Dodge Viper ACR Аеродинаміка вуличного легального гоночного автомобіля SpringerLink
З 1992 року Dodge Viper - особливо версія ACR, вперше представлена в 1999 році - завжди була розроблена для надзвичайних характеристик. Для нового Viper ACR, як описано в МТЗ 3/2017, FCA поєднує високі показники потужності та атмосферний двигун V10 потужністю 481 кВт, щоб забезпечити цю потужність на дорозі. У цій статті інженери пояснюють, як вони розробляли аеродинамічні компоненти Viper ACR.
Королева іподрому
Власники гадюк використовують свої транспортні засоби різними способами, в тому числі на перегонах драгстер/автокрос/гімхана, а також на вуличних перегонах. Протягом багатьох років багато власників гоночних ентузіастів Viper просили виробника все більше і більше продуктивності.
Перший Dodge Viper ACR (American Club Racer) був заснований на моделі Viper другого покоління і вийшов на ринок у 1999 році для задоволення цього попиту. Еволюція шасі та двигуна на першому ACR була зосереджена на максимізації продуктивності для дорожніх перегонів та автокросу. Потужність двигуна збільшена з 336 кВт до 343 кВт завдяки спеціальному повітряному фільтру та полірованим впускним каналам карбюратора. Власна вага була зменшена більш ніж на 22 кг, опустивши аудіосистему та інше неважливе обладнання, таке як протитуманні фари. Нове, більш тверде та пристосоване шасі заощадило ще 6 кг ваги.
Друга версія Viper ACR була заснована на четвертому поколінні Viper Coupé і була побудована в 2008-2010 модельних роках. Viper ACR 2008/2009 року подав на дорогу потужність стандартної версії 447 кВт з максимальним крутним моментом 759 Нм і характеризувався додатковими вдосконаленнями в аеродинаміці, гальмах та шасі. Однією з цілей технічного розвитку було досягнення притискної сили 453 кг при швидкості 241 км/год за допомогою оптимального аеродинамічного балансу - що також було досягнуто за допомогою чисельної механіки рідини та випробувань аеродинамічної труби. Спеціальні підвісні стійки дозволяли регулювати рівень і дозволяли поступово регулювати рівні стиснення та відскоку.
Характеристики пружин та стабілізаторів були покращені, а ACR оснащений кованими алюмінієвими ободами та спортивними шинами, готовими до перегонів. Нові колеса та шини, а також двокомпонентна дискова гальмівна система заощадили близько 18 кг порівняно з вагою базової Viper. Подальше зниження ваги на 18 кг (із загальної кількості 36 кг) стало можливим, якщо замовити ACR із жорстким корпусом, тобто без аудіосистеми, килима багажника та звукоізоляції. 2008 Viper ACR продемонстрував свій потенціал ефективності завдяки новому рекорду курсу 7: 22,1 хвилин на 20,8 км Nordschleife Nürburgring.
У моделі 2010 року аеродинаміку та притискну силу при позіханні додатково покращили нещодавно розроблений клапан Герні на задньому крилі та панель покриття. Крім того, більш короткий коефіцієнт п’ятої передачі збільшив прискорення на високих швидкостях та максимальну швидкість. Ці вдосконалення були прямим результатом знань, отриманих тюнінговою компанією SRT на Nordschleife Nürburgring: про те, що зміна передавального числа забезпечить більш високу швидкість і, таким чином, коротший час. Наприкінці вересня 2011 року Dodge повернувся на знаменитий іподром і встановив рекорд кола для серійних автомобілів із 7: 12,13 хвилин.
Наприкінці 2009 року Dodge оголосив про не вуличний законний Viper ACR-X, призначений для звернення до гоночного пуриста. Dodge Viper ACR-X 2010 року живив відомий 8,4-літровий бензиновий двигун V10 - оснащений випускними колекторами, кованими поршнями та дросельною вихлопною системою, що виробляв 477 кВт (на 30 кВт більше, ніж у виробничого автомобіля). Шасі було налаштовано на іподром, а вага зменшена на 73 кг порівняно з серійним автомобілем, щоб впоратися з найвибагливішим маршрутом. Додаткові аеродинамічні покращення оптимізували притискну силу та стійкість, а також утримання дороги у швидких поворотах. Viper ACR-X мав встановлене на заводі та розроблене обладнання безпеки, яке включало клітку, паливний бак та гоночне сидіння.
