Dodge Viper ACR Aerodinamica unei mașini de curse legale de stradă SpringerLink
Din 1992, Dodge Viper - în special versiunea ACR introdusă pentru prima dată în 1999 - a fost întotdeauna proiectată pentru performanțe extreme. Pentru noul Viper ACR, așa cum este descris în MTZ 3/2017, FCA combină valori ridicate ale puterii și un motor V10 aspirat natural cu 481 kW pentru a aduce această putere pe drum. În acest articol, inginerii explică modul în care au proiectat componentele aerodinamice ale Viper ACR.
Regina hipodromului
Proprietarii de vipere își folosesc vehiculele pentru a fi într-o varietate de moduri, inclusiv în curse de dragster/autocross/gymkhana și, de asemenea, în curse pe șosea. De-a lungul anilor, mulți dintre proprietarii de vipere pasionați de curse au cerut producătorului performanțe din ce în ce mai mari.
Primul Dodge Viper ACR (American Club Racer) s-a bazat pe modelul Viper de a doua generație și a venit pe piață în 1999 pentru a satisface această cerere. Evoluția șasiului și a motorului la primul ACR s-a axat pe maximizarea performanței pentru curse de drum și condiții de autocross. Puterea motorului a fost mărită de la 336 kW la 343 kW cu un filtru de aer special și conducte de admisie a carburatorului lustruite. Greutatea la bord a fost redusă cu mai mult de 22 kg prin omiterea sistemului audio și a altor echipamente neesențiale, cum ar fi farurile de ceață. Noul șasiu, mai dur și adaptabil, a salvat încă 6 kg în greutate.
A doua versiune a Viper ACR s-a bazat pe a patra generație a Viper Coupé și a fost construită în anii modelului 2008-2010. Viper ACR 2008/2009 a adus performanțelor versiunii standard de 447 kW cu un cuplu maxim de 759 Nm pe șosea și a fost caracterizată de îmbunătățiri suplimentare în aerodinamică, frâne și șasiu. Unul dintre obiectivele tehnice de dezvoltare a fost obținerea unei forțe de forță de 453 kg la o viteză de 241 km/h printr-un echilibru aerodinamic optim - care a fost realizat și prin mecanica numerică a fluidelor și teste de tunel eolian. Suporturile speciale de suspensie au permis controlul nivelului și au permis ajustarea treptată a nivelurilor de compresie și de revenire.
Performanța arcurilor și a stabilizatorilor a fost îmbunătățită, iar ACR a fost echipat cu jante din aluminiu forjat și anvelope de curse. Noile roți și anvelope, precum și sistemul de frânare pe disc din două părți au economisit în jur de 18 kg comparativ cu greutatea Viperului de bază. O reducere suplimentară a greutății de 18 kg (de la un total de 36 kg) a fost posibilă dacă ACR a fost comandat cu pachetul cu nucleu dur, adică fără sistemul audio, covorul portbagajului și izolația fonică. Viper ACR din 2008 și-a demonstrat potențialul de performanță stabilind un nou record de parcurs de 7: 22,1 minute pe cei 20,8 km ai Nordschleife de la Nürburgring.
În modelul din 2010, aerodinamica și forța de forță în timpul tăierii au fost îmbunătățite și mai mult de un nou design Gurney Flap pe aripa din spate și un panou de acoperire. În plus, un raport de transmisie al cincilea mai scurt a crescut accelerația la viteze mari și viteza maximă. Aceste îmbunătățiri au fost rezultatul direct al cunoștințelor pe care le-a câștigat compania de tuning SRT cu privire la Nordschleife de la Nürburgring: că o schimbare a raportului de transmisie ar permite o performanță a vitezei mai mare și, prin urmare, timpi mai scurți. La sfârșitul lunii septembrie 2011, Dodge s-a întors pe faimoasa pistă de curse și a stabilit recordul turului pentru vehiculele de producție cu 7: 12,13 minute.
La sfârșitul anului 2009, Dodge a anunțat un Viper ACR-X legal non-stradă, conceput pentru a face apel la puristul de curse. Dodge Viper ACR-X 2010 a fost alimentat de binecunoscutul motor pe benzină V10 de 8,4 litri - echipat cu colectoare de evacuare montate din fabrică, pistoane forjate și un sistem de evacuare cu accelerație - care a generat 477 kW (cu 30 kW mai mult decât vehiculul de producție). Șasiul a fost reglat pentru pista de curse și greutatea a fost redusă cu 73 kg în comparație cu vehiculul de producție pentru a face față celui mai exigent traseu. Îmbunătățiri aerodinamice suplimentare au optimizat presiunea de contact și stabilitatea și, în același timp, șoseaua care se menține în viraje rapide. Viper ACR-X avea echipamente de siguranță instalate din fabrică și dezvoltate, care includeau o cușcă rulantă, rezervor de combustibil și scaun de curse.
