Практическа аеродинамика
В общото съпротивление на движението на автомобила аеродинамичните сили могат да бъдат значителна част. Ако при шофиране в градски цикъл (средна скорост 40-50 км / ч) те достигат 8%, при шофиране в извънградската зона (средна скорост 80-90 км / ч) - 29%, а след това по магистрали - 53%. Обърнете внимание, че колкото по-висока е скоростта, толкова по-бързо нарастват загубите "на вятъра": вече при 60 км/ч те отнемат повече енергия от всеки друг компонент. Факт е, че мощността, изразходвана за преодоляване на аеродинамичното съпротивление, е пропорционална на куба на скоростта; така че ако скоростта се удвои, тогава мощността трябва да се увеличи с коефициент осем.
За да разберем как въздушното съпротивление възниква и влияе върху автомобила, нека разгледаме от какво се състои то. Взаимодействието на въздуха и автомобила може да бъде представено като сума от съпротивления: профилни, индуктивни, вътрешни, както и съпротивления на триене и изпъкналост. Най-големият "принос" (около 58%) се пада на профила. Дължи се на формата на самото тяло. Въздухът, който тече около колата, сякаш се компресира пред нея, създавайки значително положително налягане. Потокът по горната част на тялото многократно се отделя от повърхността му, което създава области с ниско налягане на тези места. В задната част потокът най-накрая се откъсва от тялото. Там се образува мощна вихрова следа и област с големи отрицателни налягания. Положителното налягане в предната част на превозното средство и отрицателното налягане в задната част възпрепятстват движението, като създават съпротивление на налягането или профилно съпротивление на въздуха.
Индуктивното съпротивление (8% от общия баланс) се причинява от разликата в натиска върху горната и долната част на тялото. В резултат на тяхното взаимодействие възниква сила, която избутва автомобила от земята - повдигане. Въпреки че намалява съпротивлениетотъркаляне, ефектът му върху характеристиките на шофиране на автомобила като цяло е отрицателен - това е намаляване на силата на сцепление на колелата с пътя, което води до влошаване на управлението.
Устойчивост на бучки (13% от всички загуби). Очевидно всяка изпъкнала част от автомобила (огледало, антена, дръжки на врати и т.н.) допринася за общото аеродинамично съпротивление. И така, багажник на покрива със скорост от 60 км / ч го увеличава с 10-12%, поради което разходът на гориво се увеличава с 2-3%. Специалисти от редица фирми смятат, че само промяна в такива детайли може да подобри горивната ефективност с 3-4%.
Съпротивлението на триене (11% от всички загуби) се дължи на „залепването“ на въздушните слоеве към повърхността на тялото, в резултат на което потокът в близост до него губи скорост. Загубата на енергия поради повърхностно триене зависи главно от качеството на покритието на тялото. Така или иначе експериментите са показали, че ако при нов полиран автомобил то е около 8% от общото въздушно съпротивление, то при зле боядисан автомобил с грапава повърхност се увеличава 2-2,5 пъти. По-специално, повърхностното триене се увеличава значително, когато покривът е тапициран с модерна гранулирана винилова изкуствена кожа.
Вътрешно съпротивление (10% от всички загуби) възниква, когато въздухът преминава през охладителни и вентилационни системи. Естеството на тези загуби е такова, че възможността за тяхното намаляване в момента е много проблематична.
Количествената характеристика на общото аеродинамично съпротивление е така нареченият коефициент на съпротивление - Cx, който по правило се определя отекспериментално. За целта колата или нейният умален модел се монтира в аеродинамичен тунел и се симулира въздушният поток около нея. Някои методи за изпитване на пътя дават по-малка точност.
Коефициентът на съпротивление за автомобили, произведени от различни компании през 70-те и 80-те години варира (виж таблицата) от 0,30 до 0,60. Средно в момента е 0,43. За сравнение: средната стойност на Cx за автомобили, произведени през 1938 г., е 0,58. Най-нисък е коефициентът за автомобили, предназначени да поставят рекорди за скорост - 0,2 (Звезда-6, СССР) и 0,15 (Volkswagen-ARFV, Германия).
Нека се върнем към въпроса за разходите за мощност и гориво за преодоляване на въздушното съпротивление. Графиката в раздела показва как промяната в коефициента на съпротивление им влияе при различни скорости. При съвременните модели има ясна тенденция към намаляването му, постигнато чрез конструктивни мерки (виж раздела). Според изчисленията, извършени в чужбина, с намаление на Cx само с 0,01, икономията на гориво по отношение на целия парк от британски автомобили (около 10 милиона) ще бъде почти 70 милиона литра годишно (обемът на двигателя се приема за 1200 cm3, а средният годишен пробег на всяка кола е 16 хиляди километра). Сега, когато си представим какво означава Cx за разхода на гориво, ще бъдат интересни и следните данни: допълнителните фарове пред облицовката на радиатора го увеличават с 0,04, калните престилки на всички колела - с 0,03, удължената антена - с 0,02, външното огледало за обратно виждане - с 0,01, неприбраните чистачки - с 0,007. Цялото това допълнително оборудване плюс багажник на покрива може да увеличи общата сумастойността на Cx, да речем, за VAZ-2105 от 0,43 до 0,58, което означава потреблението на допълнителни 1-1,5 литра бензин на 100 километра. Цифрата е достатъчно убедителна, за да отчете аеродинамичните характеристики на автомобила както в експлоатация, така и най-вече на етапа на проектиране. Неслучайно вниманието към изследванията в тази област се увеличи значително през последните години.
