Как рассчитать 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

Аэродинамика автомобиля [что будет интересно узнать]

Аэродинамика – это довольно важная и сложная наука о поведении движущихся объектов в воздухе или воде.

Законы аэродинамики, относящиеся к автомобилю, можно изложить всего в двух словах.

Если некая плоскость движется в ламинарном (незавихренном) потоке, то при положительном угле атаки (если плоскость имеет положительный угол относительно земли), возникает подъемная сила, отрывающая эту плоскость от земли. Если же угол атаки отрицателен, то на больших скоростях набегающий поток прижимает ее к земле. Очевидно, что нам нужно прижимать автомобиль к земле .

Есть ещё такая штука, как сопротивление воздуху при движении . Ведь воздух имеет некоторые «вязкие» свойства. И кузов автомобиля трётся о толщу воздуха, а на это затрачивается сила. Значит и кузов должен быть аэродинамичным.

Аэродинамика любого автомобиля должна создавать отрицательную подъемную силу , то есть при нарастании скорости автомобиль должен сильнее прижиматься к земле. Кроме того, он должен легко разрезать толщу воздуха без особой потери энергии на этот процесс.

Увы, но на заре отечественного автопрома аэродинамические исследования российских машин никогда не проводились. Когда их провели, оказалось, что все автомобили с кузовом «классика» имеют положительную подъемную силу — то есть с возрастанием скорости они стремятся оторваться от дороги.

Аэродинамика играет важнейшую роль на высоких скоростях . Например, если абстрагироваться от реальной жизни, то особенно важна она для машин класса «Формула-1», развивающих бешеные скорости. Недаром все они оснащены «антикрыльями» — плоскостями с отрицательным углом атаки, прижимающими задние колеса к земле.

Интересно будет узнать и про активную систему обеспечения устойчивости машин Ф 1 – своеобразный пылесос, откачивающий воздух из-под кузова и увеличивающий давление сверху, а следовательно и устойчивость. Но несколько чудовищных аварий, произошедших из-за отказа «пылесосов» вынудили запретить активные меры устойчивости и обходиться лишь антикрыльями.

Если говорить про легковые автомобили, то современных машин, то их профиль с опущенным капотом и приподнятым багажником являет собой антикрыло – то есть аэродинамическую поверхность с отрицательной подъемной силой. Они достаточно устойчивы на дороге.

Разницу легко увидеть, если вы постоянно ездите на седане, а потом вдруг пересели на классический джип. Джип будет вести себя как кирпич на колесах. Что не скажешь о седане.

Однако, кроме устойчивости, важны и экономические показатели. Мы уже рассказывали, как экономить топливо в автомобиле . Аэродинамика тут — один из важнейших факторов, влияющих на расход.

Оптимальным с точки зрения аэродинамики является движение твердого тела в ламинарном (то есть равномерном потоке) без образования турбулентностей.

Турбулентность- это завихренность встречного потока. Ясное дело, что вихри не берут энергию с небес, а отнимают ее от скорости движущегося тела.

Поэтому, не очень логична концепция хэтчбеков, особенно с вертикальной задней панелью. В этом месте происходит срыв воздушного потока с кузова и образование мощного вихря, который существенно отнимает скорость. Будь там багажник, как у седана, то поток бы облизывал кузов и мощность его терялось бы.

За быстро движущимся телом с обрезанной задней панелью возникает так называемая дорожка фон Кармана, состоящая из цепочки вихрей, питающихся за счет вашей скорости. Чем быстрее вы будете ехать, тем больше скорости будет отнимать у вас эта дорожка.

На аэродинамические показатели оказывает влияние множества факторов. Прежде всего – это боковые зеркала . Они стоят перпендикулярно набегающему потоку и образуют вихри. Но без зеркал ездить нельзя. От них не отказаться. А вот сделать их аэродинамической формы вполне возможно!

