Dodge Viper ACR Aerodynamika pouličného legálneho závodného automobilu SpringerLink
Od roku 1992 je Dodge Viper - najmä verzia ACR, ktorá bola prvýkrát predstavená v roku 1999 - vždy navrhnutý pre extrémne výkony. Pre nový Viper ACR, ako je popísané v MTZ 3/2017, kombinuje FCA vysoké výkonové hodnoty a atmosférický motor V10 s výkonom 481 kW, aby preniesol túto silu na cestu. V tomto článku inžinieri vysvetľujú, ako navrhli aerodynamické komponenty modelu Viper ACR.
Kráľovná dostihovej dráhy
Majitelia viperov používajú svoje vozidlá rôznymi spôsobmi, napríklad na pretekoch dragster/autokros/gymkhana a tiež na pouličných pretekoch. V priebehu rokov veľa majiteľov závodných nadšencov Viper požiadalo výrobcu o čoraz viac výkonu.
Prvý Dodge Viper ACR (American Club Racer) vychádzal z modelu Viper druhej generácie a na trh prišiel v roku 1999, aby uspokojil tento dopyt. Vývoj podvozku a motora sa pri prvom ACR zameral na maximalizáciu výkonu v podmienkach cestných pretekov a autokrosu. Výkon motora sa zvýšil zo 336 kW na 343 kW pomocou špeciálneho vzduchového filtra a lešteného sacieho potrubia karburátora. Pohotovostná hmotnosť sa znížila o viac ako 22 kg vynechaním audiosystému a iného nepodstatného vybavenia, ako sú hmlové svetlá. Nový, tvrdší a prispôsobivý podvozok ušetril ďalších 6 kg hmotnosti.
Druhá verzia modelu Viper ACR bola založená na štvrtej generácii modelu Viper Coupé a bola vyrobená v modelových rokoch 2008 - 2010. Viper ACR 2008/2009 priniesol na cestu výkon štandardnej verzie 447 kW s maximálnym krútiacim momentom 759 Nm a vyznačoval sa ďalšími vylepšeniami aerodynamiky, bŕzd a podvozku. Jedným z cieľov technického rozvoja bolo dosiahnuť prítlak 453 kg pri rýchlosti 241 km/h prostredníctvom optimálneho aerodynamického vyváženia - čo sa podarilo dosiahnuť aj pomocou numerickej mechaniky tekutín a testov v aerodynamickom tuneli. Špeciálne odpružené vzpery umožňovali kontrolu úrovne a umožňovali postupné nastavenie úrovní kompresie a odskoku.
Vylepšil sa výkon pružín a stabilizátorov a ACR bola vybavená kovanými hliníkovými ráfikmi a závodnými pneumatikami. Nové kolesá a pneumatiky, ako aj dvojdielny kotúčový brzdový systém ušetrili v porovnaní s hmotnosťou základného modelu Viper okolo 18 kg. Ďalšie zníženie hmotnosti o 18 kg (z celkových 36 kg) bolo možné, ak bola ACR objednaná s balíkom tvrdých jadier, teda bez audiosystému, koberca kufra a zvukovej izolácie. Viper ACR 2008 preukázal svoj výkonnostný potenciál vytvorením nového rekordu kurzu na 20,8 km Nordschleife Nürburgringu 7:22,1 minúty.
V modeli z roku 2010 aerodynamiku a prítlak pri stáčaní ešte vylepšila novo navrhnutá Gurneyho záklopka na zadnom krídle a krycí panel. Kratší pomer piateho prevodového stupňa navyše zvýšil akceleráciu pri vysokých a najvyšších otáčkach. Tieto vylepšenia boli priamym výsledkom zistení, ktoré spoločnosť pre ladenie SRT získala na Nordschleife na Nürburgringu: že zmena prevodového pomeru umožní vyšší rýchlostný výkon, a teda kratšie časy. Na konci septembra 2011 sa Dodge vrátil na slávnu závodnú dráhu a vytvoril rekordný čas pre sériové vozidlá 7: 12,13 minúty.
