman adiabaattivakio ja sen arvo on 1,4 /28/. Kaavassa (27) termi cD0´´ onkyseisen mittauskerran vastuskerroin liukukulman ollessa nolla astetta.

Virtausnopeuden korjauksen jälkeen laskettiin mallin kiinnityspulttien vaikutus mitattuun voimaan ja vähennettiin se mittaustuloksista. Kiinnityspulttien aiheuttamavoima laskettiin kaavan (9) mukaisesti, pulttien eli ympyrälieriön cdarvon ollessa0,74.


66

Mallin vanavesi aiheuttaa mittatilaan painegradientin, joka aiheuttaa virtaukseen vastuksen cD2. Painegradientin aiheuttama lisävastus tulee vähentää varsinaisesta vastuksesta. Painegradientin suuruus voidaan laskea kaavalla;

´´)4,01(02

2DsbD cMac ⋅+⋅=∆ ε . (31)

Tuulitunnelissa mitattua kineettistä painetta pdyn´ tulee korjata kaavalla:

))()2(1(´ 2wsdyndyn Mapp εε +⋅−+⋅∆=∆ . (32)

Nyt vastuskertoimelle voidaan laskea korjattu arvo kaavalla:

dyn

dyndDD p

pccc

∆

∆⋅∆−=

´)´(

21. (33)

7.4.2. IlmanvastuskertoimetIlmanvastuskertoimet laskettiin kohdassa 7.4.1 kuvatulla tavalla ja tulokset on esitetty taulukossa 3. Taulukosta nähdään, että yhdistelmän ’keula 1 ja perä 1’, eli nykyisen pikavuoroauton vastuskerroin liukukulmalla 0 astetta on 0,340. Tulos on johdonmukainen, sillä VTT:n rullauskokeissa kyseisen auton vastuskertoimeksi on arvioitu noin 0,40 /29/. Ero arvoissa voidaan selittää pienoismallin erittäin pelkistetyllämuodolla ja yksityiskohtien puutteella. Toisaalta mikäli tuulitunnelimittaukset olisitehty liikkuvalla maatasolla, olisivat mitatut vastuskertoimet olleet vielä noin 9 prosenttia pienemmät /13/. Autoteollisuudessa, missä käytetyt pienoismallit ovat yksityiskohdiltaan huomattavasti tarkempia, on käytäntönä että pienempiä kuin 1:4–1:5pienoismalleja ei kannata edes käyttää. Taulukosta 3 näkyy myös, että mittauksessa,jossa pyöräkaivot on peitetty, on tuloksena saatu huomattavasti suuremmat vastuskertoimet kuin vertailuyhdistelmälle ’keula 1 ja perä 1’. Tulos oli havaittavissa jomitatuista voimatasoista ja asiaa on käsitelty kohdassa 7.4.

Taulukko 3. Mitattujen kombinaatioiden laskennallisesti korjatut vastuskertoimet eri liukukulmilla.

0° 10° 20° 25°Keula 1 ja perä 1 0,340 0,467 0,578 0,584Keula 1 ja perä 2 0,289 0,415 0,548 0,562Keula 1 ja perä 3 0,260 0,362 0,444 0,435Keula 2 ja perä 1 0,331 0,453 0,562 0,547Keula 2 ja perä 2 0,282 0,396 0,519 0,521Keula 2 ja perä 3 0,250 0,324 0,399 0,370Keula 3 ja perä 1 0,323 0,456 0,537 0,529Keula 3 ja perä 3 0,243 0,301 0,377 0,348Keula 4 ja perä 1 0,301 0,420 0,447 0,402Keula 4 ja perä 3 0,225 0,273 0,290 0,243Pyöräkaivot peitetty 0,401 0,509 0,620 0,603

cD


67

Ilmanvastuskertoimista piirrettiin kuvaajat, joissa vastuskertoimet on kuvattu liukukulman funktiona. Eri kombinaatioiden kuvaajat on esitetty kuvassa 59. Kuvaajatasettuvat johdonmukaisesti siten, että alkuperäinen yhdistelmä ’keula 1 ja perä 1’ onvastuskertoimeltaan huonoin kaikilla liukukulmilla. Tämä oli odotettu tulos. Samoinfuturistisimman yhdistelmän ’keula 4 ja perä 3’ sijoittuminen vastuskertoimeltaanparhaaksi kaikilla liukukulmilla oli odotettua.

