ABSTRACT

Unplugged Performanceは、工場出荷時の仕様を超えて車両をアップグレードしようとするテスラのオーナー向けに、製品と完全な自動車プログラムを開発しています。テスラの使命は、世界の持続可能なエネルギーへの移行を加速することです。Unplugged Performanceは、テスラ車の標準であるすべてのカテゴリーのパフォーマンスをさらに強化することを目指しています。アンプラグド・パフォーマンスに特に関心があり、この研究の理由は、エネルギー支出を削減し、テスラの量産車テスラモデル3の長距離移動能力を高めることに焦点を当てています。

 

Unplugged Performanceは、モータースポーツに最適化された製品を開発してきた歴史を持っています。この研究のためにUnplugged Performanceは、彼らのモータースポーツリソースをタップし、毎日駆動準拠パッケージに現実世界の効率を追加する課題にレースカー技術とノウハウを適用するために着手しました。アフターマーケットは自動車メーカーの使命に付加価値を与えてきた長い歴史を持っていますが、このようなデータ駆動型の空気力学製品開発プログラムがアフターマーケットで試みられるのは珍しいです。

 

最終的には、3つのUnplugged Performance製品の単純なシリーズは、高速安定性を向上させ、日常の機能性のバランスをとり、強化されたスポーツの美学を提供しながら、ドラッグの大幅な21%の総削減を提供するために、計算流体力学(CFD)研究を通じて検証されました。

 

パート1

紹介

2018年、アンプラグド・パフォーマンスは、テスラモデル3のアフターマーケット製品の研究と開発にCFDの規律を適用することに着手しました。CFDの利用方法は、一般に最高レベルのプロのモータースポーツのエンジニアによって使用され、また、テスラを含むすべての自動車メーカーによる車両開発にも広く利用されています。アンプラグド・パフォーマンスは、業界のモータースポーツパートナーを活用し、既存のモータースポーツ開発方法論を適用して、2018テスラモデル3の生産仕様に抗ずれるキログラム力(kgf)を削減するために最適化しました。ドラッグを減らすことは、1 マイル当たりのエネルギー消費量(kWh で測定)を減らす重要な要素です。したがって、エネルギー消費量の削減は、テスラが単一のバッテリー充電で移動できる総距離を増加させる一方で、環境エネルギーへの影響と1マイルあたりの相対的なエネルギーコストを削減します。CFDの研究と製品開発計画の第二の目標は、車両のハンドリングと安定性をさらに向上させるために、前後のダウンフォースをさらに最適化する低ドラッグ設計を変更することでした。アンプラグド・パフォーマンスは、常に満足度重視の企業です。持続可能なエネルギー効率の向上は、パフォーマンスの運転に犠牲を払うことなく、そして理想的には、路上でもレーストラックでも、パフォーマンスと車両ダイナミクスの目に見えるアップサイドで来なければなりません。

 

パート2

モチベーション

CFDの研究と製品開発計画の主な動機は、車両の範囲を改善し、所有コストを削減するために、ドラッグ削減に大きな影響を与えることができる一連の部品を簡単に設置することでした。ケースをフリンジで極端な製品を作成するのではなく、すべての製品を迅速かつ完全に取り外し可能にインストールできる必要があります。各製品設計要件に固有の考慮事項は、一般的なモデル 3 が使用される日常的な使用の大半に悪影響を与えることなく、各製品を毎日使用できることをさらに考慮します。最後に、すべての部品は、車両自体に同等の耐久性と長寿を必要としました。

 

この目標は、いくつかの特定の内部目標に焦点を当てました。

 

• モデル3車両のドラッグは、相当値(15%以上)減少させることはできますか?
• モデル 3 を修正して、0.20 未満の Cd(ドラッグ係数)に到達することはできますか?
• モデル3アフターマーケット部品は、最終的にインストール後に所有者のお金を節約する開発できますか?
• モデル3は、ダウンフォースを同時に増加させながら、目に見える効率を得ることができますか?
• モデル3アフターマーケットトランクスポイラーは、ドラッグの減少とダウンフォースの増加の両方のためのテスラ工場オプショントランクスポイラーの結果を超える開発ができますか?
• Can a Model 3 add-on front spoiler design increase range without impacting practical daily usability?

