Аэродинамика автомобиля
Содержание статьи
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.
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.
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.
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.
| Совет | Экономия при 90 км\ч | Экономия при 120км\ч |
|---|---|---|
| Демонтировать верхний бокс | 0,98 | 1,61 |
| Демонтировать крепления для лыж | 0,61 | 1,01 |
| Закрыть окна | 0,27 | 0,44 |
| Установка переднего обтекателя | 0,24 | 0,40 |
| Закрыть люк в крыше | 0,05 | 0,08 |
| Установить колпаки на штампованные колеса | 0,05 | 0,08 |
15 машин с наилучшей аэродинамикой — журнал За рулем
От аэродинамики автомобиля напрямую зависит расход топлива, скоростные характеристики, устойчивость на дороге. У каких машин лучший коэффициент аэродинамического сопротивления? Мы сформировали топ моделей по этому показателю за всю историю автомобилестроения, а также выявили автомобили с самыми низкими коэффициентами Cx, которые можно купить сейчас — новыми или с пробегом.
Материалы по теме
Коэффициент аэродинамического сопротивления Cx может помочь сэкономить деньги или побить рекорд скорости. Ведь чем этот показатель ниже, тем лучше аэродинамика автомобиля. Значит, машина будет быстрее разгоняться и потреблять меньше топлива.Выражаясь совсем уж просто, Сx показывает, насколько легче машина рассекает воздух по сравнению с условным цилиндром, площадь поперечного сечения которого равна максимальной площади сечения автомобиля. Коэффициент Cx можно уменьшить, соответственно, уменьшив площадь поперечного сечения машины. К примеру, убрать большие зеркала заднего вида, заменив их крошечными телекамерами. Однако идеальной обтекаемостью обладает только каплевидное тело. Сx капли равен 0,04. Чем кузов автомобиля «каплевиднее», тем и коэффициент ниже. Дело тут в завихрениях, которые создает автомобиль, двигаясь вперед. За машиной возникает зона разрежения, которая как бы тянет автомобиль назад.
Чем кузов машины больше и чем он угловатее сзади, тем больше эта зона. А вот корма капли создает минимум завихрений. Поэтому Cx хэтчбеков больше, нежели Cx седанов с вытянутым багажником.
Все видели, как на гонках автомобиль вдруг взлетает, как самолет. Подъемная сила — еще одна проблема в аэродинамике. Она актуальна не только для гоночных болидов, но и для спорткаров. Чтобы снизить подъемную силу, конструкторы придумывают антикрылья (перевернутое крыло), различные спойлеры и сплиттеры. Эти элементы увеличивают прижимную силу, благодаря чему машина как будто прилипает к дороге. Но эти элементы создают за автомобилем разрежение воздуха, увеличивая коэффициент Cx. Вот поэтому коэффициент аэродинамического сопротивления спорткаров подчас выше, чем обычных гражданских машин.
Далее — подборка самых аэродинамически эффективных машин за всю историю автомобилестроения, коэффициент Cx которых ниже 0,2!
Аэродинамика автомобиля — RacePortal.
ru
ruСовременная автомобильная аэродинамика решает множество задач. Специалисты должны не только добиться минимального сопротивления воздуха, но и отследить величину и распределение по осям подъемной силы, ведь нынешние автомобили достигают тех скоростей, на которых самолеты уже отрываются от земли. Необходимо предусмотреть и доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных дисков, продумать вентиляцию салона, расположив в нужных местах отверстия для забора и вытяжки воздуха. Аэродинамика определяет уровень шумов в салоне, заботится о том, чтобы захватывающие грязь воздушные потоки не попадали на стекла, зеркала, фонари и ручки дверей. С ростом скорости не должно меняться и качество очистки лобового стекла.
В общем, круг задач необычайно широк, а решение одной проблемы тесно связано с другой: например, необходимость делать воздухозабрники для охлаждения тормозов или борьба с подъемной силой ведет к увеличению лобового сопротивления. И разобраться в этой головоломке, найти оптимум под силу лишь настоящим мастерам своего дела.
Мы же рассмотрим только два главных аспекта автомобильной аэродинамики: проблему сопротивления воздуха и прижимной силы.
Аэродинамическое сопротивление
Наверное, каждый слышал о том, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости – столь быстро нарастает противодействие движению в процессе разгона. Впечатляет, но как это соотнести с параметрами автомобиля? Для этого нужно лишь перейти в термины механической работы, и тогда получится, что отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! Только представьте, с каким трудом даются автомобилю последние десятки километров в час. В таких условиях даже значительная прибавка мощности мотора не в состоянии существенно увеличить максимальную скорость.
Таким образом, задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом.
Сила сопротивления — так рассчитывается сила аэродинамического сопротивления.
S – площадь поперечного сечения (м2), V – скорость воздушного потока (м/c), p – плотность воздуха (1,23 кг/м3), Cx — коэффициент аэродинамического сопротивления. То есть повлиять на величину силы при заданной скорости можно только двумя путями: изменив либо Cx, либо площадь S.
Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки.
А значит остается второй и единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе).
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. Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25.
Факторов, влияющих на Cx автомобиля, несколько: во-первых, это внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон, во-вторых, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, и, в-третьих, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Внутреннее сопротивление составляет около 12% от общей величины, и пока особых успехов в этой области не наблюдается: напротив, все более и более мощные моторы современных автомобилей требуют все больше воздуха для охлаждения.
Например, в пределе 300-сильный бензиновый двигатель выделяет в виде тепла около 450кВт – этого хватило бы для отопления нескольких особняков! Соответственно, растут размеры радиаторов, уплотняются моторные отсеки, увеличивается сопротивление воздуха… Существенные же улучшения здесь возможны лишь при переходе на более эффективные электродвигатели, но пока они так и остаются технологией будущего.
Красные стрелки – вектора, показывающие направление и скорость движения отдельных частиц. В данном случае они параллельны друг другу, а потому поток находится в ламинарном состоянии.
Сопротивление поверхностного трения так же вносит свой 10-процентный вклад в величину Cx. Вообще, наличие столь ощутимого трения между воздухом и кузовом может показаться странным, но оно действительно имеет место: прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с микронеровностями покрытия и тормозиться — образуется так называемый пограничный слой. Пока это течение находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое.
Но с переходом в турбулентное состояние, когда поток «спотыкается» о более крупное препятствие, и траектории его частиц становятся хаотичными, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение – воздух словно становится более вязким. Таким образом, от разработчиков в данном случае требуется обеспечение гладкости кузова, дабы пограничный слой дольше оставался ламинарым. А для этого нужно уменьшать зазоры кузовных элементов, закрывать уплотнителями щели между деталями. Помогает и придание поверхностям небольшой кривизны – прилегающий поток ускоряется, давление в нем падает, и траектории частиц упорядочиваются. К сожалению, в целях экономии этими мерами в последнее время частично пренебрегают, например, уплотнители по периметру лобового стекла или вокруг фар сейчас встретишь нечасто.
Рсопротивление давления Распределение давления воздуха на движущийся автомобиль. Красному соответствуют зоны высокого давления, синему – низкого. Обратите внимание на возникающее разряжение позади заднего стекла и, в особенности, за крышкой багажника и бампером – именно эта область главным образом и определяет аэродинамику кузова.
И чем меньше она, тем лучше.
И, наконец, сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx. Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя. Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно. Так что задача перед инженерами стояла непростая…
Ретроспектива
Первый автомобиль, преодолевший отметку в 100 км/ч (1899 г.
). Приводился в движение двумя электромоторами суммарной мощностью 67 л.с. Масса – 1000 кг. Максимальная скорость 105 км/ч.
В начале прошлого века, когда автомобили только зарождались, их скорость едва превышала 40км/ч, а форма походила на карету, об аэродинамике, естественно, не задумывались – при величине Cx около единицы те модели едва ли могли поспорить по обтекаемости даже с пресловутым кирпичом. Однако все же находились энтузиасты, уделявшие этому внимание. Главным образом, то были разработчики рекордных автомобилей и тех, что мы бы сейчас назвали «концепт-карами».
Над формой долго не думали – её перенимали из других областей техники, таких как мореплавание или авиация. Соответственно, автомобили напоминали корабли, дирижабли, торпеды и другие тела вращения. Самым же первым представителем этой плеяды была машина Камилла Дженатци, на которой сам создатель впервые в истории преодолел рубеж в 100км/ч – произошло это аж в 1899 году. Cx того автомобиля, конечно, не известен, но, учитывая немалую мощность в 67 л.
с., можно предположить, что его аэродинамика все же была далека от совершенства – сопротивление увеличивал водитель, возвышавшийся над кузовом, и совершенно неприкрытые элементы подвески и шасси.
Более удачной попыткой создать обтекаемый автомобиль стала Alfa Romeo 40-60 HP – спортивная машина 1913 года, на шасси которой был установлен кузов в форме дирижабля. Полностью укрывающий пассажиров корпус, интегрированное шасси и компактные узлы подвески позволили при мощности 70 л.с. достигать уже 139 км/ч, что свидетельствует о весьма неплохой, а по тем временам и вовсе выдающейся, аэродинамике.
Уникальность автомобиля Tropfenwagen (1921 г.) состояла не только в потрясающе низком Сх (0,28), но и необычной компоновке с W-образным 6-цилиндровым двигателем в хвостовой части. Всего было выпущено около 100 таких моделей.
Но постепенно подход к проектированию обтекаемых кузовов менялся. Опыт в самолетостроении, накопленный за время Первой мировой войны, помог разработчикам взглянуть на проблему шире — они уже не стремились просто перенять удачные с точки аэродинамики формы, а начали их комбинировать, совмещать, пытаясь получить приемлемое для автомобиля решение. И быстро преуспели в этом деле.
В 1921 году инженером Эдмундом Румплером был создан Tropfenwagen – «машина-капля». Необычный автомобиль имел сильно зауженную в горизонтальной проекции переднюю и заднюю части, плавный изгиб крыши и овальную, вытянутую кабину – набегающий воздух он направлял не вверх и вниз, а в стороны. Проведенные в последствии, в 1979 году, компанией Volkwagen испытания показали, что Cx Tropfenwagen равнялся 0,28! И это при том, что выступающие за габариты колеса увеличивали сопротивление примерно на 50%. К сожалению, спросом экстравагантный автомобиль не пользовался – не помогал ни низкий расход топлива, ни появление удлиненной версии. идеальная форма — Сх =0,16
Одна из идеальных аэродинамических форм автомобиля – Cx равен 0,14-0,16. Возможны и другие, но их Cх будет так же находится в окрестности 0,15.
Сравнение форм задка. 1 – укороченная форма, характерная для серийных автомобилей 20-40-годов; 2 – «оптимальная» форма предложенная в 1934 г; 3 – идеальная форма.
В последнем случае имеет место безотрывное обтекание кузова, а в 1-ом и 2-ом – точка отрыва располагается в месте расхождения с оптимальной формой. Таким образом, 2-ой вариант с крутым срезом задка оказывается предпочтительнее наклонной формы 1, ибо поток отрывается от кузова заметно позже.
Тем временем Институтом аэродинамических исследований в Геттингене (Германия) была выведена «идеальная» форма, Сх которой равнялся 0,16. В профиль такой кузов походил на современные Porsche 911, но имел более заостренную и узкую переднюю и заднюю часть. Однако если для спортивных двухместных автомобилей эта форма еще подходила — можно вспомнить великолепный Adler Triumph 1934 года – то для «гражданских» она казалась почти бесполезной – слишком нерационально использовался внутренний объем длинного «хвоста».
И все же попытки приблизиться к такому идеалу в серийном производстве предпринимались долго, а одной из самых успешных стала Tatra-87 1940 года. Угол наклона задка у неё был больше, но сильно зауженная сзади кабина и плавно спадающая подоконная линия позволили снизить Сх до 0,38.
