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2014年11月23日

【PP1】【技術】ビート純正ミラーとGTミラーの空気抵抗比較

【PP1】【技術】ビート純正ミラーとGTミラーの空気抵抗比較 先日換装したS,S,I製カーボンミラー(以下、一般的な言い方として「GTミラー」)と、ビート純正ミラーの空気抵抗の違い、空気抵抗に伴う必要馬力の差を計算してみた。

※空気力学強くナイので、間違いがあったら御指摘ください。

↓御指摘頂きました 笑(※コメント欄参照)

「車体のような大きいものの脇の小物の空力はそれ自体、また前方の形状によっても全く変わるので正直こういう計算に向かない」

とのことですので、以下、「車体表面の凹凸」としてのミラーの計算としては不適切なモノと思われますが、せっかく計算したので、ミラー単体の計算式として参考までにご覧ください。






■空気密度ρ

標準大気圧: 1013.25[hPa]
気温: 16[℃]
として、
空気密度ρ: 1.211[kg/m3]

※こういう計算では25[℃]を使うことが多いが、先日11/19の鈴鹿フルコース走行時の気温を適用。
※気温が低いほど空気密度は大きくなるので、エンジンには有利になる(同じ体積流量に対し質量流量UP)が、空気抵抗は大きくなってしまう理屈かな。




■抵抗係数 Cd 参考資料






■純正ミラー



ミラー片側の前面投影面積: 約 26497[mm2]
●ミラー左右の前面投影面積合計 A: 約 52994[mm2] = 0.052994[m2]

抵抗係数 Cd: 0.60とする。
※半球(0.34)というほど良い形状でもないし、円錐(頂角60°で0.51だが、このミラーを円錐とみなすと頂角は60°よりずっと大きい)でもないし、かと言って立方体(1.02)ほど悪いとも思えない。ちょうど良いモデルがなく、0.60は「やや甘め」と思うが0.60に設定。


●空気抵抗 D および Dに対して必要な出力

空気抵抗D [N] = 抵抗係数Cd × 空気密度ρ[kg/m3] × 車速の二乗[(m/s)2] × 0.5
必要な出力[W] = 空気抵抗D [N] × 車速[m/s]

車速 空気抵抗 空気抵抗 必要出力 必要出力 必要出力
[km/h] N kgf W kW ps
40 2.396 0.244 26.628 0.027 0.036
50 3.745 0.382 52.007 0.052 0.071
60 5.392 0.550 89.868 0.090 0.122
70 7.339 0.748 142.707 0.143 0.194
80 9.586 0.977 213.021 0.213 0.290
90 12.132 1.237 303.305 0.303 0.412
100 14.978 1.527 416.056 0.416 0.566
110 18.123 1.848 553.771 0.554 0.753
120 21.568 2.199 718.945 0.719 0.977
130 25.313 2.581 914.075 0.914 1.243
140 29.357 2.994 1141.658 1.142 1.552
150 33.701 3.436 1404.190 1.404 1.909
160 38.344 3.910 1704.166 1.704 2.317
170 43.286 4.414 2044.084 2.044 2.779
180 48.529 4.949 2426.440 2.426 3.299
190 54.071 5.514 2853.729 2.854 3.880
200 59.912 6.109 3328.449 3.328 4.525



■GTミラー



ミラー片側の前面投影面積: 約 11600[mm2]
●ミラー左右の前面投影面積合計 A: 約 23200[mm2] = 0.0232[m2]

抵抗係数 Cd: 0.60とする。
※純正ミラーよりも、半球(0.34)に近く、横から見ても上から見ても楔状なので、円錐にも近い。
ただし円錐としても、真横から見ると頂角60°(0.51)より優秀そうだが、上から見るともっと頂角は大きいので・・・・。純正ミラーよりもCd値は優秀に思えるが、ここは辛めのパラメータ設定で純正と同じ0.60に。