Остання модель Viper ACR з 2016 року характеризувалась аеродинамікою, яка забезпечувала контактний тиск на рівні гоночного автомобіля та приносила надзвичайну продуктивність іподрому. Високий контактний тиск у поєднанні з двигуном V10 потужністю 481 кВт, спеціальними шинами Kumho та пакетом шасі, який включав регульовані амортизатори Bilstein, повинні зробити Viper ACR найкращим вуличним гоночним автомобілем. Він встановив більше рекордів курсу, ніж будь-який інший серійний автомобіль, включаючи загалом 13 рекордів коліс для серійних автомобілів у США, включаючи записи, які раніше зберігались у гіперкарів, таких як Porsche 918 та McLaren P1 [1], Таблиця 1.
Для того, щоб побудувати дорожній транспортний засіб з таким високим контактним тиском, довелося подолати ряд технічних завдань, включаючи створення естетичного вигляду без будь-якої втрати функціональності, забезпечення конструкцій, що підтримують аеродинамічне навантаження, та забезпечення довговічності аеродинамічних компонентів, виготовлених із вуглецевих волокон близько до землі.
Аеродинамічний пакет був реалізований за допомогою таких інструментів:
- аероакустичний аеродинамічний тунель масштабу 1: 1 у Fiat Chrysler Automobiles (FCA) на Оберн-Гіллс, штат Мічиган
- чисельне моделювання потоку (CFD)
- Використання методу шести сигм (DFSS) для оптимізації фізичних властивостей компонентів
- Трек-тести з контролем приладів.
Огляд аеродинамічних компонентів
Стандартний аеродинамічний пакет Dodge Viper ACR 2016 року складається з чотирьох важливих компонентів. Передній спліттер складається з широкої пластини з вуглецевого волокна. Він виконує кілька функцій на підлозі автомобіля, створює ефективний тиск спереду і в основному невидимий, коли транспортний засіб знаходиться на дорозі. Розширення переднього сплітера призначене для іподрому і поширює край спліттера вперед, щоб створити додатковий контактний тиск. Спускаючий ліфт з кожного боку переднього фартуха забезпечує додатковий контактний тиск. Нарешті, заднє крило шириною 1,776 м із регульованим кутом атаки взаємодіє з передніми аеродинамічними компонентами, щоб отримати збалансований загальний результат.
Додатковий пакет Extreme Aero від Viper ACR, малюнок 1, також включає надзвичайне збільшення спліттера, яке довше, ніж стандартне збільшення спліттера, створює значно більший контактний тиск і вимагає додаткових опорних стійок. Крім того, вище стандартних випусків ACR, додаткові підписки були прикріплені для збільшення притискної сили спереду, яку можна збільшити, знявши вентиляційні отвори в передньому крилі або шість вентиляційних отворів у капоті. Шість вигнутих вставок з вуглецевого волокна на задньому дифузорі стандартного Viper, а також подовжені ремені для іподрому створюють більший контактний тиск ззаду, особливо при позіханні. І останнє, але не менш важливе: крайнє заднє крило, завдяки своєму вищому та задньому положенню на транспортному засобі, специфічному клапті Герні та ширині на 10 см, створює більш високий контактний тиск, ніж стандартне заднє крило.
Аеродинамічні компоненти Viper ACR 2016 з опцією Extreme Aero
Форма відповідає функції
Виробництво більшої потужності стало основною причиною створення аеродинамічного пакета Viper ACR. Але зовнішній вигляд автомобіля також зіграв важливу роль. Для того, щоб досягти успішного зовнішнього вигляду без втрати експлуатаційних характеристик, необхідно було кількісно оцінити ефекти різних аеродинамічних компонентів, щоб конструкторське бюро FCA могло поліпшити зовнішній вигляд у місцях, які найменш відповідали характеристикам.