Впрочем, к тому времени смысла в подобных хитростях уже не было – в 1934-ом исследователи пришли к выводу, что выгоды от покатой, вытянутой задней части кузова нет, если она не повторяет идеальную форму – как только наклон задка превышает определенное значение, поток срывается, и продолжающаяся часть хвоста оказывается в зоне разряжения. Следовательно, её можно просто отбросить без ущерба для аэродинамики, а в некоторых случаях даже на этом и выиграть, ведь в зоне разряжения оказывается меньшая площадь поверхности. Что, собственно, чуть позже и продемонстрировал автомобиль конструктора Камма под индексом К5 – его Сх равнялся 0,37. А это означало, что впервые аэродинамика и практичность нашли точку пересечения, но началась война…
Первым автомобилем с оптимизированной формой укороченного задка был опытный К5 конструктора Камма, построенный на шасси Mercedes-Benz 170V в 1938 году. Его Сх равнялся 0,37 (в отличие от донора 170V, у которого Cx был 0,55)
Надо отметить, что все упомянутые наработки почти не коснулись серийных автомобилей 20-40-ых годов.
Конечно, за этот период Сх в среднем снизилися с 0,8 до 0,55, но в основе этого лежали лишь компоновочные и стилистические изменения – сохраняя выступающие крылья и фары, автомобили становились более вытянутыми и округлыми. Те же модели, что внешне казались обтекаемыми, только подражали реально эффективным кузовам.
Не сильно изменилась ситуация и послевоенные годы. Целенаправленные работы по созданию обтекаемых автомобилей почти остановились, а Cx серийных моделей снижался в основном за счет объединения отдельно выступающих фар и крыльев в единую форму кузова. И все же к 60-ому году некоторые автопроизводители обратили внимание на аэродинамику. Так, в 1955-ом вышел Citroen DS, потрясший мир не только множеством неординарных конструктивных решений, но и великолепной обтекаемостью – Cx составлял всего 0,38. Отличился и Porsche со своей моделью 356, второе поколение которой в 1959 году достигло Cx равного 0,39. И это в то время, когда для большинства автомобилей была характерна величина около 0,5.
Постепенно стали подтягиваться и остальные автопроизводители – росла мощность моторов, увеличивались скорости, и к 70-ому году вместе с модой на угловатые кузова окончательно утвердилась и роль аэродинамики, как одной из приоритетных областей совершенствования автомобилей.
Оптимизация
Однако задача перед инженерами стояла уже другая: если раньше они трудились над созданием оптимальной аэродинамической формы, то отныне их работа заключалась в оптимизации предложенного дизайнерами проекта. То есть в последовательном изменении отдельных частей кузова, таких, как переходы, выступы, спойлеры, с целью снижения сопротивления воздуха при минимальном вмешательстве в дизайн. И хотя это означало гораздо меньшую свободу действий, тем не менее, на практике такой подход оказался весьма эффективным. В частности, в 70-ых он помог удержать Cx на уровне 0,45, несмотря на переход к более угловатым формам кузова, а в дальнейшем, особенно с появлением мощных суперкомпьютеров, позволил неизменно совершенствовать аэродинамику автомобилей вплоть до наших дней.
Но как же при столь ограниченном вмешательстве удалось достичь почти такой же обтекаемости, что и у кузовов, изначально спроектированных с учетом аэродинамики? Оказывается, факторов, принципиально влияющих на обтекаемость, не так уж и много. Их мы сейчас и рассмотрим.
Передний спойлер Передний спойлер уменьшает воздушный поток под днищем автомобиля, а вместе с ним и общее аэродинамическое сопротивление. Правда, справедливо это лишь для маленького спойлера – большой уже увеличивает Cx и работает на создание прижимной силы, создавая существенную зону разряжения под передком.
К носовой части автомобиля (оформлению бампера, фар и решетки радиатора) требований предъявляется немного, и различные формы могут обеспечивать почти одинаковое сопротивление – все же «разрезать» воздушный поток не составляет больших проблем. Однако в этом месте важно придать воздуху правильно направление, ведь от этого зависит характер обтекания остальной поверхности кузова.
В частности, нужно избегать отрыва потока от передней кромки капота – образующая за ней зона разряжения может протянуться аж до лобового стекла и увеличить Cx примерно на 0,05 единиц. Для этого, особенно при сильном наклоне передка, необходимо сглаживать переход к капоту, избегая резких граней.
Дополнительно можно отыграть несколько сотых, установив небольшой передний спойлер. Сам по себе он, конечно, увеличивает Cx, частично препятствуя затеканию воздуха под автомобиль, но это компенсируется падением сопротивления днища, где уже гораздо меньший поток сталкивается с полосой препятствий в виде рычагов подвески, картеров агрегатов и выхлопной системой. Нередко подобного эффекта добиваются и за счет небольшого наклона автомобиля вперед – достаточно даже 2 градусов, чтобы понизить Cx на пару-тройку процентов.
А вот наклон лобового стекла, как ни странно, однозначного влияния не оказывает – в пределах стандартых 30-40 градусов четкая связь с величиной Cx не прослеживается.
Зато положительную роль играет небольшая выпуклость крыши – снижение Cx может составить две-три сотых. Правда, это верно лишь при условии сохранения высоты кузова – кривизна должна достигаться вследствие увеличения наклона лобового и заднего стекла, ибо в противном случае уменьшение Cx нивелируется увеличением площади поперечного сечения.
Главный же элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова. Здесь счет идет уже не на сотые, а на десятые доли Cx!
Хэтчбеки и универсалы Характер обтекания универсалов и хэтчбеков с большим наклоном пятой двери (коих подавляющее большинство) одинаков – поток отрывается от задней кромки крыши.
Автомобили с углом наклона задка около 30 градусов Уменьшение угла наклона задней части до 30 градусов приводит к образованию кромочных вихрей, создающих дополнительное разряжение позади автомобиля. При дальнейшем же уменьшении наклона вихри ослабевают, и примерно на 23 градусов достигается плавное и безотрывное течение потока по наклонной поверхности.
Наименее эффективной оказывается форма с крутым срезом, то есть кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. Сопутствующей неприятностью является и быстрое загрязнение заднего стекла, ибо в «пустующее» позади пространство активно устремляется поднятая пыль и грязь. И поправить положение никак нельзя, разве что установить дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – так и стекло будет медленнее пачкаться и разряжение слегка упадет. Подобное решение часто встречается на современных универсалах.
Кузова со скошенной задней частью (как правило, хэтчбеки) выглядят, на первый взгляд, предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Среди современных гражданских автомобилей такой формой обладают, пожалуй, только Audi A5 Sportback да Porsche Panamera.
Большинство же остальных хэтчбеков и близко не подбираются к этой цифре, а потому по обтекаемости они эквивалентны универсалам и точно так же оснащаются задним стеклоочистителем. Попытки же приблизиться к оптимальному углу чреваты еще большими проблемами. А дело в том, что при уменьшении наклона до 28-32 градусов воздушный поток оказывается в неком переходном состоянии – точка отрыва уже перемещается на нижнюю кромку задка, но плавного обтекания еще наблюдается. При этом на наклонной поверхности возникают так называемые кромочные вихри – потоки с боков кузова начинают попадать на наклонный задок и, закручиваясь по спирали, создают значительное разряжение позади автомобиля. И хотя заднее стекло уже не пачкается, ибо вихри направлены вниз, Cx получается наихудшим. В свое время именно с такой проблемой столкнулся Москвич 2141, который при всей своей визуальной обтекаемости, имел Cx около 0,47.
А что же делать инженерам, если им на стол лег такой неудачный дизайнерский проект с наклоном близким к 30 градусам? Если поменять угол никак не нельзя, то можно пойти на крайние меры и установить на торце крыши спойлер — он сорвет поток, предотвратив образование кромочных вихрей, и по обтекаемости такой автомобиль хотя бы приблизится к универсалам.
Впрочем, при небольшом наклоне (< 28 градусов) есть и менее радикальный способ – разместить в том же месте спойлер чуть поменьше, который не сорвет поток, а лишь переведет в турбулентное состояние, что поможет ему лучше удерживаться на наклонной поверхности.
Современные седаны и купе, как правило, демонстрируют наилучшие показатели обтекаемости среди остальных типов кузовов. А в некоторых случаях даже удается добиться безотрывного течения потока по заднему стеклу.
Описанные проблемы встречаются и на автомобилях со ступенчатым задком, например, седанах и купе, но последствия уже не столь страшны – отовравшийся с крыши поток или закрутившийся на стекле кромочных вихрь «приземляется» на крышку багажника, успокаивается, а затем вновь и уже окончательно отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx на несколько сотых – чем раньше поток коснется поверхности, и чем дольше он будет пребывать в стационарном состоянии, тем лучше.
Почти так же эффективно и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации в данном случае предостаточно, а потому на практике именно седаны или купе, особенно больших размеров, и демонстрируют наилучшую обтекаемость.
А дальше?
Возможность достижения значений Сх ниже 0,2 для рядовых автомобилей была доказана еще в 1977 году дизайн-студией Pininfarina. Представленный ими макет седана имел Cx 0,18!
Читая пресс-релизы и отслеживая презентации новых моделей, трудно усомниться в прогрессе автомобильной аэродинамики – столь восторженно автопроизводители докладывают о своих достижениях. Однако если посмотреть на такие дорогие машины как BMW и Mercedes, то с удивлением можно обнаружить, что за последние 15-20 лет улучшений практически нет. Например, Cx «семерки» BMW образца 1986 года равнялся 0,34, а последней модели – только 0,31. Более того, новый Mercedes E-класса с его Сх равным 0,27, кстати, весьма неплохой величиной по нынешним меркам, оказывается на одном уровне с E-классом 1995-го модельного года! Аналогичная картина и c «пятеркой» BMW.
Таким образом, нижняя граница Сх нащупана уже давно, а наблюдаемый прогресс объясняется лишь снижением стоимости исследований, что позволило менее именитым брендам подтянуться к компаниям, изначально не жалевшим денег на проработку аэродинамики.
А как же двигаться дальше? Об этом уже давно говорят многие специалисты – необходимо вновь пересматривать роль аэродинамики в процессе создания автомобиля. Нужны новые формы, новые пропорции, главенство инженерной мысли над фантазией дизайнера. И потенциал здесь скрыт немалый – речь не только о выведенной еще в 20-ых годах идеальной форме с Сх 0,16, но и о более поздних исследованиях, подтвердивших, что обтекаемость и рациональная компоновка – понятия не взаимоисключающие.
Прижимная сила
Благодаря несимметричному профилю поток над плоскостью крыла течет быстрее, что, согласно закону Бернулли, создает над крылом зону разрежения а, в конечном итоге, и подъемную силу.
Почему крыло самолета создает подъемную силу? Отнюдь не из-за угла между ним и набегающим потоком, как кажется на первый взгляд – угол этот может быть и нулевым (хотя при его увеличении подъемная сила и возрастает).
Секрет крыла кроется в его особом профиле. Оказывается, будучи несимметричным, оно разрезает набегающий воздух таким образом, что верхний поток проходит больший путь, чем нижний. С учетом несжимаемости воздуха (на малых скоростях) это означает, что над крылом скорость потока выше, а статическое давление, соответственно, ниже. Эта разность давлений и создает подъемную силу.
При чем же здесь автомобиль? А притом, что характер его обтекания воздухом практически тот же: нижний поток, ныряя под днище, обходит кузов по прямой, а верхний вынужден ускоряться, дабы успеть обогнуть автомобиль сверху. Отсюда все та же разница в давлении и подъемная сила. Правда, во многом она компенсируется динамическим давлением воздуха на капот и лобовое стекло — отталкивая поток вверх, автомобиль, согласно закону сохранения импульса, сам дополнительно прижимается к земле.
