Как проверить аэродинамику автомобиля

Как и зачем улучшают аэродинамические характеристики автомобиля

В соответствии с законами физики движение любого механизма является результатом взаимодействия нескольких сил. Причем при различных внешних условиях, вклад тех или иных воздействий будет отличаться. В применении к ТС часто приходится пользоваться таким понятием как аэродинамика автомобиля. Что это такое – ясно интуитивно, а вот коснуться некоторых подробностей будет, как минимум, просто интересно.

Несколько слов о самом движении

Хотим мы этого или нет, но машине при движении требуется преодолевать противодействие внешней среды. На нее действуют силы тяжести, инерции, сцепления с дорожным полотном, трения сопротивления качения, но для нас сейчас более интересны те из них, которые имеют отношение к аэродинамике. Для автомобиля с этой точки зрения актуальны:

• сила сопротивления среды;
• подъемная сила, образованная воздушным потоком;
• прижимная сила.

Именно их соотношение (равнодействующая) определяет устойчивость, маневренность и экономичность автомобиля на дороге. Величина отмеченных сил во многом зависит от параметров движения. Сопротивление, оказываемое встречным потоком, определяется квадратом скорости и соответствующими коэффициентами. Но характер поведения других сил, обусловленных аэродинамикой, более сложный.

При разгоне и движении ТС, препятствующий этому воздух делится на несколько потоков. Один из них обтекает машину сверху и прижимает ее к дороге. Другой проходит под днищем, по закону Бернулли он является более плотным и приподнимает машину, а остальные обтекают ее с боков.

Это самое краткое и минимальное описание сил аэродинамики. Как пример можно привести их распределение, действующих на автомобиль при определенной скорости в зависимости от формы машины и наличия внешних элементов.

Простое сравнение результатов показывает, что даже минимальное улучшение, такое как изменение формы кузова и использование внешних элементов (спойлеров), приводит к тому, что аэродинамика автомобиля может поменяться самым кардинальным образом. Но относиться к этому надо достаточно осторожно, и вряд ли целесообразно экспериментировать самому.

Немного теории

Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля указывается в величине Cx, обычно она меньше 1. Чем он будет меньше, тем меньше мощностей он будет затрачивать для движения. Так показатель Cx у AUDI A8 — 0.37, Lexus LS 460 — 0.26. Весьма странным может показаться тот факт, что у спорткаров этот показатель значительно выше (Porsche 911 Turbo 997 — 0.31, Bugatti Veyron — 0.42). На самом же деле все довольно просто. Мощные двигатели требуют охлаждения, в том числе и воздушными потоками. Добиться этого можно увеличив площадь радиатора, а значит и поперечное сечение машины.

Улучшение аэродинамики автомобиля

Машина движется в воздушной среде, преодолевая ее сопротивление. Оно во многом определяется формой автомобиля, наличием и конструкцией внешних устройств. Для первых представителей авто, например «жестянка Лиззи», это не имело никакого значения, скорости движения были невелики, и время думать о том, что надо улучшать аэродинамику автомобиля, еще не пришло.

Однако по мере взросления автопрома росли скорости и мощности моторов, так что для дальнейшего развития и совершенствования автомобиля, вопросы, затрагивающие улучшение его аэродинамики, становились все более и более актуальными. Главные цели улучшения аэродинамических показателей — увеличение скоростей и экономия топлива. В таблице показано как меняется сопротивление воздуха в зависимости от скорости.

Первыми с этим столкнулись спортивные машины, именно там стали появляться обтекаемые формы, позволившие снизить сопротивление внешней среды, благодаря чему повысились скорости движения. Надо сразу отметить, что в тот момент именно скоростные характеристики стояли на первом месте, об экономичности речи еще не шло.

Но со временем именно топливная экономичность, вопросы безопасности и управляемости стали решающими. За счет оптимальных форм кузова, а также обтекаемости внешних элементов отделки и дизайна (фар, ручек, решеток и т.д.) удалось поднять скорость движения и повысить топливную эффективность автомобиля.

Как пример – в таблице приведены некоторые данные о влиянии внешних элементов на расход топлива.

Так что со временем улучшение эксплуатационных характеристик автомобиля, стало просто невозможно без учета влияния на них его аэродинамики. И достигается это кропотливым трудом многочисленных специалистов на специальных стендах.

Аэродинамика автомобиля имеет отношение практически ко всему спектру вопросов существования современного ТС. Дело не только в наличии внешних атрибутов, таких как спойлеры, колесные диски или зеркала специальной формы. Во многих случаях аэродинамика играет едва ли не решающую роль в управляемости и безопасности движения. И собираясь улучшать аэродинамику автомобиля самостоятельно, стоит понимать, что этим занимался производитель еще на этапе производства.
» alt=»»>

Источник статьи: http://znanieavto.ru/nuzhno-znat/aerodinamika-avtomobilya.html

Как проверить аэродинамику автомобиля

Уменьшить расход бензина можно позаботившись об уменьшении действующих на автомобиль сил сопротивления. Расскажем что такое аэродинамика машины, основные термины и понятия, что на неё влияет в первую очередь.