Наприклад, для крила робота на ранніх стадіях була зосереджена на таких важливих властивостях, як висота крила, поздовжнє та заднє положення, ширина по відношенню до автомобіля та загальний контур. Показники продуктивності включали, для даного аеродинамічного балансу, аеродинамічну ефективність та загальну притискну силу під час гойдання. Випробування CFD та аеродинамічного тунелю показали, що дуже широке крило найкраще встановлювати високо та зсунути назад. Але візуальний результат здався занадто агресивним для групи потенційних клієнтів, саме тому було вирішено запропонувати два різні аеродинамічні пакети - стандартний пакет ACR та додатковий пакет Extreme Aero. Останнє дозволило вносити подальші зміни в інші компоненти, такі як вентиляційні отвори в передньому крилі, спеціальні збільшення сплітера, а також вниз рулі та вставки дифузора.
На додаток до того, як слід розташувати заднє крило, також було досліджено кілька основних геометрій крила, включаючи варіанти прямолінійного, дугоподібного, одинарного або подвійного елемента, а також деякі форми, які переходили від одинарного до подвійного елемента. Тоді остаточний дизайн призвів до арочного виду зверху і спирався на сегмент одного елемента, який об’єднався у сегмент подвійного елемента до зовнішнього краю. Така форма призвела до найкращого поєднання загального контактного тиску під час гойдання, аеродинамічної ефективності та ваги, рис.2.
Еволюція заднього крила
Після того, як основна форма була на місці, був використаний процес Design Six Sigma (DFSS), щоб знайти оптимальну комбінацію властивостей, яка враховувала як найвищу продуктивність, так і міцність конструкції. Ця процедура також виявила фізичні властивості, які мали найменший вплив на продуктивність, дозволяючи співробітникам FCA Product Design Office змінювати саме ці характеристики для досягнення бажаного вигляду. Ці характеристики, також відомі як "контрольні фактори", включали висоту клапана Герні, глибину крила, кут атаки, відстань та зміщення елементів та ширину сегмента одиничного елемента щодо сегмента подвійного елемента. Випробування CFD та аеродинамічної труби завершили розслідування DFSS. Оцінка лише 18 комбінацій контрольних факторів дозволила передбачити ефективність понад 13 000 комбінацій. Рисунок 3. Знання, отримані за допомогою цього методу, використовувались для виявлення тих властивостей, які можуть бути змінені щодо зовнішньої конструкції або через неї їх спеціальні виступи були "недоторканними".
Якісне прогнозування результатів для понад 13 000 контрольованих фактором рішень з дослідження DFSS/CAE
структура
Нинішній Viper ACR з пакетом Extreme Aero генерує понад 544 кг притискної сили при швидкості 241 км/год і понад 771 кг притискної сили при максимальній швидкості 285 км/год. Такі навантаження вимагали відповідного підкріплення конструкції.
Прикладом цього може служити карбоновий клапан заднього крила. За допомогою вимірювань механіки рідини було визначено максимальні навантаження на заднє крило, після чого автоматизовані інженерні аналізи показали, що потрібні додаткові шари вуглецевого волокна. Оцінка остаточного проекту включала статичне випробувальне навантаження на транспортний засіб і подальше випробування на високих швидкостях на іподромі. Розширення переднього спліттера пакета Extreme Aero вимагало додаткової опори у вигляді підкосів, прикріплених до рами. На додаток до вивчення механіки рідини, були проведені високошвидкісні випробування стійок, оснащених тензорезистором, для оптимізації розміщення стійок.
Захист чутливих аерокомпонентів
Передній спліттер складається з великої пластини з вуглецевого волокна з мінімальним кліренсом біля передньої кромки. У придатній для експлуатації конфігурації передній край захищений абразивною стрічкою з поліетилену високої щільності, Малюнок 4. Для гоночного використання абразивна смуга дорожньої версії замінена осколком збільшення, виготовленим з того ж матеріалу. Обидві версії ACR мають розширення колії, але розширення Extreme Aero довше і вимагає додаткової опори, яка кріпиться до балки бампера за допомогою кронштейнів. Збільшення переживає повторний контакт із землею, що відбувається регулярно при гальмуванні та при запуску бордюру.
Задні вставки дифузора на Extreme Aero ACR також потребують захисту через свою близькість до поверхні колії. Розширення вставок дифузора, які можна встановити на іподромі для додаткових характеристик, виконані з того ж поліетиленового матеріалу високої щільності, що і збільшення переднього роздільника. Ці розширення захищають вуглецеві волоконні вставки при контакті з колією, що відбувається регулярно при швидких поворотах або інших подіях із значним стисненням підвіски.