●空気抵抗 D および Dに対して必要な出力

空気抵抗D [N] = 抵抗係数Cd × 空気密度ρ[kg/m3] × 車速の二乗[(m/s)2] × 0.5
必要な出力[W] = 空気抵抗D [N] × 車速[m/s]

車速 空気抵抗 空気抵抗 必要出力 必要出力 必要出力
[km/h] N kgf W kW ps
40 1.049 0.107 11.657 0.012 0.016
50 1.639 0.167 22.768 0.023 0.031
60 2.361 0.241 39.343 0.039 0.053
70 3.213 0.328 62.475 0.062 0.085
80 4.197 0.428 93.257 0.093 0.127
90 5.311 0.542 132.782 0.133 0.181
100 6.557 0.669 182.143 0.182 0.248
110 7.934 0.809 242.433 0.242 0.330
120 9.442 0.963 314.744 0.315 0.428
130 11.082 1.130 400.169 0.400 0.544
140 12.852 1.311 499.801 0.500 0.680
150 14.754 1.504 614.734 0.615 0.836
160 16.786 1.712 746.059 0.746 1.014
170 18.950 1.932 894.870 0.895 1.217
180 21.245 2.166 1062.260 1.062 1.444
190 23.671 2.414 1249.321 1.249 1.699
200 26.229 2.675 1457.147 1.457 1.981




■GTミラーの純正ミラーに対する比

●空気抵抗 D および Dに対して必要な出力

車速 空気抵抗 空気抵抗 必要出力 必要出力 必要出力
[km/h] N kgf W kW ps
40 -1.347 -0.137 -14.970 -0.015 -0.020
50 -2.105 -0.215 -29.239 -0.029 -0.040
60 -3.032 -0.309 -50.525 -0.051 -0.069
70 -4.126 -0.421 -80.232 -0.080 -0.109
80 -5.389 -0.550 -119.763 -0.120 -0.163
90 -6.821 -0.696 -170.522 -0.171 -0.232
100 -8.421 -0.859 -233.913 -0.234 -0.318
110 -10.189 -1.039 -311.338 -0.311 -0.423
120 -12.126 -1.237 -404.201 -0.404 -0.550
130 -14.231 -1.451 -513.907 -0.514 -0.699
140 -16.505 -1.683 -641.857 -0.642 -0.873
150 -18.947 -1.932 -789.456 -0.789 -1.073
160 -21.557 -2.198 -958.107 -0.958 -1.303
170 -24.336 -2.482 -1149.214 -1.149 -1.562
180 -27.284 -2.782 -1364.180 -1.364 -1.855
190 -30.399 -3.100 -1604.408 -1.604 -2.181
200 -33.683 -3.435 -1871.303 -1.871 -2.544



※タツゥさん: こういう計算だと確かに、空気抵抗に対抗する出力をそのままエンジン出力とできるので、確かに「出力[kW]または[ps]」は便利ですね。



純正ミラー、GTミラーそれぞれのCd値がテキトーなので、計算結果もいいかげん、という前提だケド・・・・

空気抵抗だけで評価すると、GTミラーは純正ミラーに対し、

・120[km/h]: エンジン出力換算で 0.550[ps]分のアドバンテージ
・140[km/h]: エンジン出力換算で 0.873[ps]分のアドバンテージ
・150[km/h]: エンジン出力換算で 1.073[ps]分のアドバンテージ
・160[km/h]: エンジン出力換算で 1.303[ps]分のアドバンテージ
・170[km/h]: エンジン出力換算で 1.562[ps]分のアドバンテージ

があると考えられるワケかな?



