Лобовое сопротивление автомобилей
Аэродинамическое сопротивление автомобиля
В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.
При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.
Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.
Лобовое сопротивление и коэффициент Сх
По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.
Движение потоков воздуха
За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.
Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.
Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.
Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.
Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.
Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.
Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.
Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.
Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.
Аэродинамическая труба
Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.
Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:
- Формой кузова;
- Трением потока о поверхности при обтекании;
- Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.
Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.
Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.
Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19
Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.
Подъемная и прижимная сила
В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.
Действующие подъемная и прижимная силы
Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.
Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.
Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.
Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.
При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.
Уменьшение завихрений при установке спойлера
Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.
Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.
Что ещё влияет на аэродинамику?
Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.
Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости
К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.
Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.
Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.
Статьи по теме Интересные статьиautoleek.ru
Коэффициент обтекаемости
Марка автомобиля
Cx
topruscar.ru
Аэродинамика автомобиля - Avtonov
Зачем это нужно
Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:
- рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
- обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
- продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
- стремятся понизить уровень шумов в салоне,
- оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.
Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.
Снижение лобового сопротивления
От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient — коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».
Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:
- внутреннего сопротивления при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
- сопротивления трения воздушных потоков о внешние поверхности кузова и
- сопротивления формы.
Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.
Передняя часть и боковые поверхности автомобиля особых хлопот конструкторам в плане аэродинамики не доставляют. Здесь главное — избегать резких переходов и выступов, предотвращая тем самым отрыв воздушного потока от поверхности кузова.
А вот с задней частью кузова все гораздо сложнее. Как нетрудно догадаться, наименее аэродинамичными являются универсалы – их форма меньше всего напоминает идеальную «каплю». За их обширным «задком» образуется внушительная зона разряжения, которая не только снижает Сх, но и «засасывает» пыль и грязь, оседающую на заднем стекле. Немного уменьшить ее вредное воздействие можно с помощью установки дефлектора на верху пятой двери. Он направляет часть воздушного потока вниз, снижая разряжение и уменьшая загрязнение.
Не все просто и с хэтчбеками, хотя, на первый взгляд, их форма кажется наиболее обтекаемой. Впечатление обманчиво – яркий пример непредсказуемости аэродинамики. Сх хэтчбеков зависит от угла наклона задней части. При большом угле наклона (а таких моделей большинство) процесс обтекания практически не отличается от универсалов – воздушный поток отрывается от верхней кромки крыши и создает значительную зону разряжения.
С уменьшением угла наклона до 30-35 градусов точка отрыва потока перемещается на нижнюю кромку задней части. Казалось бы, зона разряжения и, соответственно, Сх должны уменьшиться. Но, как это на первый взгляд ни парадоксально, происходит все наоборот. Дело в том, что в этом случае воздушные потоки с боков кузова, попадая на наклонную поверхность, образуют кромочные вихри, которые, закручиваясь по спирали, создают за автомобилем еще большую зону разряжения. Борются с этим явлением с помощью спойлера, устанавливаемого на кромке крыши. При этом точка отрыва потока перемещается с нижней кромки задней части на верхнюю, что предотвращает образование кромочных вихрей и несколько улучшает общую аэродинамику.
А вот если уменьшить наклон «задка» до 20-23 градусов, воздушный поток с крыши почти идеально обтекает автомобиль, отрываясь от нижней кромки. При этом кромочные вихри уже не образуются, и зона разряжения получается минимальной. Но такие автомобили теряют в практичности и поэтому среди серийных моделей их совсем немного.
Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.
Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.
Прижимная сила
При движении автомобиля поток воздуха под его днищем идет по прямой, а верхняя часть потока огибает кузов, то есть, проходит больший путь. Поэтому скорость верхнего потока выше, чем нижнего. А согласно законам физики, чем выше скорость воздуха, тем ниже давление. Следовательно, под днищем создается область повышенного давления, а сверху – пониженного. Таким образом создается подъемная сила. И хотя ее величина невелика, неприятность состоит в том, что она неравномерно распределяется по осям. Если переднюю ось подгружает поток, давящий на капот и лобовое стекло, то заднюю дополнительно разгружает зона разряжения, образующаяся за автомобилем. Поэтому с ростом скорости снижается устойчивость и автомобиль становится склонен к заносу.
Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.
Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.
Практическая аэродинамика
Выполнение нескольких несложных правил позволит вам получить экономию из воздуха, снизив расход топлива. Однако эти советы будут полезны только тем, кто часто и много ездит по трассе.
При движении значительная часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления воздуха. Чем выше скорость, тем выше и сопротивление (а значит и расход топлива). Поэтому если вы снизите скорость даже на 10 км/ч, сэкономите до 1 л на 100 км. При этом потеря времени будет несущественной. Впрочем, эта истина известна большинству водителей. А вот другие «аэродинамические» тонкости известны далеко не всем.
Расход топлива зависит от коэффициента лобового сопротивления и площади поперечного сечения автомобиля. Если вы думаете, что эти параметры заложены на заводе, и автовладельцу изменить их не под силу, то вы ошибаетесь! Изменить их совсем несложно, причем можно добиться как положительного, так и отрицательного эффекта.
Что увеличивает расход? Непомерно «съедает» топливо груз на крыше. И даже бокс обтекаемой формы будет отнимать не менее литра на сотню. Нерационально сжигают топливо открытые во время движения окна и люк. Если перевозите длинномерный груз с приоткрытым багажником — тоже получите перерасход. Различные декоративные элементы типа обтекателя на капоте («мухобойки»), «кенгурятника», антикрыла и других элементов доморощенного тюнинга хоть и принесут эстетическое наслаждение, но заставят вас дополнительно раскошелиться. Загляните под днище — за все, что провисает и выглядывает ниже линии порога, придется доплачивать. Даже такая мелочь, как отсутствие пластиковых колпаков на стальных дисках, повышает расход. Каждый перечисленный фактор или деталь по отдельности увеличивают расход не на много — от 50 до 500 г на 100 км. Но если все суммировать, «набежит» опять же около литра на сотню. Эти расчеты справедливы для малолитражных автомобилей при скорости 90 км/ч. Владельцы больших автомобилей и любители блльших скоростей делайте поправку в сторону увеличения расхода.
Если выполнить все вышеперечисленные условия, мы сможем избежать излишних трат. А можно ли еще снизить потери? Можно! Но это потребует проведения небольшого внешнего тюнинга (речь идет, конечно, о профессионально выполненных элементах). Передний аэродинамический обвес не дает воздушному потоку «врываться» под днище автомобиля, накладки порогов прикрывают выступающую часть колес, спойлер препятствует образованию завихрений за «кормой» автомобиля. Хотя спойлер, как правило, уже включен в конструкцию кузова современного автомобиля.
Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.
| Демонтировать верхний бокс | 0,98 | 1,61 |
| Демонтировать крепления для лыж | 0,61 | 1,01 |
| Закрыть окна | 0,27 | 0,44 |
| Установка переднего обтекателя | 0,24 | 0,40 |
| Закрыть люк в крыше | 0,05 | 0,08 |
| Установить колпаки на штампованные колеса | 0,05 | 0,08 |
avtonov.info
Аэродинамика автомобиля. Как это работает?
