Современные способы борьбы с аэродинамическими эффектами (стр. 3 )

На автомобиль в движении, кроме разнообразных физических сил (сила тяжести, сила инерции движения, сила сцепления с дорожным покрытием, силы трения сопротивления качению), действуют три аэродинамические силы:

Сила сопротивления воздуха Подъемная сила воздушного потока Прижимная сила воздушного потока

  От величины равнодействующей этих трех сил во многом зависит устойчивость автомобиля на дороге, маневренность и экономичность. При ускоренном движении машины сила сопротивления воздуха увеличивается пропорционально квадрату скорости. Встречный поток, сталкиваясь с автомобилем, стремится обойти его в двух направлениях: над крышей салона и под днищем. Благодаря эффекту, открытому швейцарским ученым Бернулли в конце 18 века, плотность потока воздуха снизу выше, и машина немного приподнимается. Особенно это заметно при разгоне автомобиля и конструкторам приходится учитывать эти факторы при разработке экстерьера и формы кузова.

  Чтобы уяснить, как возникает и воздействует на автомобиль сопротивление воздуха, рассмотрим, из чего оно складывается. Взаимодействие воздуха и автомобиля можно представить как сумму сопротивлений: профильного, индуктивного, внутреннего, а также сопротивлений трения и выступов. Наибольший «вклад» (около 58%) приходится на профильное. Оно обусловлено самой формой кузова. Воздух, обтекающий автомобиль, как бы сжимается впереди него, создавая значительное положительное давление. Поток, идущий по верхней части кузова, неоднократно отрывается от его поверхности, что создает в этих местах области пониженного давления. В задней же части поток окончательно отрывается от кузова. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Положительное давление впереди автомобиля и отрицательное сзади препятствуют движению, создавая сопротивление давлений, или профильное сопротивление воздуха.

  Индуктивное сопротивление (8% в общем балансе) вызывается разностью давлений на верхнюю и нижнюю части кузова. В результате их взаимодействия возникает сила, отжимающая автомобиль от земли, — подъемная. Хотя она и сокращает сопротивление качению, ее влияние на ходовые качества машины в целом отрицательно — это уменьшение силы сцепления колес с дорогой, которое влечет за собой ухудшение управляемости.

  Сопротивление выступов (13% всех потерь). Очевидно, что свой вклад в полное аэродинамическое сопротивление вносит любая выступающая деталь автомобиля (зеркало, антенна, ручки дверей и т. д.). Так, багажник на крыше при скорости 60 км/ч увеличивает его на 10—12%, из-за чего на 2—3% растет расход топлива. Специалисты ряда фирм считают, что только изменение подобных деталей может улучшить топливную экономичность на 3—4%.

Зависимость расхода топлива (л/100 км) от скорости (км/ч) при разных коэффициентах лобового сопротивления для легкового автомобиля снаряженной массой 1000 кг и мощностью 75 л. с./55 кВт.

  Сопротивление трения (11% всех потерь) обусловлено «прилипанием» к поверхности кузова слоев воздуха, вследствие чего поток вблизи нее теряет скорость. Потери энергии на поверхностное трение зависят главным образом от качества отделки кузова. Во всяком случае, эксперименты показали, что если у нового полированного автомобиля оно составляет около 8% общего сопротивления воздуха, то у плохо покрашенного, с грубой поверхностью возрастает в 2—2,5 раза. В частности, поверхностное трение заметно увеличивается в случае, когда крыша обтянута модным гранулированным виниловым кожзаменителем.

  Внутреннее сопротивление (10% всех потерь) возникает при прохождении воздуха через системы охлаждения и вентиляции. Природа этих потерь такова, что возможность снизить их в настоящее время весьма проблематична.

  Количественной характеристикой суммарного аэродинамического сопротивления служит так называемый коэффициент лобового сопротивления — Сх, который, как правило, определяют экспериментальным путем. Для этого автомобиль или его уменьшенный макет устанавливают в аэродинамическую трубу и моделируют его обтекание воздушным потоком. Меньшую точность дают некоторые методы дорожных испытаний.

  Коэффициент лобового сопротивления у легковых автомобилей, выпущенных разными фирмами в 70-х и 80-х годах, колеблется (см. таблицу) от 0,30 до 0,60. В среднем он составляет в настоящее время 0,43. Для сравнения: среднее значение Сх у машин выпуска 1938 года — 0,58. Наименьшим коэффициентом отличаются автомобили, предназначенные для установления рекордов скорости — 0,2 («Звезда—6», СССР) и 0,15 («Фольксваген-АРФВ», ФРГ).

Формирование вихрей при обтекании воздухом передней части кузова.

