Обтекаемая форма кузова
Когда автомобили передвигались сравнительно медленно, казалось, что форма кузова не влияет на скорость и расход топлива. При переходе же к более высоким скоростям положение изменилось: потребовалась преодолевать значительное сопротивление воздуха.
Ураганный ветер, который валит деревья, срывает с домов крыши, имеет скорость около 100 километров в час. При движении автомобиля в безветренную погоду со скоростью 100 километров в час неподвижный воздух, через толщу которого проходит автомобиль, давит на кузов с силой, равной силе ураганного ветра.
Чтобы преодолеть сопротивление воздуха, автомобилю приходится отдавать большую часть своей мощности. «Победа», например, имея двигатель мощностью в 50 лошадиных сил и развивая скорость до 110 километров в час, расходует 5 лошадиных сил на трение в трансмиссии, 20 — на сопротивление качению шин и 25 — на сопротивление воздуха. Эти 25 лошадиных сил выброшены в полном смысле слова «на ветер».
Однако 25 лошадиных сил — это уже немного, если принять во внимание, что с необтекаемым кузовом, типичным для 10-х годов 20-го века, автомобиль расходовал бы «на ветер» не менее 65 лошадиных сил. Автомобилю с необтекаемым кузовом для достижения скорости в 110 километров в час потребовался бы двигатель с 250 лошадиными силами, что увеличило бы вес автомобиля на добрых полтонны, а расход горючего в два — два с половиной раза.
Такие соотношения станут понятными, если мы вспомним, что сопротивление воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости, а расход мощности на сопротивление воздуха — пропорционально кубу скорости движения автомобиля.
Если форма кузова не плавная, не обтекаемая, струи воздуха, срываясь с углов кузова, приобретают вихреобразное движение. Образование вихрей около кузова и трение частиц воздуха об его поверхность создают лобовое сопротивление, на которое и приходится затрачивать дополнительную мощность. Если же кузову придана обтекаемая форма, струи воздуха скользят по нему без завихрений, и расход мощности на преодоление лобового сопротивления невелик.
Обтекаемая форма не изобретена учеными, а подсказана им природой. Такую форму имеют быстродвижущиеся природные тела:
- падающая капля
- некоторые земноводные
- рыбы
- птицы
- некоторые млекопитающие
Какова же основная форма природного быстродвижущегося тела? Форма такого тела простая, удлиненная, с широкой и короткой передней частью, длинной и узкой задней. Наибольшее поперечное сечение находится примерно на расстоянии одной трети длины тела от переднего конца. Контуры — плавные, округленные, поверхность гладкая. Основные линии и уступы направлены вдоль движения, поперечные — сведены к минимуму.
Сейчас очертания автомобиля приближаются к этому идеалу. Конструкторы заглаживают поверхности и заменяют плоскости и углы легкими выпуклостями и скруглениями, убирают с поверхности и «утапливают» в корпусе кузова фары, фонари, ручки.
Но конструкторам автомобилей в начале XX века не было известно, какой же должна быть обтекаемая форма автомобиля. Поэтому первые обтекаемые машины выглядели довольно комично. Из-под дирижаблеобразного корпуса торчали колеса, рессоры, рама.
Проведенные в большом масштабе аэродинамические исследования позволили найти правильную обтекаемую форму автомобиля. Конструкторам удалось, используя результаты исследований, довести эту форму до ее сегодняшнего вида.
Высота кузова, составлявшая 40—50 лет назад около половины его длины, снизилась до одной трети. Наибольшее поперечное сечение находилось раньше в самой задней части автомобиля. В последних моделях оно делит корпус пополам, а иногда находится и в передней половине. Капот укоротился, и вся передняя часть стала более короткой и массивной.
Автомобиль не только приобрел более изящный и «стремительный» вид, более удобное расположение пассажирских сидений и механизмов, но и приблизился к желательной обтекаемой форме, обеспечивающей большую быстроту движения при меньших потерях мощности на преодоление сопротивления воздуха.
Как улучшить форму кузова?
Нельзя ли еще улучшить форму автомобиля? Можно и нужно. Исследования обтекаемости не прекращаются и дают конструкторам все новые материалы для ее улучшения. Нужно прежде всего устранить все выступающие части, как говорят, «зализать» их, закрыть обтекателями и щитками.
По данным исследований, уже одно «зализывание» поверхности может уменьшить сопротивление воздуха на 25—30 процентов. Вместо 25 лошадиных сил для преодоления сопротивления воздуха потребуется только 18. Значит, при прежнем двигателе автомобиль сможет развить в таком случае скорость уже до 135 километров в час. Для достижения же 110-километровой скорости достаточно будет двигателя мощностью в 42 лошадиные силы. Соответственно снизится и расход горючего.
Когда же форма автомобиля станет идеально обтекаемой, каплеобразной, сопротивление воздуха снизится вдвое по сравнению с теперешним.
Источник статьи: http://ustroistvo-avtomobilya.ru/kuzov/obtekaemaya-forma-kuzova/
Не обтекаемая форма 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