С какими законами аэродинамики ежедневно приходиться сталкиваться Вашему автомобилю?
Неприятно думать об этом, но представьте себе, что произойдет, если ваш автомобиль протаранит кирпичную стену на скорости в 100 км/ч. Металл соберется в гармошку. Лобовое стекло разобьется. Раскроются подушки безопасности, чтобы защитить вас и ваших пассажиров, если вы пристегнуты ремнем безопасности, конечно. Но, даже учитывая все достижения в области активной безопасности, которые мы на сегодняшний день имеем в наших автомобилях, это, вероятнее всего, будет очень тяжелая авария с очень тяжелыми последствиями. Ни один автомобиль не предназначен для того, чтобы проходить сквозь кирпичные стены.
Но есть еще один тип «стен», проходить сквозь которые может любой автомобиль, мы говорим о стенах воздуха, который давит на автомобиль при очень высоких скоростях.
Большинство из нас не думают о воздухе или о ветре, как о стене. На низких скоростях, и в практически безветренную погоду, очень сложно заметить, как поток воздуха взаимодействует с вашим транспортным средством. Но на высоких скоростях, и в особенно ветреные дни, сопротивление воздуха (сила, воздействующая на движущийся по воздуху объект – также определяемая как сопротивление) имеет огромное влияние на то, как автомобиль ускоряется, насколько он управляем и насколько эффективный расход топлива он обеспечивает.
Именно здесь в игру вступает наука аэродинамики. Аэродинамика занимается изучением сил, которые являются результатом движения объектов в воздухе. В течение многих десятилетий автомобили разрабатываются с учетом аэродинамики, автопроизводители изобрели инновации, которые делают прохождение автомобиля сквозь стены из «воздуха» легче и менее заметным в повседневной езде.
По сути, то, что автомобиль разработан с учетом сопротивления воздушного потока означает, что он имеет меньше трудностей при ускорении и может достичь эффективного расхода топлива, так как двигателю не нужно будет перерабатывать, чтобы «протолкнуть» автомобиль сквозь воздушную стену.
Инженеры разработали несколько способов, которые помогают улучшить аэродинамику транспортного средства. Например, более округлые формы во внешнем дизайне автомобиля, которые направляют воздушный канал таким образом, чтобы он обтекал кузов авто с наименьшим сопротивлением, которое только возможно. Некоторые высокопроизводительные автомобили даже оснащены такими деталями, которые направляют поток воздуха по нижней части автомобиля. Многие из таких транспортных средств также оснащены антикрылом – более известным, как спойлер – которое предотвращает подъем задних колес автомобиля из-за сильного потока воздуха, и делает его более устойчивым при высоких скоростях. Конечно не все антикрылья одинаковы и применяются по назначению. Как вы сможете убедиться немного позже, большинство спойлеров, которые вы видите на автомобилях, в первую очередь являются лишь элементом автомобильного дизайна, нежели деталью выполняющей свою прямую функцию.
В этой статье мы рассмотрим физику аэродинамики и сопротивления воздуха, узнаем историю того, как создавались первые автомобили с учетом этих факторов, и почему во времена «зеленых» гибридных автомобилей аэродинамика важна как никогда раньше.
Наука аэродинамика
Прежде чем мы рассмотрим то, как аэродинамика применяется к автомобилям, разрешите немного освежить в вашей памяти курс физики, чтобы вы смогли понять основную идею.
При движении объекта через атмосферу, он вытесняет воздух, который его окружает. Объект также подвержен силе притяжения и сопротивлению. Сопротивление генерируется, когда твердый объект движется в жидкой среде, такой как вода или воздух. Сопротивление увеличивается вместе со скоростью объекта – чем быстрее он перемещается в пространстве, тем большее сопротивление он испытывает.
Мы измеряем движение объекта с помощью факторов, описанных в законах Ньютона. Они включают в себя массу, скорость, вес, внешнюю силу, и ускорение.
Сопротивление имеет прямое влияние на ускорение. Ускорение (а) объекта является его вес (W) минус сопротивление (D), деленное на массу (m). Напомним, что вес – это произведение массы тела на ускорение свободного падения. Например, на Луне ваш вес изменится из-за отсутствия силы притяжения, но ваша масса останется прежней. Проще говоря:
a = (W - D) / m
Когда объект ускоряется, его скорость и сопротивление растут до конечной точки, в которой сопротивление становится равным весу – в этом случае объект не сможет больше ускоряться. Давайте представим, что нашим объектом в данном уравнении является автомобиль. Это означает, что когда автомобиль движется быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха сопротивляется его движению, ограничивая его предельным ускорением при определенной скорости.
Как же все это относится к конструкции автомобиля? Что же, все это является необходимым для вычисления очень важного числа – коэффициента аэродинамического сопротивления. Это один из основных факторов, который определяет, как легко объект движется сквозь воздух. Коэффициент лобового сопротивления (Cd) рассчитывается по следующей формуле:
Cd = D / (A * r * V/2)
Где D – это сопротивление, A – площадь, r – плотность, V – скорость.
Итак, каким должен быть коэффициент лобового сопротивления автомобиля, если дизайнеры работают над созданием транспортного средства с высокой аэродинамикой? Об этом мы поговорим далее.
Коэффициент аэродинамического сопротивления в автомобиле
Мы только что разобрались в том, что коэффициент лобового сопротивления (Cd) является величиной, которая измеряет силу сопротивления воздуха, примененную к объекту, например, к автомобилю. Теперь представьте, что сила воздуха давит на автомобиль по мере его передвижения по дороге. На скорости в 110 км/ч на автомобиль воздействует сила в четыре раза большая, чем на скорости в 55 км/ч.
Аэродинамические способности автомобиля измеряются с использованием коэффициента аэродинамического сопротивления транспортного средства. По сути, чем меньше показатель Cd, тем с лучшей автомобильной аэродинамикой мы имеем дело, и тем проще данное транспортное средство сможет продвигаться сквозь стену воздуха, которая давит на него.
Давайте рассмотрим несколько показателей Cd. Помните угловатые квадратные автомобили Volvo из 1970-х, 80-х годов? Старый седан Volvo 960 достигает коэффициента лобового сопротивления в 0.36. Более новые автомобили Volvo характеризуются уже более плавными и гладкими линиями, благодаря этому коэффициент седана S80 достигает 0.28. Это доказывает то, к чему вы, возможно, уже пришли самостоятельно – более плавные и обтекаемые формы показывают лучшую аэродинамику, чем угловатые и квадратные. Но что является тому причиной?
Давайте рассмотрим самую аэродинамическую вещь в природе – слезу. Слеза круглая и гладкая со всех сторон, а в верхней части сужается. Когда она капает вниз, воздух легко и плавно обтекает слезу. То же самое мы наблюдаем и с автомобилями – гладкие, округлые поверхности позволяют воздуху практически беспрепятственно течь над автомобилем, сокращая сопротивление воздуха движению автомобиля.
