ضریب درگ (Drag coefficient - Cd) - ایران ای وی | مرجع تخصصی خودروهای برقی ایران

در دنیای مهندسی خودرو و آیرودینامیک، ضریب درگ (Drag coefficient – Cd) یکی از مهم‌ترین پارامترهاست که نشان‌دهنده میزان مقاومت یک شیء (در اینجا خودرو) در برابر حرکت در سیال (هوا) است. به عبارت دیگر، ضریب درگ خودرو (Cd) معیاری برای سنجش کارایی آیرودینامیکی بدنه خودرو محسوب می‌شود. هرچه ضریب درگ کمتر باشد، بدنه خودرو در شکافتن هوا و حرکت رو به جلو کارآمدتر عمل می‌کند. ضریب درگ (Drag coefficient – Cd): چیستی، مفهوم و نقش آن در آیرودینامیک خودرو بر عملکرد، سرعت و به‌ویژه راندمان مصرف سوخت یا انرژی خودرو، به‌خصوص در سرعت‌های بالا، تأثیر مستقیم دارد. درک این مفهوم برای فهم چرایی طراحی خاص بدنه‌های خودروهای مدرن ضروری است. این دانشنامه به بررسی جامع ضریب درگ در بستر جهانی می‌پردازد.

مفهوم و نقش ضریب درگ خودرو در آیرودینامیک خودرو

ضریب درگ خودرو (Cd) یک عدد بدون بعد است که بیانگر میزان “لختی” یا “مقاومت” یک خودرو در برابر حرکت در هواست. چیستی ضریب درگ در واقع نسبتی است که نیروی درگ (نیروی مقاوم هوا) را به چگالی هوا، مجذور سرعت و سطح مقطع جلوی خودرو مرتبط می‌کند. هرچه این عدد کوچک‌تر باشد، به معنای آیرودینامیک بهتر و مقاومت هوای کمتر است.

مفهوم آن در آیرودینامیک خودرو این است که نشان می‌دهد بدنه خودرو تا چه حد در عبور از هوا کارآمد عمل می‌کند؛ یعنی چقدر هوا را به آرامی و با حداقل تلاطم از اطراف خود عبور می‌دهد.

نقش آن در آیرودینامیک خودرو محوری است، زیرا ضریب درگ یکی از عوامل اصلی تعیین‌کننده میزان نیروی مقاومتی است که پیشرانه خودرو باید بر آن غلبه کند تا خودرو به جلو حرکت کند، به‌خصوص در سرعت‌های بالا.

عوامل اصلی تعیین کننده ضریب درگ در طراحی بدنه خودرو (شکل، جزئیات، صافی سطح)

ضریب درگ خودرو نتیجه تعامل پیچیده‌ای بین شکل کلی بدنه و جزئیات مختلف آن با جریان هواست. عوامل اصلی تعیین کننده ضریب درگ در طراحی بدنه خودرو شامل:

شکل کلی بدنه (Overall Shape): این اصلی‌ترین عامل است. بدنه‌هایی با شکل‌های قطره‌ای، منحنی‌های نرم و بخش‌های عقب شیب‌دار (مانند فست‌بک‌ها یا طرح‌های آیرودینامیک‌تر) معمولاً ضریب درگ کمتری نسبت به اشکال جعبه‌ای یا با انتهای بریده شده دارند.
جزئیات آیرودینامیکی (Aerodynamic Details): حتی جزئیات کوچک در سطح بدنه می‌توانند بر ضریب درگ تأثیر بگذارند. این شامل طراحی آینه‌های جانبی (که می‌توانند درگ قابل توجهی ایجاد کنند)، دستگیره درها، طراحی سپرها، ورودی‌ها و خروجی‌های هوا، شکل ستون‌های A و C، و طراحی رینگ چرخ‌ها است.
صافی سطح زیر بدنه (Underbody Smoothness): جریان هوا در زیر خودرو نیز بر ضریب درگ تأثیر می‌گذارد. صاف کردن زیر بدنه و استفاده از دیفیوزرها (Diffusers) در عقب می‌تواند آیرودینامیک را بهبود بخشد.
صافی سطح بیرونی (Surface Smoothness): سطح بدنه هرچه صاف‌تر و بدون برآمدگی‌های تیز باشد، تلاطم هوا را کاهش داده و ضریب درگ را کمتر می‌کند.
اندازه و شکل بال‌ها و اسپویلرها: این قطعات ممکن است برای ایجاد نیروی رو به پایین (Downforce) و افزایش پایداری در سرعت بالا استفاده شوند، اما معمولاً ضریب درگ را افزایش می‌دهند.