空気抵抗は車速の二乗で大きくなるので、そもそもそんなに車速の出ないビートでは、影響量は小さいケド、「対出力」で考えると最高出力 カタログ値 64[ps]というプアパワーに対しては、上記の数字はかなり大きいな・・・。
ミニサーキットなんかではほとんど影響なさそうだが。



※もっとも、純正ミラー、GTミラーそれぞれのCd値をどう設定するかで、露骨に値が変わってしまうので、あくまで参考値。
※ただし、Cd=0.60は甘め設定(小さめに見積もってる)なので、Cd値が大きくなると、より空気抵抗差と必要出力差は大きくなる。




2014/11/19の鈴鹿フルコース走行では、10/12のストレートスピード伸び悩み問題が解決した

・メインストレート車速↓




・スプーン2つ目~裏ストレート車速↓



桃: のり☆たまさん
緑: mistbahn(1ヶ月前)
紫: mistbahn(今回)


・・・が、コレにミラーの違いはほんの僅か程度には効いているんだろうか?





今回、ミラーの空気抵抗計算をするにあたって、何冊かの本やWEBソースを読んで、


「ボッシュ 自動車ハンドブック 日本語 第3版」

には「ボディ形状における空気抵抗係数と必要な出力」として

 例)
  コンバーチブル:
    Cd = 0.33~0.50
    160km/h時の空気抵抗に対しての必要出力 = 42[kW]
  ノッチバックセダン:
    Cd = 0.26~0.35
    160km/h時の空気抵抗に対しての必要出力 = 31[kW]


と書かれているし、


「自動車の走行性能と試験法」
 出版: 東京電機大学出版局


には「空気抵抗の成分比率」として

 ・形状抵抗: 60%
 ・車体表面の凹凸による抵抗: 15%
 ・冷却空気抵抗: 10%
 ・表面摩擦抵抗: 7%
 ・誘導抵抗: 8%


と書かれているので、幌を閉めたのは幌レスよりもかなりアドバンテージありそうだと感じた。

先日の鈴鹿フルコースでは幌は閉めたものの、エンジン冷却と後方視界確保のために、のり☆たまさんに倣って、また、赤い~のん?さんを参考に、幌の後ろだけ外してメンテナンスリッド蓋を外して走った↓



のだが、空気抵抗で言うと後ろも閉めていう方が圧倒的に有利。

そういう観点からは、鈴鹿フルコースや岡国だと、ハードトップ欲しい・・・(幌より軽いし・・重心位置的にも・・・)





・・・更に、カーボンミラーは、純正ミラーに対して、左右合計で1.6[kg]軽いので、

●ころがり抵抗 Rr
 Rr = 車両総重量W[kg] × ころがり抵抗係数μ

●勾配抵抗 Re
 Re = 車両総重量W[kg] × sinθ
 ※θは登坂時の坂路勾配

●加速抵抗 Rc
 Rc = 加速度b[m/s2]
     ÷ ( 9.80665× (車両総重量W[kg] + 駆動機構の回転部分の慣性相当重量△W[kg] ) )

などに効いてくるワケか。


こっちはミニサーキットでも効いてくるんだろう。




後は、純正ミラーに対して、GTミラーは細いロッドで車体から少し離れた位置にあるのも、車体側の整流なんかに関係しているんだろうと思うが(レーシングカーも皆そうなので)、あんまし定量的なソースを見つけることができなかった。

書籍 「自動車の走行性能と試験法」 出版: 東京電機大学出版局

に書かれている

"干渉抵抗: 車体表面の凹凸による気流の乱れで発生するもの."

が該当し、純正ミラーとGTミラーに違いがあるのはわかるが計算用の材料は見つけることができなかった。





総合すると、2014/11/19の鈴鹿フルコースでのストレートスピード問題解決には、多少なりとも、カーボンミラーも影響しており、「幌を閉める」はもっと影響しているので、自己ベスト7秒更新や3分切りには、マシンUPDATEが大きく寄与していると考えられる。




さて、本日は「勤労感謝の日」だが、この3連休は昨日も今日も休日出勤。(水曜に鈴鹿に走りに行ったので当たり前)
今からマジメに仕事します。



●自動車技術関連関連目次はこちら
●ビート(PP1)関連目次はこちら
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Posted at 2014/11/23 08:19:23