Ultimul model Viper ACR din 2016 a fost caracterizat de aerodinamică care a asigurat presiunea de contact la nivelul unei mașini de curse și a adus performanțe extraordinare pe hipodrom. Presiunea ridicată de contact în combinație cu un motor V10 de 481 kW, anvelope speciale Kumho și un pachet de șasiu care include amortizoare reglabile Bilstein ar trebui să facă din Viper ACR cea mai bună mașină de curse legală pe stradă. A stabilit mai multe recorduri decât orice alt vehicul de producție - incluzând un total de 13 recorduri de tururi pentru vehiculele de producție din SUA, inclusiv recorduri deținute anterior de hipercarci precum Porsche 918 și McLaren P1 [1], Tabelul 1.
Pentru a construi un vehicul rutier cu o presiune de contact atât de mare, a trebuit stăpânită o serie de provocări tehnice, inclusiv crearea unui aspect estetic fără pierderi de funcționalitate, asigurarea structurilor care susțin sarcina aerodinamică și asigurarea durabilității componentelor aerodinamice din fibre de carbon aproape de sol.
Pachetul aerodinamic a fost implementat cu următoarele instrumente:
- Tunel de vânt aeroacustic la scara 1: 1 la Fiat Chrysler Automobiles (FCA) din Auburn Hills, Michigan
- simulare de flux numeric (CFD)
- Utilizarea metodei Six Sigma (DFSS) pentru a optimiza proprietățile fizice ale componentelor
- Urmăriți testele cu controlul instrumentului.
Prezentare generală a componentelor aerodinamice
Pachetul aerodinamic standard al Dodge Viper ACR 2016 constă din patru componente importante. Separatorul frontal este format dintr-o placă largă din fibră de carbon. Îndeplinește mai multe funcții pe podeaua vehiculului, creează o presiune frontală eficientă și este în mare parte invizibilă atunci când vehiculul este pe drum. O mărire a splitterului frontal este destinată pistei de curse și extinde marginea splitterului spre față pentru a genera presiune de contact suplimentară. Un lift în jos pe fiecare parte a șorțului frontal asigură o presiune suplimentară de contact. În cele din urmă, o aripă spate de 1.776 m lățime cu unghi de atac reglabil interacționează cu componentele aerodinamice din față pentru a produce un rezultat general echilibrat.
Pachetul opțional Extreme Aero al Viper ACR, Figura 1, include și o extindere extremă a separatorului, care este mai lungă decât mărirea standard a separatorului, creează o presiune de contact mult mai mare și necesită suporturi suplimentare de susținere. În plus, deasupra indicilor standard ACR, s-au atașat indici suplimentari pentru a crește forța de forță din față, care poate fi mărită prin îndepărtarea lamelelor fantelor de ventilație din aripa frontală sau a celor șase fantele de ventilație din capotă. Șase inserții curbate realizate din fibră de carbon pe difuzorul din spate al Viperului standard, precum și curele extinse pentru pista de curse creează o presiune de contact mai mare în spate, mai ales atunci când este gata. Nu în ultimul rând, aripa spate extremă, datorită poziției sale superioare și spate pe vehicul, clapeta Gurney specifică și lățimii de 10 cm creează o presiune de contact mai mare decât aripa spate standard.
Componente aerodinamice ale Viper ACR 2016 cu opțiunea Extreme Aero
Forma urmează funcția
Generarea mai multă energie a fost principalul motiv pentru pachetul aerodinamic Viper ACR. Dar aspectul vehiculului a jucat, de asemenea, un rol important. Pentru a obține un aspect de succes fără pierderi de performanță, a fost necesar să se cuantifice efectele diferitelor componente aerodinamice, astfel încât biroul de proiectare a produselor FCA să poată îmbunătăți aspectul extern în locurile care au fost cel mai puțin relevante pentru performanță.
De exemplu, pentru aripă, lucrările de dezvoltare timpurii s-au concentrat pe proprietăți importante, cum ar fi înălțimea aripii, poziția longitudinală și spate, lățimea în raport cu vehiculul și conturul general. Măsurile de performanță au inclus, pentru un echilibru aerodinamic dat, eficiența aerodinamică și forța de forță generală în timpul ghemului. Testele CFD și ale tunelului eolian au arătat că o aripă foarte largă ar trebui montată în sus și decalată înapoi. Dar rezultatul vizual părea prea agresiv pentru un grup de potențiali clienți, motiv pentru care s-a decis oferirea a două pachete aerodinamice diferite - pachetul standard ACR și pachetul opțional Extreme Aero. Acesta din urmă a permis modificări suplimentare asupra altor componente, cum ar fi fantele de ventilație din aripa frontală, măririle speciale ale separatorului, precum și cârmele în jos și inserțiile difuzorului.
