Oprócz dziaÅ‚aÅ„ w sferze biznesowej i organizacyjnej, ważnym aspektem przygotowaÅ„ do udziaÅ‚u w zmaganiach jest odpowiednie opracowanie konstrukcji bolidu, a w szczególnoÅ›ci usprawnienie jego aerodynamiki. O pracach w tym zakresie opowiadajÄ… Mateusz GugaÅ‚a i MichaÅ‚ Remiasz z teamu WUT Racing:
- Jak wygląda kwestia aerodynamiki w kontekście projektowania samochodu?
W klasycznych samochodach użytkowych aerodynamika skupia siÄ™ gÅ‚ównie na osiÄ…ganiu jak najmniejszego oporu (wspóÅ‚czynnik Cx), jednoczeÅ›nie mocno zwracajÄ…c uwagÄ™ czy bryÅ‚a nie generuje dużych siÅ‚ noÅ›nych i zapewnia odpowiedni balans (rozkÅ‚ad) siÅ‚ na przedniÄ… i tylnÄ… oÅ›. Zwykle w tego typu samochodach nie instaluje siÄ™ pÅ‚atów dociskowych ani innych elementów aerodynamicznych, ponieważ przeciÄ™tnemu użytkownikowi nie zależy na osiÄ…ganiu ogromnych przyspieszeÅ„ czy to liniowych czy bocznych. Zatem podsumowujÄ…c, w pojazdach użytkowych dążymy do zredukowania Cx, aby zmniejszyć zużycie paliwa i zwiÄ™kszyć komfort jazdy (haÅ‚as aerodynamiczny). W przypadku docisku aerodynamicznego, gÅ‚ównym aspektem jest sprawdzenie czy bryÅ‚a pojazdu nie generuje zbyt dużych siÅ‚ noÅ›nych przy wiÄ™kszych prÄ™dkoÅ›ciach. Chodzi nam o zapewnienie stabilnoÅ›ci pojazdu oraz bezpieczeÅ„stwa jazdy.
- A w przypadku wyczynowych samochodów sportowych?
PodejÅ›cie, jak również cele i zaÅ‚ożenia mocno zmieniajÄ… siÄ™ przy projektowaniu pojazdu sportowego. W tym przypadku pojazdy dysponujÄ… niejednokrotnie ogromnym nadmiarem mocy. Aby tak duże moce (dochodzÄ…ce nawet do 1 000 KM) można byÅ‚o przenieść caÅ‚kowicie na nawierzchnie, potrzebujemy jak najwiÄ™kszego docisku, w przeciwnym razie ogromna moc pojazdu spowoduje, że koÅ‚a bÄ™dÄ… krÄ™ciÅ‚y siÄ™ w miejscu i wiÄ™kszość mocy zostanie po prostu rozproszona (zamieniona na ciepÅ‚o generowane przy tzw. paleniu ‘gumy’). Niejedna osoba wystÄ…piÅ‚aby w tym momencie z ‘genialnym’ pomysÅ‚em doÅ‚ożenia masy, Å‚udzÄ…c siÄ™ ze zwiÄ™kszy to docisk. Fakt, doÅ‚ożenie masy powoduje zwiÄ™kszenie siÅ‚a tarcia miÄ™dzy koÅ‚ami a nawierzchniÄ…, jednak nie wpÅ‚ynie kompletnie na wzrost przyspieszeÅ„ czy to liniowych czy bocznych, ponieważ ze wzrostem masy wzroÅ›nie też bezwÅ‚adność pojazdu. I tu wÅ‚aÅ›nie niezastÄ…piona stajÄ™ siÄ™ “niewidzialna” i “nieważka” (nieposiadajÄ…ca masy) siÅ‚a docisku aerodynamicznego. DokÅ‚adajÄ…c elementy aerodynamiczne takie jak dyfuzor, pÅ‚at przedni, pÅ‚at tylni zwiÄ™kszamy masÄ™ bardzo nieznacznie - elementy wykonane z kompozytów epoksydowo-wÄ™glowych powszechnie nazywanych “karbonem” sÄ… bardzo lekkie i wytrzymaÅ‚e. W zamian dostajemy duży docisk (wartość siÅ‚y docisku zależy mocno od prÄ™dkoÅ›ci) i praktycznie w ogóle nie zwiÄ™kszamy masy caÅ‚kowitej pojazdu.
