Kerekek, felnik aerodinamikája

A nyár érkeztével megtelnek az autópályák és pazarabbnál pazarabb felnikompozíciókat is láthatunk az összesereglett utazóközönség autóin. A könnyített alumínium felnik ma már hozzátartoznak az autós mindennapok összképéhez, de ugyan mi is eredményezte ezek megjelenését és napjainkban is tartó folyamatos fejlesztésük igényét? A felnik kialakításának okai összetettek: merevség, tömeg, aerodinamika, hűtés, hőelvezetés és szilárdság a legfontosabb szempontok. A hőskortól napjainkig a felnik „egyre kisebb” átmérőjűvé és egyre mélyebbé váltak, de miért történt ez? Minek köszönhetjük mai kialakításukat? Erről rövidcikkezünk most, hely szűkében kiemelve a hűtést és az aerodinamikát, de koránt sem abszolutizálva azokat. 

A korábbiakhoz képest kisebb átmérőjű felnik jelentős tömegcsökkenést eredményeztek, ami javítja a gyorsulást, a fékezést és a kormányozhatóságot. Emellett a kisebb felnik kisebb terhelést jelentenek a felfüggesztés és a futómű számára, ami további előnyöket nyújt a teljesítmény szempontjából. A mélyebb felnik lehetővé teszik a – hőskorinál - szélesebb abroncsok használatát, ami javítja a rugózás és a felfüggesztés hatékonyságát. A nagyobb abroncsfelület több úthibát képes elnyelni, így növelve az utazási kényelmet. A kisebb átmérőjű felnik kisebb féktárcsák használatát igénylik, ezáltal csökken a féktárcsák tömege, ami javítja a fékek hatékonyságát és csökkenti a féktávot. És persze nem utolsósorban a felnik mélyebb kialakítása modern és sportos megjelenést kölcsönöz a járműnek, vonzóvá teszik az autót és hozzájárulnak az esztétikai értékéhez.

Másik fontos szempont az aerodinamika, amely jócskán beleszól a jármű tüzelőanyaganyag-fogyasztásának csökkentésébe, a CO2-kibocsátás csökkentésébe - ami rendkívül fontos kérdés. Számos tanulmány már vizsgálta ennek a területnek az eredményeit és kiderült, hogy a kerekek és a keréktér légáramlása jelentős részt tesz ki a személyautók aerodinamikai ellenállásából, akár 25%-ot is!

Amikor az autó mozog, a légáramot az autó alakja felfelé, lefelé és oldalra tereli. A levegő félretolása energiaigényes folyamat és az ehhez szükséges energia tüzelőanyagból származik. Az autó légellenállásának mértékét légellenállási együtthatónak nevezik (CD). Nagyságrendileg a személyautók CD értékei 0,20-tól 0,50-ig terjednek, ahol az 0,20 kivételesen jó, míg az 0,50 gyenge. Minél alacsonyabb a CD érték, annál kisebb az aerodinamikai ellenállás és annál kevesebb energia szükséges az autó továbbításához a levegőben.

A forgó keréken, illetve által légáramlás keletkezik. Az ábrán szereplő erők a kerék légáramlásával kapcsolatos jelenségeket mutatják be. A vontatási erő (Ftrac) a légellenállás nyomásereje (Fvtrac) egyenesen arányosak. A ventilációs nyomaték (Mvent) pedig az áramlásban forgó kerék által keltett nyomatékot jelenti. Ez a nyomaték a kerék forgásából adódik az áramlással való kölcsönhatás eredményeként. A ventilációs nyomaték helyettesíthető egy azzal egyenértékű ellenállási erővel (Fvent), amely a jármű mozgásával ellentétes irányba hat.

A különböző felni kialakítások között jelentős különbség lehet, amelyet a levegőnek ki kell töltenie és körbe kell áramolnia. Még nagyon kis átmérőjű kerekek esetén is a kerék kereszttartóinak alakja nagyban befolyásolhatja, hogy hogyan áramlik a levegő a kerekek felett és körül. A légáramlási ellenállási erő és a ventilációs nyomaték az áramlás jellemzőitől és a kerék kialakításától függően változik és három egymással egyidejűleg ható hatás eredményezi: az abroncs körüli nyomás egyenletlen eloszlása, a levegő és a kerék felszíne közötti súrlódás, valamint az abroncs kerékszélén kialakuló légörvény, amely nyomáskülönbségeket hoz létre a felni szélén.

Ezekből látható, hogy a megfelelő keréktervezés és aerodinamikai jellemzők optimalizálása lehetővé teszi a légáramlási ellenállás és a ventilációs ellenállás csökkentését, ezáltal javítva a jármű teljesítményét és tüzelőanyagfogyasztását.

A kerék küllőinek alakja nagy különbséget jelenthet abban, hogy a levegő hogyan áramlik a kerekek fölött és körül. Az alábbi felvételen a Tesla Model S kerekeinek elemzése látható, amely megmutatja, hogy a küllők közötti tér kitöltése hogyan csökkenti a légellenállási együtthatót:

A gyártók egyre innovatívabb küllő kialakításra törekszenek, melyek speciális aerodinamikai célokat szolgálnak. Az egyik ilyen cél az, hogy a küllők kis áramlási zónát hozzanak létre a keréktárcsa és a küllő között. A kis áramlási zóna lehetővé teszi a levegő szabad áramlását a küllők között, csökkentve a turbulenciákat és a légellenállást. Ezáltal javulhat az autó aerodinamikája, csökkenhet a légellenállási együttható és növekedhet a sebességpotenciál.

