Аэродинамика автомобиля: советы по выбору аэродеталей

Как меняют аэродинамику автомобиля?

Задача специалистов по аэродинамике состоит в уменьшении паразитных сил и моментов (Рх, Рz, Му, Мх и Мz). Добиться можно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, что ведет к увеличению площади миделя и как следствие – к увеличению силы лобового сопротивления. Тупик? Нет, оказывается, грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы позволяют уменьшить Сх! Что это за устройства? Обычно при слове обвес речь идет о бамперах, порогах, спойлерах и антикрыльях.

Антикрыло. Создано для борьбы с подъемной силой. Первостепенная задача – создать прижимную силу, чтобы колеса не теряли контакт с дорогой ни при каких условиях. Взгляните на болиды Ф1. Вот где антикрылья – усилия работы специалистов по аэродинамике! Но перебарщивать с размерами нельзя – резко растет аэродинамическое сопротивление, а значит – падает скорость, увеличивается расход топлива. Практически на всех спортивных автомобилях рабочая часть крыла выполнена регулируемой для возможности изменения угла атаки и возможности настройки.

Основы аэродинамики автомобиля. Что влияет на аэродинамику авто?

Спойлер (от spoil — портить). Аэродинамический элемент с одной рабочей поверхностью для изменения направления движения воздушного потока. Основная задача «правильного» спойлера – организация безотрывного и «плавного» обтекания воздушным потоком всей поверхности автомобиля, что повышает устойчивости при движении с высокими скоростями. Спойлер может бороться с подъемной силой, отсюда его сложные формы. Но эта деталь всегда примыкает к кузову автомобиля. По большому счету, бамперы и пороги это тоже большие спойлеры.

Спойлер и антикрыло – основные, но не единственные элементы, улучшающие аэродинамику. Если заглянуть под днище современного авто, то увидим большое количество специальных щитков. Их задача – уменьшить сопротивление, исключить завихрения и направление потока в нужном направлении. Иногда проработка днища дает потрясающие результаты.

Диффузор. Дальше всех пошли спортсмены – они решили присосать автомобиль к трассе! Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила. Плодами этого открытия норовит воспользоваться каждый автопроизводитель: диффузоры, обеспечивающие ускорение потока, появляются в задней части гражданских машин.

Проблема, что для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны по возможности плоское днище и минимальный дорожный просвет. Если строители спортивных машин могут это позволить, то, к примеру, на Evolution диффузор служит скорее украшением, чем полноценным аэродинамическим элементом.

Парктроник – главный помощник автовладельца. Устройство и монтаж

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).

ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Подробно про фильтры нулевого сопротивления

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.

Тупые и обтекаемые формы тела

Концепция

Сила между жидкостью и телом при относительном движении может передаваться только за счет нормального давления и касательных напряжений трения. Таким образом, для всего тела сила сопротивления, соответствующая приближающемуся движению жидкости, состоит из сопротивления трения (вязкое сопротивление) и сопротивления давления (сопротивление формы). Полное сопротивление и силы сопротивления компонента могут быть связаны следующим образом:

cdзнак равно2Fdρv2Азнак равноcп+cжзнак равно1ρv2А∫SdА(п-по)(п^⋅я^)⏟cп+1ρv2А∫SdА(т^⋅я^)Тш⏟cж{\ displaystyle {\ begin {align} c _ {\ mathrm {d}} & = {\ dfrac {2F _ {\ mathrm {d}}} {\ rho v ^ {2} A}} \\ & = c _ {\ mathrm {p}} + c _ {\ mathrm {f}} \\ & = \ underbrace {{\ dfrac {1} {\ rho v ^ {2} A}} \ displaystyle \ int \ limits _ {S} \ mathrm {d} A (p-p_ {o}) \ left ({\ hat {\ mathbf {n}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {i}}} \ right)} _ {c _ {\ mathrm { p}}} + \ underbrace {{\ dfrac {1} {\ rho v ^ {2} A}} \ displaystyle \ int \ limits _ {S} \ mathrm {d} A \ left ({\ hat {\ mathbf {t}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {i}}} \ right) T _ {\ rm {w}}} _ {c _ {\ mathrm {f}}} \ end {align}}}

куда:

cп{\ displaystyle c _ {\ mathrm {p}}}- коэффициент сопротивления давлению ,
cж{\ displaystyle c _ {\ mathrm {f}}}- коэффициент сопротивления трения ,
т^{\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {t}}}} = Тангенциальное направление к поверхности площадью dA,
п^{\ Displaystyle {\ шляпа {\ mathbf {п}}}} = Нормальное направление к поверхности с площадью dA,
Тш{\ Displaystyle Т _ {\ mathrm {w}}}- напряжение сдвига, действующее на поверхность dA,
по{\ displaystyle p _ {\ mathrm {o}}} — давление вдали от поверхности dA,
п{\ displaystyle p} — давление на поверхности dA,
я^{\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {i}}}} — единичный вектор в направлении набегающего потока

Следовательно, когда в сопротивлении преобладает фрикционная составляющая, тело называется обтекаемым телом ; тогда как в случае преобладающего сопротивления давлением тело называется тупым или обтекаемым телом . Таким образом, форма корпуса и угол атаки определяют тип сопротивления. Например, аэродинамический профиль рассматривается как тело с небольшим углом атаки текучей среды, протекающей через него. Это означает, что к нему прикреплены пограничные слои , которые создают гораздо меньшее сопротивление давлению.