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0 5 10 15 20 25

Liukukulma

Cd

Keula 1 ja perä 1Keula 1 ja perä 2Keula 1 ja perä 3Keula 2 ja perä 1Keula 2 ja perä 2Keula 2 ja perä 3Keula 3 ja perä 1Keula 3 ja perä 3Keula 4 ja perä 1Keula 4 ja perä 3

Kuva 59. Mitattujen keulaperäyhdistelmien korjatut vastuskertoimet liukukulman funktiona.

Kuvasta 59 voidaan havaita, että kaikki käyrät nousevat likimain lineaarisesti pisteeseen, jossa liukukulma on 20 astetta. Tästä eteenpäin kaikki käyrät taipuvat selvästi,osa jopa alaspäin. Sama ilmiö on havaittavissa jo voimatasojen kuvaajassa kuvassa57. Kuvaajien perusteella voidaan epäillä, että mittapisteet liukukulmalla 25 astettaovat liian alhaisella tasolla. Syytä ei saatu paikallistettua, mutta se lienee mahdollisesti mekaaninen ongelma mittausjärjestelyssä. Tästä syystä käyriä tulisi tulkita ainoastaan 20 asteen liukukulmaan asti. Havainnollisuuden vuoksi kuvissa 60 ja 61 onesitetty eri keulojen ja eri perien vaikutus vastuskertoimeen. Kuvassa 60 on esitettykaikkien neljän eri keulan vastuskertoimet nykyisen perän kanssa mitattuna. Vastaavasti kuvassa 61 on esitetty kaikkien kolmen eri perän vastuskertoimet nykyisen keulan kanssa mitattuna. Näistä kuvista voidaan päätellä tutkimuksessa käytettyjen yksittäisten muotojen vaikutusta.


68

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Liukukulma

Cd

Keula 1 ja perä 1Keula 2 ja perä 1Keula 3 ja perä 1Keula 4 ja perä 1

Kuva 60. Erilaisten keulojen vaikutus vastuskertoimeen liukukulman funktiona.

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Liukukulma

Cd

Keula 1 ja perä 1Keula 1 ja perä 2Keula 1 ja perä 3

Kuva 61. Erilaisten perien vaikutus vastuskertoimeen liukukulman funktiona.

Kuvat 60 ja 61 ovat siinä mielessä havainnolliset, että niiden mukaiset kuvaajat vastaavat hyvin yleistä tietoa muotojen vaikutuksesta. Koska mallin alkuperäinen keula1 on jo kulmapyöristyksiltään optimoitu, ei keulojen 2 ja 3 suuremmalla tuulilasinkallistuksella saada huomattavaa parannusta aikaan. Sen sijaan huomattavan paljonpyöristetty keula 4 alentaa vastuskerrointa selvemmin ja ero kertaantuu liukukulmankasvaessa. Vastaavasti kuvasta 61 nähdään, että suurin parannuspotentiaali vastuskertoimeen on auton peräpäässä. Jo verrattain maltillisesti pyöristetty perä 2 alentaavastuskerrointa selvästi ja pidennetty suippomainen perä 3 vaikuttaa puolestaan varsin radikaalisti.


69

Kuvassa 62 on esitetty pyöräkaivojen peittämisen vaikutus vastuskertoimeen nykyisen pikavuoroauton muodolla. Kuvasta käy hyvin ilmi että tulosten perusteella pyöräkaivojen peittäminen nostaisi vastuskerrointa huomattavasti kaikilla liukukulmilla20 asteeseen asti. Tämä tulos on kuitenkin ristiriidassa yleisen tietoon, jonka mukaanpeittäminen alentaa vastusta hieman.

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Liukukulma

Cd ei levyjä

levyt

Kuva 62. Pyöräkaivojen peittämisen vaikutus vastuskertoimeen liukukulman funktiona.