Német és svéd kísérletek során a légáramlási ellenállást több felnikonfiguráció kapcsán vizsgálták.

A „thick outer radius cover” az az (szabad fordításban) „vastag külső sugárburkolatú” felnik a legjobb kialakításnak bizonyultak a légáramlás szempontjából, mivel teljes sebességtartományban a legkisebb  ellenállást mutatták a szélcsatorna kísérletek során. A második legjobb konfiguráció, a „fan blade” kialakítás, ventilátor lapátként kialakított küllőkkel, amelyek kiszívják a levegőt a keréktérből, ezáltal csökkentve a belső nyomást.

A keréktérben lévő nyomás problémát okozhat több okból is:

• Hőmérsékletváltozások: A keréktérben a belső nyomás az abroncsok hőmérsékletének változásával is változik. Hosszabb vezetés vagy a kerék intenzív terhelése következtében az abroncsok felmelegszenek, ami növeli a belső nyomást. Ezáltal az abroncs túlnyomással működhet, ami negatívan befolyásolhatja a jármű vezetési tulajdonságait és az abroncs élettartamát.
• Túlnyomás: Ha a keréktérben túl magas a nyomás, akkor az abroncsok egyenetlenül kopnak és csökkenthetik a tapadást. Ez veszélyes lehet a jármű irányíthatóságára és fékezési teljesítményére nézve.
• Alacsony nyomás: A keréktérben alacsony belső nyomás esetén az abroncsok instabilabbak lehetnek és a jármű kevésbé reagálhat az irányításra. Az alacsony nyomás növeli az abroncs deformációjának és felmelegedésének kockázatát, ami rontja az abroncs teljesítményét és növeli a defekt kockázatát.
• Károsodások és repedések: Ha a keréktérben a belső nyomás túl magas vagy túl alacsony, az abroncs falai túlzott terhelésnek vannak kitéve. Ez hosszabb távon károsodásokhoz, repedésekhez vezethet.
• Komfort és zaj: Ha a keréktérben lévő nyomás nem megfelelő, az abroncsok keményebbek vagy puhábbak. Ez negatív hatással lehet a jármű komfortjára, mivel az abroncsok kevésbé képesek elnyelni az út egyenetlenségeit. Emellett az alacsony belső nyomás növelheti a kormánykerék rezgését és a zajszintet.

Meglepő módon a teljesen burkolt felnik, amelyekről ismert, hogy nagyon alacsony aerodinamikai ellenállással rendelkeznek, légáramlási ellenállás szempontjából kissé átlag alatti teljesítményt nyújtottak. Úgy tűnik, hogy a teljesen burkolt felnik megakadályozzák a levegő kijutását a keréktérből, ezáltal növelve a felni belső felületén a súrlódást. A keréktérben kialakuló belső nyomásnak szabadon kell áramolnia az abroncs és a külső környezet között annak érdekében, hogy megfelelő egyensúlyt és működést biztosítson.

Ha a felnik burkoltak vagy zártak, akkor korlátozott lehetőség van a levegő áramlására a keréktérbe és annak kivezetésére. Ez azzal járhat, hogy a belső nyomás fokozatosan növekszik, amikor az abroncs melegszik vagy működés közben nagyobb terhelésnek van kitéve. A túlzott nyomás megnövelheti az abroncs károsodásának és repedéseinek kockázatát, valamint csökkentheti a tapadást és a vezetési stabilitást.

Összefoglalva, a gyártók állandóan fejlesztik és optimalizálják a kerekek, abroncsok és felnik aerodinamikáját. Az alacsonyabb tömeg, a mélyebb felnik, a nagyobb abroncsok használata és a különleges küllők tervezése mind hozzájárulnak a járművek teljesítményének javításához és az aerodinamikai hatékonyság növeléséhez. A légellenállás csökkentése és a ventilációs ellenállás optimalizálása a kerekek és a keréktér kialakításával nagyobb sebességet, alacsonyabb üzemanyag-fogyasztást és kisebb CO2-kibocsátást eredményezhet. Az gyártók folyamatosan vizsgálják és kísérleteznek a különböző felnik és küllők konfigurációival, hogy még hatékonyabb és aerodinamikusabb járműveket hozzanak létre. Az innovatív megoldások és a kutatások eredményeként a jövőben további fejlődésre számíthatunk ezen a területen, ami a kerekek és felnik aerodinamikájának további optimalizálását jelenti.

Hivatkozások:
Jaroslav Kmet: Wheels aerodynamics - wheel ventilation drag, https://www.linkedin.com/pulse/wheels-aerodynamics-wheel-ventilation-drag-jaroslav-kme%C5%A5/
https://www.theautopian.com/heres-why-car-wheels-are-so-flat-these-days-and-no-its-not-just-aerodynamics-and-styling/https://www.researchgate.net/publication/237827393_Flow_analysis_around_a_rotating_wheel
https://www.researchgate.net/publication/259707411_Investigation_of_Wheel_Ventilation-Drag_using_a_Modular_Wheel_Design_Concept
https://www.researchgate.net/publication/259707411_Investigation_of_Wheel_Ventilation-Drag_using_a_Modular_Wheel_Design_Concept
extremecustoms.com