Na konci roku 2009 spoločnosť Dodge ohlásila ne-pouličný legálny model Viper ACR-X navrhnutý tak, aby oslovil závodného puristu. Pohon Dodge Viper ACR-X z roku 2010 poháňal známy benzínový motor V10 s objemom 8,4 litra, ktorý bol vybavený továrenským zberným potrubím výfuku, kovanými piestami a škrtiacim výfukovým systémom - ktorý generoval 477 kW (o 30 kW viac ako sériové vozidlo). Podvozok bol vyladený pre závodnú dráhu a hmotnosť bola v porovnaní so sériovým vozidlom znížená o 73 kg, aby zvládla aj najnáročnejšiu trasu. Dodatočné aerodynamické vylepšenia optimalizovali prítlak a stabilitu, ako aj držanie cesty v rýchlych zákrutách. Viper ACR-X mal z výroby nainštalované a vyvinuté bezpečnostné vybavenie, ktoré zahŕňalo ochrannú klietku, palivovú nádrž a závodné sedadlo.
Posledný model Viper ACR z roku 2016 sa vyznačoval aerodynamikou, ktorá zaisťovala kontaktný tlak na úrovni závodného automobilu a na závodnú dráhu priniesla mimoriadny výkon. Vysoký prítlak v kombinácii s motorom V10 s výkonom 481 kW, špeciálnymi pneumatikami Kumho a balíkom podvozku, ktorý obsahoval nastaviteľné tlmiče Bilstein, by mali z Viper ACR urobiť ultimátne závodné závodné auto. Vytvoril viac rekordov v kurze ako akékoľvek iné sériové vozidlo - vrátane celkovo 13 rekordov na kolo pre sériové vozidlá v USA, vrátane rekordov, ktoré predtým držali hyperautá ako Porsche 918 a McLaren P1 [1], tabuľka 1.
Aby bolo možné vyrobiť cestné vozidlo s takým vysokým prítlačným tlakom, bolo treba zvládnuť množstvo technických výziev, vrátane vytvorenia estetického exteriéru bez straty funkčnosti, zabezpečenia štruktúr podporujúcich aerodynamické zaťaženie a zabezpečenia odolnosti aerodynamických komponentov vyrobených z uhlíkových vlákien v blízkosti zeme.
Aerodynamický balík bol implementovaný pomocou nasledujúcich nástrojov:
- aeroakustický veterný tunel v mierke 1: 1 v spoločnosti Fiat Chrysler Automobiles (FCA) v Auburn Hills v Michigane
- numerická simulácia toku (CFD)
- Použitie metódy Six Sigma (DFSS) na optimalizáciu fyzikálnych vlastností komponentov
- Traťové skúšky s ovládaním prístroja.
Prehľad aerodynamických komponentov
Štandardný aerodynamický balík modelu Dodge Viper ACR z roku 2016 sa skladá zo štyroch dôležitých komponentov. Predný rozdeľovač sa skladá zo širokej dosky z uhlíkových vlákien. Spĺňa niekoľko funkcií na podlahe vozidla, vytvára efektívny prítlak vpredu a je takmer neviditeľný, keď je vozidlo na ceste. Zväčšenie predného rozdeľovača je určené pre závodnú dráhu a rozširuje okraj rozdeľovača smerom dopredu, aby sa vytvoril ďalší kontaktný tlak. Výťah nadol na každej strane predného nárazníka poskytuje ďalší kontaktný tlak. Napokon, 1,776 m široké zadné krídlo s nastaviteľným uhlom nábehu interaguje s prednými aerodynamickými komponentmi, aby prinieslo vyvážený celkový výsledok.