Випробування аеродинамічної труби
Світова штаб-квартира та технологічний центр Chrysler в Оберн-Гіллс, штат Мічиган, має аеродинамічну трубу 1: 1 із секцією вимірювання вільного струменя, де команда розробників SRT провела більше 300 годин у аеродинамічній трубі для просування розвитку Viper ACR за 29 власних випробувань.
Завдяки розміру сопла 27,9 м2 і довжині випробувального стенду 14,4 м, аеродинамічний тунель здатний випробовувати великі транспортні засоби, такі як вантажівки та мінівени, а також, завдяки швидкості повітряного потоку максимум 225 км/год, швидкі високопродуктивні транспортні засоби. В аеродинамічній трубі можна підтримувати постійні температури для точних аероакустичних випробувань. Характеризується специфічною двофазною системою, яка створює чудову товщину прикордонного шару на вертушці.
- Фаза 1: Насадка прикордонного шару видаляє прикордонний шар на виході з сопла.
- Фаза 2: Тангенціальний отвір вентилятора вводить частину повітря з лопатки відхилення з 1,67 рази швидкістю вільного струменя.
Для розробки та аналізу кругового дизайну були використані ресурси CFD компанії Fiat Chrysler Automobiles, США. У порівнянні зі звичайними аеродинамічними трубами він характеризується низькими втратами потоку. Специфічні розтягувані кути уповільнюють потік повітря при повороті на 90 ° на 46% і таким чином уникають поділу потоку. Подальшими особливостями цього аеродинамічного тунелю є випрямляч потоку у формі стільника з проходами в 16 разів довшими, ніж діаметр комірки. Він розміщується біля входу стягування (сопла). Нижче за течією сито з дрібними вічками визначає струм, що надходить у стягування. Всі поворотні лопаті спеціально розроблені для кожного кута і призначені для поглинання шуму повітродувки.
Оскільки жодна аеродинамічна труба не може ідеально відтворити реальні умови, важливо визнати, де знаходяться межі використовуваної аеродинамічної труби. Аеродинамічний тунель Оберн-Гіллс встановлений постійно, саме тому цей факт потрібно було враховувати при аналізі підлоги автомобіля, особливо в задній частині автомобіля. Компоненти, схильні до спінінгів, були ще однією проблемою у якірній аеродинамічній трубі. У цих випадках команда Viper спиралася на досвід попередніх проектів, що проводили кореляційні тести між аеродинамічною трубою Оберн-Гіллз та аеродинамічними трубами Rolling Road були найняті. Остаточні аеродинамічні оціночні випробування були проведені в аеродинамічній трубі WindShear в Конкорді, штат Північна Кароліна (США). Аналіз CFD був ще одним важливим інструментом для розуміння ефектів кожного компонента.
Випробування аеродинамічної труби також мали враховувати витрати та необхідний час. Це обмежило кількість компонентів, які можна було повністю перевірити, наприклад заднє крило. Однак для деяких компонентів випробування аеродинамічної труби виявилися більш швидкими та економічно вигідними, ніж аналізи з використанням обчислювальної механіки рідини. Вниз ліфта, замки капота та деякі частини переднього сплітера можуть бути легко відтворені та оцінені за допомогою деревини, алюмінію та стрічкових моделей. На перших випробуваннях команда хотіла розробити передні компоненти, але їм не вистачало заднього крила, щоб створити необхідний контактний тиск для збалансованої конструкції. Рішення полягало в тому, щоб взяти два крила - попереднього покоління Viper ACR та гоночного автомобіля Viper Competition Coupé, щоб отримати бажану притискну силу ззаду. Ця конструкція, відома під назвою "Червоний барон" через зовнішній вигляд двоповерхового приміщення, була жодним чином не такою ефективною, як останнє заднє крило останньої серії, але вона забезпечила хорошу робочу платформу для розробки передніх елементів, Малюнок 5.
Випробування аеродинамічної труби на ранніх стадіях розвитку заднього крила
Після визначення загальної форми крила методом CFD було виготовлено модульне випробувальне крило для аналізу взаємодії між висотою клапана Герні, кутом атаки кожного елемента та відстанню між елементами, Рисунок 6. Навіть якщо це не вдалося відтворити складні контури оцінки CFD, це дозволило підтвердити результати CFD до виготовлення крила, яке більш відповідало виробничій моделі.