Aerodynamisk studie av fordonsmonterade lastlådor

Redan vid första anblicken är det uppenbart att en takbox skulle generera mer vindmotstånd än en IXTAbox placerad bakom fordonet. Men hur mycket mer? Vilka är effekterna av olika storlekar och positioner av en IXTAbox i förhållande till dragkroken och fordonet? Vilka saker kan göras för att ytterligare minska vindmotståndet under körning? 

Dessa frågor undersöktes grundligt av Marcus Sandberg i sin masteruppsats vid Chalmers tekniska högskola under hösten och vintern 2021-22 och gav banbrytande och faktabaserade bevis på fördelarna med att använda IXTAbox framför vanliga takboxar.

I detta arbete använde Sandberg kraftfulla beräkningssimuleringsverktyg för att jämföra hur två olika stora takboxar presterar jämfört med flera IXTAbox-modeller när de kör i 90 km/h. När det gäller takboxen testades en stor modell och en mer strömlinjeformad, medan sex IXTA-boxar i storleken 150, 170 och 190 cm breda som är 40 respektive 60 cm ingick i studien. 

För att simulera prestandan för varje box användes Computational Fluid Design (CFD)-verktyg, som också används av bil-, båt- och flygplansdesigners. Dessa simuleringar kördes på Chalmers kraftfulla datorer och varje beräkning tog mellan 12-24 timmar att beräkna. 

 

Kort sagt, drag är kraften från vind eller luftmotstånd som trycker i motsatt riktning mot objektets rörelse. När ett föremål rör sig genom ett medium, såsom luft, genererar det ett motstånd, som kan vara större eller mindre beroende på formen på föremålet.

Den specifika dragnivån för ett objekt kallas dragkoefficienten Cd. När det multipliceras med den projicerade arean för objektet som rör sig genom mediet Asid, den totala Drag Force Fd kan beräknas. Detta är kraften som trycker fordonet i motsatt riktning mot dit det är på väg. Detta orsakas av tryckskillnaden som föremålet genererar när det rör sig genom mediet, på samma sätt som vingen på ett plan som skapar en lyftning uppåt på grund av det lägre trycket ovanpå vingen. I en bil skapas detta lägre tryck vanligtvis bakom fordonet där ett kölvatten bildas och luften når nästan noll hastighet som visas i bild 1. 

 

Simuleringarna gjordes med hjälp av en digital referensmodell kallad DrivAer Notchback, som har ett Cd på 0,254 och är konceptuellt en blandning av en Audi, BMW, Mercedes, Volvo sedanbil.
Med det projicerade området, Asid av detta referensfordon är 2,106m2, den totala Drag Force skapade Fd är 0,536. Genom att använda CFD för de två takboxarna och de sex varianterna av IXTAboxar erhölls följande resultat. 

Efter att examensarbetet avslutats har vi lagt till en diffusorvinge till alla IXTAbox-modeller vilket resulterar i ytterligare förbättrad aerodynamik. Vi har ingen formell statistik, men den uppskattade effekten förbättras ytterligare med -2% till -4%. 

Modell	Cd	Area (m2)	CdA = Fd	% Diff
DrivAer Ensam	0.254	2.106	0.536	0%
Strömlinjeformad takbox	0.307	2.407	0.740	38%
Volym takbox	0.310	2.472	0.769	43%
150-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.554	3%
150-60 IXTAbox	0.281	2.106	0.592	10%
170-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.555	4%
170-60 IXTAbox	0.281	2.108	0.596	11%
190-40 IXTAbox	0.282	2.152	0.603	13%
190-60 IXTAbox	0.283	2.183	0.618	15%

 

Båda takboxarna ökar naturligtvis den projicerade arean (ökad med 0,301-0,366 m2), medan endast hälften av IXTAbox-modellerna upplever någon ökning (ökad med 0,002-0,077 m)2). Dessutom är den högre dragkoefficienten Cd har en negativ effekt på takboxarna, eftersom Cd endast ökat något för IXTAbox-modellerna.
Resultaten drar slutsatsen att den totala dragkraften som skapas med valfri variant av IXTAbox endast kommer att öka från 3 % till maximalt 15 %, medan takboxarna genererar en extra dragkraft på 38 % till 43 %. På så sätt förbättrar han IXTAbox fordonens aerodynamiska egenskaper med i genomsnitt 300 % jämfört med en takbox. 

Effekten av luftmotståndsskillnaden skildras väl i följande jämförbara bilder, där du kan se storleken på kölvattnet som genereras av båda rutorna, såväl som lågtryckszonerna och vindhastigheten bakom fordonet.

 

 

*Bild 2.2*  IXTAboxen upptar en del av kölvattnet, vilket effektiviserar den aerodynamiska profilen. 