Езда с открытыми окнами увеличивает расход бензина минимум на 10 % . Обтекая машину, ламинарный поток обнаруживает полости, и в окнах возникают вихри, гасящие скорость.

Даже привычные накладки на окна вредны для езды, поскольку на их кромках создается срыв воздушного потока и образование вихрей.

Ну и как итог, отметим, что идеальной с точки зрения аэродинамики является гладкое каплевидное тело без выступающих частей. Правда это не всегда возможно.

Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/inznan/aerodinamika-avtomobilia-chto-budet-interesno-uznat-5fbf56e89e832457053b9463

Влияние аэродинамики кузова на потребление топлива

Движению автомобиля препятствуют несколько факторов. Во-первых, ему мешает сопротивление качению – это сила, которая приложена в точках контакта колес с дорожным покрытием и направлена противоположно вектору скорости. Вторая сила – это аэродинамическое сопротивление со стороны воздуха. От аэродинамических свойств зависит, сколько энергии требуется потратить на «проталкивание» автомобиля сквозь воздух. Поэтому аэродинамика транспортных средств влияет, в том числе и на расход топлива.

Впервые влияние аэродинамики на максимальную скорость авто и расход топлива заметили еще на заре автомобилизма. В начале ХХ века появились автомобили с кузовами, напоминающими торпеды или капли. С тех пор объем знаний об аэродинамике значительно увеличился – настолько, что она стала одним из самых важных факторов в процессе разработки дизайна автомобилей.

Аэродинамические свойства автомобиля и коэффициент СХ

Аэродинамическое сопротивление потоку набегающего воздуха иногда называют обтекаемостью. Это слово очень точно раскрывает истинное значение аэродинамики в области автомобилестроения. Когда говорят о небольшом аэродинамическом сопротивлении, то подразумевают, что воздух легко обтекает поверхность кузова, не встречая существенных препятствий, и не создает завихрений и зоны пониженного давления за автомобилем, которые тормозят транспортное средство.

Коэффициент аэродинамического сопротивления СХ – это условная безразмерная величина, которая показывает качество проработки аэродинамики авто. Для современных легковых автомобилей хорошим показателем считается СХ

Влияние аэродинамического сопротивления на расход топлива

Взаимодействия воздушного потока с транспортным средством – это фактор, от которого существенно зависит расход топлива. Сопротивление воздуха растет пропорционально квадрату скорости авто. Если на скорости до 10–15 км/ч оно практически не ощущается, то при движении на скорости около 60 км/ч на преодоление сопротивления воздуха тратится больше энергии, чем на сопротивление качению колес. Поэтому многие производители подчеркивают, что езда со скоростью больше 80–90 км/ч невыгодна, так как она приводит к резкому увеличению расхода топлива.

Взаимодействие между автомобилем и набегающими потоками воздуха зависит от множества нюансов. Каждая выступающая деталь, будь то большие зеркала заднего вида или дополнительная антенна на крыше, увеличивают сопротивление и расход топлива. Это относится даже к таким малозначительным, казалось бы, деталям, как открытые окна. Езда с открытыми окнами приводит к завихрению воздушных потоков, которые тормозят автомобиль. Поэтому с точки зрения топливной экономичности лучше включать кондиционер, чем открывать окна при движении на скорости более 40–50 км/ч.

Можно ли самостоятельно улучшить обтекаемость автомобиля?

Что может сделать владелец автомобиля, чтобы улучшить аэродинамику автомобиля? Строго говоря, ничего. Современные автомобили уже имеют неплохую обтекаемость, потому что автопроизводители уделяют этому вопросу много внимания. От владельца авто требуется только не испортить аэродинамику автомобиля установкой различных обвесов и дополнительных приспособлений.

