접지 효과(차)

Ground effect (cars)

자동차 디자인에서, 그라운드 효과는 자동차 공기역학에서 특히 경주용 자동차에서 다운포스(downforce)를 만들기 위해 이용되어 온 일련의 효과다. 이것은 효율화에 대한 이전의 지배적인 공기역학적 집중의 계승자였다. 미국의 레이싱인디카스는 그들의 공학기술과 디자인에 지반 효과를 사용한다. 마찬가지로, 그들은 또한 어느 정도 다른 레이싱 시리즈에 고용된다. 그러나 포뮬라 원과 많은 다른 레이싱 시리즈는 주로 유럽 전역에 걸쳐, 안전상의 이유로 그것의 효과를 제한하기 위해 규제(또는 완전한 금지)를 채택한다.

이론

경주용 자동차에서 디자이너의 목표는 더 높은 코너링 속도를 달성하기 위해 다운포스(downforce)와 그립을 늘리는 것이다. 상당한 양의 하강이 해당 공기역학 시스템의 일부가 되는 지면을 이해함으로써 가능하므로 "지반 효과"라는 이름이 붙는다. 1960년대 중반부터 다운포스(downforce)를 늘리기 위해 경주용 자동차를 설계할 때 '윙'이 일상적으로 사용되었다(이는 지반 효과의 종류가 아니다). 설계자들은 날개를 사용하는 것에 비해 덜 끌면서 하방력을 증가시키기 위해 차량의 둘레, 차체 스커트 및 밑부분 주변의 공기 흐름을 이해하려고 노력했다.

이런 종류의 지반 효과는 바람이 부는 날에 방수포를 꺼내어 땅에 가까이 붙들고 있으면 쉽게 알 수 있다: 지면에 충분히 가까울 때 방수포를 땅 쪽으로 끌어당기는 것을 관찰할 수 있다. 이는 베르누이의 원리에 기인한다. 방수포가 땅에 가까워질수록 방수포와 땅 사이를 통과하는 공기에 이용 가능한 단면적이 줄어들기 때문이다. 이것은 공기를 가속하게 하고 그 결과 방수포 아래의 압력은 상단의 압력에 영향을 받지 않는 동안 떨어지고, 이것은 함께 순 하방력을 초래한다. 자동차에도 같은 원리가 적용된다.

베르누이 원칙만이 지상효과를 다운포스(downforce)를 만들어 내는 기계공만은 아니다. 지상 효과 성능의 큰 부분은 점성을 이용하는 데서 나온다. 위의 방수포 예에서는 방수포도 땅도 움직이지 않는다. 두 표면 사이의 경계층은 그들 사이의 공기를 느리게 하여 베르누이 효과를 감소시킨다. 자동차가 땅 위를 움직일 때, 지상의 경계층이 도움이 된다. 자동차의 기준 프레임에서는 어느 정도 속도로 지면이 뒤쪽으로 움직이고 있다. 지면이 움직이면서 그 위에 있는 공기를 잡아당겨 더 빨리 움직이게 한다. 이것은 베르누이 효과를 높이고 다운포워스를 증가시킨다. 쿠에트 흐름의 예다.

그러한 하방력을 생성하는 공기역학적 기법은 흔히 캐치 올(catch-all) 용어 "지반 효과"로 언급되지만, 그것들은 매우 낮은 고도에서 항공기에서 나타나는 지상 효과와 동일한 공기역학적 현상의 결과를 엄격하게 말하고 있지는 않다.

역사

미국인 짐 홀은 이러한 원리에 따라 그가 개발한 차파랄 자동차를 만들었고, 그것을 개척했다. 그의 1961년 자동차는 밑면 모양을 사용하려고 시도했지만, 차의 공기역학적 문제들이 너무 많아서 제대로 작동되지 못했다. 그의 1966년 자동차는 다운포스(downforce)를 위해 극적으로 높은 날개를 사용했다. 그의 1970년 차파랄 2J "더 멋진 차"는 혁명적이었다. 전용 2행정 엔진에 의해 구동되는 차량 뒤쪽에 선풍기 2대가 있었고, 차와 지면의 틈만 최소한으로 남겨둔 '스커트'도 있어 대기로부터 충치를 봉인했다. 비록 경주에서 이기지 못했지만, 일부 경쟁자들은 그 해 말에 시행된 금지를 위해 로비를 했다. 이동 가능한 공기역학 장치는 그 스포츠의 대부분의 지점에서 금지되었다.[1]