- Wróćmy na chwilÄ™ do oporu powietrza – przecież duży wspóÅ‚czynnik Cx nie jest mile widziany w autach sportowych?
Przy projektowaniu aerodynamiki pojazdu sportowego, niejednokrotnie dążymy nie tylko do uzyskania jak najwiÄ™kszego docisku, ale także jak najmniejszego oporu (Cx). Im mniejszy wspóÅ‚czynnik oporu osiÄ…gniemy tym wiÄ™ksza bÄ™dzie nasza prÄ™dkość maksymalna. Zatem, wspóÅ‚czynnik siÅ‚y docisku umożliwia nam osiÄ…ganie dużych przyspieszeÅ„ natomiast wspóÅ‚czynnik siÅ‚y oporu Cx osiÄ…ganie dużych prÄ™dkoÅ›ci. Możemy sobie teraz Å‚atwo wyobrazić, że podczas projektowaniu aerodynamiki samochodu sportowego chcemy osiÄ…gnąć jak najwiÄ™kszy Cz i jak najmniejszy Cx. Dlatego też, jeÅ›li nasz pojazd ma jeździć po bardzo krÄ™tym torze - czyli z mniejszymi prÄ™dkoÅ›ciami, powinniÅ›my dążyć do osiÄ…gniÄ™cia jak najwiÄ™kszego docisku nie przejmujÄ…c siÄ™ mocno siÅ‚a oporu, jeÅ›li natomiast w wyÅ›cigach jest dużo dÅ‚ugich odcinków prostych powinniÅ›my mocno zwracać uwagÄ™ na opór, ponieważ ograniczy on nam prÄ™dkość maksymalnÄ…. Nie da siÄ™ zatem zaprojektować aerodynamiki, którÄ… bÄ™dzie uniwersalna i sprawdzaÅ‚a siÄ™ idealnie w każdych warunkach (no chyba ze regulamin zawodów dopuszcza ruchome elementy aerodynamiczne, wtedy nie ma problemu), wszystko zależy od tego, w jakiego typu wyÅ›cigach nasz pojazd bÄ™dzie braÅ‚ udziaÅ‚.
Najlepszym przykÅ‚adem ogromnego wpÅ‚ywu aerodynamiki na osiÄ…gi pojazdów sportowych jest FormuÅ‚a 1. GdybyÅ›my chcieli wystartować jakimÅ› pojazdem w zawodach FormuÅ‚y 1, który nie byÅ‚by wyposażony w tak bogaty pakiet aerodynamiczny, jaki aktualnie każdy zespóÅ‚ posiada, to pojazd nie miaÅ‚by żadnych szans w wyÅ›cigu, nawet jeÅ›li posiadaÅ‚by mocniejszy silnik, lepsze zawieszenie itp. Jeden z sezonów F1 potwierdziÅ‚ jak ogromne znaczenie może mieć nawet maÅ‚a zmiana w aerodynamice. Zainteresowani wyÅ›cigami z pewnoÅ›ciÄ… pamiÄ™tajÄ… aferÄ™ zwiÄ…zanÄ… z podwójnym dyfuzorem teamu RedBull. DziÄ™ki tak niewielkiej zmianie pojazd tego teamu byÅ‚ bezkonkurencyjny w każdym wyÅ›cigu, a przecież wprowadzili tylko maÅ‚Ä… zmianÄ™ w tylnej dolnej części swojego pojazdu. Co wiÄ™cej, moc ich silnika byÅ‚a o okoÅ‚o 20 KM mniejsza niż innych teamów. Ten przypadek doskonale opisuje, czym jest i jak może wpÅ‚ynąć na osiÄ…gi pojazdu aerodynamika. Czasem nawet minimalne zmiany dajÄ… dużą różnicÄ™.
- Jak zatem aerodynamika wpÅ‚ywa na osiÄ…gi pojazdu FormuÅ‚y SAE? Wizualizacje pokazujÄ…, że wasz bolid ma spore „skrzydÅ‚o”?