В итоге подъемная сила получается невелика – как правило, даже на предельной скорости автомобиль разгружается не более чем на 100 кг.
Характер обтекания автомобиля во многом повторяет ситуацию с крылом — все так же воздух сверху ускоряется, а его давление падает.
В общем-то, этой величиной можно и пренебречь, но беда в том, что по осям она распределяется неравномерно – если передок автомобиля, как уже было сказано, догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова нередко оказывается еще и в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса. С этой неприятностью в основном и борются производители массовых автомобилей, тем более что до некоторого момента снижение подъемной силы не противоречит уменьшению лобового сопротивления.
Например, стремление к безотрывному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает локальных зон резко пониженного давления. Аналогично две цели преследует и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает.
То, что нужно!
Задний спойлер
В отличие заднего спойлера, «работающего» на улучшение Cx, спойлер, увеличивающий прижимную силу, имеет большие размеры и заметный наклон по отношению к воздушному потоку.
С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, здесь уже важно знать меру – слишком большой спойлер негативно скажется на обтекаемости, увеличив и без того обширную зону разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он даже делается выдвижным, чтобы вступать в работу лишь при необходимости.
Таков инструментарий инженеров при разработке «гражданского» автомобиля. А как же быть со спортивными или тем более гоночными моделями? Чтобы удержать болид в повороте нужен уже гораздо более серьезный арсенал, превращающий подъемную силу в прижимную.
Причем подчас такую, что автомобиль смог бы ездить и по потолку!
Передний спойлер
Чтобы добиться заметного эффекта, передний спойлер должен быть очень большим,что неизбежно увеличивает лобовое сопротивление.
Одним из подобных радикальных средств является передний спойлер. Идея проста – не пустить воздух по днище, создав тем самым область пониженного давления, присасывающую автомобиль к дороге. Для большего эффекта и равномерного распределения прижимной силы одновременно может применяться и специальный обвес вдоль порогов, «герметизирующий» днище по бокам. Простое и эффективное это решение почти повсеместно применяется на гоночных автомобилях, однако на суперкарах, предназначенных все же для дорог общего пользования, массивный спойлер встретишь нечасто. Причин тому две: первая – снижение геометрической проходимости, ведь спойлер должен едва ли не касаться земли, вторая – увеличение лобового сопротивления. А, разумеется, для большинства покупателей суперкаров важнее круглая цифра максимальной скорости, нежели цепкость в повороте на 200км/ч.
К тому же есть и другие решения, почти не портящие обтекаемость. Правда, без серьезного вмешательства в конструкцию автомобиля тут уже не обойтись…
Форма кузова
Помимо низкого центра тяжести такая форма кузова дает и выигрыш в прижимной силе при минимальном лобовом сопротивлении.
Речь, прежде всего, об особой форме кузова, примером которой могут послужить суперкары Lamborghini. Минимальная высота, смещенная вперед кабина, сильно наклоненное лобовое стекло и почти горизонтальная задняя часть – автомобиль словно приплюснут сверху. А, как мы помним, чем меньше кривизна верхней части кузова, тем ниже скорость воздушного потока над ней, и тем больше прижимная сила. И все это при низком лобовом сопротивлении, ведь с такими линиями отрыв потока почти исключен, а площадь поперечного сечения минимальна.
К сожалению, воспользоваться всеми перечисленными преимуществами дано лишь избранным – среднемоторным суперкарам с очень низкой крышей. В остальных случаях придание задней части автомобиля столь малого наклона приведет к увеличению лобового сопротивления, ибо кромка задка, с которой отрывается поток, окажется слишком высоко.
Предельный случай – кузова типа универсал: в сравнении с седанами или хэтчбеками их Cx максимален, хотя, с точки зрения прижимной силы, они по-прежнему впереди всех!
Граунд-эффект
Даже столь быстрые суперкары, как Ferrari Enzo, не ограничивают доступ воздуха под днище спойлером. Наоборот, они «подминают» поток под себя…
…чтобы ускорить и понизить давление, а затем выпустить его через диффузор позади.
Более хитрым способом прижать автомобиль к земле является так называемый граунд-эффект. В его основе лежит все та же обратная зависимость между скоростью потока и давлением: если под днищем автомобиля разогнать воздух, то его статическое давление упадет, а прижимающая сила, соответственно, вырастет. Но как ускорить воздух? Для этого необходимо так спрофилировать днище, чтобы оно вместе с поверхностью дороги представляло собой сужающийся канал – в простейшем случае дно можно сделать не плоским, а немного выгнутым. Кроме того, нужно обеспечить более-менее свободный доступ воздуха под автомобиль, то есть, как минимум, не преграждать ему путь спойлером, а так же правильно организовать его выход позади автомобиля, применив диффузор.
Задача последнего – помочь «вытягиванию» воздуха из-под днища, используя область низкого давления, образующуюся за автомобилем, а параллельно и уменьшить саму область разряжения, направив в неё воздух. Собранные же воедино все эти элементы могут дать совершенно поразительный результат, выражающийся в большой прижимной силе при низком лобовом сопротивлении. Например, в болидах Формулы-1, даже несмотря на строгий регламент, ограничивающий форму днища, на долю граунд-эффекта приходится около 40% от общей величины создаваемой прижимающей силы.
А откуда берутся оставшиеся 60? Их обеспечивают антикрылья.
Антикрылья
Составное антикрыло помогает сильнее прижать автомобиль к дороге, избежав сильного вихреобразования позади себя – поток проникает в щели между планками, уменьшая образующуюся зону разряжения.
Впервые появившиеся в 60-ых годах в Формуле-1 антикрылья стали неотъемлемым атрибутом гоночных автомобилей всех мастей. Конструктивно это те же крылья, о которых шла речь в начале статьи, только перевернутые.
Соответственно, область пониженного статического давления образуется не сверху, а снизу, и крыло уже не стремиться взлететь, а тянет вниз. Правда, при установке параллельно воздушному потоку, как того требуют соображения о минимизации лобового сопротивления, заметный эффект достигается лишь на очень большой скорости, в то время как прижимная сила нужна в поворотах, где темп, наоборот, невысок. В связи с этим антикрылья обычно устанавливаются под некоторым углом к потоку (углом атаки), дабы прижимать автомобиль и за счет динамического давления встречного воздуха. Но опять незадача – при этом возрастает лобовое сопротивление! И чем выше нужна прижимная сила, тем больше угол атаки, и тем хуже обтекаемость.
С этого момента и начинается инженерное искусство. Например, вместо антикрыла с одним профилем применяются двойные или даже тройные конструкции – так при заданных габаритах удается увеличить общую поверхность антикрыла и получить бОльшую прижимную силу, не прибегая к повышению угла атаки.
Если же без наклона пластин все-таки не обойтись, то дополнительно изгибают и сам профиль – теперь, разместив пластины многоярусного антикрыла с небольшим смещением, можно развернуть поток так, чтобы уменьшить разряжение позади них. Отдельное внимание уделяется торцам антикрыльев – в этом месте происходит смешивание попавшего и не попавшего на крыло потоков, а потому велик риск образования вихрей. Во избежание этого устанавливаются специальные торцевые пластины, разделяющие эти потоки. Казалось бы, простой элемент, но взгляните, сколь сложна форма этих пластин на болидах Формулы-1 – описанию она просто не поддается, но именно в этом – вся красота аэродинамики.
Аэродинамика автомобиля — RacePortal.ru
Современная автомобильная аэродинамика решает множество задач. Специалисты должны не только добиться минимального сопротивления воздуха, но и отследить величину и распределение по осям подъемной силы, ведь нынешние автомобили достигают тех скоростей, на которых самолеты уже отрываются от земли.
Необходимо предусмотреть и доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных дисков, продумать вентиляцию салона, расположив в нужных местах отверстия для забора и вытяжки воздуха. Аэродинамика определяет уровень шумов в салоне, заботится о том, чтобы захватывающие грязь воздушные потоки не попадали на стекла, зеркала, фонари и ручки дверей. С ростом скорости не должно меняться и качество очистки лобового стекла.
В общем, круг задач необычайно широк, а решение одной проблемы тесно связано с другой: например, необходимость делать воздухозабрники для охлаждения тормозов или борьба с подъемной силой ведет к увеличению лобового сопротивления. И разобраться в этой головоломке, найти оптимум под силу лишь настоящим мастерам своего дела. Мы же рассмотрим только два главных аспекта автомобильной аэродинамики: проблему сопротивления воздуха и прижимной силы.
Аэродинамическое сопротивление
Наверное, каждый слышал о том, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости – столь быстро нарастает противодействие движению в процессе разгона.
Впечатляет, но как это соотнести с параметрами автомобиля? Для этого нужно лишь перейти в термины механической работы, и тогда получится, что отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! Только представьте, с каким трудом даются автомобилю последние десятки километров в час. В таких условиях даже значительная прибавка мощности мотора не в состоянии существенно увеличить максимальную скорость.
Таким образом, задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом.
Сила сопротивления — так рассчитывается сила аэродинамического сопротивления. S – площадь поперечного сечения (м2), V – скорость воздушного потока (м/c), p – плотность воздуха (1,23 кг/м3), Cx — коэффициент аэродинамического сопротивления. То есть повлиять на величину силы при заданной скорости можно только двумя путями: изменив либо Cx, либо площадь S.
Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки.
А значит остается второй и единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе).
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.
Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25.
Факторов, влияющих на Cx автомобиля, несколько: во-первых, это внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон, во-вторых, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, и, в-третьих, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Внутреннее сопротивление составляет около 12% от общей величины, и пока особых успехов в этой области не наблюдается: напротив, все более и более мощные моторы современных автомобилей требуют все больше воздуха для охлаждения. Например, в пределе 300-сильный бензиновый двигатель выделяет в виде тепла около 450кВт – этого хватило бы для отопления нескольких особняков! Соответственно, растут размеры радиаторов, уплотняются моторные отсеки, увеличивается сопротивление воздуха.
.. Существенные же улучшения здесь возможны лишь при переходе на более эффективные электродвигатели, но пока они так и остаются технологией будущего.
Красные стрелки – вектора, показывающие направление и скорость движения отдельных частиц. В данном случае они параллельны друг другу, а потому поток находится в ламинарном состоянии.
Сопротивление поверхностного трения так же вносит свой 10-процентный вклад в величину Cx. Вообще, наличие столь ощутимого трения между воздухом и кузовом может показаться странным, но оно действительно имеет место: прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с микронеровностями покрытия и тормозиться — образуется так называемый пограничный слой. Пока это течение находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое. Но с переходом в турбулентное состояние, когда поток «спотыкается» о более крупное препятствие, и траектории его частиц становятся хаотичными, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение – воздух словно становится более вязким.
Таким образом, от разработчиков в данном случае требуется обеспечение гладкости кузова, дабы пограничный слой дольше оставался ламинарым. А для этого нужно уменьшать зазоры кузовных элементов, закрывать уплотнителями щели между деталями. Помогает и придание поверхностям небольшой кривизны – прилегающий поток ускоряется, давление в нем падает, и траектории частиц упорядочиваются. К сожалению, в целях экономии этими мерами в последнее время частично пренебрегают, например, уплотнители по периметру лобового стекла или вокруг фар сейчас встретишь нечасто.
Рсопротивление давления Распределение давления воздуха на движущийся автомобиль. Красному соответствуют зоны высокого давления, синему – низкого. Обратите внимание на возникающее разряжение позади заднего стекла и, в особенности, за крышкой багажника и бампером – именно эта область главным образом и определяет аэродинамику кузова. И чем меньше она, тем лучше.
И, наконец, сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx.
Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя. Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно. Так что задача перед инженерами стояла непростая…
Ретроспектива
Первый автомобиль, преодолевший отметку в 100 км/ч (1899 г.). Приводился в движение двумя электромоторами суммарной мощностью 67 л.с. Масса – 1000 кг. Максимальная скорость 105 км/ч.