На больших скоростях основной вклад вносит сила аэродинамического сопротивления. Аэродинамика имеет прямое отношение к управляемости, устойчивости и безопасности, особенно при движении с высокой скоростью. Даже способность загрязняться напрямую зависит, насколько качественно, с точки зрения аэродинамики, продуман автомобиль. А знаете, что такое «воздушный мешок» или «аэродинамическая тень», что такое «граунд-эффект»? Давайте разбираться.

Основные понятия аэродинамики

Чтобы легче разобраться в аэродинамике, определимся с терминами, принятыми в этой науке.

Сила аэродинамического сопротивления (Рх) — сила, с которой поток воздуха «давит» на движущийся автомобиль. Всегда действует в сторону, противоположную движению. Чем больше, тем ниже максимальная скорость и динамика автомобиля при прочих равных условиях.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх). Безразмерная величина, обычно меньше единицы. Определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помочью расчетов. Физический смысл — отношение аэродинамической силы к скоростному напору и характерной площади. У современных автомобилей значение Сх в районе 0,30. Внедорожники имеют чуть больший коэффициент Сх из-за большей площади кузова.

Подробнее про коэффициент Сх в данной статье.

Подъемная сила (Рz) — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. При обтекании автомобиля частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, то есть более выпуклую поверхность. А согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.

Коэффициент подъемной силы (Су). Тоже безразмерный, определяется аналогично Сх. Зависит от форм автомобиля, его ориентации в пространстве, чисел Рейнольдса и Маха.

Мидель (от middel — средняя) – наибольшая площадь сечения автомобиля, перпендикулярная направлению движения.

Опрокидывающий момент (Му) — определяет перераспределение нагрузок между передними и задними осями автомобиля. Возникает из-за того, что Рх всегда действует под углом к продольной оси автомобиля. По Му можно судить о возможном изменении управляемости на высоких скоростях, а нулевое значение говорит о том, что независимо от скорости автомобиля тот будет управляться одинаково, а заложенный производителем баланс нагрузок на колеса не нарушится.

Момент крена (Мх) и разворачивающий момент (Мz) – характеризуют способность автомобиля противостоять порывам бокового ветра. Чем меньше абсолютные значения, тем меньше водитель чувствует влияние капризов природы.

Как меняют аэродинамику автомобиля?

Задача специалистов по аэродинамике состоит в уменьшении паразитных сил и моментов (Рх, Рz, Му, Мх и Мz). Добиться можно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, что ведет к увеличению площади миделя и как следствие – к увеличению силы лобового сопротивления. Тупик? Нет, оказывается, грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы позволяют уменьшить Сх! Что это за устройства? Обычно при слове обвес речь идет о бамперах, порогах, спойлерах и антикрыльях.

Антикрыло. Создано для борьбы с подъемной силой. Первостепенная задача – создать прижимную силу, чтобы колеса не теряли контакт с дорогой ни при каких условиях. Взгляните на болиды Ф1. Вот где антикрылья – усилия работы специалистов по аэродинамике! Но перебарщивать с размерами нельзя – резко растет аэродинамическое сопротивление, а значит – падает скорость, увеличивается расход топлива. Практически на всех спортивных автомобилях рабочая часть крыла выполнена регулируемой для возможности изменения угла атаки и возможности настройки.

Спойлер (от spoil — портить). Аэродинамический элемент с одной рабочей поверхностью для изменения направления движения воздушного потока. Основная задача «правильного» спойлера – организация безотрывного и «плавного» обтекания воздушным потоком всей поверхности автомобиля, что повышает устойчивости при движении с высокими скоростями. Спойлер может бороться с подъемной силой, отсюда его сложные формы. Но эта деталь всегда примыкает к кузову автомобиля. По большому счету, бамперы и пороги это тоже большие спойлеры.

Диффузор. Дальше всех пошли спортсмены – они решили присосать автомобиль к трассе! Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила. Плодами этого открытия норовит воспользоваться каждый автопроизводитель: диффузоры, обеспечивающие ускорение потока, появляются в задней части гражданских машин.

Проблема, что для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны по возможности плоское днище и минимальный дорожный просвет. Если строители спортивных машин могут это позволить, то, к примеру, на Evolution диффузор служит скорее украшением, чем полноценным аэродинамическим элементом.

Что влияет на коэффициент Сх?

Один из лучших методов улучшения динамики машины – удалить все, что создает лишнее аэродинамическое сопротивление. Это могут быть банальные вещи. Вот как они увеличивают коэффициент Сх:

• открытые окна + 5%
• зеркала заднего вида + 5%
• антенна + 2%
• открытый люк + 3%.
• широкие шины + 3%,
• скромные брызговики колес + 3%
• нескромные брызговики колес + 6%
• багажник на крыше +10%

Источник статьи: http://amastercar.com/aerodinamika-avtomobilya-chto-eto-takoe.html

Изучение потоков воздуха в задней части автомобиля

За последние 40 лет в автоспорте аэродинамика являлась и до сих пор остается главной темой научных исследований и разработок.