În plus față de modul în care arborele din spate ar trebui să fie poziționat, au fost de asemenea explorate mai multe geometrii de bază ale aripilor, inclusiv opțiuni precum elementul drept, arcuat, unic sau dublu și unele forme care au trecut de la elementul unic la elementul dublu. Proiectul final a rezultat apoi într-o vedere de sus arcuită și s-a bazat pe un segment de element unic care a fuzionat într-un segment de element dublu către marginea exterioară. Această formă a dus la cea mai bună combinație a forței de forță totală atunci când este gata, eficiența aerodinamică și greutatea, Figura 2.
Evoluția aripii spate
Odată ce forma de bază a fost pusă la punct, s-a folosit un proces Design Six Sigma (DFSS) pentru a găsi combinația optimă de proprietăți, luând în considerare atât cea mai înaltă performanță, cât și robustețea designului. Această procedură a identificat, de asemenea, proprietățile fizice care au avut cel mai mic impact asupra performanței, permițând personalului Biroului de proiectare a produselor FCA să modifice doar acele caracteristici pentru a obține aspectul dorit. Aceste caracteristici, cunoscute și sub numele de „factori de control”, au inclus înălțimea clapetei Gurney, adâncimea aripii, unghiul de atac, distanța și decalajul elementelor și lățimea segmentului elementului unic în raport cu segmentul elementului dublu. Testele CFD și ale tunelului eolian au finalizat investigațiile DFSS. Evaluarea a doar 18 combinații de factori de control a făcut posibilă prezicerea performanței a mai mult de 13.000 de combinații, Figura 3. Cunoașterea dobândită cu această metodă a fost utilizată pentru a identifica acele proprietăți care ar putea fi modificate în ceea ce privește proiectarea externă sau datorită acestuia spectacolul lor special a fost „inviolabil”.
Predicții calitative ale rezultatelor pentru peste 13.000 de soluții controlate de factor din studiul DFSS/CAE
structura
Actualul Viper ACR cu pachet Extreme Aero generează peste 544 kg de forță de forță la 241 km/h și peste 771 kg de forță de forță la viteza maximă de 285 km/h. Astfel de sarcini necesită armături structurale adecvate.
Un exemplu în acest sens este clapa aripii din fibră de carbon. Cu ajutorul măsurătorilor de mecanică a fluidelor, s-au determinat sarcinile maxime pe aripa din spate, după care analizele tehnice asistate de calculator au arătat că erau necesare straturi suplimentare de fibră de carbon. Evaluarea proiectului final a inclus o sarcină de testare statică pe vehicul și un test ulterior la viteze mari pe pista de curse. Mărirea despărțitorului frontal al pachetului Extreme Aero a necesitat suport suplimentar sub formă de stâlpi atașați la cadru. În plus față de studierea mecanicii fluidelor, au fost efectuate teste de mare viteză cu tijele prevăzute cu un manometru pentru a optimiza amplasarea tijelor.
Protecția componentelor aero sensibile
Separatorul frontal este format dintr-o placă mare din fibră de carbon, cu gardă la sol minimă la marginea anterioară. În configurația tehnică, marginea de atac este protejată de o bandă abrazivă din polietilenă de înaltă densitate, Figura 4. Pentru utilizare în curse, banda abrazivă a versiunii de drum este înlocuită de o mărire a așchii din același material. Ambele versiuni ale ACR au extensii de cale, dar extensia Extreme Aero este mai lungă și necesită suport suplimentar atașat la grinda barei de protecție cu consolă. Mărirea supraviețuiește contactului repetat cu solul, care are loc în mod regulat la frânare și la pornirea bordurilor.
Inserțiile difuzoarelor din spate pe Extreme Aero ACR au nevoie, de asemenea, de protecție datorită apropierii lor de suprafața căii. Măririle inserțiilor difuzorului, care pot fi instalate pe pista pentru efecte suplimentare de performanță, sunt realizate din același material din polietilenă de înaltă densitate ca și mărirea separatorului frontal. Aceste măriri protejează inserțiile din fibră de carbon în contact cu șina, care apare în mod regulat în viraje rapide sau alte evenimente cu compresie semnificativă a suspensiei.