В начале прошлого века, когда автомобили только зарождались, их скорость едва превышала 40км/ч, а форма походила на карету, об аэродинамике, естественно, не задумывались – при величине Cx около единицы те модели едва ли могли поспорить по обтекаемости даже с пресловутым кирпичом. Однако все же находились энтузиасты, уделявшие этому внимание. Главным образом, то были разработчики рекордных автомобилей и тех, что мы бы сейчас назвали «концепт-карами».
Над формой долго не думали – её перенимали из других областей техники, таких как мореплавание или авиация. Соответственно, автомобили напоминали корабли, дирижабли, торпеды и другие тела вращения. Самым же первым представителем этой плеяды была машина Камилла Дженатци, на которой сам создатель впервые в истории преодолел рубеж в 100км/ч – произошло это аж в 1899 году. Cx того автомобиля, конечно, не известен, но, учитывая немалую мощность в 67 л.с., можно предположить, что его аэродинамика все же была далека от совершенства – сопротивление увеличивал водитель, возвышавшийся над кузовом, и совершенно неприкрытые элементы подвески и шасси.
Более удачной попыткой создать обтекаемый автомобиль стала Alfa Romeo 40-60 HP – спортивная машина 1913 года, на шасси которой был установлен кузов в форме дирижабля. Полностью укрывающий пассажиров корпус, интегрированное шасси и компактные узлы подвески позволили при мощности 70 л.с. достигать уже 139 км/ч, что свидетельствует о весьма неплохой, а по тем временам и вовсе выдающейся, аэродинамике.
Уникальность автомобиля Tropfenwagen (1921 г.) состояла не только в потрясающе низком Сх (0,28), но и необычной компоновке с W-образным 6-цилиндровым двигателем в хвостовой части. Всего было выпущено около 100 таких моделей.
Но постепенно подход к проектированию обтекаемых кузовов менялся. Опыт в самолетостроении, накопленный за время Первой мировой войны, помог разработчикам взглянуть на проблему шире — они уже не стремились просто перенять удачные с точки аэродинамики формы, а начали их комбинировать, совмещать, пытаясь получить приемлемое для автомобиля решение.
И быстро преуспели в этом деле.
В 1921 году инженером Эдмундом Румплером был создан Tropfenwagen – «машина-капля». Необычный автомобиль имел сильно зауженную в горизонтальной проекции переднюю и заднюю части, плавный изгиб крыши и овальную, вытянутую кабину – набегающий воздух он направлял не вверх и вниз, а в стороны. Проведенные в последствии, в 1979 году, компанией Volkwagen испытания показали, что Cx Tropfenwagen равнялся 0,28! И это при том, что выступающие за габариты колеса увеличивали сопротивление примерно на 50%. К сожалению, спросом экстравагантный автомобиль не пользовался – не помогал ни низкий расход топлива, ни появление удлиненной версии. идеальная форма — Сх =0,16
Одна из идеальных аэродинамических форм автомобиля – Cx равен 0,14-0,16. Возможны и другие, но их Cх будет так же находится в окрестности 0,15.
Сравнение форм задка. 1 – укороченная форма, характерная для серийных автомобилей 20-40-годов; 2 – «оптимальная» форма предложенная в 1934 г; 3 – идеальная форма.
В последнем случае имеет место безотрывное обтекание кузова, а в 1-ом и 2-ом – точка отрыва располагается в месте расхождения с оптимальной формой. Таким образом, 2-ой вариант с крутым срезом задка оказывается предпочтительнее наклонной формы 1, ибо поток отрывается от кузова заметно позже.
Тем временем Институтом аэродинамических исследований в Геттингене (Германия) была выведена «идеальная» форма, Сх которой равнялся 0,16. В профиль такой кузов походил на современные Porsche 911, но имел более заостренную и узкую переднюю и заднюю часть. Однако если для спортивных двухместных автомобилей эта форма еще подходила — можно вспомнить великолепный Adler Triumph 1934 года – то для «гражданских» она казалась почти бесполезной – слишком нерационально использовался внутренний объем длинного «хвоста».
И все же попытки приблизиться к такому идеалу в серийном производстве предпринимались долго, а одной из самых успешных стала Tatra-87 1940 года. Угол наклона задка у неё был больше, но сильно зауженная сзади кабина и плавно спадающая подоконная линия позволили снизить Сх до 0,38.
Впрочем, к тому времени смысла в подобных хитростях уже не было – в 1934-ом исследователи пришли к выводу, что выгоды от покатой, вытянутой задней части кузова нет, если она не повторяет идеальную форму – как только наклон задка превышает определенное значение, поток срывается, и продолжающаяся часть хвоста оказывается в зоне разряжения. Следовательно, её можно просто отбросить без ущерба для аэродинамики, а в некоторых случаях даже на этом и выиграть, ведь в зоне разряжения оказывается меньшая площадь поверхности. Что, собственно, чуть позже и продемонстрировал автомобиль конструктора Камма под индексом К5 – его Сх равнялся 0,37. А это означало, что впервые аэродинамика и практичность нашли точку пересечения, но началась война…
Первым автомобилем с оптимизированной формой укороченного задка был опытный К5 конструктора Камма, построенный на шасси Mercedes-Benz 170V в 1938 году. Его Сх равнялся 0,37 (в отличие от донора 170V, у которого Cx был 0,55)
Надо отметить, что все упомянутые наработки почти не коснулись серийных автомобилей 20-40-ых годов.
Конечно, за этот период Сх в среднем снизилися с 0,8 до 0,55, но в основе этого лежали лишь компоновочные и стилистические изменения – сохраняя выступающие крылья и фары, автомобили становились более вытянутыми и округлыми. Те же модели, что внешне казались обтекаемыми, только подражали реально эффективным кузовам.
Не сильно изменилась ситуация и послевоенные годы. Целенаправленные работы по созданию обтекаемых автомобилей почти остановились, а Cx серийных моделей снижался в основном за счет объединения отдельно выступающих фар и крыльев в единую форму кузова. И все же к 60-ому году некоторые автопроизводители обратили внимание на аэродинамику. Так, в 1955-ом вышел Citroen DS, потрясший мир не только множеством неординарных конструктивных решений, но и великолепной обтекаемостью – Cx составлял всего 0,38. Отличился и Porsche со своей моделью 356, второе поколение которой в 1959 году достигло Cx равного 0,39. И это в то время, когда для большинства автомобилей была характерна величина около 0,5.
Постепенно стали подтягиваться и остальные автопроизводители – росла мощность моторов, увеличивались скорости, и к 70-ому году вместе с модой на угловатые кузова окончательно утвердилась и роль аэродинамики, как одной из приоритетных областей совершенствования автомобилей.
Оптимизация
Однако задача перед инженерами стояла уже другая: если раньше они трудились над созданием оптимальной аэродинамической формы, то отныне их работа заключалась в оптимизации предложенного дизайнерами проекта. То есть в последовательном изменении отдельных частей кузова, таких, как переходы, выступы, спойлеры, с целью снижения сопротивления воздуха при минимальном вмешательстве в дизайн. И хотя это означало гораздо меньшую свободу действий, тем не менее, на практике такой подход оказался весьма эффективным. В частности, в 70-ых он помог удержать Cx на уровне 0,45, несмотря на переход к более угловатым формам кузова, а в дальнейшем, особенно с появлением мощных суперкомпьютеров, позволил неизменно совершенствовать аэродинамику автомобилей вплоть до наших дней.
Но как же при столь ограниченном вмешательстве удалось достичь почти такой же обтекаемости, что и у кузовов, изначально спроектированных с учетом аэродинамики? Оказывается, факторов, принципиально влияющих на обтекаемость, не так уж и много. Их мы сейчас и рассмотрим.
Передний спойлер Передний спойлер уменьшает воздушный поток под днищем автомобиля, а вместе с ним и общее аэродинамическое сопротивление. Правда, справедливо это лишь для маленького спойлера – большой уже увеличивает Cx и работает на создание прижимной силы, создавая существенную зону разряжения под передком.
К носовой части автомобиля (оформлению бампера, фар и решетки радиатора) требований предъявляется немного, и различные формы могут обеспечивать почти одинаковое сопротивление – все же «разрезать» воздушный поток не составляет больших проблем. Однако в этом месте важно придать воздуху правильно направление, ведь от этого зависит характер обтекания остальной поверхности кузова.
В частности, нужно избегать отрыва потока от передней кромки капота – образующая за ней зона разряжения может протянуться аж до лобового стекла и увеличить Cx примерно на 0,05 единиц. Для этого, особенно при сильном наклоне передка, необходимо сглаживать переход к капоту, избегая резких граней.
Дополнительно можно отыграть несколько сотых, установив небольшой передний спойлер. Сам по себе он, конечно, увеличивает Cx, частично препятствуя затеканию воздуха под автомобиль, но это компенсируется падением сопротивления днища, где уже гораздо меньший поток сталкивается с полосой препятствий в виде рычагов подвески, картеров агрегатов и выхлопной системой. Нередко подобного эффекта добиваются и за счет небольшого наклона автомобиля вперед – достаточно даже 2 градусов, чтобы понизить Cx на пару-тройку процентов.
А вот наклон лобового стекла, как ни странно, однозначного влияния не оказывает – в пределах стандартых 30-40 градусов четкая связь с величиной Cx не прослеживается.
Зато положительную роль играет небольшая выпуклость крыши – снижение Cx может составить две-три сотых. Правда, это верно лишь при условии сохранения высоты кузова – кривизна должна достигаться вследствие увеличения наклона лобового и заднего стекла, ибо в противном случае уменьшение Cx нивелируется увеличением площади поперечного сечения.
Главный же элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова. Здесь счет идет уже не на сотые, а на десятые доли Cx!
Хэтчбеки и универсалы Характер обтекания универсалов и хэтчбеков с большим наклоном пятой двери (коих подавляющее большинство) одинаков – поток отрывается от задней кромки крыши.
Автомобили с углом наклона задка около 30 градусов Уменьшение угла наклона задней части до 30 градусов приводит к образованию кромочных вихрей, создающих дополнительное разряжение позади автомобиля. При дальнейшем же уменьшении наклона вихри ослабевают, и примерно на 23 градусов достигается плавное и безотрывное течение потока по наклонной поверхности.
Наименее эффективной оказывается форма с крутым срезом, то есть кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. Сопутствующей неприятностью является и быстрое загрязнение заднего стекла, ибо в «пустующее» позади пространство активно устремляется поднятая пыль и грязь. И поправить положение никак нельзя, разве что установить дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – так и стекло будет медленнее пачкаться и разряжение слегка упадет. Подобное решение часто встречается на современных универсалах.
Кузова со скошенной задней частью (как правило, хэтчбеки) выглядят, на первый взгляд, предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Среди современных гражданских автомобилей такой формой обладают, пожалуй, только Audi A5 Sportback да Porsche Panamera. Большинство же остальных хэтчбеков и близко не подбираются к этой цифре, а потому по обтекаемости они эквивалентны универсалам и точно так же оснащаются задним стеклоочистителем. Попытки же приблизиться к оптимальному углу чреваты еще большими проблемами. А дело в том, что при уменьшении наклона до 28-32 градусов воздушный поток оказывается в неком переходном состоянии – точка отрыва уже перемещается на нижнюю кромку задка, но плавного обтекания еще наблюдается. При этом на наклонной поверхности возникают так называемые кромочные вихри – потоки с боков кузова начинают попадать на наклонный задок и, закручиваясь по спирали, создают значительное разряжение позади автомобиля. И хотя заднее стекло уже не пачкается, ибо вихри направлены вниз, Cx получается наихудшим. В свое время именно с такой проблемой столкнулся Москвич 2141, который при всей своей визуальной обтекаемости, имел Cx около 0,47.