7.4.3. SivuvoimaMittaustuloksista mielenkiinnon kohteena olivat myös mitatut sivusuuntaiset voimatasot. Näiden voimien suuruksia vertailemalla voidaan päätellä eri muotojen vaikutusta ajoneuvon sivutuuliherkkyyteen. Mitatut voimatasot eri kombinaatioille on esitetty taulukossa 2 ja mittaustuloksista piirretyt kuvaajat puolestaan kuvassa 58.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25Liukukulma

Fy [N

]

Keula 1 ja perä 1Keula 1 ja perä 2Keula 1 ja perä 3Keula 2 ja perä 1Keula 2 ja perä 2Keula 2 ja perä 3Keula 3 ja perä 1Keula 3 ja perä 3Keula 4 ja perä 1Keula 4 ja perä 3

Kuva 63. Mitatut yakselin suuntaiset voimat liukukulman funktiona.


70

Havainnollisuuden vuoksi piirrettiin myös kuva 64, jossa on pelkästään eri keulavaihtoehdot yhdistettynä alkuperäiseen perään 1 ja vastaavasti piirrettiin kuva 65,jossa on eri perävaihtoehdot yhdistettynä alkuperäiseen keulaan.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25

Liukukulma

Fy [N

]

Keula 1 ja perä 1Keula 2 ja perä 1Keula 3 ja perä 1Keula 4 ja perä 1

Kuva 64. Erilaisten keulojen vaikutus sivusuuntaisen voiman suuruuteen liukukulman funktiona.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25

Liukukulma

Fy [N

] Keula 1 ja perä 1Keula 1 ja perä 2Keula 1 ja perä 3

Kuva 65. Erilaisten perien vaikutus sivusuuntaisen voiman suuruuteen liukukulman funktiona.

Kuvasta 64 nähdään, että keulamuodoilla näyttää olevan varsin vähän vaikutusta syntyvän sivuvoiman suuruuteen. Sen sijaan kuvasta 65 nähdään, että perän muotoilullaon selvä vaikutus syntyvän sivuvoiman suuruuteen. Jo kulmistaan pyöristetyllä peräl


71

lä 2 saadaan selkeä ero alkuperäiseen verrattuna. Taulukon 2 arvoilla laskettuna perä2 tuottaa yli 3 prosenttia vähemmän sivuvoimaa kuin alkuperäinen perä liukukulmanollessa 25 astetta. Toisaalta perä 3 osoittaa olevansa paras muoto myös sivuvoimankannalta, sillä taulukon 2 arvoilla laskettuna perä 3 tuottaa noin 13 prosenttia vähemmän sivuvoimaa kuin alkuperäinen perä liukukulman ollessa 25 astetta.

Kuvassa 66 on esitetty pyöräkaivojen peittämisen vaikutus sivuvoimaan liukukulmanfunktiona nykyisen pikavuoroauton muodolla. Käyrien mukaan pyöräkaivojen peittäminen levyillä alentaa sivuvoiman suuruutta hieman pienemmillä liukukulmilla,mutta vaikutus vähenee liukukulman kasvaessa. Koska xsuuntaiset voimat ja sitäkautta vastuskertoimet eivät olleet vertailukelpoisia tämän asian osalta, ei myöskäänsivuvoimatasojen tuloksia voida pitää luotettavina.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25

Liukukulma

Fy [N

] ei levyjälevyt

Kuva 66. Takapyöräkaivot peittävien levyjen vaikutus sivuvoimaan liukukulman funktiona.

_____________________________________________________________________8. Yhteenveto ja suositukset

72

8. Yhteenveto ja suosituksetTässä työssä käytiin läpi aerodynamiikan perusasioita ja perehdyttiin raskaan kaluston ilmanvastukseen vaikuttaviin tekijöihin. Verrattaessa nykyaikaisen henkilöautonaerodynaamisiin ominaisuuksiin, havaitaan että raskaan kaluston aerodynamiikassaon mahdollisuuksia parantaa. Energian hinnan noustessa parannusten tekeminenmyös tulee yhä ajankohtaisemmaksi. Kuorma ja linjaautojen ajovastusta voidaanhelpoiten alentaa parantamalla ajoneuvojen muotoilua aerodynaamisempaan suuntaan.