مهندسان در فرآیند طراحی با استفاده از تونل باد و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری (CFD)، تلاش می‌کنند تا با بهینه‌سازی این عوامل اصلی تعیین کننده ضریب درگ در طراحی بدنه خودرو، ضریب درگ نهایی خودرو را به حداقل برسانند.

ارتباط میان ضریب درگ و نیروی مقاومت هوا و تأثیر آن بر عملکرد (سرعت) و راندمان (مصرف سوخت/انرژی)

ضریب درگ (Cd) نقش مستقیمی در محاسبه نیروی درگ آیرودینامیکی ( $F_{d}$ ) ایفا می‌کند. ارتباط میان ضریب درگ و نیروی مقاومت هوا با فرمول زیر بیان می‌شود:

$F_{d} = 0.5 \times ρ \times v^{2} \times C d \times A$

که در آن:

$F_{d}$ : نیروی درگ آیرودینامیکی (نیروی مقاوم هوا)
$ρ$ : چگالی هوا
$v$ : سرعت خودرو
$C d$ : ضریب درگ
$A$ : سطح مقطع جلوی خودرو (مساحت جلوی خودرو که هوا با آن برخورد می‌کند)

همانطور که در فرمول مشخص است، نیروی درگ با مجذور سرعت افزایش می‌یابد ( $v^{2}$ ). این بدان معنی است که در سرعت‌های پایین، مقاومت هوا تأثیر کمی بر حرکت خودرو دارد، اما با افزایش سرعت، به سرعت تبدیل به نیروی مقاوم اصلی می‌شود.

تأثیر آن بر عملکرد (سرعت) در این است که غلبه بر نیروی درگ، بخش عمده‌ای از توان پیشرانه را در سرعت‌های بالا مصرف می‌کند. هرچه ضریب درگ کمتر باشد، نیروی مقاوم هوا کمتر خواهد بود و پیشرانه می‌تواند انرژی بیشتری را برای افزایش سرعت یا حفظ سرعت بالا صرف کند. این به طور مستقیم بر حداکثر سرعت قابل دستیابی خودرو تأثیر می‌گذارد.

تأثیر آن بر راندمان (مصرف سوخت/انرژی) نیز قابل توجه است. در سرعت‌های بالا، نیاز به توان بیشتر برای غلبه بر نیروی درگ، به معنای مصرف سوخت بیشتر در خودروهای با موتور احتراق داخلی یا مصرف انرژی الکتریکی بیشتر در خودروهای برقی است. کاهش ضریب درگ، نیاز به توان پیشرانه را کاهش داده و در نتیجه مصرف سوخت یا مصرف انرژی را در سرعت‌های بالا بهبود می‌بخشد.

ضریب درگ معمول در انواع خودروها و تلاش جهانی مهندسان برای کاهش آن

ضریب درگ معمول در انواع خودروها بر اساس شکل بدنه و طراحی متفاوت است و به طور کلی، تلاش جهانی مهندسان برای کاهش آن در دهه‌های اخیر منجر به بهبودهای قابل توجهی در آیرودینامیک خودروها شده است.