To jak wyglÄ…daÅ‚a bÄ™dzie aerodynamika takiego pojazdu mocno narzuca regulamin konkursu. Pojazdy nie mogÄ… przekraczać prÄ™dkoÅ›ci okoÅ‚o 130 km/h. To regulaminowe zaÅ‚ożenie, oraz charakterystyka toru (maÅ‚o prostych dużo zakrÄ™tów), jest praktycznie fundamentem projektu aerodynamiki. DziÄ™ki temu wiemy, że nasz pojazd bÄ™dzie poruszaÅ‚ sie gÅ‚ównie z maÅ‚ymi prÄ™dkoÅ›ciami, wielokrotnie hamujÄ…c przed i przyspieszajÄ…c po wyjÅ›ciu z zakrÄ™tu. Zatem celem teamu projektujÄ…cego pojazd FSAE powinno być stworzenie możliwie najbardziej „dynamicznego” pojazdu.
Chyba każdej osobie, która czyta ten wywiad uważnie, w tym momencie czytania tekstu duże przyspieszenia powinny kojarzyć siÄ™ z dużym dociskiem aerodynamicznym (dużym wspóÅ‚czynnikiem ‘Cz’). Tak wiÄ™c ze wzglÄ™du na nieduże prÄ™dkoÅ›ci oraz chęć osiÄ…gniÄ™cia możliwie jak najbardziej dynamicznego pojazdu (duże przyspieszenia liniowe - hamowanie, przyspieszanie oraz przyspieszenia boczne w zakrÄ™tach) zaÅ‚ożenia projektu zamykajÄ… siÄ™ w kilku gÅ‚ównych wÄ…tkach. Po pierwsze priorytetem jest osiÄ…gniÄ™cie możliwie jak najwiÄ™kszej siÅ‚y docisku tak, aby już przy maÅ‚ych prÄ™dkoÅ›ciach można byÅ‚o przenieść jak najwiÄ™kszy moment obrotowy z waÅ‚u silnika poprzez ukÅ‚ad przeniesienia napÄ™du na nawierzchnie. Chodzi nam również o osiÄ…gniÄ™cie jak najmniejszej siÅ‚a oporu oraz zwiÄ…zany z niÄ… wspóÅ‚czynnika Cx nie jest w tym wypadku tak ważne ze wzglÄ™du na regulaminowo ograniczonÄ… prÄ™dkość maksymalnÄ…. Zatem znacznie mniej uwagi poÅ›wiÄ™cane jest w tym projekcie minimalizacji Cx’a.
- Jak badaliście aerodynamikę waszego bolidu? Mieliście dostęp do stosownego oprogramowania czy też tunelu aerodynamicznego?
Badanie aerodynamiki zostaÅ‚o rozpoczÄ™te od wykonania koncepcji skrzydeÅ‚ 2D, w do tego przystosowanym oprogramowaniu CAD dostÄ™pnym na naszej uczelni. Kolejnym krokiem byÅ‚o przeprowadzenie symulacji numerycznych w komercyjnym oprogramowaniu CFD, na szczęście również dostÄ™pnym na uczelni. NastÄ™pnie zaprojektowano elementy aerodynamiki w 3D (uwzglÄ™dnienie rozpiÄ™toÅ›ci skrzydeÅ‚, ksztaÅ‚tu pÅ‚yt kraÅ„cowych, ksztaÅ‚t i wielkość dyfuzora), z tym, że przednie skrzydÅ‚o byÅ‚a badane razem z nadwoziem, robienie tego osobno mijaÅ‚o siÄ™ z celem, ponieważ tak duży wpÅ‚yw na dziaÅ‚anie przedniego skrzydÅ‚a ma nadwozie. Ostatnim etapem byÅ‚o przeprowadzenie symulacji dla caÅ‚ego pakietu aerodynamicznego, byÅ‚ to najtrudniejszy etap ze wzglÄ™du na zÅ‚ożoność geometrii pojazdu i konieczność jak najdokÅ‚adniejszego oddania ksztaÅ‚tów pakietu aerodynamicznego.