 

パート3

方式

アンプラグド・パフォーマンスは、モータースポーツCFD研究と空力製品開発の最高レベルの専門知識を持つ民間エンジニアリング会社を雇いました。この会社は、テスラモデル3を見直すために、機器を持ってアンプラグドパフォーマンスのホーソーン本社に移動しました。モデル3は、標準構成で物理的に検査された後、3Dスキャンされました。3Dスキャンは、アンダーボディを含む車両の完全な外観を包含し、車輪を取り外してホイールウェルをスキャンしました。車両は、テスラ工場のオプショントランクスポイラー(テスラモデル3パフォーマンスの標準)などのオプションアイテムの有無にかかわらずスキャンされました

 

車両はCADに浮上し、シミュレーションのためにANSYS CFDソフトウェアにインポートされました。最初の目標は、車両の変更を評価する前に、工場の車とのベースラインを確立することでした。製品開発の成果を最適化するための焦点の具体的な測定値は次のとおりです。

 

• ドラッグ (kgf)
• Cd
• フロントダウンフォース
• リアダウンフォース
• 上記のデータポイントは、異なる空気速度シミュレーションで研究されました。

CFDは、実際のテストで見つかったバイアス結果を持つ外部変数を持ち歩いていないことに注意することが重要です。たとえば、運転試験は制御できない変数に起因するヨー角度が一貫していません。風洞には、較正の変動性に関する他の課題があります。重要なポイントは、閉じたシステム内での変動をテストする際に精度が高いままである点です。したがって、研究の焦点は、研究中の特定の製品変数以外の他のすべてが一定のまま閉じたシステムで測定された結果変化に焦点を当てた。たとえば、CFD のデータ ポイントを別の風洞上のデータ ポイントと比較すると、システム間で不正確さが生じる可能性があります。しかし、閉じたCFDスタディ内のデータを比較することは、他の多くの方法では達成できない詳細レベルに正確です。

 

CFDを活用して実世界の効率向上の解決に取り組む方法論は、テスラのリード空力主義者、ロバート・ペイリンが2015年のSAEインターナショナルジャーナル「オンロードレンジ予測のための空力ドラッグを評価するための現実世界の風況の適用」で十分に述べられました。

 

❝ヨー角度の増加に伴う電力の増加に向けた一般的な傾向は明らかでしたが、データ内の散乱のレベルは、風洞試験またはCFDシミュレーションを通じて利用可能な精度のレベルへのドラッグ係数の予測を妨げました。しかし、データのさらなる分析は、乱気流強度のレベル(測定された標準偏差値を通じて計算)とドラッグの間の傾向を示した。乱気流の増加は、車両のドラッグに対するヨー感度を低下させる効果を有したが、全体的なレベルのドラッグを上げた。高速道路の速度で走行する車両が見る典型的なヨー角度の範囲では、乱気流レベルの増加は、速度を維持するために必要な電力を増加させるのに役立ちます。現実世界の環境を再現するCFDシミュレーション手法は、肯定的な結果を得て検討されました。(パリン、オンロードレンジ予測のための空力ドラッグ評価のための実世界の風況の適用、2015)1

 

このテストの目的は、以前に議論された理論と既存の製品を評価して、車両の空力特性に与える数値的影響を測定することであった。例えば、テスラのイーロンマスク最高経営責任者(CEO)は、テスラロードスターのミラーを取り外すと、高速道路の速度で5%近くのドラッグが減少する可能性があることを議論しました。(ランバート、2018年)2

 