Аеродинамичните изследвания се извършват не само за намаляване на разхода на гориво. Те спомагат за постигане на напредък в областта на активната безопасност на автомобила и влияят положително на компоненти на комфорта като ефективност на вентилацията, шум в кабината, замърсяване на прозорците и светлините.
Резултатите от обещаващи разработки говорят за големи резерви, скрити в подобряването на аеродинамиката на автомобила. Така известните италиански каросерийни фирми Pininfarina и Ital Design създадоха няколко експериментални модела с Cx 0.23-0.26. Вярно е, че поради технологични трудности и съответно високата производствена цена, такива машини все още не се произвеждат масово.
Важна роля в подобряването на аеродинамичните качества играят различни обтекатели, дефлектори („Зад волана”, 1982, № 8), спойлери, задни крила, поли („Зад волана”, 1981, № 4). Напоследък се използва най-широко използваният преден спойлер на леките автомобили (виж раздела).
Това е профилиран щит - най-често продължение на предния панел на каросерията надолу, под бронята или елемент от самата броня. Служи за намаляване на нежеланото разтоварване на колелата, причинено от повишено налягане, което се образува в зоната между дъното на автомобила и пътното платно при движение. При скорости около 100 км/ч може да има отрицателно (нагоре) натоварване на предните колеланадвишава 100 kgf. В резултат на това характеристиките на праволинейното движение ("задържане" на пътя) се влошават и страничната стабилност намалява при завой с висока скорост.
В допълнение, потокът въздух под автомобила е съпроводен със значително увеличаване на съпротивлението на изпъкналите части на окачването, изпускателната система и други - до 20% от общото съпротивление на профила. Очевидно плоското или екранирано дъно би било идеално, но това е практически невъзможно да се постигне, въпреки че частично подобни нежелани ефекти могат да бъдат елиминирани чрез инсталиране на преден спойлер. Променяйки посоката на потоците, протичащи около долната част на автомобила, той създава вакуум под купето. Минималното общо съпротивление се достига, когато допустимата максимална височина на спойлера гарантира, че аеродинамичното съпротивление на частите отдолу се намалява с толкова, колкото се увеличава съпротивлението на тялото. Тестовете обаче показват, че монтирането на спойлер може да влоши охлаждането на двигателя, изпускателната система, трансмисионните агрегати. Ето защо изборът му е трудна задача, решавана на базата на множество експерименти за всеки конкретен модел автомобил. Един добре подбран спойлер може да намали Cx с 6-7%.
Дизайнерите търсят възможности за използване на аеродинамични устройства на серийни машини. Така че, на особено високоскоростни модели (Porsche, Alfa Romeo и др.), Те поставят антикрила. На какво се основава ефектът им? Ако крилото на самолет създава повдигане, тогава като го обърнем (оттук и префиксът "анти"), получаваме силата на натиск, която обикновено толкова липсва в колата. До 80-те години крилото е аксесоар само за състезателни автомобили, където създававертикална сила до 3000 kgf. Сега е инсталиран на производствени модели. В допълнение към увеличаването на притискащата сила, задното крило на капака на багажника организира въздушния поток зад автомобила по такъв начин, че намалява съпротивлението с около 6%.
Наред с търсенето на най-изгодната (от гледна точка на намаляване на аеродинамичните загуби) комбинация от елементи на каросерията, дизайнерите обръщат сериозно внимание на намаляването на загубите около отделните изпъкнали части.
Прибиращи се фарове (Porsche-928, Mazda-RIx-7, Matra-Bagheera), прибиращи се в "лоното" между задния ръб на капака и "чистачките" на предното стъкло (GAZ-14, Mercedes-Benz-S, Rover-3500, Dodge-Magnum-78), отхвърляне на изпъкнали дръжки на вратите (Renault-5, FIAT-Panda, "Renault Fuego ") помагат за изглаждане на контурите на тялото. От голямо значение за намаляване на общото аеродинамично съпротивление е подмяната на изпъкналите улуци над вратите с водоотводни ребра на покрива, както беше направено при Renault-18, Mitsubishi Colt, Honda Accord.
В заключение можем да кажем, че външният вид на автомобила наскоро претърпя големи промени, главно поради желанието да се вземат по-пълно предвид характеристиките на въздушния поток около него. Подобряването на аеродинамиката на автомобила допринася за увеличаване на динамичните качества и с минимални структурни промени дава забележими икономии на гориво. Следователно можем уверено да прогнозираме напредъка в областта на аеродинамиката. Според прогнозите до 1990 г. аеродинамичното съпротивление на автомобила ще намалее средно с 10%, което ще намали потреблението на бензин с 3,5% и дизелово гориво с 4,5%. В бъдеще се счита за възможно по този начин да се намали разходът на гориво с 15%.
ЛитератураМихайловски Е. Аеродинамика на автомобила. М., Машиностроение, 1973. Павловски Я. Автомобилтяло. М., Машиностроение, 1977. "Зад волана", 1978, № 1, № 7; 1981, № 4, № 8. "Автомобилна индустрия", 1979, № 11.
Коефициент на съпротивление Cx