Kuormaautojen aerodynamiikkaan voidaan vaikuttaa monella eri tasolla. Tärkein jasuurimmat vaikutusmahdollisuudet omaava taso on auton valmistaja. Ohjaamot tulisisuunnitella virtaviivaisiksi ja ylimääräiset epätasaisuudet pyrkiä poistamaan. Kokoautossa tulisi pyrkiä ulkomuotojen yksinkertaistamiseen peittämällä kaikki raot jakolot mahdollisimman tarkasti. Valmistajien tulisi kiinnittää huomiota myös rajapintaan, johon autojen päällerakenteet kiinnittyvät. Näin saadaan turhat raot poistettua jailmanohjaimet toimimaan parhaalla mahdollisella tavalla. Vaikka autot ovat suuria,on myös pienemmillä yksityiskohdilla merkitystä. Esimerkiksi ovenkahvat, aurinkolippa ja ohjaamonportaat saattavat aiheuttaa yllättävän suuren vastuksen. Useidenpienien tekijöiden summasta koostuu jo huomattava parannuspotentiaali. Valmistajatvoisivat myös tarjota autojen omistajille ohjeistusta lisävarusteiden, kuten valokylttien ja lisävalojen optimaalisista asennuspaikoista tai mahdollisesti jopa sisällyttää näitä laitteita suoraan auton koriin.

Toisessa portaassa kuormaauton aerodynamiikan parantamisessa ovat yritykset, jotka varustelevat autot ja rakentavat varsinaiset päällerakenteet. Jotta kuormaautojenaerodynamiikan parannuspotentiaali saataisiin hyödynnettyä, vaaditaan myös näiltäyrityksiltä tutkimusta ja tuotekehitystä. Ilmanohjaimen muoto tulisi olla tuulitunnelissa optimoitu ja sivuhelmaratkaisujen kestäviä ja helppokäyttöisiä. Kuormatilanmuotoilulla voidaan saada huomattavia parannuksia ilmanvastukseen ja sitä kauttapolttoaineenkulutukseen. Jo pelkästään kuormatilan kulmien pyöristyssäteen kasvattamisella noin 100–150 millimetriin, saadaan usean prosentin parannus ilmanvastuskertoimeen. Mikäli myös kuormatilan yläreunat pyöristetään, paranee lisäksi autonsivutuuliherkkyys. Myös huomattavasti innovatiivisemmat ratkaisut esimerkiksikuormatilan takaosan muotoilulle olisivat toivottavia.

Kolmas porras on auton lopullinen omistaja ja käyttäjä. Aerodynaamiset lisälaitteeteivät ole asennettu pelkästään ulkonäön vuoksi. Näistä laitteista on huolehdittavamyös auton ikääntyessä, jotta ilmanvastus ja polttoaineenkulutus pysyisivät alhaisena. Ilmanohjaimien ja sivuhelmojen kunnollisesta kiinnityksestä ja oikeasta asennosta on huolehdittava. Mikäli osia vaurioituu, ei niitä saa pitää muita auton osia vähäarvoisempana vaan niiden korjauksesta tulee huolehtia. Uutta autoa hankittaessa ostajan tulisi kiinnittää huomiota sen energiatehokkuuteen. Jopa jakeluajossa olevissakuormaautoissa yläilmanohjain maksaa itsensä takaisin muutamassa vuodessa.

Linjaautojen aerodynamiikka on lähes ainoastaan auton valmistajan hallinnassa.Valmistajat voisivat lisätä vuoropuhelua liikennöitsijöiden suuntaan ja selvittää olisivatko liikennöitsijät kiinnostuneita esimerkiksi autoista, joissa on muutama istumapaikka vähemmän, mutta jotka kuluttaisivat 10 prosenttia vähemmän polttoainetta.

_____________________________________________________________________8. Yhteenveto ja suositukset

73

Tämänkaltaiseen ratkaisuun päästään esimerkiksi muotoilemalla linjaautoon niinsanottu BoatTail perä, joka suippenee sivuilta ja päältä.