Сегодня большинство автомобилей имеют средний коэффициент сопротивления в 0.30. Внедорожники, которые имеют более квадратный 
дизайн, чем седаны и купе, потому что они более габаритны, вмещают больше пассажиров, и часто им нужны большие радиаторные решетки, чтобы охладить двигатель, в среднем имеют коэффициент лобового сопротивления от 0.30 и до 0.40 и более. Пикапы, дизайн которых целенаправленно квадратный, как правило, имеют Cd больше, чем 0.40.
Многие ставят под сомнение «уникальный» дизайн автомобиля Toyota Prius, но он имеет чрезвычайно аэродинамическую форму и это играет ему на руку. Кроме других характеристик, которые помогают этому гибриду показывать очень эффективный расход топлива, его низкий коэффициент лобового сопротивления (0.26) позволяет сделать этот показатель еще ниже. Запомните, каждые минус 0,01 в коэффициенте помогают сократить расход топлива на 0,1 л на 100 км пути.
Далее в нашей статье мы рассмотрим историю развития аэродинамики вместе с дизайном автомобилей.
История дизайна автомобилей с учетом аэродинамики
Несмотря на тот факт, что ученые уже достаточно давно знают о важности форм в вопросах аэродинамики, потребовалось немало времени, чтобы эти принципы стали применяться при создании новых автомобилей.
Автомобили, которые стоят у истоков истории автомобилестроения, не имеют ни малейшего представления об аэродинамике. Взгляните на Модель Т компании Ford – она больше похожа на лошадиную повозку, которая может ездить без лошади – нельзя найти более квадратный дизайн. Но стоит признать тот факт, что большинство первых автомобилей и не нуждались в более аэродинамическом дизайне, так как были относительно медленными. Однако некоторые гоночные машины начала 1900-х годов начали понемногу сужаться, чтобы улучшить аэродинамику автомобиля.
В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfenauto, что в переводе с немецкого означает «автомобиль - слеза». Созданный на основе самой аэродинамической формы в природе, формы слезы, этот автомобиль мог похвастаться коэффициентом лобового сопротивления в 0.27, но его уникальный вид так и не нашел признания у общественности. Рмплер успел создать лишь 100 экземпляров своего чудо – автомобиля .
В Америке один из самых больших скачков вперед в аэродинамическом дизайне был совершен в 1930 году, когда вышла модель Chrysler Airflow. Вдохновленным полетом птиц, Airflow стал одним из первых автомобилей, разработанных с учетом аэродинамики. Хотя в строительстве этой модели и использовались некоторые уникальные методы, и он имел распределение массы почти 50/50 (равномерное распределение веса между передней и задней осями для улучшения управляемости), уставшая от Великой депрессии общественность так и не смогла влюбиться в его нетрадиционную внешность, и автомобиль посчитали провальным. Тем не менее, его обтекаемый дизайн был далеко впереди своего времени.
В 1950-х и 60-х годах произошли самые большие достижения в области автомобильной аэродинамики, которые пришли из гоночного мира. Первоначально инженеры экспериментировали с различными конструкциями, зная, что обтекаемая форма может помочь автомобилям их компании лучше показывать себя и свои возможности, особенно на высоких скоростях. Эти эксперименты, в конечном итоге, превратились в очень точную науку о разработке самого аэродинамического гоночного автомобиля, который только возможен. Передние и задние спойлеры, носы в форме лопаты, и аэро комплекты становились все более и более распространенными. Все это создавалось с одной целью, направить поток воздуха через крышу и создать необходимую прижимную силу на передние и задние колеса.
Что же поспособствовало тому, чтобы произошли все эти изменения? Ответ: аэродинамическая труба. В следующей части нашей статьи мы постараемся рассказать вам, что это такое и исследовать вопрос, почему аэродинамическая труба крайне важна для автомобильного дизайна.
Измерение сопротивления с помощью аэродинамической трубы
Для измерения аэродинамической эффективности автомобиля в реальном времени, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности – аэродинамическую трубу.
По сути, аэродинамическая труба является туннелем с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Это может быть автомобиль, самолет, или что-нибудь еще, чье сопротивление воздуху необходимо измерить инженерам. Из помещения, который находится за туннелем, инженеры наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом, а также за поведением воздушных потоков на разных поверхностях.
Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы никогда не двигаются, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные автомобили даже не используются в данном тестировании – дизайнеры часто полагаются на точные масштабные модели своих автомобилей для измерения сопротивления ветру. В то время как ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, компьютеры проводят расчет коэффициента аэродинамического сопротивления.
На самом деле аэродинамические трубы не являются чем-то новым. Их используют еще с конца 1800-х годов для измерения воздействия воздушного потока во многих ранних попытках создания самолета. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей в поисках преимущества над конкурентами стали использовать аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамического оборудования своих автомобилей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских автомобилей и грузовиков.
Тем не менее, в последние годы, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США используются все реже и реже. Компьютерное моделирование понемногу вытесняет аэродинамические трубы, поскольку является лучшим способом для измерения аэродинамики автомобиля или самолета. Во многих случаях аэродинамические трубы используются лишь для того, чтобы убедиться в том, что в компьютерном моделировании нет никаких просчетов.
Многие думают, что добавление спойлера на заднюю часть своего автомобиля является отличным способом улучшить его аэродинамику. В следующем разделе мы рассмотрим различные типы аэродинамических дополнений к транспортным средствам, а также изучим их роль в обеспечении лучшей производительности и в эффективном расходе топлива.
Аэродинамические дополнения к автомобилю
В аэродинамике больше понятий, чем одно только сопротивление воздуха – есть еще и такие факторы, как подъемная и прижимная силы. Подъемная сила (или лифт) – это сила, которая выступает против веса объекта, поднимает его в воздух и удерживает его там. Прижимная сила является противоположностью лифту – это сила, которая прижимает объект к земле.
Вы, наверное, думаете, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей Формулы 1 должен быть очень низким – автомобили с супер-аэродинамикой являются самыми быстрыми, не так ли? Не в этом случае. Типичный гоночный автомобиль Формулы 1 имеет коэффициент аэродинамического сопротивления около 0.70.
Почему же тогда этот тип гоночных автомобилей в состоянии развивать скорость в более чем 320 км/ч, но не отличается самой лучшей аэродинамикой, как вы могли бы подумать? Все потому, что все автомобили Формулы 1 построены так, чтобы создавать так много прижимной силы, как только возможно. С той скоростью, с которой они передвигаются, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили действительно начинают испытывать лифт на определенных скоростях – физика заставляет их подниматься в воздух как самолет. Очевидно, что автомобили не созданы для того, чтобы летать (хотя статья Transition Terrafugia – летающий автомобиль-трансформер утверждает обратное), и если транспортное средство начинает подниматься в воздух, то ожидать можно только одного – разрушительной аварии. По этой причине, прижимная сила должна быть максимальной, чтобы удержать автомобиль на земле на высоких скоростях, а это означает, что коэффициент аэродинамического сопротивления должен быть довольно высоким.