Testele tunelului eolian
Sediul și Centrul Tehnologic Chrysler World din Auburn Hills, Michigan, are un tunel eolian 1: 1 cu secțiune gratuită de măsurare a jetului, unde echipa de dezvoltare a SRT a petrecut mai mult de 300 de ore în tunelul eolian pentru a avansa dezvoltarea Viper ACR în 29 de teste proprii.
Cu o dimensiune a duzei de 27,9 m2 și o lungime a standului de testare de 14,4 m, tunelul eolian este capabil să testeze vehicule mari, cum ar fi camioane și monovolume, precum și vehicule rapide de înaltă performanță, datorită unei viteze de curgere a aerului de maximum 225 km/h. Tunelul vântului poate menține temperaturi constante pentru teste aeroacustice precise. Se caracterizează printr-un sistem specific cu două faze care creează o grosime excelentă a stratului limită pe platan.
- Faza 1: O duză de strat limită elimină stratul limită la ieșirea duzei.
- Faza 2: un slot de ventilator tangențial introduce o parte din aer din paleta de deviere la 1,67 ori viteza liberă a jetului.
Pentru a dezvolta și analiza designul circular, au fost utilizate resursele CFD ale Fiat Chrysler Automobiles, SUA. În comparație cu tunelurile de vânt convenționale, acesta se caracterizează prin pierderi reduse de debit. Colțurile întinse specifice încetinesc fluxul de aer cu 46% atunci când se întoarce la 90 ° și evită astfel separarea fluxului. Alte caracteristici ale acestui tunel de vânt sunt un dispozitiv de îndreptare în formă de fagure cu pasaje de 16 ori mai lung decât diametrul celulei. Se plasează la intrarea contracției (duza). În aval, o sită cu ochiuri fine specifică curentul care curge în contracție. Toate paletele de rotire sunt proiectate special pentru fiecare colț și sunt proiectate pentru a absorbi zgomotul suflantei.
Deoarece niciun tunel de vânt nu poate reproduce perfect condițiile reale, este important să recunoaștem limitele tunelului de vânt utilizat. Tunelul de vânt Auburn Hills este instalat permanent, motiv pentru care acest fapt a trebuit să fie luat în considerare la analiza podelei vehiculului, în special în zona din spate a vehiculului. Componentele expuse roților de rotație au reprezentat o altă provocare în tunelul de vânt ancorat.În aceste cazuri, echipa Viper s-a bazat pe experiența din proiectele anterioare care au efectuat teste de corelație între tunelul de vânt Auburn Hills și tunelurile de vânt Rolling Road. au fost angajați. Testele finale de evaluare aerodinamică au fost efectuate în tunelul de vânt WindShear din Concord, Carolina de Nord (SUA). Analiza CFD a fost un alt instrument important pentru a înțelege efectele fiecărei componente.
Testele tunelului eolian au trebuit să ia în considerare și costul și timpul necesar. Acest lucru a limitat numărul de componente care ar putea fi testate complet, cum ar fi aripa din spate. Cu toate acestea, pentru unele componente, testele tunelului eolian s-au dovedit a fi mai rapide și mai rentabile decât analizele care utilizează mecanica de calcul a fluidelor. Ascensorul în jos, încuietorile capotei și unele părți ale separatorului frontal ar putea fi ușor reproduse și evaluate cu ajutorul modelelor din lemn, aluminiu și bandă. La primele teste, echipa a dorit să dezvolte componentele din față, dar le lipsea aripa din spate pentru a genera presiunea de contact necesară pentru o structură echilibrată. Soluția a fost de a lua două aripi, cea a unei generații anterioare Viper ACR și cea a unei mașini de curse Viper Competition Coupé, pentru a obține forța de forță dorită în spate. Această structură, cunoscută sub numele de „Baronul Roșu” din cauza aspectului cu etaj, nu a fost în niciun fel la fel de eficientă ca aripa din spate a seriei finale, dar a oferit o platformă de lucru bună pentru dezvoltarea elementelor frontale, Figura 5.
Testele tunelului eolian în primele etape ale dezvoltării aripii spate
După ce forma generală a aripii a fost determinată utilizând metoda CFD, a fost fabricată o aripă de test modulară pentru a analiza interacțiunile dintre înălțimea clapetei Gurney, unghiul de atac al fiecărui element și distanța dintre elemente, Figura 6. Chiar dacă acesta nu este a reușit să reproducă contururile complexe ale evaluării CFD, a permis validarea rezultatelor CFD înainte de fabricarea unei aripi care să se potrivească mai bine cu modelul de producție.