Основная цель аэродинамики в автоспорте – уменьшение нагрузки на шины и улучшение сцепных свойств покрышек с дорожным полотном без увеличения массы. Новые разработки в этой области позволяли автомобилю преодолевать повороты с большей скоростью, чем это было раньше, болид становился стабильнее на трассе и более отзывчивым в управлении. В автоспорте известны случаи, когда из-за плохой и непродуманной аэродинамики автомобиль не просто резко терял управляемость в повороте, а даже взлетал при разгоне на прямой и переворачивался (рис.1).

На сегодня, в автомобильной промышленности очень популярны разработки в области повышения экономичности автомобиля и экологичности. В борьбе за меньшее количество вредных выбросов и увеличение пройденного пути на одном литре топлива выяснилось, что транспортное средство с просчитанной аэродинамической формой потреблял меньше топлива, а, следовательно, обладал лучшими экологическими показателями.

В последние годы особый интерес к аэродинамике стали проявлять компании специализирующиеся на коммерческом транспорте. Одними из первых были компании MAN, Mercedes и немецкая дизайнерская фирма под руководством Луиджи Колани (рис.2). По данным автомобильного гиганта Mercedes новый кузов и прицеп позволяют уменьшить аэродинамическое сопротивление на 18% и сократить расход топлива на 5%. При среднегодовом пробеге 150 000 км это позволяет экономить более 2000 литров топлива в год, а количество вредных выбросов CO2 в атмосферу за этот же промежуток времени сокращается на 5000 кг.

Для меня, как для профессионального гонщика, важно не только снижение выбросов СО2 и хорошая экономичность, но и безопасное управление автомобилем. В этой работе я хочу рассмотреть поведение потоков воздуха, проходящих через антикрыло, а также распределение потоков в задней части автомобиля. Антикрыло — это элемент аэродинамического пакета транспортного средства позволяет качественно повысить уровень управляемости автомобиля на высокой скорости, следовательно, улучшить безопасность. Ярким примером необходимости использования антикрыла служит доступная в сегменте спорткаров — Audi TT. Старые модели этой марки имели очень опасную болезнь – в момент прохождения поворота из-за недостатка сцепных свойств задняя ось автомобиля стремилась обогнать переднюю. Эту проблему удалось решить, оснастив автомобиль задним спойлером (рис.3).

1. Аэродинамика в автомобиле строении

Сегодня специалисты по аэродинамике решают множество задач: они добиваются минимального сопротивления воздуха, отслеживают величину и распределение по автомобилю подъемной силы, так как современные автомобили достигают такой скорости, на которой взлетают самолеты. Инженеры продумывают расположения диффузоров для увеличения прижимной силы, положения воздухозаборников для охлаждения тормозных дисков, определяют уровень шума в салоне и направляют воздушные потоки определенным образом, решая необходимые задачи.

Уже ни для кого не секрет, что самая успешная форма кузова, с точки зрения аэродинамики, это «капля». Силуэты одних из первых машин очень напоминали дирижабли и различные летательные аппараты, поэтому их аэродинамическая форма была хорошо обтекаема, и коэффициент лобового сопротивления был крайне мал (рис.4).

Коэффициент лобового сопротивления современного автомобиля в среднем составляет . Силу аэродинамического сопротивления можно вычислить по формуле:

где ρ – плотность воздуха (ρ=1.25 кг/м3)

V – скорость автомобиля

F – лобовая площадь автомобиля и вычисляется:

где В и Н – высота и ширина автомобиля соответственно, а коэффициент 0.85 учитывает отличие лобовой проекции автомобиля от прямоугольника.

Исходя из формулы для силы аэродинамического сопротивления, можно сделать вывод, что повлиять на эту силу при заданной скорости можно только изменением коэффициента лобового сопротивления и лобовой площади транспорта F.

1.1 Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля

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.

Выделяют три основных фактора, которые влияют на Cx:

1. Внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,

2. Сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова,

3. Сопротивление формы кузова, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него.

2. Исследование разряженности воздуха позади автомобиля трех разных кузовов

Принято считать, что кузов «универсал» является предпочтительней других форм кузова, с точки зрения аэродинамики, а кузов хэтчбек наименее предпочтительным, поскольку самая большая разряженность воздуха именно за автомобилем, обладающим этой формой кузова. Я решил провести собственное исследование и «продул» три разные формы в программе SolidWorks.

Исходные данные занесены в таблицу 1.

Табл. 1 – Исходные данные расчета

Очевидно, что непосредственно за кузовом хетчбека завихрений больше, а значит турбулентность выше. У универсала ниже всех турбулентность позади автомобиля.

Из рисунка 5 можно сделать вывод, что прижимная сила у кузова типа «Хэтчбек» меньше, чем у «Седан». Это говорит о низкой безопасности в управлении на высокой скорости.

Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/id/5d83bf7198fe7900ac28b35c/izuchenie-potokov-vozduha-v-zadnei-chasti-avtomobilia-5d83d61cf557d000ae5992eb