تریلرهای کششی آیرودینامیک: طراحی‌های صرفه‌جویی در مصرف سوخت برای بهره‌وری در مسیرهای طولانی

درک مقاومت آیرودینامیک در تریلرهای کششی

علم مقاومت آیرودینامیک در سیستم‌های تریلر کششی

هنگام رانندگی در بزرگراه‌ها، پسا آیرودینامیکی بیش از نیمی از بودجه انرژی یک کامیون کشنده و تریلر را به خود اختصاص می‌دهد؛ این موضوع باعث می‌شود مدیریت جریان هوا حول این وسایل نقلیه برای صرفه‌جویی در سوخت بسیار مهم باشد. دو نوع اصلی مقاومت در اینجا وجود دارد. اولی پسا فشاری است که زمانی رخ می‌دهد که هوا به سطوح تخت یا منحنی مانند قسمت جلوی کابین فشرده می‌شود. نوع دوم پسا اصطکاکی سطحی است که از آشفتگی ناشی از جریان هوا در طول دو طرف تریلر ایجاد می‌شود. به این شکل فکر کنید: وقتی کامیون‌ها به سرعت ۶۵ مایل بر ساعت می‌رسند، تقریباً ۳۷ درصد از سوخت آن‌ها صرفاً برای غلبه بر این نیروها مصرف می‌شود. این رقم سالانه معادل حدود ۴۸ هزار دلار برای هر کامیون است، بر اساس تحقیقات منتشر شده توسط هیئت تحقیقات حمل‌ونقل (TRB) در سال ۲۰۲۳.

طراحی جلوی وسیله و بهینه‌سازی شکل کابین برای کاهش مقاومت جریان هوا

ترکتورهای مدرن دارای شیشه جلوی شیب‌دار و لبه‌های گرد هستند تا جریان هوا را به‌صورت نرم روی کابین هدایت کنند و آشفتگی را به حداقل برسانند. آینه‌های درب نصب‌شده روی پایه، انحراف باد را ۱۲٪ نسبت به طراحی‌های سنتی کاهش می‌دهند. بر اساس مطالعه انجمن بین‌المللی مهندسان خودرو (SAE) در سال ۲۰۲۳، سقف‌های کابین مخروطی شکل با کاهش فشردگی هوا در قسمت جلو، مصرف سوخت را ۳ تا ۵٪ بهبود می‌بخشند.

مدیریت جریان هوا در شبانه‌روزی و زیربدنه در ترکتورهای مدرن

شبانه‌روزی‌های بهینه‌شده، هوا را به داخل محفظه موتور هدایت می‌کنند بدون اینکه جریان جانبی هوا را مختل کنند، در حالی که محافظ‌های زیربدنه مانع از برخورد باد به محورها و قطعات تعلیق می‌شوند. این بهبودها تا ۱۸٪ باعث کاهش درگ زیربدنه شده و ۲ تا ۳٪ صرفه‌جویی در مصرف سوخت را فراهم می‌کنند — این موضوع توسط بهره‌برداران ناوگان پس از نصب تأیید شده است (شورای آمریکای شمالی برای کارایی بار ۲۰۲۲).

آیرودینامیک تریلی‌ها: کاهش درگ جانبی و زیربدنه

چگونه دامنه‌های جانبی (پوشش‌های آیرودینامیک تریلی) مقاومت جریان هوا در سمت‌های جانبی را به حداقل می‌رسانند

دمکرهای جانبی به عنوان مانع در امتداد لبه‌های پایین‌تر تریلر عمل می‌کنند و جریان هوا را به جای ایجاد گرداب‌های آشفته، از اطراف چرخ‌ها و زیرسازی هدایت می‌کنند. با پایدار کردن جریان هوا در سرعت‌های بزرگراهی، این دمکرها مقاومت آیرودینامیکی کلی را تا ۱۵٪ در تست‌های استاندارد تونل باد کاهش می‌دهند.

نوآوری‌ها در مواد و نحوه نصب در فناوری دمکرهای جانبی

دمکرهای جانبی مدرن از مواد مرکب سبک‌وزن مانند پلیمرهای مقوایی شده با کربن استفاده می‌کنند که ۳۰٪ وزن کمتری نسبت به فولاد دارند و در عین حال دوام لازم را حفظ می‌کنند. سیستم‌های نصب انعطاف‌پذیر، لرزش‌های جاده را جذب کرده و ارتفاع بهینه از زمین را حفظ می‌کنند که برای جلوگیری از آسیب در هنگام عبور از مناطق ناهموار ضروری است.