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この記事へのコメント

2014/11/23 09:18:23
まいど~

流石!そこまで考えてるとは…

しかも、軽いですからね。

速度を出して、窓から手を出す原理と似てる?
低速だと何も感じないけど、良い速度だと、何かを揉んでる感じですもんね。

その時って、手を指を開いてるよりすくい取るように重ねたら更に揉んでる様に思えますから、皆さんは経験ありでしょ(笑)

えっ?何を揉んでるかって?
それは、ひ み つです(o^∀^o)

後、更に軽くなるから恩恵は大きいですよね。
コメントへの返答
2014/11/23 09:40:57
効果をきちんと考えてから入手したワケではなく、購入してから後付で計算・・・です(^_^;)

入手動機は単純に昔からの憧れです(笑)


カーボンミラーのパーツレビュー関係を見ていると、「プチ軽量化」的なことを書かれている方がほとんどですよね。

実際、純正ミラーはズッシリ重いので、軽量化にはなってますし、加速、減速にはほんの少し効いてくるんですが、例えば
「ボンネットやトランクの純正形状のカーボン化」
と違って、形状自体が純正品と大きく異なるので、ミラーに関しては軽量化以上に、空気抵抗でのメリットがデカいことは予備知識としてありました。

もっとも、空気抵抗は車速の二乗に比例するので、ストリートユースや、ミニサーキット、ジムカーナなんかでは空気抵抗よりも軽量化が効果的なので、みなさんのパーツレビューも走るステージに応じて、書かれてるんだと思います。

> 速度を出して、窓から手を出す原理と似てる?

全く同じです。

ちなみに、「手をすくい取る」と、ブログ本文の「半球」の下側のモデルに相当するので、

 Cd = 1.33

となり、かなり空気抵抗は大きくなります。


ちなみに私はどちらかというと「巨◯」より「貧◯」派です(※ただし形状は重要。「半球」が理想 笑)。
2014/11/23 10:29:25
いや、参考になりました!
内容もだけど、考え方も(`・ω・´)


僕はサーキットで良いタイムが出るときは決まって幌を閉めてる時であることに気付いてからは、閉めて走るようにしました。
昔見た車のDVDでも、S2000で数回アタックしたプロが、幌閉めた方が安定する!みたいなこと言ってました。

せっかくオープンでサーキット走れるようにという意味もあって4点式着けたのに…(´∀`;)ほとんどオープンでサーキット走ってない…
コメントへの返答
2014/11/23 10:45:09
ありがとうございます(*^_^*)

昨年冬の鈴鹿フルコースで走行枠×2を、オープンと、幌閉めた状態と・・・それぞれ走ったんですが、最高速は幌を閉めた状態の方が5km/h高かったです。
もっとも、その日はウェットコンディションだったので、2つの枠で路面コンディションも違うと思うので単純比較はできませんが・・・。


幌レスで、オープンで走った方が車載動画も開放的でステキな感じになりますし・・・

私は40歳にして、お子様なので、オープン状態で「6点ロールケージ入ってます♪」というビジュアルで走りたいんですが・・・・

鈴鹿フルコースや岡山国際サーキットのようにストレートが長くて最高速が伸びるコースでは幌は閉めた方が良さそうです。
(というか、ハードトップ欲しいです。使わないときの置き場所に困って妻に叱られそうですが・・・)
2014/11/23 12:31:53
車体のような大きいものの脇の小物の空力はそれ自体、また前方の形状によっても全く変わるので正直こういう計算に向かんとです。
CFDで出すレベルかも〜


LANCIAデルタの衝立スポイラーが言われてるほど抵抗なかったりします(^^)
コメントへの返答
2014/11/23 13:09:08
空力に強い人キターッ!
きっとコメント頂けると思ってました(*^_^*;)

なるほど、

"干渉抵抗: 車体表面の凹凸による気流の乱れで発生するもの."

扱いになるワケですね。

ミラーそのものよりも、それが生じる乱流や、気流のボディ表面からの剥離などの影響が大きいのかなあ?