Существует целая индустрия, которая занимается производством пластиковых и карбоновых обвесов для автомобилей различных марок и моделей. Многие автомобилисты увлекаются подобным тюнингом своих транспортных средств. При этом часто забывают, что большинство обвесов являются просто элементами автомобильного дизайна, которые придают автомобилю «спортивный» или «брутальный» внешний вид, но никак не улучшают обтекаемость авто. Даже наоборот: пластиковые и карбоновые элементы тюнинга во многих случаях отрицательно влияют на аэродинамические свойства автомобилей, увеличивая сопротивление воздуха и расход топлива.

Поэтому, если вам важна топливная экономичность автомобиля, и вы внимательно следите за ценами на бензин и расходами на горючее, не стоит устанавливать элементы, которые увеличивают сопротивление потоку воздуха:

дополнительные багажники и крепления на крыше авто;
спойлеры и антикрылья, кроме тех, которые одобрены автопроизводителем;
пластиковые ветровики, «мухобойки» на капот, дополнительные антенны и др.

Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/id/5b4f309e90865100a8b32ed9/vliianie-aerodinamiki-kuzova-na-potreblenie-topliva-5b5711b133c57b00ac2481f8

Автомобили с лучшей аэродинамикой | Устойчивость на дороге на высоких скоростях

Конструкторы, работающие над формой кузова, должны учитывать не только информацию инженеров, занимающихся разработкой двигателей, подвесок, дна автомобиля и изучающих зоны деформации. Аэродинамика очень важна в автомобиле, нужно все правильно рассчитать, чтобы автомобиль не взлетел, как, например, «летающий» Mercedes-Benz CLR.

Основы автомобильной аэродинамики

Задача дизайнеров — умело формировать отдельные части кузова, чтобы компенсировать зоны турбулентности и отслоения воздуха. Стоит отметить, насколько важно, чтобы различные части взаимодействовали должным образом. Только правильно подобранные соотношения между ними приводят к низкому коэффициенту сопротивления воздуха «Сх». Один из приемов, позволяющих добиться правильного обтекания крыши — это ее наклон. Увеличение наклона снижает коэффициент лобового сопротивления. Однако, когда это применяется, автомобиль имеет большую лобовую площадь, поэтому общее значение сопротивления может увеличиваться. Альтернативой является снижение линии крыши спереди и сзади, но недостатком этого будет ограничение видимости. После многих анализов некоторые конструкции этого типа запускаются в серийное производство. Самыми популярными автомобилями, использующими это решение, являются VW Passat B5 или Audi A6 C5 .

Toyota Prius III (XW30)

Приоритетом при создании автомобиля было достижение минимально возможного расхода топлива, поэтому силуэт Prius подчинен принципам аэродинамики. Клиновидная передняя часть и пологие линии крыши и двери багажного отделения делают внешний вид этого автомобиля очень футуристичным. К стилистическим «курьезам» можно отнести и разделенное заднее стекло, для улучшения обзорности в вертикальной части двери багажника установили небольшое стекло, которое, правда, довольно быстро пачкается при движении по мокрой дороге. Плюсы такой формы кузова:

Низкий расход топлива;
Маневренность;
Компактность.

Трансмиссия Prius состоит из 1,8-литрового бензинового двигателя мощностью 99 л.с. и электродвигателя мощностью 80 л.с. Суммарная мощность системы составляет 136 л.с. Эти параметры позволяют ему разгоняться с 0 до 100 км / ч за 10,4 секунды и достигать максимальных 180 км / ч. Многие водители жалуются, что гибрид воет при разгоне. На самом деле автомобиль с бесступенчатой трансмиссией ведет себя иначе, чем тот, который оснащен классическим «автоматом», но через 2-3 дня езды шум перестает беспокоить, и вы можете ощутить исключительную плавность вождения и незаметное переключение привода с электрического двигателя на двигатель внутреннего сгорания.

Opel Calibra

Конструкторам и дизайнерам Opel удалось создать не только вневременной кузов, практически не имеющий взаимозаменяемых компонентов, но и достичь мастерства в аэродинамике. Коэффициент CX составил всего 0,26! На тот момент это был лучший результат в этой области. Достоинства автомобиля:

Дизайн кузова;
Динамика;
Качество сборки.

