Уменьшение аэродинамического сопротивления автомобиля

Снижение аэродинамического сопротивления автомобиля

Наибольшую долю в сопротивлении движению легкового автомобиля по горизонтальному участку дороги с высокой скоростью составляет аэродинамическое сопротивление, сила которого растет пропорционально квадрату скорости. Ясно, что снижение этого сопротивления оказывает значительное влияние на уменьшение расхода топлива. Поэтому в настоящее время улучшению аэродинамических свойств автомобиля придается большое значение.

Аэродинамическое сопротивление автомобиля можно уменьшить главным образом путем сокращения величины коэффициента аэродинамического сопротивления C_x .

Важность этого коэффициента известна с самых первых шагов развития автомобильного транспорта. Уже первый автомобиль, превысивший рубеж 200 км/ч — паровой автомобиль Стенли 1906 г., имел кузов, обладавший, если можно так выразиться, некоторыми намеками на аэродинамическую форму, поскольку он напоминал перевернутую килем вверх лодку. Аэродинамические формы кузова в то время детально изучал в испытательных трубах профессор В. Камм, однако все они были мало технологичны и представляли собой чисто гипотетические модели. Ближе к практике были формы кузовов, которые разрабатывал П. Джерей; они, в частности, были использованы при создании гоночных автомобилей «Ява».

На чехословацком автомобильном заводе «Татра» с помощью испытаний в аэродинамической трубе был разработан один из самых передовых по тем временам кузов автомобиля «Татра 87», производство которого началось в 1936 г. Это был первый серийно выпускавшийся автомобиль с действительно аэродинамической формой кузова. Достигнутый на нем коэффициент аэродинамического сопротивления C_x = 0,32 позволил автомобилю массой 1900 кг с двигателем мощностью 54 кВт развить скорость 160 км/ч.

Автомобильный завод «Виков», как и предприятия «Шкода», «Збройовка Брно» и «Вальтер», также создали единичные экземпляры автомобилей с аэродинамическими формами кузова, применяли их при подготовке гоночных машин, но не смогли обеспечить серийное производство.

Первые аэродинамические кузова имели цель снизить, главным образом, лобовое сопротивление автомобиля. Позднее выяснилось, что необходимо обеспечить также его аэродинамическую устойчивость; это принесло с собой как новые проблемы, так и новые знания. Отличие аэродинамики автомобиля от аэродинамики самолетов состоит в том, что автомобиль движется по твердой поверхности и приводится в движение колесами. Необходимо поэтому принимать во внимание так называемое всплывание (приподнимание) и опрокидывание автомобиля аэродинамическими силами, а также влияние бокового ветра на устойчивость автомобиля при его движении. В этой книге основное внимание обращается на снижение аэродинамического сопротивления автомобиля; проблемы же его аэродинамической устойчивости представляют самостоятельный интерес и здесь подробно не рассматриваются.

В коэффициенте Cx отражается несколько видов аэродинамического сопротивления:

• сопротивление формы, вызываемое перепадом давления воздуха на поверхности кузова (50—80 %);
• сопротивление трения воздуха о поверхность кузова (3—10 %);
• внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через системы охлаждения двигателя, отопления и вентиляции кузова (10—20 %);
• сопротивление, возникающее за счет завихрения воздуха при вращении колес (5 %).

На сопротивление воздуха оказывают большое влияние различные углубления (например, окна) и выступы на кузове, молдинги, зеркала заднего вида, фары, стеклоочистители и т. д. Влияние этих деталей трудно определить на мелкомасштабных моделях при их продувке в трубе, поэтому сегодня преимущество отдается измерениям, проводимым при продувке реальных автомобилей в больших аэродинамических трубах.

Утилизация, даже частичная, потерь, связанных с аэродинамическим сопротивлением, практически невозможна. Теоретически можно было бы использовать трение воздуха о поверхность кузова, например, для отвода теплоты от двигателя. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости воздуха, обтекающего горячую поверхность, но трение не зависит от температуры этой поверхности. Внешняя поверхность кузова должна в таком случае заменить поверхность радиатора. Практическое осуществление такой системы связано, однако, с большими трудностями, так как горячая поверхность кузова могла бы служить источником ожогов, а летом в автомобиле была бы слишком высокая температура. Но есть такие части автомобиля, которые можно было бы использовать в качестве замены радиатора. Для этой цели могла бы служить нижняя часть кузова, но она больше всего подвержена повреждениям, загрязнению и коррозии. На предприятии «Татра» в г. Копршивнице была сделана попытка разместить масляный радиатор на днище кузова. С функциональной точки зрения, такое решение соответствовало всем требованиям, однако надежность его была весьма низкой, так как постоянно существовала опасность повреждения камнями трубок радиатора и утечки масла. Аналогичные опыты проводились на гоночных автомобилях и спортивных самолетах, у которых для охлаждения использовалась поверхность крыльев.