포뮬러 원은 경주용 자동차에서 그라운드 효과의 다음 설정이었다. 몇 가지 포뮬러 원 설계는 결국 Lotus에 의해 구현될 지상 효과 솔루션에 근접했다. 1968년과 1969년 영국 레이싱모터스(BRM)의 토니 러드와 피터 라이트는 앞바퀴와 뒷바퀴 사이의 난기류를 청소하기 위해 긴 공기역학적 단면 패니어가 달린 트랙과 풍동실험을 했다. 두 사람 모두 그 직후 팀을 떠났고 그 생각은 더 이상 받아들여지지 않았다. 3월 엔지니어링의 로빈 허드(Robin Herd)는 라이트(Wright)의 제안에 따라 1970년 3월 포뮬러 원(March Formula One) 자동차에 비슷한 개념을 사용했다. 두 차 모두 사이드팟이 지상에서 너무 멀리 떨어져 있어 상당한 지상효과가 발생되지 않았고, 날개 부분 아래의 공간을 지상으로 밀봉하는 아이디어는 아직 개발되지 않았다.[1]

비슷한 시기에 숀 버클리는 1969년 버클리 캘리포니아 대학에서 포뮬러 원 로터스 설립자인 콜린 채프먼이 후원한 언더카 공기역학에 관한 연구를 시작했다. 버클리는 이전에 인디카에 사용된 최초의 하이윙인 1966년 인디애나폴리스 500의 제리 아이저트의 "배트 카"를 디자인했었다. 자동차의 하부를 적절히 형성함으로써, 그곳의 공기 속도를 증가시킬 수 있었고, 압력을 낮추고 차를 트랙으로 끌어내릴 수 있었다. 그의 시험 차량은 벤투리처럼 생긴 통로가 자동차 밑의 공기역학과는 다른 유연한 측면 스커트에 의해 밀폐되어 있었다. 그는 하부 표면 채널의 흐름 분리가 차체 하부 표면의 경계층 흡입 및 발산 파라미터에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지 조사했다.[2][3][4] 나중에 MIT의 기계공학 교수로서 버클리는 Lotus 78을 개발하는 Lotus와 함께 일했다.

이와는 다르게, 브래브햄의 디자이너 고든 머레이는 1974년에 그의 브래브햄 BT44의 앞쪽에 있는 공기 댐을 사용하여 차량 밑으로 공기가 흐르지 못하게 했다. 이러한 것들이 자동차의 투구 움직임에 의해 닳아 없어지는 경향이 있다는 것을 발견한 후, 그는 그것들을 더 뒤로 돌려놓았고, 자동차 아래에 약 70kg(150lb)의 유용한 다운포스를 발생시키는 작은 부위가 형성되어 있다는 것을 발견했다. McLaren은 그들의 McLaren M23 디자인에 대해 비슷한 차체 밑부분 디테일을 제작했다.[1]

Brabham-Alfa의 BT46B는 체내 기압을 낮추기 위해 대형 팬을 사용했다.

1977년 러드와 라이트는 현재 로터스(Lotus)에서 로터스 소유주 겸 디자이너 콜린 채프먼(Colin Chapman)의 컨셉트를 바탕으로 로터스 78 '윙카(wing car)'를 개발했다. 앞바퀴와 뒷바퀴 사이에 있는 부피가 큰 사이드팟은 뒤집힌 에어로포일처럼 생겼고 땅에 유연한 '스커트'로 밀봉되었다. 사이드팟에 내장되어 있는 복사기 디자인은 부분적으로 드 하빌랜드 모기의 설계에 기초하였다.[5] 그 팀은 그 해에 다섯 번의 경주에서 우승했고 1978년에 두 번의 경주에서 그들이 훨씬 개선된 Lotus 79를 개발했다. 1978년 가장 눈에 띄는 경쟁자는 고든 머레이가 디자인한 브라밤-알파 로미오 BT46B 팬카였다. 차 뒤쪽의 가로 세로 축 위에서 회전하는 그것의 선풍기는 메인 기어박스에서 동력을 빼앗았다. 이 차는 공기 흐름의 50% 미만이 차 밑에서 우울증을 일으키기 때문에 이 선풍기의 주된 목적이 엔진 냉각이라는 주장으로 스포츠 금지를 피했다. 1978년 스웨덴 그랑프리에서 니키 라우다가 우승하는 등 단 한번의 레이스를 펼쳤다. 트랙에 기름이 흐른 후에 자동차의 장점이 증명되었다. 다른 차들이 속도를 줄여야 하는 동안, 로다는 엔진 속도에 따라 상승하는 엄청난 다운포스 때문에 기름 위로 가속할 수 있었다.[6] 엔진이 정지해 있을 때 차가 쪼그리고 앉아 있는 것도 관찰됐다.[7] 최근 포뮬러원 시공업자협회장이 된 브레이브햄의 구단주 버니 에클스톤은 3차례 레이스를 마친 뒤 다른 팀과 차 퇴출에 합의했다. 그러나 포뮬라 원과 많은 다른 모터스포츠 시리즈의 운영기관인 국제자동차연맹(FIA)은 거의 즉각적인 효과로 '팬카'를 금지하기로 결정했다.[8] 반면, 로터스 79는 6개의 레이스와 마리오 안드레티에게 세계 챔피언 자리를 내주고 팀 동료 로니 피터슨에게 사후 2위를 내주면서 자동차들이 얼마나 유리했는지를 보여주었다. 그 후 몇 년 동안 다른 팀들은 코너링 속도가 위험할 정도로 빨라져 1982년에 몇 건의 심각한 사고를 야기할 때까지 Lotus를 모방하고 개선했다. 1983년에는 평평한 밑부분이 의무화되었다.[9] 고속에서 코너링할 때 지반 영향에 의존하는 위험의 일부는 이 힘이 갑자기 제거될 가능성이다. 자동차의 배가 지면에 닿으면 흐름이 너무 많이 수축되어 거의 모든 지반 효과가 상실된다. 운전자가 선로를 유지하기 위해 이 힘에 의존하는 코너에서 이러한 현상이 발생하면, 갑자기 제거되는 바람에 대부분의 트랙션이 갑자기 상실되고 선로에서 미끄러질 수 있다. 그러나 최근 일련의 규제 변경에 따라 2022년 그라운드 효과는 포뮬라 1로 복귀할 예정이다.