А что же делать инженерам, если им на стол лег такой неудачный дизайнерский проект с наклоном близким к 30 градусам? Если поменять угол никак не нельзя, то можно пойти на крайние меры и установить на торце крыши спойлер — он сорвет поток, предотвратив образование кромочных вихрей, и по обтекаемости такой автомобиль хотя бы приблизится к универсалам. Впрочем, при небольшом наклоне (< 28 градусов) есть и менее радикальный способ – разместить в том же месте спойлер чуть поменьше, который не сорвет поток, а лишь переведет в турбулентное состояние, что поможет ему лучше удерживаться на наклонной поверхности.
Современные седаны и купе, как правило, демонстрируют наилучшие показатели обтекаемости среди остальных типов кузовов. А в некоторых случаях даже удается добиться безотрывного течения потока по заднему стеклу.
Описанные проблемы встречаются и на автомобилях со ступенчатым задком, например, седанах и купе, но последствия уже не столь страшны – отовравшийся с крыши поток или закрутившийся на стекле кромочных вихрь «приземляется» на крышку багажника, успокаивается, а затем вновь и уже окончательно отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx на несколько сотых – чем раньше поток коснется поверхности, и чем дольше он будет пребывать в стационарном состоянии, тем лучше. Почти так же эффективно и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации в данном случае предостаточно, а потому на практике именно седаны или купе, особенно больших размеров, и демонстрируют наилучшую обтекаемость.
А дальше?
Возможность достижения значений Сх ниже 0,2 для рядовых автомобилей была доказана еще в 1977 году дизайн-студией Pininfarina. Представленный ими макет седана имел Cx 0,18!
Читая пресс-релизы и отслеживая презентации новых моделей, трудно усомниться в прогрессе автомобильной аэродинамики – столь восторженно автопроизводители докладывают о своих достижениях. Однако если посмотреть на такие дорогие машины как BMW и Mercedes, то с удивлением можно обнаружить, что за последние 15-20 лет улучшений практически нет. Например, Cx «семерки» BMW образца 1986 года равнялся 0,34, а последней модели – только 0,31. Более того, новый Mercedes E-класса с его Сх равным 0,27, кстати, весьма неплохой величиной по нынешним меркам, оказывается на одном уровне с E-классом 1995-го модельного года! Аналогичная картина и c «пятеркой» BMW.
Таким образом, нижняя граница Сх нащупана уже давно, а наблюдаемый прогресс объясняется лишь снижением стоимости исследований, что позволило менее именитым брендам подтянуться к компаниям, изначально не жалевшим денег на проработку аэродинамики.
А как же двигаться дальше? Об этом уже давно говорят многие специалисты – необходимо вновь пересматривать роль аэродинамики в процессе создания автомобиля. Нужны новые формы, новые пропорции, главенство инженерной мысли над фантазией дизайнера. И потенциал здесь скрыт немалый – речь не только о выведенной еще в 20-ых годах идеальной форме с Сх 0,16, но и о более поздних исследованиях, подтвердивших, что обтекаемость и рациональная компоновка – понятия не взаимоисключающие.
Прижимная сила
Благодаря несимметричному профилю поток над плоскостью крыла течет быстрее, что, согласно закону Бернулли, создает над крылом зону разрежения а, в конечном итоге, и подъемную силу.
Почему крыло самолета создает подъемную силу? Отнюдь не из-за угла между ним и набегающим потоком, как кажется на первый взгляд – угол этот может быть и нулевым (хотя при его увеличении подъемная сила и возрастает). Секрет крыла кроется в его особом профиле. Оказывается, будучи несимметричным, оно разрезает набегающий воздух таким образом, что верхний поток проходит больший путь, чем нижний. С учетом несжимаемости воздуха (на малых скоростях) это означает, что над крылом скорость потока выше, а статическое давление, соответственно, ниже. Эта разность давлений и создает подъемную силу.
При чем же здесь автомобиль? А притом, что характер его обтекания воздухом практически тот же: нижний поток, ныряя под днище, обходит кузов по прямой, а верхний вынужден ускоряться, дабы успеть обогнуть автомобиль сверху. Отсюда все та же разница в давлении и подъемная сила. Правда, во многом она компенсируется динамическим давлением воздуха на капот и лобовое стекло — отталкивая поток вверх, автомобиль, согласно закону сохранения импульса, сам дополнительно прижимается к земле.
В итоге подъемная сила получается невелика – как правило, даже на предельной скорости автомобиль разгружается не более чем на 100 кг.
Характер обтекания автомобиля во многом повторяет ситуацию с крылом — все так же воздух сверху ускоряется, а его давление падает.
В общем-то, этой величиной можно и пренебречь, но беда в том, что по осям она распределяется неравномерно – если передок автомобиля, как уже было сказано, догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова нередко оказывается еще и в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса. С этой неприятностью в основном и борются производители массовых автомобилей, тем более что до некоторого момента снижение подъемной силы не противоречит уменьшению лобового сопротивления.
Например, стремление к безотрывному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает локальных зон резко пониженного давления. Аналогично две цели преследует и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает. То, что нужно!
Задний спойлер
В отличие заднего спойлера, «работающего» на улучшение Cx, спойлер, увеличивающий прижимную силу, имеет большие размеры и заметный наклон по отношению к воздушному потоку.
С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, здесь уже важно знать меру – слишком большой спойлер негативно скажется на обтекаемости, увеличив и без того обширную зону разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он даже делается выдвижным, чтобы вступать в работу лишь при необходимости.
Таков инструментарий инженеров при разработке «гражданского» автомобиля. А как же быть со спортивными или тем более гоночными моделями? Чтобы удержать болид в повороте нужен уже гораздо более серьезный арсенал, превращающий подъемную силу в прижимную. Причем подчас такую, что автомобиль смог бы ездить и по потолку!
Передний спойлер
Чтобы добиться заметного эффекта, передний спойлер должен быть очень большим,что неизбежно увеличивает лобовое сопротивление.
Одним из подобных радикальных средств является передний спойлер. Идея проста – не пустить воздух по днище, создав тем самым область пониженного давления, присасывающую автомобиль к дороге. Для большего эффекта и равномерного распределения прижимной силы одновременно может применяться и специальный обвес вдоль порогов, «герметизирующий» днище по бокам. Простое и эффективное это решение почти повсеместно применяется на гоночных автомобилях, однако на суперкарах, предназначенных все же для дорог общего пользования, массивный спойлер встретишь нечасто. Причин тому две: первая – снижение геометрической проходимости, ведь спойлер должен едва ли не касаться земли, вторая – увеличение лобового сопротивления. А, разумеется, для большинства покупателей суперкаров важнее круглая цифра максимальной скорости, нежели цепкость в повороте на 200км/ч.
К тому же есть и другие решения, почти не портящие обтекаемость. Правда, без серьезного вмешательства в конструкцию автомобиля тут уже не обойтись…
Форма кузова
Помимо низкого центра тяжести такая форма кузова дает и выигрыш в прижимной силе при минимальном лобовом сопротивлении.
Речь, прежде всего, об особой форме кузова, примером которой могут послужить суперкары Lamborghini. Минимальная высота, смещенная вперед кабина, сильно наклоненное лобовое стекло и почти горизонтальная задняя часть – автомобиль словно приплюснут сверху. А, как мы помним, чем меньше кривизна верхней части кузова, тем ниже скорость воздушного потока над ней, и тем больше прижимная сила. И все это при низком лобовом сопротивлении, ведь с такими линиями отрыв потока почти исключен, а площадь поперечного сечения минимальна.
К сожалению, воспользоваться всеми перечисленными преимуществами дано лишь избранным – среднемоторным суперкарам с очень низкой крышей. В остальных случаях придание задней части автомобиля столь малого наклона приведет к увеличению лобового сопротивления, ибо кромка задка, с которой отрывается поток, окажется слишком высоко. Предельный случай – кузова типа универсал: в сравнении с седанами или хэтчбеками их Cx максимален, хотя, с точки зрения прижимной силы, они по-прежнему впереди всех!
Граунд-эффект
Даже столь быстрые суперкары, как Ferrari Enzo, не ограничивают доступ воздуха под днище спойлером. Наоборот, они «подминают» поток под себя…
…чтобы ускорить и понизить давление, а затем выпустить его через диффузор позади.
Более хитрым способом прижать автомобиль к земле является так называемый граунд-эффект. В его основе лежит все та же обратная зависимость между скоростью потока и давлением: если под днищем автомобиля разогнать воздух, то его статическое давление упадет, а прижимающая сила, соответственно, вырастет. Но как ускорить воздух? Для этого необходимо так спрофилировать днище, чтобы оно вместе с поверхностью дороги представляло собой сужающийся канал – в простейшем случае дно можно сделать не плоским, а немного выгнутым. Кроме того, нужно обеспечить более-менее свободный доступ воздуха под автомобиль, то есть, как минимум, не преграждать ему путь спойлером, а так же правильно организовать его выход позади автомобиля, применив диффузор. Задача последнего – помочь «вытягиванию» воздуха из-под днища, используя область низкого давления, образующуюся за автомобилем, а параллельно и уменьшить саму область разряжения, направив в неё воздух. Собранные же воедино все эти элементы могут дать совершенно поразительный результат, выражающийся в большой прижимной силе при низком лобовом сопротивлении. Например, в болидах Формулы-1, даже несмотря на строгий регламент, ограничивающий форму днища, на долю граунд-эффекта приходится около 40% от общей величины создаваемой прижимающей силы.
А откуда берутся оставшиеся 60? Их обеспечивают антикрылья.
Антикрылья
Составное антикрыло помогает сильнее прижать автомобиль к дороге, избежав сильного вихреобразования позади себя – поток проникает в щели между планками, уменьшая образующуюся зону разряжения.
Впервые появившиеся в 60-ых годах в Формуле-1 антикрылья стали неотъемлемым атрибутом гоночных автомобилей всех мастей. Конструктивно это те же крылья, о которых шла речь в начале статьи, только перевернутые. Соответственно, область пониженного статического давления образуется не сверху, а снизу, и крыло уже не стремиться взлететь, а тянет вниз. Правда, при установке параллельно воздушному потоку, как того требуют соображения о минимизации лобового сопротивления, заметный эффект достигается лишь на очень большой скорости, в то время как прижимная сила нужна в поворотах, где темп, наоборот, невысок. В связи с этим антикрылья обычно устанавливаются под некоторым углом к потоку (углом атаки), дабы прижимать автомобиль и за счет динамического давления встречного воздуха. Но опять незадача – при этом возрастает лобовое сопротивление! И чем выше нужна прижимная сила, тем больше угол атаки, и тем хуже обтекаемость.
С этого момента и начинается инженерное искусство. Например, вместо антикрыла с одним профилем применяются двойные или даже тройные конструкции – так при заданных габаритах удается увеличить общую поверхность антикрыла и получить бОльшую прижимную силу, не прибегая к повышению угла атаки. Если же без наклона пластин все-таки не обойтись, то дополнительно изгибают и сам профиль – теперь, разместив пластины многоярусного антикрыла с небольшим смещением, можно развернуть поток так, чтобы уменьшить разряжение позади них. Отдельное внимание уделяется торцам антикрыльев – в этом месте происходит смешивание попавшего и не попавшего на крыло потоков, а потому велик риск образования вихрей. Во избежание этого устанавливаются специальные торцевые пластины, разделяющие эти потоки. Казалось бы, простой элемент, но взгляните, сколь сложна форма этих пластин на болидах Формулы-1 – описанию она просто не поддается, но именно в этом – вся красота аэродинамики.
Аэродинамика автомобиля, улучшение за счет выбора аэродеталей
Улучшая аэродинамику автомобиля мы одновременно и улучшаем его эксплуатационные качества, которые выражаются в улучшении его динамических характеристиках и уменьшении расхода топлива.