  Вернемся к вопросу о затратах мощности и топлива на преодоление сопротивления воздуха. Приведенный на вкладке график показывает, как влияет на них изменение коэффициента лобового сопротивления при разных скоростях. В современных моделях явно заметна тенденция к его снижению, достигаемому конструктивными мерами.

  Согласно проведенным за рубежом расчетам, при уменьшении Сх лишь на 0,01 экономия топлива в пересчете на весь парк легковых автомобилей Англии (около 10 миллионов) составит почти 70 миллионов литров в год (рабочий объем двигателя принят равным 1200 см3, а средний годовой пробег каждой машины — 16 тысяч километров). Теперь, когда мы представляем, что значит Сх для экономии топлива, небезынтересными окажутся и такие данные: дополнительные фары перед облицовкой радиатора увеличивают его на 0,04, грязезащитные фартуки у всех колес — на 0,03, выдвинутая антенна — на 0,02, наружное зеркало заднего вида — на 0,01, неубранные стеклоочистители — на 0,007. Все это дополнительное оборудование плюс багажник на крыше могут поднять суммарную величину Сх, Для ВАЗ—2105 с 0,43 до 0,58, и это означает расход лишних 1—1,5 л бензина на 100 километров. Цифра достаточно убедительная для того, чтобы учитывать аэродинамические характеристики автомобиля как в эксплуатации, так и, прежде всего, на стадии проектирования. Не случайно внимание к исследованиям в этой области за последнее время значительно возросло.

Аэродинамические исследования ведут не только с целью снизить расход топлива. Они помогают добиваться прогресса в области активной безопасности автомобиля, положительно влиять и на такие составляющие комфортабельности, как эффективность вентиляции, шум в салоне, загрязнение стекол и фонарей.

4.Внешний облик первых автомобилей.

На заре автомобилестроения, при скоростях до 40 км/ч., инженеры не уделяли должного внимания внешнему облику автомобиля. По мере роста скоростей, увеличивалась и сила встречного потока воздуха. Авторазработчики для уменьшения аэродинамического сопротивления стали перенимать обтекаемые формы из смежных областей техники – воздухоплавания, авиации и мореплавания. Начинания бельгийского автогонщика К. Женатци и австрийского конструктора Э. Румплера, были поддержаны специалистами Геттингенского Института аэродинамических исследований (Германия), которые перед Второй Мировой Войной разработали кузов автомобиля современных нам очертаний, с коэффициентом аэродинамического сопротивления Сх=0.16. Следует отметить, что большинство сегодняшних автомобилей имеют Сх=0.3-0,5. В наши дни задачей автоконструкторов является оптимизация отдельных сегментов кузова (переходов, выступов, спойлеров) для снижения аэродинамического сопротивления, минимизируя вмешательство в дизайн. К числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом, Альфа-Ромео, Румплером и Яраем (рис. 1), появившиеся не столько в связи с изучением законов аэродинамики, сколько в результате чисто механического заимствования форм, используемых в снарядо-, корабле-, дирижабле - и самолетостроении. Наибольшего внимания заслуживает автомобиль конструкции инж. Ярая, который считал, что для тела, движущегося в непосредственной близости к поверхности дороги, в качестве теоретически наивыгоднейшей формы может служить разделенный пополам корпус дирижабля со слегка выпуклой нижней стороной и тщательно закругленными краями.

Рис. 1. Первые модели автомобилей обтекаемой формы, предложенные конструкторами:

а — Женетти (Бельгия, 1899 г.); б — Бергманом (Германия, 1911 г.); в— Альфа-Ромео (Италия, 1913 г.); г — Румплером (Германия, 1921 г.); д — Яраем (Германия, 1923 г.); е —Румплером (Германия, 1924 г.); ж — Никитиным (СССР, 1934 г.); и — Каммом (Германия, 1940 г.)

Первые, выпускавшиеся в начале XX века, легковые автомобили имели кузова каретообразной формы, что делало их плохообтекаемыми. Значение коэффициента аэродинамического сопротивления этих автомобилей составляло 0,7-0,8. Это, учитывая малую мощность устанавливавшихся на них двигателей, было одним из препятствий в достижении высоких скоростей движения, что и послужило основной причиной развертывания работ по совершенствованию аэродинамики автомобильного кузова. Представляет интерес история развития и становления автомобильной аэродинамики с точки зрения совершенствования формы и обтекаемости кузова.

Распределение давления воздуха на движущийся автомобиль. Красному соответствуют зоны высокого давления, синему – низкого. Обратите внимание на возникающее разряжение позади заднего стекла и, в особенности, за крышкой багажника и бампером – именно эта область главным образом и определяет аэродинамику кузова. И чем меньше она, тем лучше

В развитии автомобильной аэродинамики можно выделить четыре основных этапа. Первые три, касающиеся в основном экспериментальной отработки формы кузовов легковых автомобилей. представлены в табл. 1.1.