したがって、この研究は、75mphから150mphの範囲の様々な速度でのドラッグへの影響を決定するためのケーススタディとして、モデル3のミラー除去をテストします。

 

さらなる目的は、ミラーの除去に伴う安全性と合法性の制限を制限することなく、ドラッグ削減の同様またはより大きな利益を生み出す追加の新製品を作ることができるかどうかを判断することであった。ミラーの除去には、通常、カメラを収容する薄い茎の交換が付属していることに留意すべきである。実行されたテストでは、ミラーは完全に取り外され、理論的にはドラッグ節約の利点に影響を与える茎に置き換えされませんでした(設計、カメラの位置、サイズに応じて)。

 

興味深いもう一つの例は、モデル3の最高速度は、テスラ工場のオプションのパフォーマンスリアスポイラーがないため、非パフォーマンスバージョンの車に制限されているという頻繁な公開討論です。根本的な理論は、リアスポイラーがリアダウンフォースを増加させ、高速安定性を助け、より安全な最大速度を可能にすることです。研究は、この主題を探求するために時速150マイルでリアスポイラーをテストしました。

 

CFDシミュレーションは、新しいアンプラグドパフォーマンスクリーンシートリアトランクスポイラー設計の設計探査と最適化の方法として使用されました。100以上のCFDテストが行われ、形状のマイクロ調整と、それらの変更がドラッグフォースとダウンフォースにどのような影響を与えたかを評価しました。

 

最終的には、計算機の時間が数週間、143 CFDシミュレーションが実行された後、2つの特定の目標を達成しました。1つの結果は、最大の効率の向上のためのドラッグ低減で工場トランクスポイラー設計を上回る新しいトランクスポイラー設計でした。2番目の結果は、工場スポイラーを上回るトランクスポイラーで、高速安定性を最大化するためのリアダウンフォースが大きかった。143のシミュレーションの間、これら2つの特定の目標を達成するためには、2つの非常に異なるリアスポイラー設計が必要になる可能性が高い結果でした。CFDプロセスの間に、100種類以上のリアスポイラーが作成され、そのデザインは大きく変化しました。しかし、結果は、ドラッグの大幅な削減と、オプションの取り付け可能な要素を利用する単一のトランクスポイラー設計内のダウンフォースの大幅な増加と結婚し、両方の目標を一度に達成した設計でした。取り付け可能で取り外し可能な要素はトランクスポイラーにモジュール性を加えるガーニーフラップである。ガーニーフラップの簡単なアタッチメントで、トランクスポイラーを高効率スポイラーから高いダウンフォーススポイラーに変換します。

 

CFDはまた、既存のアンプラグドパフォーマンスサスペンション製品の研究を可能にしました。アンプラグドパフォーマンスデュアルレートリニアロウティングスプリングスの多くのユーザーは、独自にrange1(ディスカッション、2018)3の大幅な増加を報告しています。

 

これにより、乗車の高さがドラッグとモデル3のCdにどのような影響を与えるのかについて、さらなる研究が促されました。車両の高さに固有のドラッグの変化を測定し、それがアンプラグドパフォーマンスの最も人気のあるデュアルリニアレートスプリングセット「モデレート」と直接相関する方法を評価するために、1.5インチの高さの平均値を示す具体的な焦点が当てられています。

 

パート4

業績

製品テスト済み

: 工場ミラーの削除

概要:テスラのコンセプトカーに関するマーケティングの中でこのトピックの人気と、このデータに対する一般の人々の関心のために、比較の基準点として役立ちます。

 

結果:工場のベースラインテスラモデル3から、ミラーを完全に取り外すと、車両のドラッグの合計2.8%の減少とCdの0.006の減少が生じると判断されました。

 

製品テスト済み

: プラグを抜いたパフォーマンスフロントリップスポイラー

概要:この製品は、標準フロントバンパーに30分以内に取り付け、装着するために車に変更を必要としないアドオンフロントリップスポイラーです。プロダクトは耐久耐衝撃性ポリマーから開発され、毎日使用のために設計されている。設置後のグランドクリアランスは、工場仕様の1インチの8分の1以内です。