Читайте также

Двухтопливная (метан плюс бензин) «Lada Vesta CNG» – очень выгодное предложение, единственным недостатком которого по сути является меньший объём багажника. Кроме того, сама «Vesta» имеет более богатую начальную комплектацию чем конкуренты.

В статье рассмотрены преимущества и недостатки двигателей внутреннего сгорания в зависимости от таких параметров, как диаметр цилиндра, ход поршня и объём камеры сгорания.

Источник статьи: http://icarbio.ru/articles/snizhenie-ajerodinamicheskogo-soprotivlenija-avtomobilja.html

Уменьшение аэродинамического сопротивления автомобиля

4.6. Снижение аэродинамического сопротивления грузовых автомобилей

Большая площадь фронтальной проекции и прямоугольная, плохо обтекаемая форма кузова грузового автомобиля и автобуса способствуют возникновению значительного аэродинамического сопротивления. Данный факт особенно важен, если учесть, что современная перевозка грузов требует больших скоростей, при которых это сопротивление еще больше возрастает.

Максимальная площадь фронтальной проекции грузового автомобиля или автопоезда ограничена соответствующими национальными и международными правилами и стандартами и обычно полностью используется. При этом кузова грузовых автомобилей и полуприцепов по размерам значительно превышают кабину автомобиля тягача, и, в частности, различие их высот оказывает отрицательное воздействие на процесс обтекания автопоезда воздухом. В Европе наиболее часто используются прицепы и особенно полуприцепы с высотой 3,6-3,8 м. Ширина их в соответствии с правилами дорожного движения большинства стран не должна превышать 2,5 м. Такой полуприцеп с острыми ребрами превышает тягач как по высоте, так и по ширине и нарушает безотрывное аэродинамическое обтекание всей системы «тягач — полуприцеп».

Еще одним фактором, ухудшающим обтекаемость, является широкий зазор между тягачом и прицепом. При движении в нем возникает сильное завихрение, вызывающее срыв воздушного потока, в особенности при боковом ветре.

Поэтому у таких грузовых автопоездов, имеющих большую полную массу, а также большую площадь фронтальной проекции, аэродинамическое сопротивление и сопротивление качению становятся одинаковыми при скорости порядка 80 км/ч. Коэффициент сх этих автопоездов достигает больших значений, главным образом из-за плохо обтекаемой формы. На рис. 25 приведены значения коэффициента с_х в зависимости от угла между направлением воздушного потока и продольной осью автомобиля (угла натекания) для грузового автомобиля с прицепом А, для седельного тягача с полуприцепом Б и автобуса В. Более обтекаемая форма автобуса без боковых зазоров, острых граней и ступеней менее подвержена влиянию бокового воздушного потока. Улучшению аэродинамики грузовых автомобилей и автопоездов в настоящее время уделяется повышенное внимание, так как без больших изменений можно снизить расход топлива на 8-10 %, что очень важно для экономичной транспортировки грузов. Исследования в аэродинамических трубах показывают, что перекрыванием зазоров между различными по высоте кабиной тягача и кузовом полуприцепа при одновременном улучшении формы кузова можно снизить аэродинамическое сопротивление предельно на 48 %. Однако на практике этот максимум недостижим. У обычного седельного автопоезда с_х = 0,8; установка аэродинамического щитка на крыше тягача улучшает его до 0,56, а полное перекрывание всех зазоров, устраняющее очаги завихрений, — до 0,48.

Рис. 25. Влияние угла натекания воздушного потока γ на коэффициент с_х

Основное внимание специалистов сосредоточено на аэродинамическом щитке, устанавливаемом на крыше тягача, который можно приспособить для полуприцепов различной высоты, меняя его угол наклона. Сравнительно небольшой щиток отклоняет воздушный поток таким образом, что он без завихрений переходит на обтекание крыши полуприцепа.