Автомобили Формулы 1 добиваются этого с помощью крыльев или спойлеров на передней и задней частях транспортного средства. Эти крылья направляют потоки воздуха таким образом, что они прижимают автомобиль к земле – та самая прижимная сила. Это позволяет увеличивать скорость и не терять ее на поворотах, но прижимная сила должна быть тщательно сбалансирована с лифтом, что позволяет автомобилю набрать соответствующую прямолинейную скорость.
Многие серийные автомобили оснащены аэродинамическими дополнениями для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R был раскритикован в автомобильной прессе за его внешность, весь его кузов спроектирован так, чтобы направить поток воздуха над автомобилем и обратно через овальный задний спойлер, создавая большую прижимную силу.
Но в повседневной жизни мы часто видим спойлеры и крылья на серийных автомобилях, таких как седаны компаний Toyota и Honda. Действительно ли они добавляют волшебную аэродинамику автомобилю? В некоторых случаях эти элементы дизайна могут добавить устойчивости на высоких скоростях. Например, оригинальный автомобиль Audi TT не был оснащен спойлером сзади на крышке багажника, но компании Audi пришлось его добавить после того как выяснилось, что округлые формы TT создавали слишком много подъемной силы, что, возможно, послужило причиной не одной аварии.
В большинстве случаев, однако, прикручивание большого спойлера на багажник обычного автомобиля никак не поможет улучшить производительность, управляемость, или же добавить скорость автомобилю. В некоторых случаях спойлер может стать причиной избыточной поворачиваемости или же наоборот, нежелания автомобиля входить в повороты. Однако если вы думаете, что гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому переубедить вас в этом.
zap-online.ru
12 самых аэродинамически совершенных авто
12. Audi A6: 2011 (Cd 0.26)
Вы можете утверждать, что A6 ничуть не отличается от других Audi. Ан нет! Именно у седана A6 лучший коэффициент лобового сопротивления 0,26. Даже у A7 Sportback хуже. В R8 потоки воздуха организуют дополнительную прижимную силу, и Cd далек от значения 0,26
11. BMW i8: 2014 (Cd 0.26)С нуля до 100 км/ч i8 разгоняется менее чем за 4,5 секунды. Он легкий, с низкой посадкой - несомненно, автомобиль для водителя. Но кроме того, он гибрид, и расход топлива для него - критически важное значение. Отличная аэродинамика - необходимая составляющая для достижения вышеуказанных целей. Для воздуха на кузове и днище организованы специальные протоки, щели и бороздки. Круть!
10. Mazda3 Sedan: 2012 (Cd 0.26)
Главный трюк маленькой Mazda – активные жалюзи решетки, установленные в переднем бампере. Они автоматически закрываются, когда двигатель не требует охлаждения, и отправляют воздушные потоки вдоль кузова. Система не уникальна, но чаще используется на очень крутых тачках. Так вот, на поле аэродинамики Mazda 3 играет с ними на равных.
9. Mercedes-Benz B-Class: 2012 (Cd 0.26)
Мы не ожидали, что в этом списке окажется минивэн. Но вот, пожалуйста, пухлый B-Class имеет прекрасный Cd. Инженеры Mercedes провели около 1100 часов в аэродинамической трубе за оптимизацией каждой поверхности и каждой линии B-Class, даровав ему удивительную способность разрезать воздух.
8. Nissan GT-R, 2011 (Cd 0.26)
Очень удивительный результат, учитывая, сколько прижимной силы нужно GT-R, чтобы оставаться в контакте с асфальтом. "Аэролезвия" по краям крыльев обеспечивают оптимальный воздушный поток вокруг шин и вдоль кузова, в то время как дизайн переднего бампера и заднего диффузора делает его еще более обтекаемым. Безусловно, самый быстрый автомобиль в этом списке.
7. Peugeot 508, 2011 (Cd 0.25)
Peugeot демонстрирует вполне обтекаемый силуэт и, как следствие, низкий Cd. Здесь нет никакой сверхъестественной магии – просто правильные формы (и гений инженеров).
6. Hyundai Sonata Hybrid, 2013 (Cd 0.25)
Гибридная версия семейного седана Hyundai довольно сильно отличается от своих стандартных братьев и сестер. Передние и задние бамперы имеют глубокие направляющие для воздуха, на боковинах добавили аэродинамические юбки и даже специально спроектированные 17-дюймовые диски, которые помогают уменьшить лобовое сопротивление. Все очень важно, когда основной целью определено: как можно дальше уехать на одном баке.
5. Toyota Prius, 2010 (Cd 0.25)
А вы думаете, почему все поколения Toyota Prius, начиная с 90-х годов, такие странные? Можно любить или ненавидеть этот дизайн, но нет никаких сомнений в его аэродинамической эффективности. В современном Prius кузов венчает тоненький спойлер, который вместе с другими элементами задка уменьшает турбулентные завихрения до минимума. Самый известный в мире гибрид также имеет особенно крошечные зазоры между панелями кузова и особенно точную подгонку остекления. Мелочей нет.
4. Mercedes-Benz S-Class, 2014 (Cd 0.24)
S-Class всегда в авангарде инноваций, так что не удивительно, что флагман Mercedes-Benz один из самых аэродинамически совершенных автомобилей в мире. Совершенствуя аэродинамику, инженеры гнались за снижением шума. Великолепный, выверенный кузов плюс автоматическое опускание подвески на скоростях свыше 120 км/ч.
3. Tesla Model S: 2012 (Cd 0.24)
Полностью электрическая Tesla напичкана новыми технологиями. Это относится и к аэродинамике. У нее "активные" дверные ручки, которые прячутся в кузов при движении и тем самым не создают лишнего сопротивления набегающему потоку воздуха. Даже когда в крыше открыт панорамный люк, перед ним выставляется маленький экран, чтобы не только минимизировать звуковое давление в салоне, но и оптимизировать поток воздуха.
2. Mercedes-Benz CLA: 2013 (Cd 0.22)
CLA является самым убедительным доказательством того, что автомобиль может быть визуально привлекательным и очень обтекаемым одновременно. На CLA установлены специально спрофилированные по воздушному потоку передние стойки и боковые зеркала, улучшена аэродинамика дисков колес, и выштамповки на кузове специально выправляют воздушные потоки. Даже глушитель был разработан с учетом воздушных потоков. И так в каждой детали.
1. Volkswagen XL1: 2013 (Cd 0.19)
А вот эта модель не приемлет компромиссов – она была построена не в угоду консерваторам-покупателям, а согласно последним достижениям аэродинамики. XL1 мало похож на автомобиль, и то, что его пустили в серию (если можно назвать серией план на изготовление 250 штук), можно считать чудом. Здесь кузов сильно сужается к задку, чтобы имитировать обтекаемую форму дельфина. Задние колеса закрыты аэродинамическими щитами, а вместо больших боковых зеркал заднего вида стоят крохотные камеры. Все воздухозаборники могут закрываться, и шины почти такие же тощие, как у горного велосипеда. Все это помогает XL1 показать впечатляюще низкий коэффициент аэродинамического сопротивления 0,19. У нас есть победитель!
topgearrussia.ru
10 автомобилей с идеальным аэродинамическим «телом» — АвтоМания
BMW i8: 2014 (Cd 0.26)С нуля до 100 км/ч i8 разгоняется менее чем за 4,5 секунды. Он легкий, с низкой посадкой - несомненно, автомобиль для водителя. Но кроме того, он гибрид, и расход топлива для него - критически важное значение. Отличная аэродинамика - необходимая составляющая для достижения вышеуказанных целей. Для воздуха на кузове и днище организованы специальные протоки, щели и бороздки. Круть!