На протяжении всего периода производства Opel Calibra предлагался с 2-литровым 8-клапанным бензиновым двигателем мощностью 115 л.с. С самого начала производства покупатели могли также приобрести версию с 2-литровым двигателем, оснащенную 16-клапанной головкой. Он имел максимальную мощность 150 л.с. В 1994 году его модернизировали, и его мощность снизили до 136 л.с. Однако этот агрегат не рекомендуется из-за часто трескающихся прокладок под головкой и даже самих головок.

В 1992 году линейка была расширена самой мощной версией с 2,0-литровым двигателем с турбонаддувом мощностью 204 л.с. Автомобиль оснащался 6-ступенчатой механической коробкой передач и полным приводом. Calibra 2.0 Turbo 4×4 разгоняется до 100 км / ч за 6,8 с.

Hyundai Sonata VI (YF)

Кабина Hyundai Sonata длиной 4,8 м (с колесной базой 2,73 м) предлагает вместительность автомобиля среднего размера. В этой категории машину можно сравнить с Audi A6, Skoda Superb или Mercedes E-Class, она просторнее своих конкурентов из Японии. Низкая крыша и обтекаемый передний бампер обеспечивают неплохую аэродинамику. Какие есть двигатели?

Автомобиль на вторичном рынке можно приобрести с одной из трех версий двигателя. Каждый предлагает что-то совершенно другое, основной двигатель бензин с объемом 2,0 литра и 150 л.с. На холостом ходу, расходует достаточно топлива (10-14 л / 100 км). По данным каталога, до сотни разгоняется за 8,9 секунды, но в сочетании с АКПП кажется вялой.

Opel Astra K

В 1989 году Opel представил миру Calibra , спортивное купе с сенсационным Cx-фактором 0,26 . Этот результат, как показала история, нелегко достичь, потому что такие проблемы, как безопасность автомобиля, его ходовые качества, охлаждение его отдельных компонентов или конструкция, ограничивают снижение коэффициента. Но благодаря современным техническим мерам его можно улучшить, это доказали инженеры Opel, представив Astra K. Размеры нового кузова:

Длина 4370 мм.;
Ширина 1809 мм.;
Высота 1485 мм.

Полностью активная заслонка оказывает значительное влияние на аэродинамику автомобиля, поскольку ее роль заключается в закрытии как верхней, так и нижней части решетки радиатора. Интеллектуальный механизм управляет независимым открытием и закрытием нижних и верхних воздухозаборников с учетом тепловых, электрических и аэродинамических факторов. Таким образом, это должно привести к снижению расхода топлива. Например, снижение сопротивления воздуха на 10% может снизить расход топлива примерно на 2% или до 5% при движении со скоростью 130 км / ч. Кроме того, более низкое аэродинамическое сопротивление должно положительно сказаться на уровне шума, производимого автомобилем при движении на более высоких скоростях.

Как утверждают представители Opel, такой способ только кажется простым. Полностью активные заслонки передних воздухозаборников требуют внимания ко многим другим элементам. Инженеры должны были учитывать не только внешний вид транспортного средства и его конструкцию, тип двигателя и трансмиссии, тепловое управление этими компонентами и, конечно же, необходимость охлаждения.

BMW 3-й серии (E90)

BMW 3 серии E90 получил титул мирового автомобиля 2006 года. Этот автомобиль можно назвать мостом между современной и классической моторизацией, потому что здесь мы можем найти безнаддувные бензиновые агрегаты, а также современные двигатели с системой Twin-Turbo. Дизайн – одна из особенностей этого автомобиля. Он имеет низкую крышу и наклон лобового стекла, что придает аэродинамичности кузову (Сх = 0,26). Но у автомобиля есть и минусы:

Электроника;
Хрупкая подвеска;
Нужно часто заменять масло (каждые 5-7 тыс. км.).