Niestety nie dysponujemy odpowiednimi Å›rodkami finansowymi, aby pozwolić sobie na badanie aerodynamiki w tunelu, wielka szkoda, bo umożliwiÅ‚oby to nam zweryfikowanie danych teoretycznych (symulacje CFD) z danymi eksperymentalnymi. Trzeba wiedzieć, że aby z doÅ›wiadczenia zdobyć jak najwiÄ™cej informacji o przepÅ‚ywie (np. rozkÅ‚ad ciÅ›nieÅ„ na interesujÄ…cych nas pÅ‚aszczyznach) trzeba zaadaptować np. tylne skrzydÅ‚o do takich badaÅ„, przykÅ‚adowo poprzez dodanie odpowiedniej instalacji do pomiaru rozkÅ‚adu ciÅ›nieÅ„ na pÅ‚acie, która oczywiÅ›cie znaczÄ…co ingeruje w konstrukcje pÅ‚ata, co znaczy tylko tyle, że takie skrzydÅ‚o należy wykonać jeszcze raz. Mamy nadziejÄ™, że w przyszÅ‚ych sezonach takie badania zostanÄ… przeprowadzone.
- Jak do tematu aerodynamiki podchodzą inne teamy Formuły SAE?
W wiÄ™kszość przypadków pojazdy te nie posiadajÄ… zaawansowanego pakietu aerodynamicznego. Jest to w pewnym sensie oraz w wielu przypadkach mocno uzasadnione. Aby użycie pakietu aerodynamicznego miaÅ‚o sens, nasz pojazd powinien dysponować dużym nadmiarem mocy. Moc i parametry wiÄ™kszoÅ›ci silników używanych przez teamy FormuÅ‚y SAE znaczÄ…co spada po zaÅ‚ożeniu zwężki (z 100 KM nawet do 50-60 KM). Wg obliczeÅ„ przeprowadzonych przez team AERO drużyny WUT Racing taka moc (50-60KM) jest granicÄ…, dla której stosowanie zaawansowanego pakietu aerodynamicznego (skrzydeÅ‚ dyfuzora itp.) ma sens. Przy takich mocach pojazd „bez skrzydeÅ‚” bÄ™dzie lepiej przyspieszaÅ‚ na prostej, szczególnie w zakresie prÄ™dkoÅ›ci powyżej 60 km/h. Pojazd z pakietem aerodynamicznym bÄ™dzie natomiast lepiej zachowywaÅ‚ siÄ™ w zakrÄ™tach oraz bÄ™dzie miaÅ‚ krótszÄ… drogÄ™ hamowania. Zatem wÅ›ród korzyÅ›ci i wad wynikajÄ…cych ze stosowania dosyć kosztownych oraz skomplikowanych technologicznie elementów aerodynamicznych dla pojazdów o mocach do 60 KM mamy remis.
W sytuacji, gdy okreÅ›lony team jest w stanie osiÄ…gnąć moc wiÄ™kszÄ… niż 60 KM z regulaminowego silnika np. przez stosowanie doÅ‚adowania - tak też jest w teamie WUT Racing - aerodynamika zaczyna mieć wiÄ™ksze znaczenie, oraz może dać dużą przewagÄ™ nad konkurencjÄ…. W takich wypadkach, do prÄ™dkoÅ›ci okoÅ‚o 130 km/h siÅ‚a oporu nie gra dużej roli, a liczy siÄ™ przede wszystkim docisk. DziÄ™ki temu nasz pojazd bÄ™dzie charakteryzowaÅ‚ siÄ™ m.in. lepszym przyspieszeniem, dużo krótszÄ… droga hamownia, znacznie wiÄ™kszymi przyspieszeniami bocznymi w zakrÄ™tach, a także lepszym i pewniejszym prowadzeniem.
- PodsumowujÄ…c, aerodynamika, podobnie jak w F1, również w FSAE ma ogromne znaczenie i może przeważyć szalÄ™ zwyciÄ™stwa.
O ile nasz pojazd zostanie świetnie dopracowany mechanicznie myślę, że to właśnie aerodynamika jest dobrym kierunkiem dalszego rozwijania i ulepszania pojazdu (szukania cennych sekund na okrążeniach) - dlatego tak intensywnie pracujemy właśnie nad tym tematem.