کاهش مقاومت زیربدنه از طریق صفحات و محافظ‌های روان‌شکل

نصب صفحات کامل زیربدنه می‌تواند تلاطم زیر تریلرها را تا ۴۰٪ کاهش دهد و منجر به صرفه‌جویی ۵ تا ۷ درصدی در مصرف سوخت در مسیرهای طولانی‌مدت شود. طراحی‌های یکپارچه امروزه عملکرد آیرودینامیکی را با محافظت در برابر آلاینده‌های جاده ترکیب می‌کنند و مزایای دوگانه‌ای را در یک سیستم ارائه می‌دهند.

بهینه‌سازی فاصله ترکتور و تریلر و جریان هوا در پشت

تأثیر فاصله کابین و تریلر بر بازده آیرودینامیکی

فاصله بین ترکتور و تریلر منبع عمده‌ای از مقاومت هواست و در سرعت‌های بزرگراهی تا ۲۵٪ از کل مقاومت بادی را تشکیل می‌دهد. هوایی که از این فاصله عبور می‌کند، گرداب‌های متلاطمی ایجاد می‌کند که بار موتور را افزایش داده و مصرف سوخت را در پیکربندی‌های استاندارد به میزان ۴ تا ۶٪ بالا می‌برد (همسال ۲۰۲۳ هیئت تحقیقات حمل‌ونقل).

پنل‌های پوششی فاصله و دستگاه‌های قابل امتداد برای انتقال هموارتر جریان هوا

پنل‌های پوششی فاصله — صفحات انعطاف‌پذیری که محل اتصال ترکتور و تریلر را پوشش می‌دهند — در آزمایش‌های تونل بادی ضریب درگ را تا ۱۷٪ کاهش داده‌اند که این امر به معنای صرفه‌جویی ۲٫۳٪ در مصرف سوخت در عملیات طولانی‌مدت است. برخی از ناوگان‌ها از دیفیوزرهای قابل امتداد استفاده می‌کنند که به‌صورت خودکار با توجه به طول‌های مختلف تریلر تنظیم می‌شوند و به این ترتیب بهینه‌سازی جریان هوا به‌طور یکنواخت حفظ می‌شود، صرف‌نظر از نحوه بارگیری.

دم‌های تریلر و سیستم‌های کاهش درگ در پشت برای بهبود مصرف سوخت

حدود بیست درصد از تمام تلفات آیرودینامیکی ناشی از پسا در قسمت عقب وسایل نقلیه است. امروزه، بسیاری از کامیون‌ها از چیزی به نام دم Trailers (trailer tails) استفاده می‌کنند که در واقع امتدادهای تاشو هستند و طول قسمت عقب را افزایش می‌دهند. هنگام باز شدن، این قطعات باعث می‌شوند جریان هوا به تدریج از بدنه وسیله نقلیه جدا شود و مناطق پرفشار کم‌فشار مزاحمی که مانند یک خلاء به کامیون فشار می‌آورند، کاهش یابند. بر اساس آزمایش‌های انجام‌شده در شرایط واقعی جاده، این دستگاه‌ها می‌توانند مصرف سوخت را در سرعت حدود ۶۵ مایل بر ساعت بین شش تا دوازده درصد کاهش دهند. صرفه‌جویی بیشتر در شرایط بادهای جانبی مشهود است، جایی که تریلرهای جعبه‌ای معمولی بسیار بیشتر از حالت معمول در مقابل باد مقاومت می‌کنند و این امر باعث ایجاد مقاومت اضافی می‌شود.

مدیریت جریان هوا در قسمت عقب چگونه آشفتگی را کاهش داده و سوخت را ذخیره می‌کند

دینامیک سیالات محاسباتی به سیستم‌های مدرن کمک می‌کند تا شکاف‌ها و نواحی آشفته ناخوشایند در پشت وسایل نقلیه را برطرف کنند. هنگامی که سازندگان بتوانند جریان هوا را روی تمام ترکتورو تریلی و اطراف آن صاف کنند، بین ۹ تا حدود ۱۵ درصد کاهش در پسا دیده می‌شود. این موضوع به معنای صرفه‌جویی واقعی در هزینه‌ها برای بهره‌برداران ناوگان است. با قیمت فعلی سوخت، هر کامیون تنها با این بهبود سالانه حدود هشت هزار و چهارصد دلار صرفه‌جویی می‌کند. مزایا زمانی بیشتر می‌شوند که شرکت‌ها این تغییرات را با بهبودهای دیگری مانند دامنه‌های جانبی یا بالهای سقفی ترکیب کنند. با سخت‌گیری فزاینده مقررات زیست‌محیطی، این گونه افزایش‌های کارایی به شرکت‌های حمل‌ونقل کمک می‌کنند تا ضمن کنترل هزینه‌های عملیاتی، در چارچوب محدودیت‌های قانونی نیز بمانند.

اندازه‌گیری افزایش بازدهی سوخت ناشی از ارتقاء آیرودینامیک

سنجش کاهش مصرف سوخت در ترکتورهای ناوگان بلندپرواز

بهبود آیرودینامیک به مبارزه با نیروهای پسا کمک می‌کند که در واقع بیش از نیمی از انرژی مصرفی کامیون‌ها هنگام حرکت در جاده‌ها را تشکیل می‌دهند. هنگامی که شرکت‌ها کیت‌های آیرودینامیک مناسب را نصب می‌کنند، معمولاً بهبودی حدود ۷ تا ۱۲ درصدی در مصرف سوخت مشاهده می‌شود. این موضوع به معنای صرفه‌جویی بین ۶۵۰ تا ۱,۱۰۰ گالن سوخت در سال برای کامیون‌هایی است که سالانه حدود ۱۰۰,۰۰۰ مایل طی می‌کنند. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری با استفاده از مدل‌های پیچیده دینامیک سیالات نشان می‌دهند که هنگامی که تراکتور و تریلی در کنار هم به‌درستی طراحی شوند، ممکن است حتی بتوانند بیش از ۱۰ مایل بر هر گالن در سرعت ۶۵ مایل بر ساعت داشته باشند. این رقم حدود ۲۲ درصد بهبود نسبت به کامیون‌های معمولی بدون این تغییرات را نشان می‌دهد. برای بهره‌برداران ناوگانی که به دنبال کاهش هزینه‌ها و همزمان حفظ مسئولیت محیط زیستی هستند، این نوع بهبودها از نظر عملیاتی کاملاً منطقی است.

مطالعه موردی: اجرای ناوگانی دستگاه‌های آیرودینامیک و بازده سرمایه

یک شرکت لجستیک با ۵۰۰ کامیون، هزینه‌های سالانه سوخت خود را به میزان ۲٫۸ میلیون دلار کاهش داد، پس از اعمال سه ارتقاء کلیدی در ناوگان خود:

• لوله‌های جانبی (صرفه‌جویی ۴٫۲٪)
• پنلهای فریم (صرفه‌جویی ۲٫۱٪)
• دم Trailers (صرفه‌جویی ۱٫۸٪)

سرمایه‌گذاری ۳٬۲۰۰ دلاری در هر وسیله نقلیه ظرف ۱۴ ماه از طریق صرفه‌جویی در مصرف دیزل بازگشت سرمایه یافت. داده‌های عملیاتی عملکرد پایدار را در شرایط مختلف باد و بار، در صورت نگهداری مناسب، تأیید کردند (Fleet Efficiency Quarterly 2021).

معیارهای صنعتی برای صرفه‌جویی در مصرف سوخت با استفاده از موانع جانبی، پوشش فاصله و دم‌ها

معیارهای عملکرد برای اجزای آیرودینامیک رایج:

بر اساس پروتکل‌های اعتبارسنجی EPA (2023)، نصب سیستم‌های یکپارچه معمولاً منجر به بهبود 7 تا 10 درصدی در مصرف سوخت می‌شود. پیکربندی‌های دارای گواهی SmartWay اکنون 68 درصد از تریلرهای جدید آمریکای شمالی را تشکیل می‌دهند که این رقم از 42 درصد در سال 2018 افزایش یافته است.

