آیرودینامیک شاخه‌ای از مکانیک سیالات است که به بررسی نحوه حرکت هوا در اطراف اجسام متحرک و نیروهای ناشی از این حرکت می‌پردازد. در صنعت خودروسازی، به‌خصوص برای خودروهای برقی (EVs) و هیبریدی، درک و بهینه‌سازی آیرودینامیک از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است. شکل بدنه خودرو و نحوه تعامل آن با هوای اطراف، تأثیر مستقیمی بر عواملی حیاتی مانند مصرف انرژی، برد خودروی برقی، پایداری در سرعت‌های بالا و حتی آلودگی صوتی دارد.
نیروهای آیرودینامیکی مؤثر بر خودرو
هنگامی که یک خودرو در حال حرکت است، هوا (که یک سیال محسوب می‌شود) از روی سطح آن عبور می‌کند و دو نیروی اصلی آیرودینامیکی بر خودرو وارد می‌شود:
- نیروی پسار (Drag Force): این نیرو همواره در خلاف جهت حرکت خودرو عمل می‌کند و مقاومت اصلی هوا در برابر حرکت رو به جلوی خودرو است. پسار آیرودینامیکی از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود: پسار فشار (ناشی از اختلاف فشار هوا در جلو و عقب خودرو) و پسار اصطکاکی (ناشی از اصطکاک هوا با سطح بدنه خودرو). کاهش نیروی پسار هدف اصلی طراحی آیرودینامیک در خودروها، به‌ویژه در خودروهای برقی است.
- نیروی برا (Lift Force) یا نیروی پایین‌برنده (Downforce): این نیرو عمود بر جهت حرکت خودرو عمل می‌کند. نیروی برا تمایل دارد خودرو را از سطح جاده بلند کند (شبیه بال هواپیما)، در حالی که نیروی پایین‌برنده تمایل به فشردن خودرو به سمت جاده دارد. در خودروهای سواری معمولی، نیروی برا معمولاً کم است، اما در خودروهای اسپرت و مسابقه‌ای، طراحی برای ایجاد نیروی پایین‌برنده (Downforce) برای افزایش چسبندگی و پایداری در سرعت‌های بالا بسیار مهم است.
اهمیت آیرودینامیک در خودروهای نوین
بهینه‌سازی آیرودینامیک سال‌هاست که در صنعت خودرو مورد توجه قرار دارد، زیرا کاهش پسار هوا به معنای نیاز کمتر به توان موتور برای غلبه بر این مقاومت و در نتیجه کاهش مصرف سوخت در خودروهای بنزینی است.
اما در خودروهای برقی، اهمیت آیرودینامیک حتی بیشتر است. دلیل این امر این است که:
- افزایش برد خودرو: نیروی پسار با مجذور سرعت (سرعت به توان دو) افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، با دو برابر شدن سرعت، نیروی پسار چهار برابر می‌شود. انرژی مورد نیاز برای غلبه بر پسار نیز با مکعب سرعت (سرعت به توان سه) رابطه دارد. در سرعت‌های بالاتر (مثلاً در جاده‌های بین‌شهری)، مقاومت هوا به عامل غالب در مصرف انرژی تبدیل می‌شود و تأثیر آن حتی بیشتر از مقاومت غلتشی تایرها است. بنابراین، هرگونه کاهش در پسار آیرودینامیکی به طور مستقیم و چشمگیری برد خودروی برقی را افزایش می‌دهد.
- افزایش راندمان انرژی: آیرودینامیک بهتر به معنای کاهش مصرف انرژی (بر حسب kWh/100km یا Wh/km) است که نه تنها برد خودروی برقی را بهبود می‌بخشد، بلکه هزینه‌های عملیاتی را نیز کاهش می‌دهد.
- فرصت‌های طراحی جدید: خودروهای برقی به دلیل عدم نیاز به رادیاتور بزرگ و جلوپنجره حجیم (که برای خنک‌کاری موتور احتراق داخلی لازم است)، فضای بیشتری برای طراحی آیرودینامیکی بهینه در قسمت جلویی خودرو دارند. این امکان استفاده از سطوح صاف‌تر و شکل‌های آیرودینامیکی‌تر را فراهم می‌کند.
- کاهش آلودگی صوتی: طراحی آیرودینامیکی خوب به کاهش صدای ناشی از عبور هوا از روی بدنه خودرو کمک می‌کند. این موضوع در خودروهای برقی که موتور آن‌ها صدای بسیار کمی تولید می‌کند، محسوس‌تر است و به بهبود آرامش کابین کمک می‌کند.
