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
Что такое коэффициент лобового сопротивления автомобиля?
Внешний вид и форма кузова ответственны за притяжение взглядов покупателей, однако они неразрывно связаны с таким понятием как коэффициент лобового сопротивления, о котором задумываются при проектировании каждого автомобиля. Этот параметр имеет прямое влияние на максимальную скорость, управляемость, расход топлива и другие потребительские свойства автомобиля. Так что же это за зверь такой?
Что такое коэффициент лобового сопротивления?
Это величина, для определения силы сопротивления, действующей на объект при движении сквозь жидкость. В нашем случае в качестве объекта выступает автомобиль, движущийся сквозь воздух, который «сопротивляется» этому процессу и оказывает воздействие на автомобиль, стараясь его замедлить или и вовсе остановить.
Для автомобиля это значит, что при движении ему придется сопротивляться воздействию среду, которое зависит от конструкции и формы автомобиля, а также от скорости движения. Сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости.
Чем выше коэффициент лобового сопротивления, тем большее воздействие оказывает среда на автомобиль на высоких скоростях, усложняя управлением им и увеличивая расход топлива.
Основной вклад в сопротивление делает передняя часть автомобиля. Однако чрезмерное снижение лобового сопротивления при проектировании может привести к обратному эффекту, подъемная сила станет слишком высокой, что также негативно повлияет на управляемость.
Большинство серийных автомобилей имеют коэффициент лобового сопротивления от 0.25 до 0.3, для крупных авто и кроссоверов значения немного выше — от 0.35 до 0.45.
Как не удивительно, но самые спортивные и гоночные автомобили обладают гораздо худшим лобовым сопротивлением. Гоночные болиды Формулы 1 или Caterham Seven имеют большее сопротивление чем «квадратный» Hummer H2. Так для Формулы 1 характерны значения между 0.7 и 1.1 в зависимости от настроек, трассы и тактики на гонку. Выше упомянутый Hummer H2 может похвастаться коэффициентом равным 0.57.
Причиной этого является необходимость создания значительной прижимной силы для прохождения поворотов на высоких скоростях. Чем выше прижимная сила, тем на большей скорости автомобиль сможет пройти поворот, однако это уменьшит максимальную скорость и ухудшит разгонную динамику.
Стоит отметить, что даже незначительные изменения в автомобиле оказывают на значение коэффициента лобового сопротивления. Например, самым обтекаемым серийным автомобилем принято считать Mercedes-Benz CLA 180 BlueEfficiency с коэффициентом 0.22. Такое значение верно только для одной конкретной модификации автомобиля.
Пятерка автомобилей с самым низким коэффициентом лобового сопротивления на сегодня выглядит так:
Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/id/5a39288ba815f15686560787/chto-takoe-koefficient-lobovogo-soprotivleniia-avtomobilia-5beaaa2fe5e0c100aa67a166
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