اسپویلر و بال خودرو چیست و کاربرد آن چگونه است

علم آیرودینامیک

خودرو به عنوان یک وسیله متحرک همیشه با مقوله جریان هوا درگیر بوده و هست از همین رو علم آیرودنیامیک به کمک مهندسان آمده تا بتوانند بهترین کارایی را برای خودرو به ارمغان بیاورد.علم آیرودینامیک در سال های اخیر پیشرفت شگرفی را تجربه کرده است چرا که در سالهای گذشته تنها با نصب یک بال بر روی خودرو به بررسی تاثیر آن می پرداختند اما این پروسه امروزه به مراتب پیچیده تر شده بطوریکه مهندسان ساعات بسیاری را در تونل های باد و در شبیه ساز های کامپیوتری مشغول به تحقیق و توسعه این علم هستند.اما پیشرفت این هنر باعث شده است در خودرویی نظیر هوندا سیویک تایپ R  از اجزای بیشمار آیرودنیامکی بر روی بدنه خود بهره ببرد اما خودرویی نظیر فراری GTB 488 در ظاهر هیچ چیز اضافه بر روی بدنه خود نداشته باشد .برای درک این موضع می خواهیم نگاهی موشکافانه تر به علم آیرودینامیک خودرو و تحلیل آن در فرایند تکامل بال عقب داشته باشیم.

آیرودینامیک در خودرو

برای درک علم آیرودنیامیک و همچنین وضعیت خودرو بر روی زمین کافی است نگاهی به ساختار بال هواپیما و نیروی بالا روند آن داشته باشیم. در این خصوص باید گفت تمامی عوامل بالا برنده هواپیما در نحوه ساده طراحی بالهای آن خلاصه شده است. بال هواپیما از  نیم قوسی در قسمت بالایی خود بهره می برد، در حالی قسمت فوقانی آن کاملا صاف است. از همین رو وقتی که موتور ها باعث می گردد که هواپیما با سرعت زیادی به جلو رانده شوند بالاهای هواپیما باعث شکاف در جریان هوا می گردند .لذا هوای شکاف خورده باید در انتها بال و در یک زمان واحد به یکدیگر برسند اما مسیر زیر هوایپما صاف بوده و از مسیر کمتری برخوردار بوده در نتیجه سرعت هوا در قسمت پایین کمتر است . اما هوای روی بال باید مسافت بیشتری را در نیم قوس طی کند تا به انتهای بال برسد در نتیجه باید سرعت بیشتری نسبت به هوای زیر بال داشته باشد. طبق قانون برنولی (استناد به کتاب سال 1738 فیزیکدان و ریاضیدان سوئیسی، دانیل برونی، به نام Hydrodynamica) هوایی که با سرعت بالاتری در جریان است، فشار کمتری به نسبت هوایی که با سرعت کمتر در جریان است، دارد.همین اختلاف فشار باعث تولید نیروی بالابرنده ای با همان نیروی برا می گردد که باعث پرواز هواپیما می گردد.

خودرو هم از نظر ظاهری تا حدودی شبیه به هواپیما است بطوریکه قسمت زیر خودرو صاف بوده اما قسمت بالای خودرو داری شکل قوس مانندی است از همین رو نیروی بالا برنده در خودرو نیز ایجاد می گردد اما میزان این نیرو آنقدر کم است که نمی تواند بر وزن خودرو غلبه کند. از دیگر عوامل بازدارنده جدا شدن خودرو از سطح زمین طراحی بدنه خودرو است چرا که در قسمت عقب خودرو مخصوصا در سدان ها فرو رفتگی صندوق عقب وجود دارد که از نظر ظاهری، خودرو را بال هواپیما متفاوت می کند . همین امر باعث می گردد در قسمت عقب خودرو جریانات هوای مغشوش گردند و به نوعی نیروی بالا برنده را کاهش می دهد. در خودروهای شاسی بلند و هاچ بک هم عقب خودرو کاملا یا تا حدودی تخت است که همین امر باعث تفاوت اینگونه خودرو ها با بال هواپیما می گردد. اما در خودروهای مسابقه ای و یا سوپر خودرو این شکست های بدنه بسیار کمتر است و ظاهر خودرو شباهت زیادی با بال هواپیما دارد از همین رو نیروی بالا برنده در اینگونه خودرو ها به مراتب بیشتر است.

