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 м 2 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.
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.
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.
Источник статьи: http://autoleek.ru/nesushhaja-sistema/kuzov-avtomobilja/aerodinamicheskoe-soprotivlenie-avtomobilya.html
Лобовое сопротивление автомобиля расчет
Аэродинамический расчет автомобиля сводится к определению необходимой для преодоления сопротивления воздушной среды мощности двигателя. Мощностный баланс автомобиля при установившемся движении
где Ne, Nw — соответственно мощности двигателя и мощности, затрачиваемые на преодоление сопротивлений воздуха и дороги; ɳT — к. п. д. трансмиссии.
При аэродинамическом расчете необходимо определить величину Nw, которая, в свою очередь, может быть представлена как мощность, затрачиваемая на пять составляющих сопротивлений воздуха: Nф — формы; Nд— добавочного; NB — внутреннего; NT — поверхностного трения; NИ— индуктируемого. Тогда
Величина внешнего аэродинамического сопротивления, представляющего собой сумму Nф, NT и NИ, составляет в среднем около 73% общей величины сопротивления воздушной среды и может быть получена при аэродинамических испытаниях упрощенной модели автомобиля, лишенной всех атрибутов, вызывающих внутреннее и добавочное сопротивления. Внешнее аэродинамическое сопротивление можно также получить расчетом на основании результатов испытаний других автомобилей. К сожалению, аналогичный материал по добавочным и внутренним сопротивлениям еще очень скуден и поэтому целесообразно принять
где kдв — безразмерный коэффициент, отражающий дополнительные затраты мощности на добавочные и внутренние сопротивления, которые не были учтены при испытаниях моделей.
Для испытаний моделей легковых автомобилей, выполненных из стеклопластика в масштабе 1/5 без имитации нижней поверхности и невращающихся колесах, способом продувки над неподвижным экраном, можно принять среднюю величину 1,37.
Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздушной среды,
где сх — коэффициент лобового сопротивления модели.
Если скорость v автомобиля относительно воздуха принята в км/ч, коэффициент kдв(схϱ/2)=k и необходимая мощность Nw в л. c., то
В процессе проектирования нового автомобиля его приближенный аэродинамический расчет можно выполнить не только до изготовления опытных образцов, но и до исполнения и испытания моделей. Для этого необходимо дать аэродинамическую оценку основных элементов нового автомобиля по сравнению с существующими конструкциями. Таким образом, данный метод расчета можно использовать на самой ранней стадии проектировании — при художественном конструировании автомобиля, чем предостеречь дизайнеров от грубых ошибок с точки зрения аэродинамики.
В настоящее время наибольший материал накоплен по аэродинамике легковых автомобилей с жестким закрытым кузовом, у которых решающее влияние на аэродинамическое сопротивление оказывает форма пяти основных элементов кузова: передней части в плане; передней части в виде сбоку; ветрового стекла; задней части кузова; основания кузова.
Наиболее распространенными элементами в конструкции кузовов современных легковых автомобилей являются следующие: передняя часть в плане со скругленными углами, имеющими выступы; передняя часть в виде сбоку со скругленной формой средней высоты, понижающейся в направлении вперед; капот, составляющий одну форму с крыльями, закругленными вверху; ветровое стекло в плане сильно скругленное, почти полукруглое; верхняя граница ветрового стекла скругленная; крыша в плане, несколько сужающаяся вперед и назад от зоны средней стойки или имеющая постоянную ширину; скругленный переход от крыши к заднему стеклу и от багажника к задней панели или грань в месте перехода крыши и заднего ската; задняя часть кузова в плане, слегка сужающаяся назад или имеющая постоянную ширину; цельный пол с выступающими деталями механизмов.
Схематическое изображение такого осредненного современного легкового автомобиля дано на рис. 110, а. Величина коэффициента лобового сопротивления для этого автомобиля сх≈0,40. (Здесь и далее значения сх— для автомобиля в натуральную величину).
Улучшения формы отдельных элементов кузова позволят добиться снижения коэффициента лобового сопротивления. Если убрать выступы в передней части автомобиля в плане, то это позволит снизить сх на 0,01. Увеличение радиуса закругления углов может дать дальнейшее понижение сх на 0,01. Наоборот, переход в передней части к прямым линиям со скошенными углами повысит
cx на 0,01, а прямоугольная форма передка постоянной ширины увеличит сх на 0,02.
Переход к прямоугольной форме средней высоты в виде сбоку увеличит сх на 0,01, а высокая прямоугольная форма с горизонтальным капотом — на 0,02. В передней части низкие крылья (вид спереди) уменьшают сх на 0,01, а прямоугольные— увеличивают на 0,01. Ветровое стекло, закругленное по бокам, повышает сх на 0,01, изогнутое по дуге — на 0,02, а плоское — на 0,03.
Рис. 110. Формы кузовов легковых автомобилей:
а — наиболее распространенная; б—наиболее обтекаемая; в—наименее обтекаемая
Отсутствие скругления в месте перехода от ветрового стекла к крыше увеличивает сх на 0,01. Сужение крыши в плане спереди назад снижает сх на 0,01.
Наибольшее разнообразие форм встречается при различном выполнении стыка крыши и багажника. У кузова типа «универсал» имеет место увеличение сх на 0,01. Угловатые формы перехода уменьшают сх на 0,01 за счет снижения величины подъемной силы и связанного с ней индуктируемого сопротивления. Переход типа «полуфастбек» (плавно понижающаяся назад с изломом линия -крыши) снижает сх на 0,02, а переход «фастбек» — на 0,03.
Увеличение сужения в плане в задней части кузова уменьшает сх на 0,01. Применение в основании кузова цельного плоского пола с незначительно выступающим деталями механизма позволяет понизить сх на 0,02, а рамная конструкция с высокими лонжеронами — повысить сх на 0,02.
Таким образом, если взять все лучшие элементы, то можно получить для автомобиля, имеющего форму, показанную на рис. 110, б, коэффициент лобового сопротивления сх≈0,29. Наоборот, выбор наихудших элементов даст конструкцию (рис. 110, в), для которой сх≈0,51. Для всех промежуточных форм, полученных при различных сочетаниях приведенных элементов,
Добавочные сопротивления, возникающие при установке на автомобиль различных выступающих деталей могут очень сильно увеличить сопротивление воздуха Величины ∆сх при наличии перечисленных выступающие деталей будут следующими:
Таким образом, с учетом добавочных сопротивлений сх необтекаемого легкового автомобиля (рис. 110, в) может возрасти до 0,7. В табл. 7 для сравнения приведены значения коэффициентов лобового сопротивления сх, полученные расчетным путем и в результате испытаний легковых автомобилей, показанных на рис. 111.
Как видим, максимальная величина погрешности (см. табл. 7) при расчетном определении коэффициента сх не превышает ±7,5%, а средняя абсолютная величина погрешности ±3,39%.
Рис. 111. Легковые автомобили с различными лобовыми сопротивлениями
Источник статьи: http://carlines.ru/modules/Articles/article.php?storyid=78