 

結果:この製品は、車両のドラッグの合計6.6%の減少を提供します。車両ミラーを取り外すよりも236%の相対結果が得られます。この結果は、合計のドラッグ係数を 0.015 まで減少させます。追加の関心の, フロントリップスポイラーは、フロントダウンフォースで35.4%の改善を提供しました。

 

製品テスト済み

: アンプラグド・パフォーマンス中程度のデュアルレート・リニア・ロウティング・スプリング・セット

概要:デュアルレートリニアロウジングスプリングセットは、都市運転にやや柔らかい一次ばねレートを提供すると同時に、より堅い二次線形スプリングレートを提供するために開発されました。二次ばねの速度は圧縮時に作動し、通常はg力が車に積み込まれるので、精神の運転の間に作動する。この製品は、ラップタイムを短縮するためにレーストラックでよくテストされていますが、車両の高さとドラッグの間にも相関関係が残っています。

 

結果:テストが示したように、スプリングの設置によって提供される1.5インチ低い乗車高さは、全体的な車両のドラッグの減少をもたらす。工場の乗車高を28.5インチから27.0インチ(フロントフェンダーの中心で測定)に下げた後の車両の総引きずりは8.1%減少しました。これにより、車両の総抗力係数(Cd)が0.019減少しました。

 

製品テスト済み

: テスラ工場リアスポイラー(パフォーマンスバリアントモデル3で利用可能)

概要:オプションの工場テスラリアスポイラーは、効率と高速安定性を高めるために最適化された気流特性を持つ洗練された外観を提供します。

 

結果:予想通り、この製品は単にルックスのためではなく、実際に高速安定性とドラッグ低減の改善を行います。車両の総引きずりは2.3%減少し、リアダウンフォースはベースラインを超えて34.7%増加しました。これにより、合計のドラッグ係数 (Cd) が 0.005 減少しました。

 

製品テスト済み

: 抜かれた性能高いダウンフォースリアスポイラー(モジュラー構成)

概要:オプションのガーニーフラップは、レースの使用に最適化されたアンプラグドパフォーマンスハイダウンフォースリアトランクスポイラーを作成するために、高効率リアトランクスポイラーに追加されます。設計は所有者の望ましい運転行動および目標に基づいて急速な取り付けだけでなく、急速な取り外しを可能にする。使用目的は、レーストラックにガーニーフラップなしで高効率で長距離を駆動し、レース時に高いダウンフォースのためのガーニーフラップをフィットさせ、長距離高効率リターントリップのためにガーニーフラップを取り除くことです。

 

結果:ガーニーフラップの特定の形状は、リアスポイラーと組み合わせて、重要なパフォーマンスの結果を可能にします。リアダウンフォースはベースラインを160.9%増加させ、テスラリアスポイラーに対する464%の相対的な改善と、アンプラグドパフォーマンス高効率リアトランクスポイラーに対するさらに192%の改善を表しました。この構成では、工場の自動車ベースラインに対して合計ドラッグが 0.1% 減少し、特定のダウンフォースフォーカスにもかかわらず、この設定がほぼニュートラルにドラッグされました。

 

ドラッグ縮小と範囲増加の関係

 

電気自動車の所有者は、単一のバッテリー充電でさらに移動し、エネルギーコストを削減し、運転中のエネルギーへの影響を軽減し、充電に費やす時間を減らして長い旅行を可能にしたいという願望を共有しています。Cdを減らすことと範囲を改善することとの間には明確な関係がありますが、その関係は多くの要因に応じて可変的です。この研究の課題は、CFD検証された抗力係数の0.049削減を、テスラモデル3の所有者が感じ、理解し、理解し、評価できる関連性の高い効率改善に再解釈することであった。簡単な視覚化手法は、異なる速度で走行する同じ車両の前後のデータを見て、速度を超える範囲の割合の増加を測定することです。この視覚化の目的のためにドラッグ削減データを変換するには、定常状態速度での車両の力の次の計算が必要です。