Nissan GT-R, 2011 (Cd 0.26)Очень удивительный результат, учитывая, сколько прижимной силы нужно GT-R, чтобы оставаться в контакте с асфальтом. "Аэролезвия" по краям крыльев обеспечивают оптимальный воздушный поток вокруг шин и вдоль кузова, в то время как дизайн переднего бампера и заднего диффузора делает его еще более обтекаемым. Безусловно, самый быстрый автомобиль в этом списке.
Audi A6: 2011 (Cd 0.26)Вы можете утверждать, что A6 ничуть не отличается от других Audi. Ан нет! Именно у седана A6 лучший коэффициент лобового сопротивления 0,26. Даже у A7 Sportback хуже. В R8 потоки воздуха организуют дополнительную прижимную силу, и Cd далек от значения 0,26.
Peugeot 508, 2011 (Cd 0.25)Peugeot демонстрирует вполне обтекаемый силуэт и, как следствие, низкий Cd. Здесь нет никакой сверхъестественной магии – просто правильные формы (и гений инженеров).
Toyota Prius, 2010 (Cd 0.25)А вы думаете, почему все поколения Toyota Prius, начиная с 90-х годов, такие странные? Можно любить или ненавидеть этот дизайн, но нет никаких сомнений в его аэродинамической эффективности. В современном Prius кузов венчает тоненький спойлер, который вместе с другими элементами задка уменьшает турбулентные завихрения до минимума. Самый известный в мире гибрид также имеет особенно крошечные зазоры между панелями кузова и особенно точную подгонку остекления. Мелочей нет.
Tesla Model S: 2012 (Cd 0.24)Полностью электрическая Tesla напичкана новыми технологиями. Это относится и к аэродинамике. У нее "активные" дверные ручки, которые прячутся в кузов при движении и тем самым не создают лишнего сопротивления набегающему потоку воздуха. Даже когда в крыше открыт панорамный люк, перед ним выставляется маленький экран, чтобы не только минимизировать звуковое давление в салоне, но и оптимизировать поток воздуха.
Mercedes-Benz S-Class, 2014 (Cd 0.24)S-Class всегда в авангарде инноваций, так что не удивительно, что флагман Mercedes-Benz один из самых аэродинамически совершенных автомобилей в мире. Совершенствуя аэродинамику, инженеры гнались за снижением шума. Великолепный, выверенный кузов плюс автоматическое опускание подвески на скоростях свыше 120 км/ч.
Mercedes-Benz CLA: 2013 (Cd 0.22)CLA является самым убедительным доказательством того, что автомобиль может быть визуально привлекательным и очень обтекаемым одновременно. На CLA установлены специально спрофилированные по воздушному потоку передние стойки и боковые зеркала, улучшена аэродинамика дисков колес, и выштамповки на кузове специально выправляют воздушные потоки. Даже глушитель был разработан с учетом воздушных потоков. И так в каждой детали.
Volkswagen XL1: 2013 (Cd 0.19)А вот эта модель не приемлет компромиссов – она была построена не в угоду консерваторам-покупателям, а согласно последним достижениям аэродинамики. XL1 мало похож на автомобиль, и то, что его пустили в серию (если можно назвать серией план на изготовление 250 штук), можно считать чудом. Здесь кузов сильно сужается к задку, чтобы имитировать обтекаемую форму дельфина. Задние колеса закрыты аэродинамическими щитами, а вместо больших боковых зеркал заднего вида стоят крохотные камеры. Все воздухозаборники могут закрываться, и шины почти такие же тощие, как у горного велосипеда. Все это помогает XL1 показать впечатляюще низкий коэффициент аэродинамического сопротивления 0,19. У нас есть победитель!
avtomaniya.com
Влияние формы кузова на аэродинамику автомобиля
Аэродинамика автомобиляИстория автомобильной аэродинамикиВзаимодействие автомобилей с воздушной средойВлияние формы кузова на аэродинамикуАэродинамика колеса Аэродинамика подднищевой зоныВнутренняя аэродинамика Аэродинамика конструктивных элементов кузова
Для решения поставленной задачи были проведены параметрические испытания крупномасштабной модели автомобиля в аэродинамической фубе. Модель имела полное геометрическое подобие с натурным автомобилем. Для соблюдения кинематического подобия, параметрические испытания проводились в зоне «автомодельное™», где аэродинамические характеристики модели практически не зависят от числа Рсйнольдса (Re). Методика модельных аэродинамических исследований включала получение опытных данных, устанавливающих влияние каждого из рассмотренных выше параметров кузова на величину коэффициента Сд. модели автомобиля.
Результаты проведенных аэродинамических испытаний представлены ниже в виде графических зависимостей.
На рисунках 6.7 - 6.11 представлены зависимости снижения коэффициента сопротивления Сх модели автомобиля от угла наклона облицовки радиатора, крышки капота, ветрового стекла, радиуса закругления фронтальных кромок капота и удлинения кузова.
Рис. 6.7. Зависимость приращения коэффициента Сх автомобиля от угла наклона облицовки радиатора |
Рис. 6.Н. Зависимость приращения коэффициента (автомобиля от угла наклона крышки капота |
Рис. 6.11. Зависимость приращения коэффициента Сх автомобиля от его относительного удлинения |
Па рисунке 6.12 приведена зависимость коэффициента Сх автомобиля от угла наклона задней панели кузова.
Рис. 6.12. Зависимость коэффициента С, автомобиля от угла наклона задней панели кузова: линия - расчет. точки - эксперимент |
Имеющие место на рис. 6.12 характерные точки перегиба кривой, зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления от угла наклона задней панели кузова, соответствуют строго зафиксированным значениям угла у лишь тогда, когда переход от крыши к поверхности задней панели выполнен в виде острой кромки (без закругления). Если же этот переход выполнен со округлением радиусом R'k, то переходная область, характеризующаяся пульсирующим изменением положения линии отрыва. перемещающейся с задней кромки крыши на нижнюю кромку задней наклонной панели, ограничивается диапазоном 25° < у < 30°.
Исследование влияния формы прилегающих к задней кромке крыши поверхностей кузова на коэффициент Сх проводилось при неизменном контуре боковины модели автомобиля. Если сопряжение крыши с наклонной задней панель кузова выполнено в виде острой кромки, то линия отрыва потока располагается выше разъема задней двери, но при этом не сопровождается заметным изменением коэффициента Сх. При сильном закруглении задней кромки крыши линия отрыва потока смешается назад и коэффициент С, уменьшается на 9%. Снижение коэффициента Сх можно объяснить увеличением базового давления в вихревом следе за моделью автомобиля.
Рис. 6.13. Зависимость снижения коэффициента С \ ивтомоонля от степени заужения кормовой части кузова: Вк; в - исходная ширина кузова и величина его заужения |
На рисунке 6.13 показана зависимость снижения коэффициента С, автомобиля от степени заужения кормовой части кузова. Видно, что за счет уменьшения длины спутного следа за автомобилем наблюдается заметное снижение его аэродинамического сопротивления.
Как показали испытания, аэродинамическое сопротивление модели автомобиля с плоским днищем от угла тангажа кузова, наличие отрицательного тангажа позволяет увеличить скорость потока в подднищевой зоне, что приведет к снижению давления на днище и уменьшению подъемной силы (индуктивного сопротивления). а следоввательно, аэродинамическог сопротивления. Наклон модели (отрицательный тангаж) на 1° снижает аэродинамическое сопротивление модели на 4% (рис. 6.14).
Рис. 6.14. Зависимость снижения коэффициента Сх модели автомобиля от угла тангажа кузова |
Дополнительно была испытана модель легкового автомобиля с плоским днищем при различной величине дорожного просвета. Испытания при различной величине дорожного просвета показали, что уменьшение его до определенного значения снижает коэффициент Сs модели. Это связано со снижением расхо-
Рис. 6.16. Возможности снижения коэффициента С, легкового автомобиля за счет совершенствования формы кузова |
Несмотря на заметные успехи в области теоретической аэродинамики и прикладной математики, чисто расчетное определение достоверных значений аэродинамических коэффициентов применительно к автотранспортным средствам пока еще существенно затруднено в физическом и математическом аспектах этой проблемы, в том числе из-за недостаточно высокого уровня развития отечественной вычислительной техники, а разработка самих численных методов находится в стадии развития. В настоящее время посредством решения краевых задач либо на основе точных уравнений движения вязкой жидкости, либо на основе приближенных уравнений, полученных из точных путем исключения групп отдельных слагаемых, может быть аналитически изучен лишь ряд случаев ламинарного обтекания тела в полном объеме. Что касается турбулентного обтекания, а именно оно типично для АТС, то существующие теории турбулентности в данный момент не позволяют описать характер течения в отдельных зонах посредством краевых задач на основе каких либо дифференциальных уравнений.
В связи с изложенным основным методом аэродинамического проектирования автомобиля до сих пор остаются экспериментальные исследования в аэродинамических трубах путем постановки мпогофакторного эксперимента с использованием математического метода его планирования и последующей аппроксимацией полученных результатов. Это направление аэродинамических исследований обеспечивает достаточно высокую точность в сочетании с возможностью объяснения физической сущности характера влияния конструктивных параметров кузова на обтекаемость автомобиля. Необходимо отметить, что особенно сложный характер носит обтекание головной и кормовой части автомобиля, а также его подднищевой зоны и подкапотного пространства. Поэтому здесь не могут быть использованы численные методы, используемые в авиационной аэродинамике, а также применяемая для аналитического описания обтекаемости скоростных железнодорожных поездов известная полуэмпирическая теория турбулентных течений по пути перемешивания Прандтля. На основное течение воздушного потока вокруг серийного автомобиля частичные пульсационные движения потока
В таблице 6.1 приведены расчетные формулы, связывающие приращение коэффициента Сх автомобиля с представленными на рис. 6.17 параметрами кузова.
Рис. 6.17. Основные конструктивные и установочные параметры кузова, влияющие на обтекаемость автомобиля: S. ф, у, 1|/ - углы наклона облицовки радиатора, крышки капота, ветрового и заднего стекол; RK. - радиусы закругления фронтальных кромок капота и крыши; , h - угол тангажа кузова и расстояние его от днища до дороги; Ь, /з - величина заужения кузова и его длина; L,„ Иа, На - длина, ширина и высота автомобиля |
Таблица 6.1 Взаимосвязь аэродинамического сопротивления автомобиля _с конструктивными параметрами кузова_ |
увеличения сопротивления по сравнению с сопротивлением гладкой пластины. Понятие допустимой высоты шероховатости весьма важно с практической точки зрения, гак как позволяет' определить, к какой степени гладкости кузова скоростного автомобиля следует стремиться при его технологической обработке с целью уменьшения сопротивления трения. Значение допустимой величины шероховатости для плоской пластины может быть определено посредством следующей формулы:
Рис. 6.18. Предельные величины шероховатости поверхности модели, при которых не происходит увеличение ее аэродинамического сопротивления: А - зона отсутствия влияния шероховатости поверхности; Б - зона частичного влияния шероховатости поверхности: В - зона значительного влияния шероховатости поверхности |
противления автомобиля: сопротивления формы, сопротивления внутренних потоков, индуктивного сопротивления и дополнительного сопротивления выступающих на поверхности кузова мелких деталей.
Таблица 6.2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Основной составляющей аэродинамического сопротивления автомобиля является сопротивление формы. Форма автомобиля определяет величину и месторасположение зон повышенного и пониженного давлений, а также источников вихреобразования при взаимодействии его с потоком воздуха. На образование вихкало заднего вида располагается в длинном обтекаемом кожухе, в нижней части которого находится дефлектор воздуха, препятствующий завихрению воздуха за зеркалом, что дополнительно снижает коэффициент обтекаемости автомобиля.
Представляет интерес разработанный концерном «Форд» (США) прототип высокообтекаемого легкового автомобиля с четырехместным кузовом типа «седан», имеющим каплеобразную форму кузова со срезанной задней частью; полностью закрытую для проникновения воздушных потоков переднюю часть автомобиля; забор воздуха к двигателю и системе вентиляции кузова на верхней панели капота перед ветровым стеклом. Радиатор и конденсатор кондиционера размещены сразу за задними колесами, воздух к ним засасывается сбоку и выбрасывается сзади, при этом упорядочиваются потоки воздуха по бокам автомобиля и уменьшается зона вихреобразований позади него, одновременно выбрасываемый сзади автомобиля воздух заполняет зону срыва потока, отклоняет поток за задним стеклом автомобиля и, как бы удлиняя его, улучшает обтекаемость. Днище автомобиля, включая выпускной трубопровод, перекрыто поддоном. Остекление установленных с большим углом наклона лобового и заднего стекол выполнено заподлицо с кузовом; боковые стекла жестко закреплены, опускается лишь их нижняя часть с образованием проема не более 100 мм. Перекрыты передние и задние колеса, при этом проемы перед колес перекрыты специальными эластичными мембранами разработанными фирмой «Гудьир», позволяющими производить поворот колес без появления турбулентности при их обтекании, а сами колеса заключены в жесткие кожухи и снабжены гладкими накладными аэродинамическими дисками, спереди и сзади колес на кузове имеются обтекатели, рисунок протектора шин выбран с наименьшими аэродинамическими потерями. Передний и задний бамперы отсутствуют; места соединения и касания панелей капота и дверей с кузовом тщательно герметизированы; устранены все выступающие элементы конструкции с поверхности кузова, включая смонтированные заподлицо с передними крыльями выдвигающиеся фары. Все перечисленные мероприятия позволили снизить значение коэффициента обтекаемости этого автомобиля до 0,15 (рис. 6.19).
Риc. 6.19. Обтекаемый автомобиль «Ford Probe-IV», С, = 0,15 |
Из числа разработанных в последнее время экспериментальных легковых автомобилей малого класса с совершенными аэродинамическими качествами следует остановиться на модели «ЕСО-2000» фирмы «Сизросн». Особое внимание при разработке автомобиля «ЕСО-2000» было обращено, учитывая его малую длину и трудности снижения коэффициента об текаемости за счет формы кузова, на отработку мероприятий по снижению других составляющих аэродинамического сопротивления: индуктивного, внутреннего и дополнительного. Кузов автомобиля «ЕСО-2000» - однообъемный с покатой к задней части крышей. Кривизна крыши выбрана на основании специальных аэродинамических исследований по ее отработке. Передняя часть автомобиля предельно уплотнена и герметизирована. Забор воздуха для системы охлаждения двигателя производится с помощью специальных щитков, установленных в подднищевой зоне автомобиля. Днище автомобиля гладкое. При габаршиых размерах 3,494x1.484x1,266 м автомобиль «ЕСО-2000» имеет лобовую площадь 1,53 м и снаряженную массу 480 кг с распределением ее по осям: передняя - 320 кг (66%) и задняя - 160 кг (34%). В конструкцию автомобиля заложено отрицательное тангажирование, что в совокупности с оптимизированным дорожным просветом, позволило существенно снизить аэродинамическое сопротивление автомобиля «ЕСО-2000». Для обеспечения оптимального дорожного просвета и угла тангажа автомобиля в зависимости от нагрузки и режимов движения. на нем применена гидропневматическая подвеска с электронным управлением, позволяющая регулировать угловое и вертикальное перемещение кузова относительно поверхности дороги.
Отечественные автозаводы также ведут работы по улучшению обтекаемости легковых автомобилей. На рис. 6.20 показано снижение коэффициента Сх наших легковых автомобилей.
На рис. 6.21 показано изменение формы кузова автомобилей ГАЗ в направлении улучшения их обтекаемости. На рис. 6.22 представлен разработанный при участии автора легковой автомобиль «НАМИ-Дебют» с обтекаемым кузовом (С,-= 0,25). С, |
Рис. 6.20. Снижение коэффициента (отечественных легковых автомобилей |
Рис. 6.21. Этапы формообразования и классической компоновки кузова легковых автомобилей ГАЗ в направлении улучшения их обтекаемости: а) ГАЗ-А; б) ГАЗ-MI; в) ГАЗ-М20' г) ГАЗ-21: д) ГАЗ-24; е) ГАЗ-З! 10; ж) ГАЗ-ЗЮ4; у) ГАЗ-З! 11 |
Рис. 6.22. Автомобиль « НАМИ-Дебют » с обтекаемым кузовом |
Аэродинамическое сопротивление автомобиля, определяемое главным образом степенью обтекаемости кузова, зависит также от других элементов конструкции. В табл. 6.3 показана упрощенная схема формообразования автомобиля па базе трехобъемного кузова путем дополнения его типичными конструктивными элементами и соответствующее приращение коэффициента С,.
Представляет научный и практический интерес приведенная ниже графическая интерпретация рассмотренных выше рекомендаций по улучшению обтекаемости кузова и его элементов, с использованием результатов физических исследований, выполненных в аэродинамической трубе НИИ механики МГУ. Критерием оценки уровня обтекаемости кузова являлись эпюры скорости воздушного потока у поверхности обдувавшейся модели, которые были получены посредством термоанемометра «DISA».
На рисунке 6.23 показаны основные приемы аэродинамической оптимизации передней части трехобъемного кузова, которые практически одинаковы с двухобъемным кузовом. Прямоугольное исполнение капота приводит к торможению натекающего воздушного потока и отрыву его за острой фронтальной кромкой и резкому увеличению скорости, о чем свидетельствует всплеск скоростной эпюры.
Основными приемами аэродинамической оптимизации передней части кузова являются: увеличение углов наклона панели облицовки радиатора и крышки капота в сочетании с закруглением их фронтальных кромок. При этом, как показывает эпюра скорости обтекающего эту зону кузова воздушного потока, удается практически устранить наблюдавшееся ранее его местное ускорение и отрывные течения (см. верхнюю часть рис. 6.23).
Таблица 6.3 Схема формообразования автомобиля с трехобъемным кузовом | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
торая отрицательно влияет на показатели устойчивости и управляемости. Аэродинамическая оптимизация носовой части обеспечивает оптимальное ее обтекание, исключающее возникновение подъемной силы на передней оси автомобиля.
Рис. 6.23. Основные приемы аэродинамической оптимизации передней части трехобъемного кузова: V, - скорость свободно натекающего потока; Vk - скорость потока, обтекающего поверхность кузова; О - точка торможения потока |
Рис. 6.24. Основные приемы аэродинамической оптимизации средней и кормовой части трехобъемного кузова: V, - скорость свободно натекающего потока; V* - скорость потока, обтекающего поверхность кузова; 0 - точка торможения потока |
Рис. 6.26. Основные приемы аэродинамической оптимизации кормовой части двухобъемного кузова: 1,2 - задняя кромка крыши не закруглена и закруглена радиусом R; Нсф, Нсс - высота спутной струи за автомобилем с кузовами «фастбек» и «сквайбек» |
Рис. 6.28. Влияние расположения кузова на характер поля скоростей в подднищевой зоне автомобиля: V0 - торможение потока в подднищевой зоне; hf, - дорожный просвет автомобиля; Pz., - подъемная сила на задней оси |
Рис. 6.29. Конструктивные мероприятия по устранению перетекании в зоне переднего и заднего бамперов автомобиля: У- уплотнения |
Рис. 6.30. Однообьемныи кузов и эпюра изменения скорости обтекающего его воздушного потока |
На аэродинамику кузова оказывает влияние определяемый его угловым и вертикальным расположением относительно поверхности дороги характер потока под автомобилем (рис. 6.28). При неправильной - с положительным (а > 0) углом тангенса - установке
кузова таким образом, что минимальный дорожный просвет приходится на заднюю ось, наблюдается интенсивное торможение потока в кормовой части подднищевой зоны, вызывающее повышение аэродинамического сопротивления автомобиля и действующей на задок подъемной силы. Размещение кузова горизонтально относительно поверхности дороги с увеличенным дорожным просветом делает эпюру торможения скорости равномерной и несколько улучшает характер протекания потока в подднищевой зоне автомобиля. Однако наиболее правильным для обеспечения оптимального течения потока под автомобилем является расположение кузова с отрицательным (а < 0) углом тангенса и минимальным дорожным просветом в зоне за передней осью в сочетании с применением плоского днища. В этом случае благодаря известному эффекту Вентурри происходит ускорение потока к кормовой части с соответствующим уменьшением давления на него. Величина отрицательного угла тангажа кузова при проектировании современных автомобилей составляет а = -1° -г -2°. Оптимальная с точки зрения получения минимального коэффициента Сх величина относительного дорожного просвета находится в пределах 0,10 </г///„<0,12.