روندهای آینده در سیستم‌های آیرودینامیک یکپارچه برای ترکتور تریلرها

ترکیب دستگاه‌های آیرودینامیک برای حداکثر بهره‌وری

صنعت تولید در حال فاصله گرفتن از راه‌حل‌های تک‌قطعه‌ای است و به سمت استفاده از کیت‌های آیرودینامیک کامل حرکت می‌کند که شامل عناصری مانند بالشوهای سقفی، دامنه‌های جانبی و آن قطعات کوچک کاهش‌دهنده شکاف که همه درباره‌شان صحبت می‌کنند، هستند. بر اساس آزمایش‌های انجام‌شده تحت استاندارد SAE J1321، زمانی که تمام این قطعات به‌عنوان یک سیستم با هم کار می‌کنند، در واقع سه برابر بیشتر از نصب تصادفی تنها یک قطعه، سوخت را صرفه‌جویی می‌کنند. برخی آزمایش‌های واقعی نشان داده‌اند که مصرف سوخت در سفرهای طولانی حدود ۱۲٪ کاهش می‌یابد. شرکت‌هایی که این رویکرد جامع را پذیرفته‌اند، بر پنج حوزه اصلی که در آن‌ها مقاومت هوا افزایش می‌یابد تمرکز دارند: جریان هوا در قسمت جلو، فضای بین تراکتور و تریلی، گرداب‌های آزاردهنده در زیر بدنه کامیون، اصطکاک در طول سطوح جانبی و نحوه خروج هوا از پشت وسیله نقلیه پس از عبور آن.

آیرودینامیک هوشمند و تطبیقی در نیمه تریلی‌های نسل بعدی

خودروهای نمونه اولیه جدید شروع به استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار شکل کرده‌اند که همراه با عملگرهای هوای فشرده، می‌توانند دامنه‌های جانبی، قسمت‌های عقبی و حتی شکل سقف را در حین رانندگی و بنا بر نیاز تغییر دهند. هوش مصنوعی داخل خودرو داده‌های حاصل از حدود ۱۶ سنسور مختلف روی خودرو از جمله سرعت و جهت باد را بررسی می‌کند و سپس تصمیم می‌گیرد که آیا باید این بهبودهای آیرودینامیکی فعال شوند یا خیر. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که افرادی که این سیستم‌ها را امتحان کرده‌اند، حدود ۷ درصد صرفه‌جویی بیشتر در مصرف سوخت نسبت به کیت‌های بدنه ثابت در شرایط آب و هوایی متغیر گزارش کرده‌اند. علاوه بر این، قطعات تمایل به دوام بیشتری دارند زیرا به طور مداوم در حال حرکت نیستند. برخی از افراد شرکت‌کننده در مراحل اولیه تست متوجه شدند که سایش قطعاتشان حدود ۴۰ درصد کندتر پیش می‌رود، زیرا سیستم تنها قطعات لازم برای هر شرایط خاص را فعال می‌کند.

استانداردهای نظارتی و پذیرش صنعتی که نوآوری را پیش می‌راند

مقررات آینده‌نگر EPA در سال 2024 این الزام را دارند که کامیون‌های جدید کلاس 8 تا سال 2027 بین 5 تا 7 درصد بهره‌وری سوخت بهتری داشته باشند. این موضوع باعث شده تولیدکنندگان به دنبال توسعه راه‌حل‌های آیرودینامیکی بهتر برای وسایل نقلیه خود باشند. بر اساس یک مطالعه اخیر NACFE در سال 2023، اکثر شرکت‌های بزرگ حمل‌ونقل کامیونی (حدود 83 درصد) هنگام به‌روزرسانی تریلی‌های خود، قبلاً این نوع بهبودها را اعمال کرده‌اند. این رقم در مقایسه با تنها 67 درصد در سال 2020 افزایش قابل توجهی محسوب می‌شود. چیزی که جالب توجه است، سرعت بازگشت سرمایه از این اصلاحات است. با توجه به قیمت فعلی سوخت، بسیاری از شرکت‌ها سرمایه‌گذاری خود را در عرض حدود 18 ماه یا کمتر جبران می‌کنند. با توجه به الزامات دولتی و مزایای مالی که پیشرفت را تقویت می‌کنند، شاهد رویدادی قابل توجه در سراسر صنعت هستیم. شرکت‌هایی که زمانی به شدت با یکدیگر رقابت می‌کردند، اکنون با هم همکاری می‌کنند تا سیستم‌های نصب استانداردی ایجاد کنند که به همه اجازه دهد این اقدامات بهره‌وری را بدون اینکه هر بار چرخ را دوباره اختراع کنند، به راحتی به کار گیرند.