Di Olavi H. Koskinen: PUUTAVARA-AJONEUVOYHDISTELMÄN AERODYNAMIIKKA JA POLTTOAINEENKULUTUS

Ajoneuvon liikettä vastustavat voimat, jotka ovat vierintävastus, ilmanvastus sekä ajoneuvon ollessa ylämäessä nousuvastus. Myötämäessä nousuvastus on luonnollisesti negatiivinen ja silloin ko. voima vaikuttaa liikettä myötäävästi. Onhan tunnettua, kuinka herkästi täysipainoinen yhdistelmä ”haistaa” ylämäet. Mutta myös vastaavasti alamäissä auto yrittää karata käsistä ja sitä saa todella jarruttaa, jotta nopeus pysyisi sallituissa lukemissa.

Jos tarkastellaan liikkumista mäettömällä tiellä, vastusvoimat muodostuvat vain vierintä- ja ilmanvastuksista. Jos massa on 60 tonnia ja nopeus 80 km/h, tavanomaisella umpikoriyhdistelmällä vierintävastuksen osuus on 60 ... 70 % kulkuvastuksista, joten ilmanvastuksen osuudeksi jää vain noin kolmannes. Tämä lienee syy, miksi ajoneuvon ilmanvastukseen ja yleensä aerodynamiikkaan on kiinnitetty aika vähän huomiota.

Ilmanvastuksen määrittämisperusteenahan on patopaine ajoneuvon otsapintaa vasten. Patopaine määräytyy ilman tiheyden ja nopeuden neliön perusteella, ja kun paine kerrotaan pinta-alalla saadaan voima. Vertailupinta-alana käytetään otsapintaa, joka on kohtisuoralle ja pystysuoralle tasolle projisioitu pinta-ala, mutta todellisuudessa kolmiulotteisessa ajoneuvossa on muitakin pintoja, joita vastaan patopaine kohdistuu.

 

Nämä otetaan huomioon kappaleen muodosta johtuvalla korjauskertoimella, josta yleensä käytetään symbolia C_d (tai C_w) ja jonka avulla otsapinta korjataan vastaamaan kaikkia vastustavia pintoja. Niinpä ilmanvastusvoima kokonaisuudessaan voidaan esittää seuraavan yhtälön avulla:

      F_air = .5 D_a C_d A_f v²

 

  missä:

      F_air = ilmanvastusvoima [N]

      D_a   = ilman tiheys [kg/m³]

      v     = nopeus [m/s]

      A_f  = otsapinta-ala [m²]

     C_d  =  muodosta johtuva korjauskerroin

Tyypillisen suomalaisen 4.2 m korkean yhdistelmän otsapinta-ala on likimäärin 9.5 m², mutta sen sijaan muotokerroin C_d voi vaihdella huomattavissa rajoissa, mikä riippuu ajoneuvon kuormatilatyypistä ja –rakenteesta. Linja-autoilla on parhaimmillaan päästy arvoon noin 0.3, kun taas kuorma-auton ja varsinaisen perävaunun yhdistelmillä arvoon noin  0.8. Mikäli kuormatila on avoin, on eroa myös tyhjän ja kuormatun ajoneuvon välillä. Tällöinhän kuorma itsessään lisää usein otsapintaa, mutta se voi vaikuttaa myös varsinaiseen muotokertoimeen

Eräs selvimmistä esimerkkitapauksista on puutavarayhdistelmä. Kun sitä tarkastellaan kuormaamattomana kohtisuoraan edestä päin, sen otsapinta-ala on noin 6.5 m². Esimerkiksi kuvassa pankot jäävät toistensa varjoon, mutta ne sijaitsevat peräkkäin kuitenkin jo sellaisin etäisyyksin, että jokainen niistä vastustaa erikseen auton kulkua. Toisin sanoen ne toimivat kuten haravan piikit. Pelkkien pankkojen otsapinta-ala yhteensä saattaa helposti olla kaksinkertainenkin hytin otsapintaan verrattuna, ja tällöinhän jo näistä muodostuva yhteispinta-ala on 18 ...19 m².