Denna studie visade att IXTAboxens vertikala position också kan ha en inverkan på vindmotståndet. En IXTAbox placeras företrädesvis i nivå med eller högre än bilens underyta. I de fall då IXTAboxen är placerad lägre kan vinden flyta mellan bilen och lådan, vilket ökar vindmotståndet något (bild 4). Men under vissa förhållanden kan en IXTAbox på ett fordon skapa en lägre dragkraft än fordonet ensamt.

 

* Bild 3.* Optimalt placerad IXTAbox 190x60. Även stora IXTAbox kan placeras optimalt.

* Bild 4. För lågt placerad IXTAbox 190x40 visar luft som rör sig mellan bilen och lådan vilket ökar luftmotståndet kraftigt*

 

Detta är möjligt då en IXTAbox kan ersätta mycket av bilens naturliga vak och därmed förändra fordonets och lådans totala form. Som framgår av bilderna 2 och 3 gör lådans form en "naturlig" förlängning av bilens sluttande form och förbättrar därmed den aerodynamiska formen totalt. När en låda lägger till en minimal projicerad area och är välpositionerad för att minimera luftflödet från underflödet mellan bilen och lådan, kan intressanta resultat uppnås. I simuleringar där en diffusor förlängs från botten av IXTAboxen mot bilen och därmed förhindrar luftflödet mellan bilen och boxen, är vindmotståndet cirka 5 % lägre än med endast fordonet. Detta scenario öppnar dörren för möjligheten att använda en IXTAbox för att sänka vindmotståndet och detta att köra längre. 

 

Ökat vindmotstånd har en särskilt stor inverkan på körprestandan för elfordon och fordon med relativt svaga motorer. Tyvärr finns det ingen formel som kan användas för att beräkna hur bränsleförbrukning/el och följaktligen hur räckvidden påverkas av vindmotstånd. Anledningen är att motståndet är beroende av flera faktorer, inklusive följande huvudsakliga; bilstorlek i förhållande till takboxen och motorns styrka. 

Vi gör två extrema exempel för att förtydliga:

Föreställ dig en liten bil med svag motor och stor takbox, kontra en stor SUV som inte är särskilt aerodynamiskt formad med en stark motor. 

För den lilla bilen med en stor takbox kan bränsleförbrukningen öka med >50 % eftersom kombinationen av ett större Asid, ett mycket sämre Cd och en svag motor kommer att förbruka en ökad mängd bränsle för att få bilen att gå framåt. 

När det gäller den stora, inte särskilt aerodynamiska suven blir den procentuella påverkan relativt liten även med en stor takbox. Asid och Cd ökar dock, den starka (bränsletörstande) motorn absorberar den extra dragkraften och bränsleförbrukningsökningen faller troligen i 5-10%. Inte att förglömma den större bilen har en mycket högre bränsleförbrukning från start.

Baserat på litteraturstudier och exempel från personer som kör med takboxar finner vi att för en medelstor bil ökar bränsleförbrukningen med 10-30%. Med en IXTAbox är påverkan på bränsleförbrukning och räckvidd 65-75 % lägre jämfört med takboxar, det vill säga 2-10 % väntande modell och bilkombination. 

Baserat på min egen erfarenhet av att ha kört mer än 50 000 km med en Tesla X, med främst 190x40 IXTAbox, jag uppskattar att den extra bränsleförbrukningen ligger i intervallet -3% till +3%. Men hastigheten har en inverkan på bränsleförbrukning och räckvidd; vilket innebär att dessa siffror inte garanteras i hastigheter över 120 km/h. 

I takt med att samhället går över till att använda mer och mer elfordon, utvecklar alla biltillverkare fler aerodynamiska bilar eftersom det är en av nyckelfaktorerna för att minska bränsleförbrukningen per km. 

Följande exempel ger ett tydligt exempel på hur biltillverkare ökar räckvidden för mindre bilar. Till exempel är VW:s nya iD3 inte byggd för att förses med en takbox, det enkla faktum är att denna relativt lilla bil med en blygsam motor, skulle få fruktansvärda prestanda vid användning av en takbox. 
Ändå ligger framtiden på många sätt i den ökade användningen av mindre bilar. Många söker efter en bil som är lätt att parkera och använda i överbelastade städer, men det innebär också att man offra utrymme i bilen. Lösningarna som IXTAbox tillhandahåller kan vara skillnaden mellan att köpa en större bil för att bära med dig allt, kontra att köpa en mindre bil och att använda en IXTAbox för att ta med sig utrustningen. Allt detta utan att ge avkall på din räckvidd och bränsleförbrukning. 

Framöver tror vi att den ökade efterfrågan på elfordon kommer att kräva bättre aerodynamik för att bibehålla/öka räckvidden; Dessutom kommer det oundvikliga behovet av att ta med dig extra redskap att fortsätta att öka efterfrågan på lastlådor placerade bakom bilen.