مهندسان در طول تاریخ سعی کرده اند که تعادلی میان این نیروی بالا برنده و طراحی خودرو ایجاد نمایند اما در این بین یک مشکل دیگر وجود دارد و آن هم نیروی به نام "پسا" است. این نیرو در حقیقیت همان مقاومت هوا در برابر خودرو است که با ضریبی به نام ضریب درگ اندازه گیری می شود. ضریب درگ هر مقدار پایین تر باشد خودرو راحتر هوای مقابل را می شکافد و هوا مقاومت کمتری دارد. این ضریب بسیار مهم است چرا که بین آن و سرعت رابطه وجود دارد؛ هر چقدر سریع تر برانید، جریان هوای مقابل با فشار بیشتری مثل یک دیوار و در روی خودرو قرار می گیرد. این یکی از دلایلی است که باعث می شود بوگاتی شیرون با وجود 300 اسب بخار قدرت بیشتر به نسبت ویرون گرند اسپرت ویتس، تنها 10 کیلومتر بیشینه سرعت فراتر از آن داشته باشد. تا اینجای کار با علم آیرودنیامک و دلیل چسبندگی خودرو با زمین آشنا شدیم اما چرا از بال یا اسپیولر استفاده می کنیم.

چرا از بال استفاده می کنیم

همانطور که اشاره شد خودرو بدلیل شکل ظاهری خود دارای نیروی برا یا همان نیروی بالابرنده است که در خودروهای معمولی خیلی مشکل ایجاد نمی کند اما وقتی به سوپر خودروهای و یا خودروهای خیلی سریع می رسیم بدلیل شکل ظاهری بدنه خودرو و همچنین سرعت زیاد ،این نیروی باعث کم شدن چسبندگی خودرو به جاده شده و ممکن است در پیچ ها برای چسبندگی خودرو ایجاد مشکل کند . از همین رو مهندسان بال عقب را بکار گرفته که از شکلی به مانند بالا هواپیما برخودار است اما دقیقا به حالت بر عکس . به عبارتی بجای آنکه سطح قوس دار در بالای قرار گرد این سطح منحنی شکل در قسمت زیرین قرار گرفته و سطح صاف در قسمت بالا. همین امر موجب می گردد که نیرو به جای بالا رفتن باعث چسبندگی بیشتر خودرو به سطح زمین گردد.این نیروی بر عکس را داون فورس می نامند.

اسپویلر چیست و چه تفاوتی با بال دارد

در بیشتر مواقع بال ها با اسپویلر اشتباه گرفته می شوند اما اسپویلر از هم نظر ظاهری و هم از نظر کارایی با بال متفاوت هستند. در حقیقت اسپویلر ها مانند بال های از سطح قوس داری در قسمت زیرین برخوردار نیستند و هر دو سطح آن کاملا صاف است . همین امر باعث می گردد که اسپویلر ها خیلی در امر چسبندگی کارایی نداشته باشند . اما این قطعه که امروزه در بسیاری از خودرو های معمول و مخصوصا در شاسی بلند ها و هاچ بک ها بکار گرفته می شود   صرفا جریان هوا را در سرعت های بالا، به شکلی بهینه تر از قسمت عقب خودرو هدایت کرده و مانع اغتشاش هوای مزاحم و پس کشنده در این قسمت می شوند. نمونه بارز اسپویلرهای مدرن نیز اسپویلر سه تکه پورشه پانامرا توربو 2017 است که به شکلی جالب، ابتدا از دل صندوق بالا آمده سپس باز می شود.

تاریخچه استفاده از بال در خودرو

خودروسازان سطوح کنترل ایرودینامیک بی شماری برای ایجاد نیروی رو به پایین به کار می برند و توضیح در مورد تمامی آنها نیازمند نگارش کتابی در باب آیرودینامیک است. پس فعلا به مهم ترین آنها یعنی بال های ثابت می پردازیم. اولین کاربرد بال ثابت در خودرو به دهه 1930 میلادی و RAK2 فریتز فان اوپل باز می گردد. این خودرو رکوردشکن برای رسیدن به مرز سرعت 237.9 کیلومتر در ساعت از 24 موشک بهره گرفت و با دانش کسب شده از صنعت هوافضا، اوپل دو بال قوس گرفته به سمت بالا در طراحی RAK2 استفاده کرد تا از بلند شدن آن از سطح زمین در سرعت های بالا پیشگیری کند. اما تا اواخر دهه 1960 که کولین چپمن خودروی فرمولاوان موفق خود یعنی لوتوس 49 را معرفی کرد، زمان بُرد تا شاهد اولین استفاده از بال عقب ثابت در چیدمانی مرسوم تر برای خودرو باشیم.