 

省エネと費用便益分析の手段としてのアフターマーケット製品

 

テストされた製品がモデル3のエネルギー消費量を大幅に削減できるという研究の結果は、購入コストと研究された空力アップグレードの長期的な財務価値との関係に関する新しい質問を導入します。データを使用して、費用便益分析を実行できます。

 

伝統的に、アフターマーケット製品は所有者によって沈没コストと考えられていますが、エネルギー消費量の節約にはエネルギーコストの削減が伴います。2019年3月の公開時点では、カリフォルニア州のテスラスーパーチャージャーズでテスラ車の所有者に提供されるコストは、kWhあたり約0.34ドルです。テスラはスーパーチャージャーを利益センターとは考えていないため、kWh当たりのコストはベースライン数値として合理的であると考えられます。

 

この研究の目的のために、我々は100,000マイルの理論的なモデル3車両の使用にいくらかのデータを適用します。モデル3長距離RWDの一般的に受け入れられている工場エネルギー使用量は、100マイルあたり24kWhです。これらのデータポイントをkWh当たり0.34ドルのコストで利用すると、そのようなシナリオの総エネルギーコストは100,000マイルにわたって$8,160です。

 

上記のセクションでは、ドラッグリダクションとレンジ増加の関係、ドラッグと範囲の増加の間の相関関係が検討されています。この研究のモデルは、高速で相関が1:1に近づく一方で、非常に低速(例:時速5マイル)では、2つの被験者が非常に低速で無視できるドラッグのために関連付けを解除すると予測しています。

 

テスラモデル3の使用の100,000マイルを評価する際に、車両が高速道路速度75mphで毎日高速道路を走行すると仮定した場合、この研究の結果がドラッグ削減の21%を合わせた結果は、エネルギー削減の約12.5%をもたらすと考えるのは不合理ではありません。ドライバーが制限速度を超えると、12.5% が増加します。ドライバーがバンパートラフィックにバンパーに座っている場合、12.5%が減少します。12.5% の例では、エネルギーコストの$8,160は$7,140に削減され、100,000マイル以上の使用で1,020ドルのコスト削減が得られます。

 

モデル3を搭載するすべてのドライバーは、間違いなく、異なるエネルギーコスト、異なる走行速度、および彼らのユースケースに応じて、異なる運転行動を持つことになります。省エネルギー計算は特定のシナリオでは正確ではありませんが、基礎となるデータを特定の例に適用し、コスト削減を見積もることができます。

 

前述の製品は、環境への影響を軽減し、車の長距離ユーティリティを増加させながら、エネルギーコスト削減から取得コストの大部分をカバーする理論的な投資収益率を持っています。

 

パート6

参照

1 ペイリン,R. (2015年,4月14日)

オンロードレンジ予測のための空力抗力評価のための実世界の風況の適用SAEインターナショナル・ジャーナルから取得：

https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2015-01-1551/

 

2 ランバート、F.(2018年、8月17日)

イーロンマスクは次世代のテスラロードスターを話し、潜在的に鏡を持たないことを示唆しています。エレクトレックから取得：

https://electrek.co/2018/08/17/tesla-roadster-elon-musk-no-mirrors/

 

3 レディットディスカッション

(2018年、7月)。3,700マイル以上の低い泉と12%の範囲改善。r/TeslaModel3サブレディットから取得：

https://www.reddit.com/r/TeslaModel3/comments/92pecs/12_range_improvement_with_lowering_springs_over/

 

4 ペイリン、R. (2012, 4月 16)

テスラモデルSの空力開発 - パート2:ホイール設計の最適化。SAEインターナショナルジャーナルから取得：

https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2012-01-0177/