Voliteľný balíček Extreme Aero pre Viper ACR, obrázok 1, obsahuje aj extrémne zväčšenie rozdeľovača, ktoré je dlhšie ako štandardné zväčšenie rozdeľovača, vytvára podstatne väčší prítlak a vyžaduje ďalšie podporné vzpery. Okrem štandardných indexov ACR boli navyše pripevnené ďalšie indexy, ktoré zvyšujú prítlak vpredu, čo je možné zväčšiť odstránením mriežok ventilačných štrbín v prednom blatníku alebo šiestich ventilačných štrbín v kapote. Šesť zakrivených vložiek z uhlíkových vlákien na zadnom difúzore štandardnej Viper, ako aj predĺžené remene pre závodnú dráhu vytvárajú väčší kontaktný tlak vzadu, najmä pri zatáčaní. V neposlednom rade vytvára extrémne zadné krídlo vďaka svojej vyššej a zadnej polohe na vozidle, špecifickej Gurneyho klapke a o 10 cm väčšej šírke vyšší prítlak ako štandardné zadné krídlo.
Aerodynamické komponenty modelu Viper ACR 2016 s možnosťou Extreme Aero
Forma nasleduje funkciu
Výroba väčšieho množstva energie bola hlavným dôvodom aerodynamického balíka Viper ACR. Dôležitú úlohu ale zohral aj vzhľad vozidla. Aby sa dosiahol úspešný vzhľad bez straty výkonu, bolo potrebné vyčísliť účinky rôznych aerodynamických komponentov, aby mohol Úrad pre dizajn výrobkov FCA vylepšiť vonkajší vzhľad na miestach, ktoré boli pre výkon najmenej relevantné.
Napríklad pri krídle sa prvotné vývojové práce zameriavali na dôležité vlastnosti, ako je výška krídla, pozdĺžna a zadná poloha, šírka vo vzťahu k vozidlu a všeobecný obrys. Metriky výkonu zahŕňali pre danú aerodynamickú rovnováhu aerodynamickú účinnosť a všeobecný prítlak počas vybočenia. Testy CFD a aerodynamického tunela ukázali, že veľmi široké krídlo je najlepšie namontovať vysoko a posunúť dozadu. Vizuálny výsledok sa však zdal pre skupinu potenciálnych zákazníkov príliš agresívny, a preto sa rozhodlo ponúknuť dva rôzne aerodynamické balíčky - štandardný balík ACR a príplatkový balík Extreme Aero. Posledné menované umožnili ďalšie zmeny v ďalších komponentoch, ako sú ventilačné otvory v prednom blatníku, špeciálne rozšírenia štiepačky, hĺbkové kormidlá a vložky difúzora.
Okrem toho, ako by malo byť umiestnené zadné krídlo, bolo preskúmaných tiež niekoľko základných geometrií krídla, vrátane možností ako priame, oblúkové, jednoduché alebo dvojité prvky a niektoré tvary, ktoré prešli z jednoduchého na dvojitý prvok. Výsledný dizajn potom vyústil do klenutého pôdorysu a spoliehal sa na jeden segment prvku, ktorý sa smerom k vonkajšej hrane zlúčil do segmentu dvojitého prvku. Tento tvar priniesol najlepšiu kombináciu celkového kontaktného tlaku počas vybočenia, aerodynamickej účinnosti a hmotnosti, obrázok 2.
Vývoj zadného krídla
Len čo bol základný tvar na mieste, použil sa proces Design Six Sigma (DFSS) na nájdenie optimálnej kombinácie vlastností, ktoré zohľadňovali najvyšší výkon a robustnosť dizajnu. Tento postup tiež identifikoval fyzikálne vlastnosti, ktoré mali najmenší vplyv na výkon, a umožnil pracovníkom Úradu pre dizajn produktu FCA meniť iba tieto charakteristiky, aby dosiahli požadovaný vzhľad. Tieto charakteristiky, tiež známe ako „kontrolné faktory“, zahŕňali výšku Gurneyho klapky, hĺbku krídla, uhol nábehu, vzdialenosť a odsadenie prvkov a šírku segmentu jedného prvku vo vzťahu k segmentu dvojitých prvkov. Vyšetrovanie DFSS ukončili testy CFD a aerodynamického tunela. Vyhodnotenie iba 18 kombinácií regulačných faktorov umožnilo predvídať výkonnosť viac ako 13 000 kombinácií, Obrázok 3. Poznatky získané touto metódou sa použili na identifikáciu tých vlastností, ktoré sa dali zmeniť s ohľadom na vonkajší dizajn alebo kvôli nemu ich špeciálne vystúpenie bolo „nedotknuteľné“.
