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鉄道:ハンドリング

運転に自身がありますか?

空力は燃費以上に車両のハンドリングに深く影響します。車両に加わる力とモーメントは、走行中のタイヤのグリップ、ステアリング操作に対する車両のレスポンス、そして路面や風の変化による車両の安定性に影響を与えます。車両のハンドリング特性は、非定常の影響により大きく左右されます。対向風の条件は、他の車両による風の影響に加え、強い横風、障害物さらに道路の地形などにより走行中の車両が受ける非定常な突風を含んでいます。車両の空力は、非定常性開始条件の特定タイムスケールに感度を示すことがあり、ドライバーには振動、不快なロールやピッチモーション、ステアリング操作に対する反応の鈍さなどとして認識されます。これらの問題は高速走行時に増大するため、高性能車や高級車の場合には特に重要な設計要素になります。

技術課題

車両のハンドリングに関係する設計では、フロントおよびリアタイヤが路面に接する箇所に生ずる揚力と、車両の安定性を決定する側面荷重とピッチ、ロール、ヨーモーメントを予測する必要があります。また、これらの力とモーメントは一定の範囲での静的な横風条件や、動的な横風条件の下での値が必要とされます。アンダーボディとリアの後流は、圧力や気流の発現におけるわずかな変動にとても敏感であるため、あらゆる状況下において、これらの力とモーメントはほぼ全ての車両に対して極めて非定常性をもちます。

実際の路面条件を高性能車両に適合させることは、風洞を利用した物理テストの大きな制約となっています。車両の動きと気流の発現のリアルな影響を風洞試験で再現することはできません。風洞試験では、走行時の車両の影響を予測するために、ベルトとサクション/吹き出しシステムで構成された移動地面の高価なエミュレーションシステムが使用されます。さらに、一定範囲での静的な横風角度(ヨー角)のテストによって、気流の発現の影響が予測されます。しかしながら、風洞には、ドライバーが認識する振動、応答性、安定性に影響する非定常の空力荷重を正確に測定する機能が備わっていません。風洞試験で得たこれらの概算値は、ハンドリング特性を最適化するための車両の空力開発に大きな制約を与えます。よって、車両のハンドリングは、設計プロセスの後期に、最終プロトタイプのロードテストによって評価を行わなければなりません。


他の車両の横を通過した際の気流の発現状況を示すアニメーション。画像提供:Jaguar Land Rover

動的な発現条件下で非定常の力とモーメントを正確に予測することは、従来のシミュレーションツールでは極めて困難です。しかしながら、PowerFLOWは本質的に非定常であるため、これらの条件を自然に扱うことができます。影響を受けやすいアンダーボディとリアの後流領域での圧力変動が正確にシミュレートされるため、非定常の応答を予測することができます。ハンドリング特性に対する精度は、静的な横風条件を用いた移動地面による風洞試験と比較して、PowerFLOWは十分な検証がされています。PowerFLOWのシミュレーションでは、風洞では再現できない動的な発現条件や、他の車両による影響も考慮することができます。

ソリューション

PowerFLOWでは、動的な発現条件の影響や実際の路面状況を反映させた、車両のハンドリング特性の空力シミュレーションが可能です。シミュレーション結果を分析することで、力とモーメント、それらの分布および各表面パネルに対する寄与度を割り出します。非定常の力とモーメントのタイムグラフを使用することで、車両の非定常の応答を表示することができます。また流れの視覚化機能では、非定常の応答に影響する流体構造と圧力変動を把握することができます。非定常の影響をさらに数値化するには、弊社ソフトウェアPowerSPECTRUMを使用して、力、モーメント、圧力、流体構造の周波数に基づく解析を行います。この出力では、重要な周波数領域における負荷が、車両のサスペンションの動的な応答、またはドライバーの認識にどのように影響するのかを表示します。

EXA SOFTWARE USED FOR THIS APPLICATION

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Simulation: 
Results Analysis: