Современные способы борьбы с аэродинамическими эффектами (стр. 2 )

Коэффициент лобового сопротивления – это мера измерения, показывающая сопротивление кузова автомобиля воздуху. Авто, выпускающиеся после 2000г., имеют КЛС порядка 0,27-0,28; авто 90-х годов порядка 0,29-0,31. Поэтому новые авто достаточно сглажены и не имеют прямых углов. Таким образом, задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом. Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки. А значит остается второй и единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx.

Величина Cx определяется опытным путем. Например, у так называемого обтекаемого тела, похожего на вытянутую каплю воды, Cx равен 0,04, у сферы – 0,47, у куба, грань которого перпендикулярна потоку, - 1,05, а если его повернуть, так чтобы угол между воздушным потоком и гранями составлял 45 градусов, то Сх снизится до 0,8. Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25.

  Факторов, влияющих на Cx автомобиля, несколько: во-первых, это внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон, во-вторых, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, и, в-третьих, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него.

  Внутреннее сопротивление составляет около 12% от общей величины, и пока особых успехов в этой области не наблюдается: напротив, все более и более мощные моторы современных автомобилей требуют все больше воздуха для охлаждения. Например, в пределе 300-сильный бензиновый двигатель выделяет в виде тепла около 450кВт – этого хватило бы для отопления нескольких особняков! Соответственно, растут размеры радиаторов, уплотняются моторные отсеки, увеличивается сопротивление воздуха... Существенные же улучшения здесь возможны лишь при переходе на более эффективные электродвигатели, но пока они так и остаются технологией будущего. И, наконец, сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx. Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя. Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно. Так что задача перед инженерами стояла непростая…

  В создании коэффициента лобового сопротивления участвую все кузовные части авто. Поэтому для того, чтобы максимально снизить сопротивление воздуха, авто должно обладать заниженным кузовом; иметь острый угол наклона лобового стекла и капота, лучше чтобы капот и лобовое стекло находились под одним углом; арки колёс не должны широко выступать; зеркала заднего вида должны быть маленькими; дворники - спрятаны под капот; решётка радиатора - максимально закрыта; днище авто должно быть как можно ровней; боковая и задняя часть авто - как можно более сглаженой; диски должны быть без глубоких выемок; щели между кузовными частями авто - как можно меньше.

Если учесть все факторы, перечисленные выше, можно добиться коэффициента лобового сопротивления 0,25-0,26. Пример такой аэродинамики – это Toyota Prius, Shevrolet Volt. Такие принципы аэродинамики способствуют меньшему потреблению топлива автомобилем, чего и добиваются автопроизводители.

Аэродинамические характеристики разных типов кузовов

Аэродинамические характеристики автомобилей ВАЗ (результаты измерений Авторевю)
ВАЗ-2107	ВАЗ-21099	ВАЗ-2110
Площадь миделя, м2	1,885	1,884	1,931
Сила лобового сопротивления Рх, Н	824	682	535
Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх	0,546	0,453	0,347
Подъемная сила Рz, Н	693	413	324
Опрокидывающий момент Мy, Нм	236	24	–206
Момент крена Мх (при угле поворота платформы 15°), Нм	588	520	406
Поворачивающий момент Мz (при угле поворота платформы 15°), Нм	474	514	571

Главные цели автомобильной аэродинамики это:

Уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива. Снижение уровня шума. Предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости.

3. Динамика движения автомобиля

Сила тяжести автомобиля приложена в центре тяжести. У современных легковых автомобилей центр тяжести располагается на высоте 0,45 -0,6 м от поверхности дороги и примерно посередине автомобиля. Поэтому нормальная нагрузка легкового автомобиля распределяется по его осям примерно поровну, т. е. сцепной вес равен 50 % нормальной нагрузки.

Высота расположения центра тяжести у грузовых автомобилей 0,65 -1 м. У полностью груженных грузовых автомобилей сцепной вес составляет 60 75 % нормальной нагрузки. У полноприводных автомобилей сцепной вес равен нормальной нагрузке автомобиля.

При движении автомобиля указанные соотношения изменяются, так как происходит продольное перераспределение нормальной нагрузки между осями автомобилям при передаче ведущими колесами тяговой силы больше нагружаются задние колеса, а при торможении автомобиля - передние колеса. Кроме того, перераспределение нормальной нагрузки между передними и задними колесами имеет место при движении автомобиля на спуск или на подъем.

Перераспределение нагрузки, изменяя величину сцепного веса, влияет на величину сцепления колес с дорогой, тормозные свойства и устойчивость автомобиля. Силы сопротивления движению. Тяговая сила на ведущих колесах автомобиля. При равномерном движении автомобиля по горизонтальной дороге такими силами являются: сила сопротивления качению и сила сопротивления воздуха. При движении автомобиля на подъем возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля - сила сопротивления разгону (сила инерции).

Сила сопротивления качению возникает вследствие деформации шин и поверхности дороги. Она равна произведению нормальной нагрузки автомобиля на коэффициент сопротивления качению.

Аэродинамическое сопротивление

Снизить его можно двумя способами: либо улучшить форму (что выразится в снижении Cx), либо уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми все еще сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра, смена профиля местности. Зато влияние они оказывают небольшое.

Методы изучения аэродинамики автомобиля
В настоящее время практически все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент таких лабораторий - аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные автомобили обдуваются очень сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова любого автомобиля..

Основные условия устойчивости автомобиля против бокового заноса и опрокидывания при движении на повороте

Центробежная сила, действующая на автомобиль при движении его на повороте, может вызвать боковой занос или опрокидывание автомобиля. Заносу автомобиля противодействует сила бокового сцепления колес с дорогой, а опрокидыванию — момент от веса автомобиля.

На рисунке представлена схема движения автомобиля при повороте на дороге с уклоном, направленным наружу от центра поворота (наименее благоприятный случай).

Рис. 3. Устойчивость автомобиля при повороте на дороге с обратным поперечным уклоном

Обозначив центробежную силу через C, приложим ее к центру тяжести автомобиля; принимаем вес автомобиля равным G и направим его из этой же точки вертикально вниз. Опрокидывание автомобиля может наступить лишь в том случае, когда точка пересечения равнодействующей этих двух сил R с землей выйдет за пределы ширины автомобиля АВ. Противодействие боковому заносу определяется силой сопротивления, равной G ц1 , где ц1 — коэффициент бокового сцепления колеса с дорогой (практически равный ц — коэффициенту продольного сцепления).