Это относительно невысокий автомобиль с короткой колесной базой, поэтому места в нем достаточно. Для водителя такой клиренс может быть преимуществом, потому что он чувствует «совместимость» с автомобилем. Пассажиры заднего ряда сидений будут иметь много место над головой и для коленей. Багажники: средние, но красиво отделанные и практичные.

Mercedes CLA I

По данным Mercedes, модель бренда, CLA, является самым аэродинамичным серийным автомобилем в мире. Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля составляет 0,22. Еще несколько плюсов:

Ходовые качества;
Дизайн салона;
Качество сборки.

По словам Mercedes, аэродинамика имеет ключевое значение. Версия BlueEfficiency отличается, среди прочего, дополнительным спойлером под передним бампером, измененная форма наружных зеркал, регулируемая решетка радиатора. Все эти элементы регулируют потоки воздуха, обтекающие кузов, таким образом, чтобы аэродинамическое сопротивление было как можно более низким.

По словам немецких инженеров, коэффициент лобового сопротивления составляет 0,22. Для сравнения: Toyota Prius достигает значения 0,25.

Динамика в сочетании с продуманной 7-ступенчатой коробкой передач с двойным сцеплением заслуживает наивысших оценок. Двигатель 220 имеет не только большую мощность (190 л.с.), чем C200-Class, но и более высокий крутящий момент (300 Нм), доступный уже при 1800 об / мин. Мотор разгоняет машину до сотни за 7 секунд.

Mazda 3

В рамках фейслифтинга бензиновый двигатель объемом 2 литра получил 6-ступенчатую механическую коробку передач, был представлен 2-литровый турбодизель мощностью 143 л.с., а перечень оборудования пополнилась бесключевой и аудиосистемой с жестким диском и возможностью чтения мр3 файлов. Также были улучшены жесткость кузова и аэродинамика, она дает автомобилю:

Низкий расход (5,8 л.);
Маневренность;
Разгон от 0 до 100 за 10.6 с.;
Тишину в салоне.

Только после знакомства с кузовом автомобиля мне удалось заметить небольшое изменение переднего бампера, при котором большая характерная решетка радиатора имеет закругленные углы в верхней части. Кроме того, галогенные фары теперь круглые, а нижний край бампера имеет оптимизированную с точки зрения аэродинамики форму. С помощью нескольких простых мер инженерам удалось снизить коэффициент сопротивления воздуха, в результате чего немного снизился расход топлива.

Infiniti Q50 I

Стилистически Infiniti Q50 выглядит действительно красиво. Автомобиль пропорционален, с острыми чертами спереди и по бокам кузова. Кроме того, он отличается аэродинамическим карбоновым спойлером. В свою очередь характерная решетка радиатора, фары и воздухозаборники в переднем бампере говорят о том, что мы имеем дело с компанией Infiniti. Цена на вторичном рынке начинается от 1 300 000 рублей. Возможно, кто-то спросит: почему так дорого? Потому что автомобиль имеет:

Двигатель 3.0 мощностью 405 л.с.;
Полный привод;
Багажник объемом 500 литров.

Контур кузова обеспечивает отличные аэродинамические характеристики, помогая плавно направлять воздушный поток вокруг верхней части кузова и под автомобилем. Результат — чрезвычайно низкий коэффициент лобового сопротивления 0,26, а кроме того, Q50 имеет почти нулевую подъемную силу для передней и задней части автомобиля, что значительно улучшает устойчивость при быстрой езде.

Сама кабина также хорошо выглядит визуально и практически. Возможно, дизайн не впечатляет, но все это сделано из качественных материалов. Еще одно преимущество — простое и эргономичное управление бортовыми устройствами, которое осуществляется с помощью двух сенсорных дисплеев.

Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/id/5e4b9492fc020165b28c294c/avtomobili-s-luchshei-aerodinamikoi—ustoichivost-na-doroge-na-vysokih-skorostiah-5fc04cc8c9a19d0e1ca6bbd6