Kvalitatívne predpovede výsledkov pre viac ako 13 000 faktorom riadených riešení zo štúdie DFSS/CAE
štruktúra
Aktuálny model Viper ACR s balíkom Extreme Aero Package generuje viac ako 544 kg prítlaku pri 241 km/h a viac ako 771 kg prítlaku pri maximálnej rýchlosti 285 km/h. Takéto zaťaženie si vyžadovalo príslušné konštrukčné výstuže.
Príkladom toho je príklop zadného krídla z uhlíkových vlákien. Pomocou meraní mechaniky tekutín sa určilo maximálne zaťaženie zadného krídla, na základe čoho počítačové inžinierske analýzy ukázali, že sú potrebné ďalšie vrstvy uhlíkových vlákien. Vyhodnotenie konečného návrhu obsahovalo statické skúšobné zaťaženie vozidla a následnú skúšku pri vysokej rýchlosti na závodnej dráhe. Zväčšenie predného rozdeľovača balíka Extreme Aero Package si vyžadovalo ďalšiu podporu v podobe vzpier, ktoré boli pripevnené k rámu. Okrem štúdia mechaniky tekutín sa uskutočňovali vysokorýchlostné testy so vzperami vybavenými tenzometrom na optimalizáciu ich umiestnenia.
Ochrana citlivých leteckých komponentov
Predný rozdeľovač sa skladá z veľkej dosky z uhlíkových vlákien s minimálnou svetlou výškou na prednej hrane. V konfigurácii spôsobilej na jazdu je nábežná hrana chránená brúsnym prúžkom z polyetylénu s vysokou hustotou, obrázok 4. Pre závodné použitie je brúsny prúžok cestnej verzie nahradený rozšírením triesky vyrobeným z rovnakého materiálu. Obe verzie ACR majú predĺženie rozchodu, ale predĺženie Extreme Aero je dlhšie a vyžaduje ďalšie podporné výstuhy pripevnené k nosníku nárazníka pomocou konzol. Zväčšenie prežije opakovaný kontakt so zemou, ku ktorému dochádza pravidelne pri brzdení a pri rozjazde obrubníkov.
Vložky zadného difúzora modelu Extreme Aero ACR tiež potrebujú ochranu kvôli svojej blízkosti k povrchu dráhy. Rozšírenia vložiek difúzora, ktoré je možné nainštalovať na závodnú dráhu pre ďalšie efekty výkonu, sú vyrobené z rovnakého polyetylénového materiálu s vysokou hustotou ako rozšírenie predného rozdeľovača. Tieto zväčšenia chránia vložky z uhlíkových vlákien v kontakte s dráhou, ku ktorej pravidelne dochádza v rýchlych zákrutách alebo iných udalostiach s výrazným stlačením pruženia.
Skúšky v aerodynamickom tuneli
Svetové ústredie a technologické centrum Chrysler v Auburn Hills v Michigane má aerodynamický tunel 1: 1 s bezplatnou sekciou merania prúdom, kde vývojový tím SRT strávil v aerodynamickom tuneli viac ako 300 hodín, aby pokročil vývoj Viper ACR v 29 svojich vlastných testovacích jazdách.
S veľkosťou trysky 27,9 m2 a dĺžkou testovacieho stojana 14,4 m je aerodynamický tunel schopný testovať veľké vozidlá ako nákladné automobily a minivany, ako aj rýchle vysokovýkonné vozidlá vďaka rýchlosti prúdenia vzduchu maximálne 225 km/h. Veterný tunel dokáže udržiavať konštantné teploty pre presné aeroakustické skúšky. Vyznačuje sa špecifickým dvojfázovým systémom, ktorý na gramofóne vytvára vynikajúcu hrúbku medznej vrstvy.
- Fáza 1: Dýza medznej vrstvy odstráni medznú vrstvu na výstupe z dýzy.