در اواسط فصل 1968 فرمولاوان، چپمن بال ارتفاع گرفته ای را مستقیما روی فنربندی عقب، به مراتب بالاتر از ارتفاع سر راننده (یا به عبارت بهتر، خارج از رد آیرودینامیک خودروهای مقابل) نصب کرد. این مشخصه، در ابتدا برتری رقابتی قابل توجهی به لوتوس داد اما خیلی زود، به واسطه چند تصادف جدی، از استفاده آن منع شد.

آیرودینامیک فعال

بال های علی رغم کارایی بالای خود دارای یک ضعف بزرگ هستند آن هم نیروی درگ ایجاد شده توسط آنها می باشد.در حقیقت بالهای همانند خود خودرو بدلیل ایجاد شکاف در جریان هوای ،نیرو درگ با همان نیروی پسا تولید می کند که باعث ایجاد مقاومت در برابر هوا و کاهش راندمان خودرو می گردد. اینجا بود که مهندسان سیستم آیرودینامیک فعال را اختراع کردند.این سیستم باعث خواهد شد زمانی که خودرو در سر پیچ ها و مانورهای حرکتی نیاز به نیروی چسبندگی با همان داون فورس دارد فعال گردد و در مسیر های مستقیم به دلیل جلوگیری از تولید نیرو پسا غیر فعال می گردد. مثال بارز آیرودینامیک فعال، بال عقبی است که در دل سطوح بدنه مخفی است و تنها در هنگام نیاز مثلا در سر پیچ ها و یا در سرعت های بالا، برای ایجاد چسبندگی بیشتر خودرو به مسیر، بالا می آید. این فرآیند توسط ستون های هیدرولیک انجام می شود و بسته به عملکرد مورد نظر، موقعیت و شکل متفاوتی به بال عقب می دهد.

برای نمونه بال عقب مک لارن P1 در حالت سواری Race در بالاترین ارتفاع خود و تهاجمی ترین زاویه ممکن قرار می گیرد که همین P1 را در پیچیدن های بسیار سریع نیز به خوبی به سطح مسیر می چسباند. همین بال عقب می تواند با تغییر زاویه به شکلی تقریبا عمودی، نقش یک ترمز هوایی را نیز در تزمزگیری های شدید ایفا کند. پیشینه این نوع فناوری آیرودینامیک را می توان تا شاپارل 2E سال 1966 دنبال کرد. این خودرو مسابقه ای دارای بال عقب بزرگی بود که قابلیت تغییر حالت برای ایجاد داونفورس کمتر یا بیشتر، بسته به نیاز راننده بود. نیسان به فاصله 2 سال با R381 فاتح گرندپری، این فناوری را ارتقا داد. البته با این تفاوت که بال عقب را به دو قسمت تقسیم کرد تا امکان ایجاد نیروی رو به پایین متغیر روی چرخ عقب داخل پیچ و بیرون پیچ وجود داشته باشد.

یک مشکل دیگر برای استفاده از بال در عقب خودرو

همانطور که اشاره شد جریان سریع هوا درسطح قوس دار زیر بال خودرو باعث ایجاد داون فورس یا همان نیروی چسبندگی می گردد اما یک مشکل اساسی دیگر وجود دارد. بالهای معمولا توسط دو پایه عمودی به عقب خودرو متصل هستند اما همین دو پایه در مواجه با جریان هوا باعث ایجاد اختلال در مسیر هوای عبوری از زیر بال خواهند شد و همین امر کارایی بال را تا یک سوم کاهش می دهد . به همین دلیل است که در برخی ابرخودروها پایه های اتصال بال به خودرو، به سطح فوقانی آن وصل هستند. نمونه بارز این طراحی نیز بال عقب کونیگزگ One:1 است.