Уменьшение сопротивляемости встречному воздушному потоку положительно влияет на скоростные показатели машины, не зря практически на всех спорт-карах установлена какая-либо аэродеталь.
Чаще всего авто оборудуются диффузорами, спойлерами, сплиттерами или антикрыльями.
И если профессиональные спортсмены прекрасно знают назначение, функции и последствия установки каждого из дополнительных элементов, то для новичков данный факт зачастую является загадкой. Но это не беда.
В данной статье мы разберемся, какие бывают детали, которые улучшаю аэродинамику автомобиля, и в каких случаях их необходимо ставить.
Основные действующие силы
Если вспомнить законы физики, то можно констатировать – во время движения на машину действует две основные силы – прижимная и подъемная.
При этом многое зависит от формы объекта, сталкиваясь с которым воздух поднимается или опускается к земле.
Сегодня есть множество моделей машин, у которых из-за неправильной формы кузова проявляется дополнительная подъемная сила. Последняя всеми силами пытается оторвать переднюю часть от земли. И чем выше скорость движение, тем мощнее данная сила.
Когда автомобиль сталкивается с потоком воздуха, у последнего есть всего два пути – уйти вверх или отправиться под днище транспортного средства.
Самое интересное, что во время езды давление воздуха под авто зачастую гораздо выше, чем над ним. Здесь проявляется так называемый «эффект Бернулли».
Молекулы воздуха быстрее перемещаются над верхним кузовом авто, поэтому там давление ниже. Под машиной плотность воздуха много больше, поэтому выше и давление.
Какой можно сделать вывод? На большой скорости потоки воздуха стараются оторвать переднюю часть от земли, но этому явлению сопротивляется сила тяжести.
Применение аэродинамики в спорте
Под капотом автомобиля огромный вес, но это не мешает встречному потоку воздуха приподнимать кузов и ухудшать сцепление колес с дорогой.
В автоспорте данное явление недопустимо. Неточное вхождение в поворот, небольшая неровность на дороге, и авто может вылететь с трассы.
Вполне логично, что мастера вынуждены всяческими методами бороться с неприятными явлениями.
Делается это путем генерации дополнительной прижимной силы, путем грамотного подбора и установки аэродинамических деталей.
Как подобрать аэродеталь для своего авто
У большинства автолюбителей есть одна общая ошибка — при выборе они исходят из внешнего вида детали, не обращая внимания на ее функциональные особенности.
С таким подходом можно не только не добиться большей устойчивости на дороге, но и усугубить ситуацию.
Следовательно, необходимо знать некоторые тонкости выбора аэродинамических деталей для каждого конкретного вида авто.
Двигатель спереди, передний привод
В таких машинах вся мощность концентрируется в передней части. Чтобы исключить негативное действие воздушных масс, необходимо обзавестись передним сплиттером, который часто называют «губой на бампер».
Еще одна полезная деталь для создания прижимной силы – дефлектор на бампер (также устанавливается на передней части авто).
Этих двух делателей достаточно, чтобы дать автомобилю дополнительную прижимную силу и снизить потери мощности.
Читайте также:Компоновка – среднемоторная, привод – задний
Особенность таких автомобилей – центр тяжести, который находится где-то в центральной части автомобиля.
Передок машины намного легче, что может привести к неконтролируемому заносу задней части авто или перевороту последнего.
Но столь негативные явления можно сбалансировать, если установить подходящие аэродинамические детали на передке машины (о них мы уже упоминали выше).
Не стоит забывать о задней части автомобиля, где диффузоры, спойлеры и антикрылья также могут пригодиться. С их помощью создается прижимная сила на заднюю ось.
Снова-таки, рассмотрим два основных типа авто.
Мотор – спереди, привод – передний
Мы уже упоминали, что нагрузка у такого авто находится в передней части, поэтому зад оказывается уж слишком легким.
Чтобы добиться оптимального результата, его также необходимо «нагрузить» с помощью специальных деталей.
В частности, для этих целей можно установить антикрылья и задние спойлеры.
Компоновка – среднемоторная, привод – задний
В таких авто мощность сосредоточена в большей степени у задних колес. Чтобы сохранить ее в полном объеме и добиться лучшей сцепки колес с дорогой, задней части также необходима дополнительная прижимная сила, которую обеспечивает спойлер или антикрыло.
На какой высоте устанавливать антикрыло
Малоопытные водители часто удивляются высокому расположению элементов, считая это решение глупым и бессмысленным. На самом деле при движении на треке подобный тип установки является оправданным.
Крыло в этом случае располагается в зоне «чистого воздуха», то есть на пути следования потока над крышей авто.
Во время движения в задней части машины давление воздуха разрежено и прижимной силы практически нет.
Антикрыло ставится таким образом, чтобы через него проходил «чистый воздух» и выполнял свою функцию. Если поставить девайс ниже, то от него попросту не будет толка.
Но, исходя из вышесказанного, возникает вопрос по поводу оптимальной высоты для установки антикрыла.
Здесь есть несколько вариантов (в зависимости от типа кузова).
Седан.
Практически на всех авто такого типа угол «скоса» заднего стекла очень большой. Следовательно, разреженность воздуха над багажником проявляется намного больше.
Ставить спойлер на низких «ножках» в таком авто бессмысленно. Лучший выход – монтаж аэродетали на максимально допустимую высоту.
Лифт-, фастбэк или купе.
У таких авто заднее стекло довольно «покатое», угол небольшой. Следовательно, разрежение воздуха над задней частью машины не так заметно. В этом случае антикрылья должны ставиться на среднюю высоту.
Универсал, хэтчбек.
Все авто такого класса имеют одну общую особенность – у них нет багажников в том виде, в каком мы привыкли их видеть.
В этом случае спойлер должен устанавливаться как раз на краю крыши, чтобы через аэродеталь проходили потоки «чистого воздуха».
Для чего нужен диффузор?
Многие автолюбители так и не знают, для чего нужен диффузор. Его задача – создание дополнительной прижимной силы. Установка данного элемента часто производится вместе со спойлером. В этом случае и эффект будет максимальным.
Выводы
Хорошая аэродинамика автомобиля безусловно это здорово, но как правило, начальные аэродинамические характеристики машины уже заложены в нее на этапе конструирования.
Поэтому если вы придерживаетесь любительского стиля езды, то установка аэродинамических деталей не обязательна.
Но для спортсменов такие дополнения – настоящие спасители, ведь с их помощью можно не только гарантировать необходимую мощность, но и удержать автомобиль на дороге в случае резкого маневра.
Но если есть желание установить спойлер или диффузор ради тюнинга автомобиля – право ваше.
Не все так просто, как проверяют аэродинамику в компании Мерседес.
В этом нет ничего плохого.
История развития автомобильной аэродинамики
Первые, выпускавшиеся в начале XX века, легковые автомобили имели кузова каретообразной формы, что делало их плохообтекаемыми. Значение коэффициента аэродинамического сопротивления этих автомобилей составляло 0,7-0,8. Это, учитывая малую мощность устанавливавшихся на них двигателей, было одним из препятствий в достижении высоких скоростей движения, что и послужило основной причиной развертывания работ по совершенствованию аэродинамики автомобильного кузова. Представляет интерес история развития и становления автомобильной аэродинамики с точки зрения совершенствования формы и обтекаемости кузова.
В развитии автомобильной аэродинамики можно выделить четыре основных этапа. Первые три, касающиеся в основном экспериментальной отработки формы кузовов легковых автомобилей. представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Годы | Принципы снижения коэффициента С, легковых автомобилей | Примеры разработанных кузовов |
1 | 2 | 3 |
1900-1920 | Заимствование обтекаемых форм из других областей техники | |
1921-1923 | Создание обтекаемых кузовов |
Продолжение таблицы 1.1
1 | г | 3 |
1922-1939 | Создание обтекаемых кузовов | |
1934-1939 | ||
С 1955 г. | ||
с 1975 г. | Поэлементная оптимизация формы кузова |
Первый этап (1900-1920 гг.) был характерен заимствованием и прямым переносом в кузовостроение тел вращения и обтекаемых форм из других областей техники: дирижаблестроения, судостроения и др. К числу первых обтекаемых автомобилей следует отнести имевший электрический привод автомобиль Дженатца (рис 1.1.а). Его кузов в форме торпеды с отношением длины к диаметру, равным 4, имел хорошую обтекаемость, что позволило автомобилю достигнуть очень высокой по тем временам (1899 г.) скорости в 106 км/ч. Другим примером использования обтекаемых форм является автомобиль «Альфа Ромео» (рис. 1.1,6), кузов которого был заимствован из дирижаблестроения (1912 г.). Были также разработаны обтекаемые кузова, задняя часть которых была выполнена в виде «остова корабля».
Второй этап (1921-1960 гг.) — это период разработки и создания автомобильных кузовов обтекаемых форм. Все имевшиеся тогда достижения в аэромеханике в части улучшения обтекаемости, в том числе в самолетостроении, применялись при создании обтекаемых автомобилей.
После Первой мировой войны создание обтекаемых кузовов началось одновременно в ряде стран. При этом широко использовались оставшиеся бездействующими самолетные аэродинамические труды и информация по аэродинамике самолетов. Особенно интенсивные разработки в области автомобильной аэродинамики велись в этот период в Германии. Известный авиаконструктор Румплер разработал кузов автомобиля, который в плане имел форму профиля крыла. Чтобы полезно использовать сильно зауженную заднюю часть кузова, двигатель у этого автомобиля был размещен сзади. По результатам испытаний, выполненных в 1979 г. в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген» (Германия) на представленном немецким автомобильным музеем оригинале этого автомобиля, его коэффициент Сх = 0,28. Показанный в табл. 1.1 гоночный автомобиль «Бугатти» был разработан в 1923 г. Кузов этого автомобиля представлял собой также профиль крыла, но расположенного горизонтально.
Рис. 1.1. Первые автомобили с обтекаемыми кузовами: а) «Дженагца»; б) «Альфа Ромео»; в) «Адлер-Триумф»; г) «Тагра-87» |
Кузова, разработанные Джереем, содержат элементы крыловидных профилей и тел вращения. В основу его идеи формообразования кузова положена комбинация из двух хорошо обтекаемых тел: нижнее представляло собой крыловидный профиль, на который перпендикулярно устанавливался либо симметричный обтекаемый профиль, либо полутело вращения. Предложенная Джереем концепция формообразования кузова была в 1934 г. реализована в спортивном автомобиле «АдлерТриумф» (рис. 1.1.в). Он имел привод на передние колеса, а рабочий объем двигателя составлял 1,5 л. Серийным автомобилем. имевшим форму кузова «Джерея», была разработанная в 1940 г. в Чехословакии «Татра-87» (рис. 1.1,г). Относительное удлинение кузова было меньше, чем у «Адлер-Триумф»: 2,9 против 3,3. Восьмицилиндровый двигатель размещался сзади. По результатам испытаний в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген» значение коэффициента С, для этого автомобиля составило 0,36.
В это же время ряд разработок в области обтекаемых кузовов был выполнен американскими исследователями: Фишлаем, Хилдом, Лэем, Рейдом. Представленные в табл. 1.2 модели автомобилей с разработанными ими на базе полутел вращения кузовами с утопленными в них колесами имели более чем в три раза меньший С„ чем модели серийных автомобилей, выпускавшихся в США в 1922-1933 гг. Среди этих работ следует выделить результаты исследований сотрудника Мичиганского университета Лэя. Системно изменяя форму автомобиля спереди и сзади, Лэй показал ее влияние на коэффициент аэродинамического сопротивления Сд.. Полученные им результаты приведены на рис. 1.2. В это время для снижения аэродинамического сопротивления автомобиля значительно удлиняли хвостовую часть кузова, что обеспечивало улучшение обтекаемости за счет уменьшения спутного следа. Однако при этом росли габариты автомобиля, что отрицательно сказывалось на его маневренности.