GTミラーの、細いロッドを用いてミラー部をボディから離しているのは、それらを考慮して・・・だとは以前から思ってました。(レーシングカーがほとんどこの形状なので)


ミラー単体のCd値検討も、CFDを使いたいんですが、残念ながら・・・
会社に3D CADはあるんですが、強度解析のオプションは入ってるケド、CFDオプションは入ってなかったハズ(確か)。

そもそも私にはロクに3D CADはオペレーションできないし、忙しい設計担当に私の趣味の計算をお願いするのもちょっと気が引けるのもあり・・・ 笑


以前はかなりのデルタヲタでした↓

http://minkara.carview.co.jp/userid/242406/blog/c150665/

が、デルタ好きだった頃から、デルタの衝立スポイラーにはドン引きしてました。
「ありえねぇだろ!」って。

・・・言われてるほどドラッグないんだ。。。
空力、深いなあ・・・。
2014/11/23 13:43:15
車体の前から三割くらいの場所についてるので、フロント部分のデザインによる影響が大きいのです。
最近の車のヘッドライトが透明樹脂で出っ張っているのはあれで空力コントロールするからですし。だから縦目デザインばかりに。
例 リーフ
http://engine-online.jp/long_term/no57/LT1206_57.html

デルタはルーフ上にあの形だとルーフ末端で気流を跳ね上げ、フロア下からの引き抜きに効果があるぶんドラッグ増えませんね
コメントへの返答
2014/11/23 14:12:00
もっともですよね。

ミラー部が、既に正面からの真っ直ぐな気流ではなく、フェンダー(ビートの場合はボンネットですが 笑)やフロントタイヤハウスからの影響で、乱流、渦流となっている可能性が大きいですよね。


> 最近の車のヘッドライトが透明樹脂で出っ張っているのはあれで空力コントロールするからですし。だから縦目デザインばかりに。

縦目、ツリ目はてっきり流行りモンだと思ってました。。。

URLからはENGINE誌のトップページにしかアクセスできず、該当ページ、ちょっと探しちゃいましたが、辿りつけました。

「空気抵抗と闘うリーフのデザイン。
No.57 NISSANLEAF/57号車 日産リーフ
長期リポート|2012年6月号 掲載」

上から見たら、ワケのわからんヘッドライトのデザインなんですね!萎んだ浮き輪みたいな 笑

「まるで出目金の目のようなこのカバーでふた手に引き裂かれた空気は、みごとにサイド・ミラーを避けてリアへ流れる仕組みになっている。」

と書かれているので、このソースを全面的に信頼するのであれば、ボルテックスジェネレータ的な役割とはまた異なるんですね。

うーむ、深い。。。


> デルタはルーフ上にあの形だとルーフ末端で気流を跳ね上げ、フロア下からの引き抜きに効果があるぶんドラッグ増えませんね

これも深いなあ・・・。

例えばレガシィやステージアみたいなステーションワゴンのように車両後端までルーフが存在する形状ではなく、デルタはファストバックっぽい形状で、後端までに距離があるからだから成り立つのかな?

確かにあの衝立スポイラーがあると、ドラッグにもなりそうですが、その後ろがスゴい負圧になりそうですね。
(素人目線ではその負圧で後ろに引っ張られてしまいそうに思えますが・・・)

当時のランチア・デルタのWRC担当のデザイナーやエンジニアが、そこまで考えてやってたんだとしたら驚きです(←ランチアの中の人に失礼ながらそういうイメージがナイ)
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「【サーキット】【ビート】烈 鈴鹿サーキット・フルコース 2017.09.24 ログ解析 http://cvw.jp/b/242406/40475662/
何シテル?   09/25 22:12
ビート(PP1)、三菱アイ、シビック・タイプR(FD2)に乗っています。 ビートでのサーキット走行とチューニングが趣味です。 レンタルカートも好きです。...
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