Важным является также обтекание нижней части грузового автомобиля, весьма ступенчатой и имеющей разновысокие выступы. Необходимо поэтому ограничить расход воздуха под автомобилем, что достигается при помощи переднего спойлера, установка которого в отличие от легкового автомобиля имеет целью, главным образом, уменьшение аэродинамического сопротивления. Спойлер устанавливается под передним бампером по всей ширине автомобиля так, чтобы его нижняя грань перекрывала нижнюю точку передней оси. На рис. 26 показано изменение с_х седельного тягача с полуприцепом в зависимости от направления воздушного потока у при использовании аэродинамического щитка и переднего спойлера, полученное в результате исследований фирмой МАН (ФРГ) [4]. Несмотря на то, что доля тягача в общем аэродинамическом сопротивлении увеличивается, само оно значительно снижается — до с_х = 0,5. Главной причиной такого снижения является уменьшение сопротивления полуприцепа.

Рис. 26. Улучшение коэффициента с_х седельного тягача (А — одиночного; Б — с полуприцепом) при использовании спойлеров и обтекателей: а — исходное состояние без спойлеров и обтекателей; б — со спойлерами и обтекателями

Большие аэродинамические потери вызывает завихрение воздуха в зазоре между автомобилем и прицепом. У обычного прицепного автопоезда (грузового автомобиля и прицепа) общий с_х = 0,76. Скруглением вертикальных ребер прицепа на его передней стороне можно достичь улучшения с_х на 5,5 %. Дальнейшим путем снижения с_х является установка вертикального стабилизатора потока на передней стенке кузова прицепа. Этот стабилизатор разделяет пространство между автомобилем-тягачом и прицепом на две части и ограничивает завихрение. В результате с_х снижается на 6,5 %.

Одновременной установкой стабилизатора и скруглением ребер достигается улучшение с_х на 10%. Еще большего улучшения — до 12 % — достигают полным закрыванием зазора между автомобилем и прицепом. Упругое соединение, сгибающееся при прохождении поворота, обеспечивающее быстрое расцепление автопоезда и сохраняющее гладкую поверхность кузова, позволяет получить еще 2 % улучшения с_х.

Описанными выше мерами можно уменьшить суммарное аэродинамическое сопротивление на 25-27 %, что дает экономию топлива до 6-8 %.

Для дальнейшего снижения значений с_х при высоких скоростях автомобилей необходимо понижать переднюю часть кузова, и, если возможно, заднюю. Такой метод был проведен на экспериментальном автомобиле «Форд Проба IV», у которого переднюю часть кузова постепенно опускали, изменяя дорожный просвет от 155 до 25 мм, что вызвало улучшение с_х до 0,157 при измерениях, проведенных на реальном автомобиле в аэродинамической трубе фирмы «Пинин Фарина».

Путем применения специальных шарикоподшипников на вертикальных шарнирах передней подвески «Макферсон», наклона двигателя на 70° и размещения радиатора за задними колесами удалось достичь требуемого снижения передней части автомобиля.

Источник статьи: http://motorzlib.ru/books/item/f00/s00/z0000031/st019.shtml

Аэродинамика автомобиля

Зачем это нужно

Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:

• рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
• обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
• продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
• стремятся понизить уровень шумов в салоне,
• оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.

Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.

Снижение лобового сопротивления

От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient – коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».

Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:

• внутреннего сопротивления при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
• сопротивления трения воздушных потоков о внешние поверхности кузова и
• сопротивления формы.

Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.

Передняя часть и боковые поверхности автомобиля особых хлопот конструкторам в плане аэродинамики не доставляют. Здесь главное – избегать резких переходов и выступов, предотвращая тем самым отрыв воздушного потока от поверхности кузова.

А вот с задней частью кузова все гораздо сложнее. Как нетрудно догадаться, наименее аэродинамичными являются универсалы – их форма меньше всего напоминает идеальную «каплю». За их обширным «задком» образуется внушительная зона разряжения, которая не только снижает Сх, но и «засасывает» пыль и грязь, оседающую на заднем стекле. Немного уменьшить ее вредное воздействие можно с помощью установки дефлектора на верху пятой двери. Он направляет часть воздушного потока вниз, снижая разряжение и уменьшая загрязнение.

Не все просто и с хэтчбеками, хотя, на первый взгляд, их форма кажется наиболее обтекаемой. Впечатление обманчиво – яркий пример непредсказуемости аэродинамики. Сх хэтчбеков зависит от угла наклона задней части. При большом угле наклона (а таких моделей большинство) процесс обтекания практически не отличается от универсалов – воздушный поток отрывается от верхней кромки крыши и создает значительную зону разряжения.