Рис. 1.2. Влияние формы кузова на С,.модели легкового автомобиля по данным В. Лэя |
Важнейший результат выполненных Лэем исследований вывод о том, что для автомобиля, имеющего в целом обтекаемую форму, резко опускающаяся форма задка в сравнении с вытянутой дает сравнительно небольшое увеличение аэродинамического сопротивления. Теоретическое обоснование этого явления было сделано немецким ученым Каммом, который вдальнейшем стал разработчиком обтекаемого кузова со срезанной задней частью. Форма такого кузова называется формой Камма или сокращенно «К-форма». Преимуществом таких кузовов являлось наличие существенно большего пространства над головой в зоне заднего сиденья при сохранении малого значения коэффициента Сх. Низкий коэффициент С, у автомобиля «Камма» достигается за счет того, что при хорошем обтекании его носовой части воздушный поток плотно прилегает к крыше и, благодаря ее оптимальной форме, а также крутому срезу задка, плавно перетекает для отрыва на значительно меньшее поперечное сечение кузова. Это резко уменьшает поперечное сечение вихревого следа и зону разрежения за автомобилем. На рис. 1,3,а показан автомобиль «Камма» и характер его обтекания при испытаниях в аэродинамической трубе «Фольксваген», по результатам которых значение коэффициента Сх составило 0,37. На рис. 1.3,6 показано сравнение силуэтов кузовов автомобилей «Камма», «Адлер-Триумпф» и «Татра-87».
Рис. 1.3. Характер обтекания автомобиля «Камма» (а) и сравнение силуэтов кузовов трех автомобилей (б): 1 — «Татра 87»; 2 — «Камма»; 3 — «Адлер-Триумф» |
В таблице 1.1 показан обтекаемый автомобиль «Шлера», кузов которого имел форму полутела вращения. Такой прием построения обтекаемого кузова был широко распространен в тот период его формообразования. Продольное среднее сечение кузова «Шлера» образовывалось двумя крыловидными профилями, имевшими одинаковый коэффициент аэродинамического сопротивления Сх = 0,125. Колеса были закрыты кузовом, что из-за необходимости обеспечения кинематики поворота передних колес привело к увеличению ширины его носовой части до 2100 мм.
Высота и длина автомобиля «Шлера» составляли: 1275 и 4328 мм соответственно, а его лобовая площадь — 2,54 м . Значение коэффициента С, этого автомобиля было равно 0,19. Автомобилем «Шлера» завершилось направление создания кузовов в форме полутел вращения. Такая форма не нашла применения на серийных автомобилях.
К разработке обтекаемых серийных кузовов, прерванной Второй мировой войной, вернулись в начале 50-х годов. При этом наряду с совершенствованием формы и дизайна автомобиля уменьшалась его лобовая площадь. В целом такая эволюция формы кузова и его лобовой площади наглядно видна на примере автомобилей фирмы «Ситроен» (Франция) (табл. 1.3).
Таблица 1.2 Модели с малым аэродинамическим сопротивлением, в сравнении с существовавшим в то время в США легковыми автомобилями |
Таблица 1.3
Эволюция формы кузова автомобилей фирмы «Ситроен’
Форма кузова автомобиля | Модель, год выпуска | Величина C.-F, мг |
Ситроен В 2, 1921 | 1,437 | |
Ситроен 7CV, 1934 | 1,230 | |
Ситроен DS 19, 1956 | 0.817 | |
Ситроен GSA-X3, 1980 | 0.575 | |
Ситроен ЕСО 2000, 1986 | 0,307 |
Видно, что величина фактора С,7\ характеризующего аэродинамическое сопротивление автомобиля, снизилась более чем в четыре раза. Толчком к резкой активизации работ по созданию обтекаемых кузовов послужил известный мировой нефтяной кризис 1974 г., потребовавший снижения расхода топлива автомобилей. В 80-х годах практически все ведущие автомобильные фирмы Европы, США и Японии по специальным программам разрабатывали прототипы экономичных легковых автомобилей с
обтекаемыми кузовами. Это отразилось и на форме кузовов серийных легковых автомобилей, значение коэффициента Сх которых к 1990 г. было доведено до 0.3, а к 2000 г. до 0,2. Таким образом, начиная с послевоенного периода, значение коэффициента С, легковых автомобилей снизилось в три раза.
Третий период развития автомобильной аэродинамики характеризуется иными подходами к совершенствованию аэродинамики кузова, поскольку наряду с обтекаемостью большое внимание стали уделять компоновке кузова, его безопасности и эргономичности. При проектировании кузова эти вопросы становились приоритетными.
Начиная с 1975 г. широкое распространение получил впервые опробованный фирмой «Фольксваген» метод поэлементной аэродинамической оптимизации проектируемого автомобиля. При этом исходным для аэродинамической отработки автомобиля в аэродинамической чрубе является дизайнерский проект внешней формы и вносимые по результатам аэродинамических испытаний изменения в форму кузова не должны изменить его дизайнерскую концепцию в целом. В табл. 1.1 показаны разработанные по такой методике автомобили этой фирмы.
В настоящее время мы наблюдаем четвертый этап развития аэродинамики автомобиля. Он характеризуется широким использованием расчетных исследований, возможностью проведения компьютерного моделирования его аэродинамической формы, высокоточными параметрическими исследованиями в малых и больших аэродинамических трубах, а также применением дорожных методов аэродинамических испытаний натурных автомобилей.
На рисунке 1.4 показана аэродинамическая эволюция формы кузова легковых автомобилей. Характерным, в том числе из соображений улучшения обтекаемости, является переход на двухобъемные кузова, а также определенный интерес к однообъемным кузовам, применение которых позволяет вести проектирование автомобилей со значениями коэффициента С, менее 0,2. Приведенная на рис. 1.4 диаграмма показывает, что к 2010 г. ожидаемое значение коэффициента Сх легковых автомобилей с обтекаемыми кузовами может составить около 0,15. Наряду со снижением Сх будет уменьшаться и лобовая площадь автомобилей, поэтому величина их фактора обтекаемости может быть доведена до 0,25. Такое значительное снижение аэродинамического сопротивления позволит существенно повысить топливную экономичность и скоростные свойства автомобилей.
Рис. 1.4. Аэродинамическая эволюция формы кузова автомобиля |
Аэродинамика автомобилей — Скачать PDF
Скачать Aerodynamics in Cars …
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТМАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (ME-751) SUMIT SAURABH SHUKLA B.TECH. (IV ГОД) 0700116081
АЭРОДИНАМИКА В АВТОМОБИЛЯХ
АЭРОДИНАМИКА В АВТОМОБИЛЕ ВВЕДЕНИЕ Слово происходит от двух греческих слов: aerios, относящихся к воздуху, и Dynamis, что означает сила. Аэродинамика — это изучение сил и результирующего движения объектов в воздухе.Люди интересовались аэродинамикой и полетами на протяжении тысяч лет, хотя полет на машине тяжелее воздуха стал возможен только в последние сто лет. Аэродинамика влияет на движение большого авиалайнера, модели ракеты, пляжного мяча, брошенного возле берега, или воздушного змея, летящего высоко над головой. Кривая мяча, брошенного питчерами крупной бейсбольной лиги, определяется аэродинамикой. Автомобильная аэродинамика — это часть более широкой науки аэродинамики, изучения воздуха и взаимодействия с твердыми телами, движущимися в воздухе.Аэродинамика сама по себе является частью гидродинамики, которая изучает свойства твердого объекта, движущегося в жидкости, такой как воздух. Автомобиль используется здесь как общий термин для описания любого моторизованного транспортного средства, включая легковые или грузовые автомобили. Автомобильная аэродинамика отличается от аэродинамики самолетов по нескольким причинам. Во-первых, характерная форма дорожного транспортного средства более резкая по сравнению с самолетом. Во-вторых, машина движется очень близко к земле, а не в открытом воздухе. В-третьих, рабочие скорости ниже.В-четвертых, у наземного транспортного средства меньше степеней свободы, чем у самолета, и его движение меньше подвержено влиянию аэродинамических сил. Аэродинамические свойства автомобиля имеют основополагающее значение для рабочих характеристик машины. В то время как двигатель, подвеска, трансмиссия и шины являются первыми структурными компонентами автомобиля, которые учитываются при оценке его характеристик, эффективные характеристики автомобиля требуют оптимальных аэродинамических характеристик. Автомобильная аэродинамика является частью более широкой науки аэродинамики, исследования
воздуха и взаимодействия с твердыми телами, движущимися в воздухе.Аэродинамика сама по себе является частью гидродинамики, которая изучает свойства твердого объекта, движущегося в жидкости, такой как воздух. Автомобиль используется здесь как общий термин для описания любого моторизованного транспортного средства, включая автомобили
Аэродинамика
Аэродинамика
это все в моде. Многие производители двигателей в поисках экономии топлива
теперь открываю для себя эту науку, которая также является искусством.
Как это было для «тяги»
авангард »
— или переднеприводный автомобиль, это одно из направлений, в котором Citron
диспортируется уже много лет.За ними сегодня последовали многие другие.
В течение 1979 года немецкий журнал «Stern» wind туннель протестировал десять автомобилей — и отметил GS аэродинамическое превосходство.
А
годом позже газета «Die Welt» заметила, что строки
«автомобили будущего», которые сейчас разрабатывают стилисты, на самом деле
существует с 1974 года: они принадлежат Citron CX
, автомобиль с подходящим названием (Cx автомобиля — это его коэффициент
проникновение по воздуху).Другие наблюдатели отметили, что такие-то
так называемые экспериментальные образцы, французские или иностранные, предназначенные для
1982-85 гг., еще далеки от достижения Сх стандартной
производство Citron GSA X3. Немецкая ассоциация потребителей написала
Citron как раз для того, чтобы усомниться в реальной стоимости CX этой модели.
По этому поводу марка предоставила все доказательства:
Сх GSA X3, измеренный в Аэротехническом институте в
Saint-Cyr l’Ecole, с двумя пассажирами (310 фунтов) и 130 фунтами багажа
на борту, при работающем двигателе, обеспечивающем нормальную чистоту дороги,
на самом деле 0.318. Ассоциация потребителей приняла к сведению это и
Навели признал: «Консультировавшие нас специалисты придерживались мнения
что такая сенсационная ценность была практически недостижимой «.
лучший Cx в мире для серийного автомобиля. Спасибо за
признавая факт!
По всей
В мире бушует битва за Cx, где коэффициенты пробития
оружие. Вряд ли они были обнаружены, когда попытки уже предпринимаются.
в настоящее время манипулировать ими. Теперь полезно подвести итоги: что есть
аэродинамика сегодня?
1 Наука о ветре
Аэродинамика
является экспериментальной наукой, целью которой является изучение относительных
движения твердого тела относительно окружающего воздуха.это
приложение к дизайну кузова автомобиля составляет одно из главных
направления стремления к экономии энергии в автотранспортных средствах.
Чтобы передвигаться по земле, тело должно преодолеть
две силы:
сопротивление для движения протектора шины, которое зависит от состояния поверхностей в контакте и пропорциональна массе автомобиля. Чем медленнее автомобиль движется, тем больше его эффект.
сопротивление поступательному движению, которое зависит от формы тела и от его лобная зона.Чем выше скорость, тем сильнее эффект.
Все
это приводит к тому, что в исследованиях аэродинамики автомобилей можно увидеть средство
совмещая экономию и комфорт, уважая императивы
безопасность.
В XVI веке
сначала измерения сопротивления воздуха проводились на свободном
падающих тел, и только в конце XIX века
появился новый метод: подвергнуть исследование тела искусственному
воздушный поток.Именно по такому принципу работают аэродинамические трубы.