- Fáza 2: Tangenciálna drážka pre ventilátor privádza časť vzduchu z vychyľovacej lopatky s 1,67-násobkom rýchlosti voľného prúdenia.
Na vývoj a analýzu kruhového dizajnu boli použité prostriedky CFD spoločnosti Fiat Chrysler Automobiles, USA. V porovnaní s konvenčnými aerodynamickými tunelmi sa vyznačuje malými stratami prietokom. Špecifické roztiahnuteľné rohy spomaľujú prúdenie vzduchu pri otáčaní o 90 ° o 46% a zabraňujú tak oddeleniu prúdenia. Ďalším znakom tohto aerodynamického tunela je voštinový usmerňovač toku s priechodmi 16-krát dlhšími ako je priemer článku. Je umiestnený na vstupe kontrakcie (dýzy). Za prúdom sito s jemnými okami špecifikuje prúd prúdiaci do kontrakcie. Všetky otočné lopatky sú špeciálne navrhnuté pre každý roh a sú navrhnuté tak, aby absorbovali hluk dúchadla.
Pretože žiadny aerodynamický tunel nedokáže dokonale reprodukovať skutočné podmienky, je dôležité si uvedomiť, kde sú hranice použitého aerodynamického tunela. Aerodynamický tunel Auburn Hills je trvale nainštalovaný, a preto bolo potrebné túto skutočnosť zohľadniť pri analýze podlahy vozidla, najmä v zadnej časti vozidla. Súčasti vystavené otáčajúcim sa kolesám boli ďalšou výzvou v ukotvenom aerodynamickom tuneli. V týchto prípadoch sa tím spoločnosti Viper spoliehal na skúsenosti z predchádzajúcich projektov, ktoré vykonávali korelačné testy medzi aerodynamickým tunelom Auburn Hills a veternými tunelmi Rolling Road boli zamestnaní. Záverečné testy aerodynamického hodnotenia sa uskutočnili v aerodynamickom tuneli WindShear v Concorde v Severnej Karolíne (USA). Analýza CFD bola ďalším dôležitým nástrojom na pochopenie účinkov každej zložky.
Pri skúškach v aerodynamickom tuneli sa museli zohľadniť aj náklady a čas, ktoré sú potrebné. To obmedzilo počet komponentov, ktoré bolo možné úplne otestovať, napríklad zadného krídla. U niektorých komponentov sa však zistilo, že testy v aerodynamickom tuneli boli rýchlejšie a nákladovo efektívnejšie ako analýzy využívajúce výpočtovú mechaniku tekutín. Spodný výťah, zámky kapoty a niektoré časti predného rozdeľovača sa dali ľahko reprodukovať a vyhodnotiť pomocou modelov z dreva, hliníka a pásky. V prvých testoch chcel tím vyvinúť predné komponenty, ale chýbalo im zadné krídlo, ktoré by generovalo potrebný kontaktný tlak pre vyváženú štruktúru. Riešením bolo získať dve krídla, staršiu generáciu modelu Viper ACR a krídlo závodného vozidla Viper Competition Coupé, aby sa získal požadovaný prítlak vzadu. Táto štruktúra, známa ako „Red Baron“ kvôli dvojpodlažnému vzhľadu, nebola v žiadnom prípade taká efektívna ako zadné krídlo poslednej série, ale poskytovala dobrú pracovnú platformu pre vývoj predných prvkov, obrázok 5.
Testy v aerodynamickom tuneli v raných fázach vývoja zadných krídel
Po stanovení všeobecného tvaru krídla pomocou metódy CFD bolo vyrobené modulárne skúšobné krídlo s cieľom analyzovať interakcie medzi výškou klapky Gurney, uhlom nábehu každého prvku a vzdialenosťou medzi prvkami, obrázok 6. Aj keď to nie je bol schopný reprodukovať komplexné kontúry hodnotenia CFD, umožnil overiť výsledky CFD skôr, ako bolo vyrobené krídlo, ktoré viac zodpovedalo produkčnému modelu.