С уменьшением угла наклона до 30-35 градусов точка отрыва потока перемещается на нижнюю кромку задней части. Казалось бы, зона разряжения и, соответственно, Сх должны уменьшиться. Но, как это на первый взгляд ни парадоксально, происходит все наоборот. Дело в том, что в этом случае воздушные потоки с боков кузова, попадая на наклонную поверхность, образуют кромочные вихри, которые, закручиваясь по спирали, создают за автомобилем еще большую зону разряжения. Борются с этим явлением с помощью спойлера, устанавливаемого на кромке крыши. При этом точка отрыва потока перемещается с нижней кромки задней части на верхнюю, что предотвращает образование кромочных вихрей и несколько улучшает общую аэродинамику.

А вот если уменьшить наклон «задка» до 20-23 градусов, воздушный поток с крыши почти идеально обтекает автомобиль, отрываясь от нижней кромки. При этом кромочные вихри уже не образуются, и зона разряжения получается минимальной. Но такие автомобили теряют в практичности и поэтому среди серийных моделей их совсем немного.

Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.

Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.

Прижимная сила

При движении автомобиля поток воздуха под его днищем идет по прямой, а верхняя часть потока огибает кузов, то есть, проходит больший путь. Поэтому скорость верхнего потока выше, чем нижнего. А согласно законам физики, чем выше скорость воздуха, тем ниже давление. Следовательно, под днищем создается область повышенного давления, а сверху – пониженного. Таким образом создается подъемная сила. И хотя ее величина невелика, неприятность состоит в том, что она неравномерно распределяется по осям. Если переднюю ось подгружает поток, давящий на капот и лобовое стекло, то заднюю дополнительно разгружает зона разряжения, образующаяся за автомобилем. Поэтому с ростом скорости снижается устойчивость и автомобиль становится склонен к заносу.

Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.

Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.

Практическая аэродинамика

Выполнение нескольких несложных правил позволит вам получить экономию из воздуха, снизив расход топлива. Однако эти советы будут полезны только тем, кто часто и много ездит по трассе.

При движении значительная часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления воздуха. Чем выше скорость, тем выше и сопротивление (а значит и расход топлива). Поэтому если вы снизите скорость даже на 10 км/ч, сэкономите до 1 л на 100 км. При этом потеря времени будет несущественной. Впрочем, эта истина известна большинству водителей. А вот другие «аэродинамические» тонкости известны далеко не всем.

Расход топлива зависит от коэффициента лобового сопротивления и площади поперечного сечения автомобиля. Если вы думаете, что эти параметры заложены на заводе, и автовладельцу изменить их не под силу, то вы ошибаетесь! Изменить их совсем несложно, причем можно добиться как положительного, так и отрицательного эффекта.

Что увеличивает расход? Непомерно «съедает» топливо груз на крыше. И даже бокс обтекаемой формы будет отнимать не менее литра на сотню. Нерационально сжигают топливо открытые во время движения окна и люк. Если перевозите длинномерный груз с приоткрытым багажником — тоже получите перерасход. Различные декоративные элементы типа обтекателя на капоте («мухобойки»), «кенгурятника», антикрыла и других элементов доморощенного тюнинга хоть и принесут эстетическое наслаждение, но заставят вас дополнительно раскошелиться. Загляните под днище — за все, что провисает и выглядывает ниже линии порога, придется доплачивать. Даже такая мелочь, как отсутствие пластиковых колпаков на стальных дисках, повышает расход. Каждый перечисленный фактор или деталь по отдельности увеличивают расход не на много — от 50 до 500 г на 100 км. Но если все суммировать, «набежит» опять же около литра на сотню. Эти расчеты справедливы для малолитражных автомобилей при скорости 90 км/ч. Владельцы больших автомобилей и любители блльших скоростей делайте поправку в сторону увеличения расхода.

Если выполнить все вышеперечисленные условия, мы сможем избежать излишних трат. А можно ли еще снизить потери? Можно! Но это потребует проведения небольшого внешнего тюнинга (речь идет, конечно, о профессионально выполненных элементах). Передний аэродинамический обвес не дает воздушному потоку «врываться» под днище автомобиля, накладки порогов прикрывают выступающую часть колес, спойлер препятствует образованию завихрений за «кормой» автомобиля. Хотя спойлер, как правило, уже включен в конструкцию кузова современного автомобиля.

Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.

Источник статьи: http://avtonov.info/ajerodinamika-avtomobilja