پیشرفت علم آیرودینامیک برای گذر از بالها

امروز علم آیرودینامیک آنچنان پیشرفت نموده است که مهندسان در حال گذر کردن از بال خودرو هستند .به عبارتی بال خودرو در حال منقرض شدن است و مهندسان روش های ابداعی جدیدی را به جای بالها پیش گرفته اند تا بتوانند نیروی داون فورس بیشتری را ایجاد نمایند بودن اینکه با معایب بال ها روبرو گردند.

برای مثل فراری 488 GTB که بدون هیچ گونه سطوح کمکی اضافه شده روی بدنه، تا 50 درصد بیشتر از مدلی که جایگزینش شده (458 ایتالیا) نیروی رو به پایین ایجاد می کند. این مهم به لطف نوآوری های آیرودینامیکی همچون دریچه هوای کار شده در انتهای درپوش موتور، موسوم به Blown Spoiler که جریان هوای روی خودرو را از روی سطح درپوش موتور و دریچه انتهایی آن تا خروجی هوای کار شده در قسمت عقب هدایت می کند میسر شده است.

این فناوری روی به این شکل است که درون بدنه خودرو و در قسمت عقب اسپویلری را ایجاد کرده اند که امکان ایجاد یک قوس مناسب در سطح زیرین آن را به طراحان فراری داده است و در کنار آن، از مزیتی به نام پدیده ونتوری نیز بهره می برد. در حقیقت در این تکنولوژی دیگر از سطح قوس داری شبیه بالها خبری نیست و بجای آن از پدیده ونتوری استفاده می گردد. این پدیده هنگامی اتفاق می افتد که جریان هوا با هدایت به یک محیط کم حجم تر، شتاب بیشتری می گیرد. در واقع با ترکیب این دو مزیت، Blown Spoiler فراری 458 GTB عملکردی بهتر از یک بال عقب ثابت دارد.

علم آئرودینامیک در آینده

مهندسان علم آیرودینامیک در خودرو خستگی ناپذیر هستن و همچنان روبه جلو حرکت می کنند از همین رو شاهد هستیم که روش های نوینی در حال ابداع ست که دیگر نیازی به بال و اسپویلر به هر شکلش نیست.در حقیقت علم آیرودینامیک خودرو در آینده در دست روشی نوینی به نام کنترل جریان هوا با پلاسما خواهد بود.

ایده ای که فعلا در مرحله تحقیق و توسعه است اما پتانسیل بسیار بالایی برای استفاده در ابرخودروهای فوق عملکردی دارد. ایده کلی هم این است که فقط زمانی که چسبندگی اضافی مورد نیاز است، کنترلگرهای پلاسما فعال می شوند. در واقع اجزای الکترونیک جا شده در دل بدنه که به خودی خود تاثیری در جریان هوای اطراف بدنه ندارند، می توانند بدون نیاز به هیچ گونه عضو الصاقی متحرک، شکل و مسیر این جریان هوا را تغییر دهند.

روند کار به این ترتیب است که جریان متناوب با ولتاژ بالا از بین دو الکترون عبور داده می شود تا پلاسمای دمای پایین ایجاد شود. این پلاسما می تواند مولکول های هوایی که از روی یک سطح می گذرند را یونیزه کرده، جریان عبوری را شتاب دهد. 

این نوع فناوری برخلاف بال های مرسوم می تواند بدون ایجاد درگ و اغتشاش هوا، داونفورس خودرو را به شکل محسوسی افزایش دهد. کافی است هنگام نیاز به چسبندگی بیشتر به مسیر، کنترلگرهای جریان پلاسما فعال شوند و وقتی که نیازی نیست، غیرفعال شوند. حتی هنگام فعال بودن نیز این مکانیسم، نیروی پسای به مراتب کمتری به نسبت بال ها و اسپویلرهای ثابت یا فعال ایجاد می کنند چرا که فاقد هرگونه عضو متحرک یا سطح فیزیکی بازدارنده یا مزاحم است.

مک لارن خودرو فومولاوان مفهومی خود، MP4-X را بر پایه این فناوری طراحی کرده و ارگان هایی همچون ناسا هم توجه ویژه ای به این فناوری دارند اما تا عملیاتی شدن آن، مخصوصا روی خودروهای عملکرد محور و ابرخودروها، زمان بسیاری باقی است چرا که در حال حاضر با ولتاژهای بسیار بالایی کار می کند که مناسب و بهینه برای یک خودرو امروزی نیست.