Työn puitteissa tehtiin myös tuulitunnelimittauksia linjaauton pienoismallilla. Mittaukset etenivät suunnitellusti ja tuulitunnelilaitteisto näytti soveltuvan hyvin tämänkaltaiseen tutkimukseen. Mittaustuloksia tarkasteltaessa havaittiin kuitenkin, että tulokset eivät olleet kaikilta osin johdonmukaisia. Symmetrisesti eri suuntiin käännettäessä ei pienoismalli tuottanut samaa voimaa vastaavilla liukukulmilla. Lisäksi mittaustulosten mukaan auton takapyöräkaivojen peittäminen levyillä nostaa huomattavasti ilmanvastuskerrointa. Tämä tulos on ristiriidassa yleisen käsityksen kanssa.Ongelmien lähdettä ei kyetty paikallistamaan joten tämä heikentää tulosten tarkkuutta ja uskottavuutta. Mittausten tarkkuutta olisi voitu parantaa tekemällä useampiamittauksia, mutta tämän työn kohdalla siihen ei ollut mahdollisuutta. Tuulitunnelimittauksia tehtäessä tulisikin pyrkiä analysoimaan mittausdataa mittausjärjestelynvielä ollessa kasattuna, jotta lisämittaustarpeen ilmetessä voitaisiin mittauksia tehdävaivattomasti enemmän.

Edellä mainituista seikoista huolimatta pääosiltaan tuulitunnelimittausten tuloksetolivat johdonmukaisia, sillä eri muotojen vaikutukset muodostuvaan voimaan olivatodotetut. Parhaaksi yksittäiseksi muodoksi voidaan nostaa suippomainen perä 3, jollaon huomattava vaikutus sekä vastuskertoimeen että syntyneeseen sivuvoimaan. Keuloista parhaaksi osoittautui odotetusti pyöreä keula 4. Mittaustulosten perusteellavoidaan sanoa, että nykyaikaisen pikavuorolinjaauton muotoa parannettaessa, kannattaa huomio kiinnittää ensisijaisesti auton peräpäähän. Auton perän poikkipintaalaa tulisi pyrkiä pienentämään viistämällä kattoa ja kylkiä takareunoistaan. Muutakaan muotoilua ei pidä unohtaa, sillä alustan tasoittamisella ja keulan pyöristämisellävoidaan saada parannuksia aikaan.

Raskaan kaluston aerodynamiikkaa on tutkittu laajasti ja aiheesta on runsaasti tietoasaatavilla. Suunnittelun ja tuotekehityksen tueksi on tietoa verrattain helppo löytää.Koska raskaan kaluston aerodynamiikka on huomattavasti henkilöautomaailmaa jäljessä, on aerodynaamisia parannuksia mahdollista saada aikaiseksi ilman valtaviapanostuksia tutkimukseen. Tässä työssä tehtyjen tuulitunnelimittausten tulokset olivat pääosin kirjallisuudessa esiintyvien tulosten mukaisia. Näin ollen tämän työn kaltaisesti tehty pienimuotoinen tutkimus onnistuu mainiosti myös Suomessa. Mittaustuloksissa esiintyneiden ongelmien vuoksi ei mittausjärjestelyn todellisesta tarkkuudesta saatu kunnollista käsitystä. Käytetty tuulitunneli ja siihen liittyvät laitteet soveltuvat silti verrattain hyvin tämänkaltaiseen tutkimukseen.

_____________________________________________________________________Lähteet

74

Lähteet/1/ Paul A. Wuori, Virtausmekaniikan Perusteet, Otatieto 533, Espoo 1990, toi

nen korjattu painos, 160 s, ISBN 9516721532.

/2/ William F. Milliken, Douglas L. Milliken, Race Car Vehicle Dynamics, Society of Automotive Engineer, 1995, 890 s., ISBN 1560915269.

/3/ Heinz Heisler, Advanced Vehicle Technology, Elsevier ButterworthHeinemann, second edition, 2002, 654 s., ISBN 0750651318.

/4/ Joseph Katz, Race Car Aerodynamics – designing for speed, Robert BentleyInc., 1995, 270 s., ISBN 0837601428.

/5/ WolfHeinrich Hucho, Aerodynamics of Road Vehicles, 4. painos, Society ofAutomotive Engineers, 1998, 918 s., ISBN 0768000297.

/6/ J.P. Pinelli, C. Subramanian, M. Plamondon, Wind effects on emergencyvehicles, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 92(2004) 663685, Elsevier Science Ltd., 23 s.

/7/ Rose Mccallen, Dan Flowers, Aerodynamic Drag of Heavy Vehicles (Class78): Simulation and Benchmarking, SAE Technical Paper Series, 2000012209, 19 s., ISSN 01487191.