그 효과는 인디카 디자인에서 가장 효과적인 형태로 사용되었다. 인디카스는 포뮬라 원만큼 실질적으로 그라운드 효과를 사용하지 않았다. 예를 들어, 그들은 차체의 하체를 막는데 치마의 사용이 부족했다. 인디카스는 또한 지상 효과 F1 자동차보다 더 높게 탔고 또한 상당한 다운포스를 위해 날개에 의존하여 차내 다운포스와 지상 효과 사이의 효과적인 균형을 이루었다.

포스포이징

"포스포잉"은 지상 효과 경주용 자동차에서 마주치는 특정 고장을 설명하기 위해 일반적으로 사용되었던 용어다.

경주용 자동차는 콜린 채프먼의 로터스 78과 79차가 포뮬러 원(Formula One)에서 지상 효과가 미래라는 것을 증명했을 때 10년이 조금 넘도록 다운포스(downforce)를 일으키기 위해 차체를 사용했을 뿐이어서, 이 시점에서, 차내 공기역학적으로 여전히 매우 잘 이해되지 않았다. 이 문제를 보완하기 위해 지상 효과를 추구하기 위해 가장 열심이었던 팀은 자금 지원이 부족한 영국의 "가라기스트" 팀으로, 풍동실험을 위한 여윳돈이 거의 없었고, 단순히 선두 로터스(카우센과 메르사리오 팀 포함)[citation needed]를 모방하는 경향이 있었다.

이로 인해 세밀한 디테일에 대한 어떤 위대한 지식만큼이나 예감에 의해 디자인된 자동차들이 세대를 이루게 되었고, 그 차들은 극도로 피치 민감하게 되었다. 사이드팟 에어로푸일에 가해지는 압력의 중심이 자동차의 속도, 자세, 그리고 지상고에 따라 움직이면서, 이러한 힘은 자동차의 서스펜션 시스템과 상호작용을 했고, 특히 느린 속도에서, 앞뒤로 흔들리면서 때로는 상당히 격렬하게 울려 퍼지기 시작했다. 일부 운전자들은 배멀미를 호소하는 것으로 알려졌다.[citation needed] 이 흔드는 동작은 마치 빠른 속도로 헤엄치면서 바다 속으로 잠수하는 고슴도치처럼 현상에 그 이름을 붙인다. 이러한 특징들은 암석처럼 단단한 정지와 결합되어, 그 차들이 극도로 불쾌한 승차감을 주는 결과를 낳았다. 1980년대 초 Formula One에서는 지상 효과가 크게 금지되었지만, 지상 효과에 대한 더 나은 지식이 설계자들이 문제를 최소화할 수 있을 때까지 그룹 C 스포츠카들과 다른 경주용 자동차들은 계속 다공화에 시달렸다.[10]

참고 항목

참조

  1. ^ Jump up to: a b c 나이 1985, 페이지 94
  2. ^ S. 버클리, "차량 표면 상호작용" 박사학위 캘리포니아 대학교 학위 논문 - 1972년 9월 버클리
  3. ^ B. 숀 버클리, "도로 주행 테스트 공기역학 계측", SAE 논문 741030, 1974-02-01
  4. ^ B. 숀 버클리, 에드먼드 5세 라톤, "자동차 아래의 공기 흐름", SAE 논문 741028, 1974-02-01
  5. ^ 나이 1985, 페이지 96
  6. ^ 나이 1985, 페이지 130
  7. ^ 8W - 왜? - Brabham BT46B
  8. ^ 헨리 1985년 페이지 186–187
  9. ^ 나이 1985, 페이지 33
  10. ^ Elleray, Peter. "Mulsanne's Corner: Peter Elleray on the Bentley LMGTP". Mulsanne's Corner. Retrieved 2017-10-21.
  • Henry, Alan (1985), Brabham, the Grand Prix Cars, Osprey, ISBN 0-905138-36-8
  • Nye, Doug (1985), Autocourse History of the Grand Prix car 1966–1985, Hazleton publishing, ISBN 0-905138-37-6

외부 링크