پارامترهای کلیدی آیرودینامیک
دو پارامتر اصلی برای ارزیابی عملکرد آیرودینامیکی یک خودرو عبارتند از:
- ضریب پسار (Drag Coefficient – Cd): یک عدد بدون بُعد است که نشان می‌دهد شکل بدنه خودرو چقدر در عبور از هوا مؤثر است. هرچه این عدد کوچک‌تر باشد، شکل خودرو آیرودینامیکی‌تر است. خودروهای سواری مدرن معمولاً ضریب پساری بین ۰.۲۵ تا ۰.۳۵ دارند، اما برخی از خودروهای برقی با طراحی بسیار بهینه توانسته‌اند به ضریب پساری کمتر از ۰.۲۲ نیز دست یابند.
- مساحت پیشانی (Frontal Area – A): مساحت سطح جلوی خودرو است که عمود بر جهت حرکت قرار می‌گیرد. نیروی پسار کل با حاصل‌ضرب ضریب پسار و مساحت پیشانی و همچنین چگالی هوا و مجذور سرعت رابطه مستقیم دارد. بنابراین، علاوه بر بهینه‌سازی شکل (کاهش Cd)، کاهش مساحت جلوی خودرو نیز در کاهش پسار مؤثر است.
ویژگی‌های طراحی آیرودینامیک در خودروهای برقی
برای کاهش ضریب پسار و بهبود آیرودینامیک، خودروسازان در خودروهای برقی از ویژگی‌های طراحی خاصی استفاده می‌کنند:
- شکل بدنه روان و قطره‌ای: استفاده از خطوط منحنی و سطوح صاف برای هدایت آرام‌تر جریان هوا.
- دستگیره‌های درب همسطح بدنه: این دستگیره‌ها در هنگام حرکت به داخل فشرده شده و سطح بدنه را صاف می‌کنند.
- رینگ‌های آیرودینامیکی: طراحی چرخ‌ها برای کاهش تلاطم هوا در اطراف آن‌ها.
- کف صاف خودرو: پوشاندن بخش زیرین خودرو برای کاهش مقاومت و بهبود جریان هوا.
- اسپویلرها و دیفیوزرهای بهینه: طراحی المان‌های آیرودینامیکی در عقب خودرو برای مدیریت جریان هوا و کاهش پسار یا ایجاد نیروی پایین‌برنده.
- سیستم‌های آیرودینامیک فعال: مانند دریچه‌های فعال جلوپنجره که در سرعت‌های پایین برای خنک‌کاری باز می‌شوند و در سرعت‌های بالا برای کاهش پسار بسته می‌شوند.
آیرودینامیک در بازار خودروی ایران
خودروهای برقی و هیبریدی وارداتی به ایران، از پیشرفت‌های جهانی در زمینه آیرودینامیک بهره‌مند هستند و ضریب پسار پایین در بسیاری از این مدل‌ها به افزایش برد خودروی برقی و راندمان انرژی آن‌ها کمک می‌کند. با توجه به اهمیت سفرهای بین‌شهری در ایران و تأثیر چشمگیر سرعت‌های بالا بر برد خودروهای برقی (به دلیل افزایش مقاومت هوا)، طراحی آیرودینامیکی مؤثر در کاهش اضطراب برد برای رانندگان ایرانی نقش مهمی ایفا می‌کند. در هرگونه تلاش برای طراحی یا تولید خودروهای برقی در داخل کشور نیز، توجه به اصول آیرودینامیک خودرو برای دستیابی به برد و راندمان رقابتی امری کاملاً ضروری است.
نتیجه‌گیری
آیرودینامیک یکی از مهم‌ترین فاکتورهای فنی در طراحی و عملکرد خودروهای برقی است. کاهش نیروی پسار و بهینه‌سازی جریان هوا نه تنها به افزایش برد خودروی برقی و کاهش مصرف انرژی کمک می‌کند، بلکه بر پایداری، ایمنی و آرامش خودرو نیز تأثیرگذار است. با پیشرفت فناوری و افزایش رقابت در بازار خودروهای برقی، انتظار می‌رود که اهمیت آیرودینامیک خودرو و تلاش برای دستیابی به ضریب پسارهای پایین‌تر همچنان رو به افزایش باشد و این موضوع در خودروهای برقی و هیبریدی که در آینده وارد بازار ایران می‌شوند یا به تولید می‌رسند، نمود بیشتری پیدا کند.