Puutavarayhdistelmässä on lisäksi huomattava määrä kaikenlaisia ”risukoita” (ohjaamosuoja, rungon poikkipalkit, letkut, putket, takavalojen kiinnitysvarret, lokasuojat, sekalaiset ulokkeet jne.), jotka omalla vähäisellä osuudellaan aiheuttavat lisävastusta. Näiden vaikutus korostuu erityisesti ajettaessa tyhjänä, jota puutavarakuljetuksissa muodostaa vähintään 50 %.

Ajettaessa tyhjänä pankot pitäisi voida kaataa, mutta tällaisiin ratkaisuihin ei ainakaan vielä toistaiseksi ole menty. Syynä on varmaankin kustannusten lisäys rakenteiden monimutkaistuessa. Sen sijaan pankkojen muotoilun vaikutusta ilmanvastuskertoimeen on selvitetty jo 1980-luvun puolivälissä.

Tulokset jo tuolloin olivat varsin selkeät. Tyhjänä ajettaessa Cd-arvo vaihteli välillä 1.5 ... 2.4. Kuormattuna ajettaessa ero ei enää ollut merkittävä. Tuolloin Cd-arvon suuruusluokka oli 1.2 ... 1.3. Kuitenkin tässäkin on parantamisen varaa, koska muunlaisilla kuormatilarakenteilla on parhaimmillaan päästy arvoon 0.8.

 Kun otetaan huomioon edellä mainitut tulokset, on ilmeisen selvää, että puutavarayhdistelmillä tyhjänä ajettaessa aerodynamiikan merkitys korostuu. Auton kulku tuntuu varsin ”tahmealta” eivätkä myötämäetkään anna lisää vauhtia, koska massaa ei ole tuolloin riittävästi painamassa. Polttoaineenkulutus saattaa olla lähes yhtä suuri kuin kuormattunakin. Tämän ovat osoittaneet niin lukuisat mittaukset kuin teoreettiset tietokonesimuloinnitkin.

Ajoneuvojen sekä niiden päällirakenteiden ja varusteiden valmistajat eivät ole tähän mennessä valitettavasti kiinnittäneet riittävästi huomiota kaikkeen kokonaisuuteen, millä tässä yhteydessä tarkoitetaan puutavaran kuljetukseen tarkoitettua kokonaista ajoneuvoyhdistelmää. Ilmeisestikin jokainen taho on kokenut tärkeänä vain oman osuutensa sekä sen markkinoinnin.

Kulkuvastuskertoimet voidaan varsin tehokkaasti määrittää vierintäkokeiden avulla. Edellytys on, että tiedot käytetystä ajasta, edetystä matkasta sekä hetkellisestä nopeudesta mitataan ja kerätään riittävän tiheällä esimerkiksi yhden sekunnin aikavälillä. Tulosten käsittely ja analysointi tapahtuu tähän tarkoitukseen kehitetyllä ohjelmistolla.

 

Eri vastuskertoimien vaikutusta polttoaineenkulutukseen voidaan luonnollisestikin mitata, mutta koska mittaukset ovat varsin työläitä, ne voidaan rajoittaa minimiinsä. Sen sijaan vaikutusta polttoaineenkulutukseen sekunti sekunnilta ja/tai metri metriltä kuten myös moniin muihinkin tekijöihin voidaan selvittää tehokkaasti tietokonesimuloinnilla. Edellytyksenä ovat moottorikartat polttoaineenkulutuksesta (ns. simpukkadiagrammit) sekä mahdollisista päästöistä. Järjestelmään rakennetaan ja kuvataan moottorin ympärille ajoneuvo teknisine tietoineen voimansiirtolinjasta, ajovastuksista, massasta, akselilukumäärästä jne. sekä ajettavista teistä pinolta tehtaalle kuten myös ajotapaan vaikuttavista liikenneolosuhteista.

Simuloinnin tuloksena saadaan paljon muutakin tietoa ajoneuvon liiketapahtumasta, mutta polttoaineenkulutus sekä päästöt lienevät eräitä tärkeimpiä tällä hetkellä. Ympäristökysymyksethän sellaisinaan lienevät aina ajankohtaisia, mutta eiköhän dieselpolttoaineenkin hinta ole jo riittävän korkea, jotta polttoaineenkulutus sekä sen vähentäminen kiinnostaisivat eri tahoja?

Olavi H. Koskinen
DI, yli-insinööri