خودروهای سواری سدان یا هاچ‌بک: معمولاً ضریب درگی در محدوده ۰.۲۵ تا ۰.۳۵ دارند.
خودروهای کوپه یا فست‌بک با طراحی بسیار آیرودینامیک: ممکن است ضریب درگی کمتر از ۰.۲۵ داشته باشند و حتی به اعدادی نزدیک به ۰.۲ برسند.
خودروهای شاسی‌بلند (SUV) و کراس‌اوور: به دلیل ارتفاع بیشتر و شکل جعبه‌ای‌تر، معمولاً ضریب درگ بالاتری نسبت به خودروهای سواری دارند، معمولاً در محدوده ۰.۳۰ تا ۰.۴۵.
کامیون‌ها و ون‌ها: به دلیل شکل جعبه‌ای، بالاترین ضریب درگ را در میان خودروهای جاده‌ای دارند.

تلاش جهانی مهندسان برای به حداقل رساندن ضریب درگ شامل استفاده گسترده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، تست در تونل‌های باد پیشرفته، بهینه‌سازی شکل کلی بدنه، طراحی جزئیات آیرودینامیکی مانند آینه‌ها، اسپویلرها و دیفیوزرها، و صاف کردن زیر بدنه خودرو است.

اهمیت کاهش ضریب درگ در خودروهای برقی (EVs) برای افزایش برد و چالش‌های آیرودینامیک EV

در خودروهای برقی (EVs)، اهمیت کاهش ضریب درگ حتی بیشتر از خودروهای با موتور احتراق داخلی است. دلیل آن این است که در EVs، انرژی ذخیره شده در باتری محدود است و هرگونه اتلاف انرژی (از جمله اتلاف ناشی از غلبه بر مقاومت هوا) به طور مستقیم بر برد پیمایش خودرو تأثیر می‌گذارد.

در سرعت‌های بزرگراهی، نیروی درگ آیرودینامیکی به سرعت به عامل اصلی مصرف انرژی در EVs تبدیل می‌شود. بنابراین، کاهش ضریب درگ در خودروهای برقی، با کاهش نیروی مقاوم هوا، به طور مستقیم به کاهش مصرف انرژی و در نتیجه افزایش برد پیمایش آن‌ها منجر می‌شود.

چالش‌های آیرودینامیک در طراحی EVها شامل نیاز به ادغام سیستم‌های خنک‌کننده باتری و موتورها (که نیازمند ورودی/خروجی هوا هستند و می‌توانند آیرودینامیک را مختل کنند)، و همچنین الزامات طراحی برای به حداکثر رساندن فضای داخلی در پلتفرم‌های اختصاصی EV (که ممکن است ارتفاع یا عرض خودرو را افزایش دهد) می‌باشد که باید با اهداف آیرودینامیکی توازن یابد. با این حال، بسیاری از خودروهای برقی مدرن به ضریب درگ‌های بسیار پایینی دست یافته‌اند.

نتیجه‌گیری

ضریب درگ (Drag coefficient – Cd) یک معیار بنیادین در آیرودینامیک خودرو است که میزان مقاومت هوا در برابر حرکت خودرو را نشان می‌دهد و نقشی محوری در عملکرد و راندمان آن دارد. ضریب درگ خودرو (Cd): چیستی، مفهوم و نقش آن در آیرودینامیک خودرو با عوامل اصلی تعیین کننده ضریب درگ در طراحی بدنه خودرو (شکل، جزئیات، صافی سطح) مرتبط است. ارتباط میان ضریب درگ و نیروی مقاومت هوا و تأثیر آن بر عملکرد (سرعت) و راندمان (مصرف سوخت/انرژی) نشان‌دهنده اهمیت آن در سرعت‌های بالا و مصرف انرژی است. با توجه به ضریب درگ معمول در انواع خودروها، تلاش جهانی مهندسان برای به حداقل رساندن آن همواره ادامه دارد. اهمیت کاهش ضریب درگ در خودروهای برقی (EVs) برای افزایش برد و چالش‌های آیرودینامیک EV بیش از پیش نمایان است. در نهایت، ضریب درگ پایین یکی از اهداف اصلی در طراحی خودروهای مدرن، به‌ویژه خودروهای برقی، برای دستیابی به راندمان و عملکرد بهتر است.