Первоначальным средством вентиляции аэродинамических труб был сжатый воздух, затем
вентилятор, сначала использованный как нагнетатель, а позже (как сейчас) для
всасывание. В 1909 году известный инженер Эйфель добавил два существенных
приборы: воздухозаборник и диффузор. Этот тип ветряной камеры является
прототип всех современных туннелей.
В
применения аэродинамики автомобилей, поперечное сечение
площадь экспериментальной камеры составляет от 15 до 20 м2 (от 160 до 215 кв.футов), то есть в 10-20 раз больше поперечного сечения автомобиля. В основном
поток, скорость ветра достигает 100 миль в час со стабильностью 1% в
экспериментальное время и пространство.
Эта однородность является фундаментальной, как и низкая
приземный слой (зона мертвой жидкости).
Автомобильная промышленность
аэродинамика также опирается на аэродинамические трубы уменьшенного размера для использования с
модели, обычно масштаб 1/5. Эти предварительные исследования формы
испытания, более быстрые и менее затратные, чем полномасштабные, устраняют
ошибки на первых прототипах.
Аэродинамические трубы
оснащены относительно сложными динамометрическими устройствами, позволяющими
измерение всех аэродинамических сил. Система автомобиль-динамометр образует
устройство, которое можно повернуть на определенный угол относительно
ветер, что позволяет имитировать боковой ветер.
Это
однако следует иметь в виду, что не существует универсального стандарта для
эти измерения. Каждая аэродинамическая труба сама по себе является эталоном
за проведенные там экспериментальные исследования.От одной аэродинамической трубы до
другой, может быть динамометрический или порывистый ветер, вызывающий
небольшие искажения между результатами, найденными с тем или иным
туннель. По этой причине всегда полезно знать, где и в
при каких обстоятельствах были произведены выдвинутые замеры.
Это
в частности, важно знать, были ли заявленные результаты
получен на полномасштабном автомобиле, а не на модели в масштабе 1/5
(чьи аэродинамические результаты обычно примерно на 20% лучше), но также
была ли машина настоящей и груженой.
Все коэффициенты Cx Cy Cz Cl Cm Cn считываются в аэродинамической трубе для различных углы бокового скольжения (угол между осью автомобиля при испытании и ось аэродинамической трубы).
Скорость 80,8 миль / ч при боковом ветре 25 миль в час имитируется в аэродинамической трубе скоростью 84,5 миль в час. ветер и угол 17 градусов между моделью и ветром.
Vo = 84,5 миль / ч (136 км / ч)
Vl = 25 миль / ч (40 км / ч)
Vv = 80.8 миль / ч (130 км / ч)
= 17 градусов
Зная распределение веса и подъемной силы на переднюю и заднюю оси, это становится возможным рассчитать вес снятых с колес вообще скорость автомобиля при разном боковом ветре.
Для Например, для стандартного автомобиля общим весом 2640 фунтов (1760 фунтов) фунтов вперед, 880 фунтов сзади), вес снят с передних осей может составлять 1000 Н (216 фунтов) при скорости 93,6 миль в час при боковом ветре 50 миль на галлон, тогда как гоночный автомобиль может иметь подъемную массу, эквивалентную нагрузке на ось.
Использование
сил и моментов, с помощью простых вычислений становится легко определить
положение центра поперечной тяги по отношению к центру
гравитации. Вместе с лифтом это один из критериев дороги.
стабильность.
2 Визуализация воздуховодов
Визуализация воздушного потока незаменим для понимания и анализа результаты получены. В настоящее время используются два метода:
изучение схем воздушного потока позволяет, среди прочего,
ищите средства компенсации любых аэродинамических эффектов, которые могут
выступать против эксплуатации определенных узлов автомобиля.Ничего не бывает
просто! Таким образом, (очень желательное) улучшение транспортного средства
коэффициент лобового сопротивления может отрицательно сказаться на охлаждении тормозной системы.
система (очень прискорбно).
Это
почему во время испытаний в аэродинамической трубе температура различных
детали тормозной системы контролируются. Визуализация воздуховодов
затем позволяет разработать практичные средства подачи воздуха в
обеспечить незаменимое охлаждение дисковых тормозов.
Пример:
аэродинамические исследования Citron CX привели к созданию
продуманная тормозная система: вентилируемые передние тормоза, листовая сталь
дефлекторы, нагнетающие воздух в сторону тормозной системы на шкворне, воздух
Направляющие закреплены на нижней части передней части корпуса.
3 Измерения давления
Эти измерения помогают частично решить
проблемы охлаждения двигателя и кондиционирования салона.
Давление выражается как безразмерный коэффициент
независимо от скорости:
Cp = P-Po
1/2 V2
Бернулли
уравнение: 1/2 pV2 + P = Константа вдоль воздушного патрубка действительна как
первое приближение для передней части автомобиля.Это доказывает, что
области с высоким давлением имеют низкую скорость воздуха. И наоборот, где воздух
филе прилипают к телу, возникает депрессия. (Рисунок будет
поможет вам понять эту связь между скоростью воздуха и давлением
в любой момент).
Давление
измерения позволяют отследить изобары (линии, перпендикулярные
воздушные патрубки, визуализирующие линии, по которым сохраняется давление
равно заданному значению) на форме транспортного средства.
выбор положения воздухозаборника пассажирского салона
кондиционер будет находиться в зоне давления у подножия
лобовое стекло.
4 Эфир экономии
мощность, которую двигатель должен развивать, чтобы преодолевать различные формы
сопротивления (помимо ускорения и силы тяжести) представлено
формула:
W колеса = N. Wm = 1 / 2QCxSV3 + f. М.В.
где:
Вт колеса = мощность ведущих колес
N = КПД передачи
Втм = мощность на выходном валу двигателя
Q = плотность воздуха
S = лобовая часть автомобиля
Cx = коэффициент лобового сопротивления
f = коэффициент трения
M = масса автомобиля
V = скорость автомобиля
1/2 CxSV3 = аэродинамическое сопротивление
ф.М.В. = сопротивление качению
два следующих графика представляют соответственно формулы выше, примененные к текущему стандартному серийному автомобилю, а потребление автомобиля в литров на 100 км по скорости. Можно отметить важность обтекаемость для скоростей приближения и более 90 км / ч / 56 миль / ч), а сходство между кривыми сопротивления и потребления, демонстрирующее Важную роль в экономии топлива играет аэродинамика.
PPT — Аэродинамика автомобилей Презентация PowerPoint | бесплатно скачать
PowerShow.com — ведущий веб-сайт для обмена презентациями и слайд-шоу. Независимо от того, является ли ваше приложение бизнесом, практическими рекомендациями, образованием, медициной, школой, церковью, продажами, маркетингом, онлайн-обучением или просто для развлечения, PowerShow.com — отличный ресурс. И, что лучше всего, большинство его интересных функций бесплатны и просты в использовании.Вы можете использовать PowerShow.com, чтобы найти и загрузить примеры онлайн-презентаций PowerPoint ppt практически на любую тему, которую вы можете вообразить, чтобы вы могли узнать, как улучшить свои собственные слайды и презентации бесплатно.Или используйте его, чтобы найти и загрузить высококачественные презентации PowerPoint ppt с практическими рекомендациями и иллюстрированными или анимированными слайдами, которые научат вас делать что-то новое, также бесплатно. Или используйте его для загрузки собственных слайдов PowerPoint, чтобы вы могли поделиться ими со своими учителями, классом, студентами, руководителями, сотрудниками, клиентами, потенциальными инвесторами или всем миром. Или используйте его для создания действительно крутых слайд-шоу из фотографий — с двухмерными и трехмерными переходами, анимацией и музыкой на ваш выбор — которыми вы можете поделиться со своими друзьями в Facebook или в кругах Google+.Это тоже бесплатно!
За небольшую плату вы можете получить лучшую в отрасли конфиденциальность в Интернете или публично продвигать свои презентации и слайд-шоу с высокими рейтингами. Но в остальном это бесплатно. Мы даже преобразуем ваши презентации и слайд-шоу в универсальный формат Flash со всей их оригинальной мультимедийной красотой, включая анимацию, эффекты перехода 2D и 3D, встроенную музыку или другой звук или даже видео, встроенное в слайды. Все бесплатно. Большинство презентаций и слайд-шоу на PowerShow.com доступны для просмотра, многие даже можно бесплатно загрузить. (Вы можете выбрать, разрешить ли людям загружать ваши оригинальные презентации PowerPoint и слайд-шоу из фотографий за плату или бесплатно или вовсе.) Посетите PowerShow.com сегодня — БЕСПЛАТНО. Здесь действительно каждый найдет что-то для себя!
За небольшую плату вы можете получить лучшую в отрасли конфиденциальность в Интернете или публично продвигать свои презентации и слайд-шоу с высокими рейтингами. Но в остальном это бесплатно. Мы даже преобразуем ваши презентации и слайд-шоу в универсальный формат Flash со всей их оригинальной мультимедийной красотой, включая анимацию, эффекты перехода 2D и 3D, встроенную музыку или другой звук или даже видео, встроенное в слайды.Все бесплатно. Большинство презентаций и слайд-шоу на PowerShow.com можно бесплатно просматривать, многие даже можно бесплатно загрузить. (Вы можете выбрать, разрешить ли людям загружать ваши оригинальные презентации PowerPoint и слайд-шоу из фотографий за плату или бесплатно или вовсе.) Посетите PowerShow.com сегодня — БЕСПЛАТНО. Здесь действительно каждый найдет что-то для себя!
Ваш автомобиль неустойчив, особенно на скорости? (Введение в аэродинамику)
Независимо от того, как вы настраиваете подвеску и торможение, машина просто кажется плавающей и выходит из-под контроля при нажатии на тормоз?Может быть, причина в вашей аэродинамике, но страх, а не помощь, так же близко, как ваш автомобиль!
Первое, что нужно сделать, это проанализировать ситуацию, для этого нам нужна правильная настройка:
Убедитесь, что расширенные параметры включены в параметрах пользовательского интерфейса
В меню отладки включите отладку аэродинамики, а также отладку треугольника столкновения
Вам нужно приложение Wind и приложение распределения веса, добавьте их из меню приложения
Включите ручной тормоз или припаркуйте автомобиль, настройте ветер так, чтобы он дул спереди, и отрегулируйте скорость ветра, наблюдая за весом каждой шины.
Если задняя масса уменьшается больше, чем передняя, это приводит к нестабильности
Если передняя нагрузка увеличивается больше, чем задняя, это может привести к нестабильности
Как правило, вы хотели бы сохранить распределение веса неизменным или перемещать долото назад со скоростью, поскольку это улучшает стабильность .
Если ваше транспортное средство находится в таком проблемном состоянии, что вес на задней части уменьшается со скоростью, вам необходимо добавить крыло или изменить существующие треугольники столкновения, чтобы вы могли получить подъемную силу, или эффекты подъемной силы уменьшились.
Как добавить треугольники:
https://wiki.beamng.com/JBeam_Introduction#Triangles_.26_quads_.28Coltri.27s.29
Как добавить узлы и балки для удержания узлов на месте:
https: // wiki. beamng.com/JBeam_Introduction#Nodes
Итак, я добавил крыло, поместил два треугольника сверху зеленой стороной вверх, и я увидел увеличение веса на задних колесах:
Drag — это сопротивление воздуха:
«dragCoef»: 14.3,
Lift — это сила аэродинамического эффекта треугольника, угол * liftCoef * скорость воздуха в моем случае дает подъемную или прижимную силу.Измените значение и проверьте, достаточно ли изменения для получения желаемого эффекта:
«liftCoef»: 134,3
Итак, это краткое введение в аэродинамику для управления автомобилем, тема действительно обширна, и есть действительно много очень сложных аспектов, которые вам нужно рассмотрите для реализма, но для этого введения я не буду добавлять такие, однако с этим коротким вступлением и чтением при условии, что вы сможете улучшить управление транспортными средствами.