乗用車とトラックの空気力学

基本的なアプローチ

Manfred MitschkeとHenning Wallentowitz ¹が提唱する空気力学の概念を以下に示します。

結果として生じる空気力と空力トルクは、4つのホイールの中心にある路面上に配置された基準点O_cに作用すると見なされます。

図 1.

F_a,x = c_x(τ_L)*P(v_r)

F_a,y = c_y(τ_L)*P(v_r)

F_a,z = c_z(τ_L)*P(v_r)

M_a,x = c_mx(τ_L)*l*P(v_r)

M_a,y = c_my(τ_L)* l*P(v_r)

M_a,z = c_mz(τ_L)* l*P(v_r)

ここで、c_iは空力係数、τ_Lは相対気流入射角、v_rは結果として生じる速度、Pは動圧、およびlはホイールベースです。

上で定義した力とトルクの成分が適用される座標系は、O_cに配置され、車体に固定されます。

速度について

斜め気流によって、車両の前後軸に対する入射角がτ_Lの流速v_rが発生します。パラメータのv_rとτ_Lはどちらも路面速度ベクトルv（負の車速ベクトル）と風速ベクトルv_wの加算で計算できます。

図 2.

P(v_r)について

動圧は、空気密度ρ、結果として生じる速度v_r、および次の式を使用して計算できます。

P(v_r) = 0.5 * ρ * v_r²

空気密度は、環境の周辺温度や周辺圧力に依存し、多くの場合は一定と見なされる、空気の理想的な気体定数です。

垂直力とピッチトルク

垂直力F_a,zとピッチトルクM_a,yは、c_z,fとc_z,rを取り込む地表レベルにあるサスペンションの中心点O_fとO_rに作用する2つの垂直力に置き換えられます。

F_a,zf = c_z,f(τ_L)*P(v_r)

作用力は、4輪の中心とサスペンションの中心O_f とO_r 地面の高さにある路面上の基準点O_c にかかります。

図 3.

この空力システムは、Car and Truckライブラリのアセンブリウィザードのデフォルト設定です。

空力とトルクの完全なセットは、次のように車両剛体に適用することができます：

F_a,x = 0.5*c_x(τ_L)* ρ * A* v_r²

F_a,y = 0.5*c_y(τ_L)* ρ * A* v_r²

F_a,zf = 0.5*c_z,f(τ_L)* ρ * A* v_r²

F_a,zr = 0.5*c_z,r(τ_L)* ρ * A* v_r²

M_a,x = c_mx(τ_L)* l* ρ * A* v_r²

M_a,z = c_mz(τ_L)* l* ρ * A* v_r²

ここで、Aは車の前面面積です。車両前面面積は、通常、乗用車の場合は1.5 m² < A < 2.5 m²の範囲、トラックやバスの場合は4 m² < A < 9 m²の範囲です。

c_iの決定方法

非常に大まかな概算として、c_iは定数と見なすことができ、空気力を完全に無効にするには、すべてのc_iを0に設定できます。

この表を使用する場合の制限は、車が30度（いくつかのケースでは40度）を超える斜め気流を受ける状況が許可されないことです)。このような状態、特に、純粋な横風の状態については、今後のリリースで実装が考慮される予定です。

ci係数は、仮想風洞実験によっても導出できます。このような実験で測定された値が、v_rおよびτの関数として、O_c、O_rにおける拘束力になります。