/8/ Pertti Broas, Seppo laine, Kuormaauton polttoaineenkulutuksen vähentäminen ilmanvastusta vähentämällä, VTT:n tiedonanto 8, 1980, 100 s., ISBN9513810011.

/9/ Horst Bauer, Autotekniikan taskukirja, Robert Bosch GmbH, 6. painos, 2002,1021s., ISBN 9519155171.

/10/ Yoshihisa Maruyama, Fumio Yamazaki, Driving simulator experiment on themoving stability of the automobile under strong crosswind, Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics 94 (2006) 191205, Elsevier Science Ltd., 15 s.

/11/ Simon Watkins, Greg Oswald, The flow field of automobile addons; withparticular reference to the vibration of external mirrors, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 83 (1999) 541554, Elsevier ScienceLtd., 14 s.

/12/ WolfHeinrich Hucho, Aerodynamik des Automobils, 5. painos, ViewegVerlag, 2005, 1136 s., ISBN 3528039590.

/13/ Sinisa Krajnovic, Lars Davidson, Influence of floor motions in wind tunnelson the aerodynamics of road vehicles, Chalmers University of Technology,Elsevier Ltd., 2005, 20 s.

_____________________________________________________________________Lähteet

75

/14/ S.A.A Abdul Ghani, A. Aroussi, E. Rice, Simulation of a road vehicle naturalenvironment in a climatic wind tunnel, Simulation Practice and Theory 8(2001) 359375, Elsevier Science Ltd., 17 s.

/15/ Subrata Roy, Pradeep Srinivasan, External Flow Analysis of a Truck for DragReduction, SAE Technical Paper Series, 2000013500, 5 s., ISSN 01487191.

/16/ Stephen M. Rifai, Jeffrey C. Buell, Zden k Johan, Thomas J.R. Hughes,Automotive design applications of fluid flow simulation on parallel computing platforms, Computer methods in mechanics and engineering 184 (2000)449466, Elsevier Science Ltd., 18 s.

/17/ Arvin Savkoor, Sanne Manders, Paolo Riva, Design of actively controlledaerodynamic devices for reducing pitch and heave of truck cabins, JSAE Review 22 (2001) 421434, Delft University of Technology, Elsevier Ltd., 2000,14 s.

/18/ Valtion säädöstietopankki, www.finlex.fi, Tieliikennelain asetus ajoneuvojenkäytöstä tiellä, ajantasainen säädös, 8.11.2006.

/19/ Robert J. Englar, Development of Pneumatic Aerodynamic Devices to Improve the Performance, Economics and Safety of Heavy Vehicles, SAETechnical Paper Series, 2001012208, 14 s., ISSN 01487191.

/20/ Kari Alppivuori, Lassi Hilska, Kuormaauton polttonesteenkulutuksen vähentäminen kuormatilaa muotoilemalla, VTT:n tiedote 91, Espoo 1982, 35 s.,ISBN 9513814122.

/21/ Ab Ekeri Oy:n internetsivusto, www.ekeri.fi, 10.10.2006.

/22/ United Pictures International Ltd.:n internetsivusto, www.unitedpictures.com,17.10.2006.

/23/ Vepro Oy:n internetsivusto, www.vepro.fi, 10.10.2006.

/24/ Teknillisen Korkeakoulun Aerodynamiikan laboratorion internetsivusto,www.aero.hut.fi, 17.10.2006.

/25/ Korhonen Mikko, laboratorioinsinööri, Teknillinen Korkeakoulu, Koneosasto, Aerodynamiikan laboratorio, Sähkömiehentie 4, Espoo Otaniemi, kirjallinen materiaali.

/26/ Korhonen Mikko, laboratorioinsinööri, Teknillinen Korkeakoulu, Koneosasto, Aerodynamiikan laboratorio, Sähkömiehentie 4, Espoo Otaniemi, keskustelut 36.10.2006.

/27/ Timo Sailaranta, Tuulitunnelikorjaukset – Piennopeustunneli, TeknillinenKorkeakoulu, Aerodynamiikan Laboratorio, muistio nro. MP3490, 1990.

http://www.finlex.fi

http://www.ekeri.fi

http://www.unitedpictures.com

http://www.vepro.fi

http://www.aero.hut.fi

_____________________________________________________________________Lähteet

76

/28/ Matemaattisten Aineiden Opettajien Liitto ry, MAOLtaulukot, 1.6. uudistettu painos, Otava, 1995, 157 s., ISBN 951112112X.

/29/ Tommi Mutanen, tuotekehityspäällikkö Kabus Oy, sähköpostikirjeenvaihto,15.8–15.10.2006.

/30/ Robert J. Englar, Advanced Aerodynamic Devices to Improve the Performance, Economics and Safety of Heavy Vehicles, SAE Technical Paper Series,2001012072, 14 s., ISSN 01487191.

/31/ Rose McCallen, Fred Browand, James Ross, The Aerodynamics of HeavyVehicles: Trucks, Buses, and Trains, Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics, Vol.19, SpringerVerlag, 2004, 567 s., ISBN 3540220087.

/32/ U.S. Department of Energy, Heavy Vehicle Optimization Program, AnnualProgress Report 2005, FreedomCAR and vehicles Technologies Program,202 s.

_____________________________________________________________________Liitteet

77

Liitteet

Liite 1: Kuvia linjaauton pienoismallista

1.

2.

3.

4.

1.

2.

3.

2.

1.

2.3.

4.

_____________________________________________________________________Liitteet

78

_____________________________________________________________________Liitteet

79

_____________________________________________________________________Liitteet

80

_____________________________________________________________________Liitteet

81

_____________________________________________________________________Liitteet

82

Liite 2: Käytössä olevien tuulitunnelien tietoja

Yritys A [m2] U [km/h] Tyyppi T [°C] P [MW]DNWLTF 90,25/48 220/400 Göttingen 12,7General motors 56,16 240 Göttingen 2,95Volkswagen 37,5 180 Göttingen 3545 2,6Lockheed 35,1 406 Göttingen 6,7MIRA 35 133 Eiffel 0,97DaimlerChrysler (Saksa) 32,6 270 Göttingen 4RUAG Emmen 32,5 245 Göttingen 3FIAT, Aero 31 195 Göttingen 1,87CSTB, "Jules Verne" 28 300 Göttingen 50 3,2Nissan 28 190 Göttingen 2,2Hyundai, aeroakustinen 28 200 Göttingen 2050 2,55DaimlerChrysler (USA) 27,9 >260 Göttingen 4,73Volvo 27,06 200 Göttingen 2,3Mazda 24 230 Göttingen 1,6Mitsubishi 24 216 Göttingen 2,35GIE S2A 24 240 Göttingen 3,8Ford 23,2 201 Göttingen 1870 1,87IVK/FKFS 22,5 257 Göttingen 2,55Porsche 22,3 230 Göttingen 2,2WAZ 22,3 224 Göttingen 2,3Nissan 21 119 Eiffel Ford, aeroakustinen 20 200 Göttingen 1,65BMW 20 160 Göttingen 1,68Ford 18,7 195 Göttingen 055Toyota 17,5 200 Göttingen 1,5Nippon Soken 17,5 120 Göttingen 1,45rta Rail Tec 16 120 Göttingen 5060I. Aerotetch. 15 144 Eiffel 0,52

FIAT, lämmin/kylmä 12 160 Göttingen1050/5020 0,56

JARI 12 205 Eiffel 1,2Pininfarina 11 202(250) Eiffel 1,1(3)Volvo 11,2 95 Göttingen 4050 0,5Ford Werke 11 180 Göttingen 4050 1,12Audi, aeroakustinen 11 300 Göttingen 2,2BMW, aeroakustinen 10 250 Eiffel 1,9FKFS 6 200 Göttingen 1Volkswagen II 6 170 Göttingen 4060 0,46Denso 6 170 Göttingen 3050Behr 6/8/10 130/10 Göttingen 3050Modine 5,3/12 250/13 Göttingen 2055 1,3DaimlerChrysler 4 100 Göttingen 0,34Audi, aeroakustinen 2,94 275 Göttingen 2050 1,05TKK, Aerodynamiikan laboratorio 3,67 252 Göttingen 0,275

TEKNILLINEN€KORKEAKOULU Konetekniikan€osasto › files › 938 › Raskaan_kaluston_aerodynamiikan...TEKNILLINEN€KORKEAKOULU Konetekniikan€osasto Juha€Nyholm...

Documents