Заметное влияние на обтекаемость кузова оказывают местные перетекания воздушного потока из зон повышенного давления в зоны пониженного. Г лавной причиной таких перетеканий является недостаточное уплотнение по периметру облицовки радиатора, дверей, крышек капота и багажника. Местные перетекания наблюдаются также в зонах переднего и заднего бамперов. Для устранения местных перетеканий повышают степень уплотнения панелей в местах стыка и прилегания их к кузову, а также устанавливают специальные уплотнения, как это показано на рис. 6.29.
Рассмотренные ранее конструктивные предпосылки для безотрывного обтекания элементов кузова трехобъемного и двухобъемного типа полностью реализуются в аэродинамически оптимизированном однообъемном кузове, что подтверждается эпюрой скорости обтекающего его воздушного потока (рис. 6.30). Такая форма и установка кузова, дополненные плоским днищем с конфузорным эффектом, обеспечивают автомобилю наилучшие аэродинамические характеристики, и в первую тановка переднего спойлера оказывает определенное влияние на характер протекания внутренних потоков и охлаждение двигателя и его агрегатов, поскольку при этом меняются условия забора воздуха в подкапотное пространство автомобиля.
11а рисунке 6.32 приведены зависимости коэффициентов аэродинамического сопротивления и подъемной силы автомобиля от угла атаки переднего спойлера. На рис. 6.33 показаны зависимости этих коэффициентов от угла атаки заднего спойлера.
Таблица 6.4 Навесные аэродинамические элементы, рекомендуемые _для установки на легковых автомобилях_ | |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
Продолжение таблицы 6.4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Рис. 6.31. Схема установки рекомендуемых навесных элементов: 1 - передний спойлер; 2 - передний интегральный бампер; 3 - верхний передний дефлектор; 4 - задний аэродинамический закрылок; 5 - задний спойлер; 6 - нижний обтекатель моторного отсека; 7 - плоские поддоны на днище; Н - обтекаемые колпаки на колесах |
Основными направлениями и приемами совершенствования аэродинамики легковых автомобилей являются следующие:
- оптимизация контурного фактора за счет снижения удельного веса отрывных течений, в первую очередь путем увеличения углов наклона облицовки радиатора, крышки капота, лобового стекла и радиусов закругления фронтальных кромок кузова;
- придание передку автомобиля и его ветровому стеклу цилиндричпости в плане;
-устранение с поверхности кузова всех выступающих элементов конструкции или их тщательная аэродинамическая обработка, в том числе выполненного заподлицо с кузовом остекления, устранение водостоков и т.д.;
- создание кузовов каплеобразной формы с безотрывным обтеканием;
- разработка систем организованного и дозированного забора и выброса воздуха для охлаждения радиатора и двигателя, а также вентиляции и охлаждения салона;
- применение гладкого днища с организацией безвихревого протекания воздушных потоков в под зоне;
-установка кузова с отрицательным углом тангажа в сочетании с оптимальным дорожным просветом ре1улируемым в зависимости от условий движения автомобиля;
-тщательная герметизация мест соединения и касания панелей капота, дверей, крыши багажника с кузовом;
- оптимизация формы переднего буфера с переходом его в нижнюю панель и облицовку радиатора в совокупности с применением небольшого по высоте переднего спойлера;
- использование задних спойлеров;
-установка специальных аэродинамических колпаков на колесах и частичное перекрытие задних колес;
- разработка и применение специальных конструктивных элементов и решений по снижению загрязненности, а также уровня аэродинамического шума автомобилей.
Возможности снижения аэродинамического сопротивления автобусов, учитывая их значительные лобовые площади, в сравнении с легковыми автомобилями существенно ниже. Основными направлениями работ по снижению аэродинамических потерь и улучшению обтекаемости междугородных автобусов являются: отработка их носовой части с увеличением радиусов перехода лобовой панели в боковые и крышу; устранение с лобовой панели зон забора воздуха для охлаждения двигателя, а также источников дополнительного сопротивления; повышение степени гладкости кузова с применением установленных заподлицо с ним приклеиваемых стекол; улучшение протекания потоков в подднищевой зоне путем тщательной отработки днища в сочетании с оптимизацией дорожного просвета и установкой кузова с отрицательным тангажом.
Среди всех конструктивных факторов, влияющих на аэродинамическое сопротивление автобусов, определяющим является форма лобовой части кузова в сочетании, как уже отмечалось, с величиной радиусов перехода лобовой панели в боковые и крышу.
На рисунке 6.34 показаны силуэты междугородных автобусов различной формы, характер их обтекания воздушным потоком и соответствующие им значения коэффициента обтекаемости. Видно, что по сравнению с прямоугольной формой автобус со скругленной верхней кромкой, а тем более с оптимизированной лобовой частью, существенно лучше взаимодействует со встречным потоком, имея при этом на 28 и 60% меньшие значения коэффициента Сх. Существенное улучшение обтекаемости обеспечивает закругление фронтальных кромок кузова.
На рисунке 6.35 приведены зависимости снижения коэффициента С, от отношения радиуса закругления передних верхней и боковых кромок кузова к ширине автобуса. Приведенные зависимости позволяют установить, что оптимальными, с точки зрения снижения аэродинамического сопротивления автобуса, являются соотношения:
для верхней кромки 0,04 < RB1K /В„ < 0.08;
для боковых кромок 0,06 < R0jK /В„ < 0,10.
Рис. 6.34. Влияние формы кузова на обтекаемость и аэродинамическое сопротивление автобуса: а - прямоугольный с острыми кромками; б-с закругленной верхней кромкой; в - с обтекаемой лобовой частью |
Рис. 6.35. Зависимость снижения коэффициента Сх модели автобуса от отношения радиуса закругления фронтальных кромок кузова: 1 - верхней; 2 - боковых; 3 - одновременно верхней и боковых; На - ширина автобуса |
Обтекаемость легкового автопоезда можно улучшить путем установки лобового обтекателя на автомобиле-тягаче. При установке лобового обтекателя встречный поток воздуха направляется на крышу прицепа, что уменьшает давление воздуха на переднюю стенку прицепа. Применение лобового обтекателя позволяет снизить аэродинамическое сопротивление легкового автопоезда на 25-30%, что эквивалентно уменьшению расхода топлива на 7-8%.
В таблице 6.6 приведены конструктивные и установочные параметры лобовых обтекателей различных легковых автомобилей с прицепами и достигаемая за счет их (обтекателей) установки экономия топлива при скорости движения 80 км/ч. В среднем, по результатам испытаний 9-ти легковых автопоездов, установка лобового обтекателя снижает их расход топлива па 1.8 л/100 км.
Таблица 6.5 Приемы снижения аэродинамического сопротивления за счет __отработки кормовой части автобуса _ | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
Рис. 6.37. Влияние формы прицепи па величину коэффициента С, Modem легкового автомобиля с прицепом |
reno-symbol.ru