Компромиссное соотношение между сопротивлением при нулевой подъемной силе и сопротивлением, вызванным подъемной силой

Бодрствование производится очень мало и сопротивление преобладают компоненты трения. Поэтому такое тело (здесь аэродинамический профиль) описывается как обтекаемое, тогда как для тел с потоком жидкости под большими углами атаки имеет место отрыв пограничного слоя. В основном это происходит из-за неблагоприятных градиентов давления в верхней и задней частях аэродинамического профиля .

Из-за этого происходит образование следа, что, следовательно, приводит к образованию завихрений и потере давления из-за сопротивления давления. В таких ситуациях аэродинамический профиль останавливается и имеет более высокое сопротивление давлению, чем сопротивление трения. В этом случае тело описывается как тупое тело.

Обтекаемое тело похоже на рыбу ( тунец ), оропесу и т. Д. Или на аэродинамический профиль с малым углом атаки, тогда как тупое тело похоже на кирпич, цилиндр или аэродинамический профиль с большим углом атаки. При заданной площади фронта и скорости обтекаемое тело будет иметь меньшее сопротивление, чем тупое тело. Цилиндры и сферы считаются затупленными телами, потому что в сопротивлении преобладает составляющая давления в области следа при высоком числе Рейнольдса .

Чтобы уменьшить это сопротивление, можно уменьшить отрыв потока или уменьшить площадь поверхности, контактирующей с жидкостью (для уменьшения сопротивления трения). Это снижение необходимо в таких устройствах, как автомобили, велосипеды и т. Д., Чтобы избежать вибрации и шума.

Практический пример

Аэродинамический дизайн автомобилей развивался с 1920 — х до конца 20 — го века. Это изменение конструкции от тупого корпуса к более обтекаемому уменьшило коэффициент лобового сопротивления с 0,95 до 0,30.

Изменение во времени аэродинамического сопротивления автомобилей в сравнении с изменением геометрии обтекаемых кузовов (от тупого к обтекаемому).

Изготовление

Блок частичной решетки

Передняя решетка автомобиля используется для направления воздуха через радиатор. В обтекаемой конструкции воздух обтекает автомобиль, а не проходит сквозь него; тем не менее, решетка транспортного средства перенаправляет воздушный поток вокруг транспортного средства через транспортное средство, что затем увеличивает сопротивление. Чтобы уменьшить это воздействие, часто используется решетчатый блок. Блок решетки закрывает часть или всю переднюю решетку автомобиля. В большинстве высокоэффективных моделей или в автомобилях с низким коэффициентом лобового сопротивления очень маленькая решетка радиатора уже встроена в конструкцию автомобиля, что устраняет необходимость в блоке решетки. Решетка в большинстве серийных автомобилей обычно предназначена для максимального увеличения потока воздуха через радиатор на выходе в моторный отсек. Такая конструкция может фактически создать слишком большой поток воздуха в моторный отсек, препятствуя его своевременному прогреву, и в таких случаях используется блок решетки радиатора для увеличения производительности двигателя и одновременного уменьшения сопротивления транспортного средства.

Под лотком

Нижняя часть автомобиля часто задерживает воздух в различных местах и ​​создает турбулентность вокруг автомобиля. В большинстве гоночных автомобилей это устраняется путем покрытия всей нижней части автомобиля так называемым поддоном. Этот лоток предотвращает попадание воздуха под автомобиль и снижает сопротивление.

Классификация транспортных средств в США

Фундаментальные определения автомоби­лей в 49 CFR Part 523 “Vehicle Classification” (CFR, Кодекс федеральных правил США ): че­тырехколесные автомобили с разрешенной полной массой до 10 000 фунтов, работаю­щие на углеводородном или альтернативном топливе, предназначенные для эксплуатации на дорогах общего пользования.

Дальнейшее подразделение на легковые автомобили для перевозки не более десяти человек и легкие грузовики, отвечающие одному из следующих требований:

  • Более 10 посадочных мест;
  • Открытая грузовая площадка (пикапы);
  • Грузовой отсек больше пассажирского;
  • Предназначены для внедорожной эксплуа­тации.

Как измерить коэффициент на практике?

Для того, чтобы «вживую» вычислить аэродинамические показатели транспортного средства, автопроизводители используют метод «продувки». Для этого машина или ее макет помещаются в аэродинамическую трубу. В ней на кузов на разных скоростях действует воздушный поток, благодаря чему измеряются реальные силы. Сама аэродинамическая труба достаточно массивная в плане габаритов. К примеру, на заводе АвтоВАЗа ее длина составляет 67,5 метров, а ширина – 150 метров. Воздушный поток создается с помощью вентилятора, диаметром 7,4 м, и он проходит путь в 150 м. Предельная скорость потока достигает 216 км/ч.

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели. При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

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.

Как аэродинамика влияет на поведение автомобиля

Аэродинамика начинает работать тогда, когда автомобиль сдвигается с места, но на низких скоростях ощутить это практически невозможно. Но чем быстрее вы будете двигаться, тем большее влияние на машину будет оказывать окружающая среда.

Шум

Чем быстрее вы едете, тем шумнее становится в салоне. И гудят не только покрышки. Ко всем сопутствующим ежедневной езде звукам добавляются ещё и аэродинамические шумы. Всё гудение и кряхтение, раздающееся вокруг — это звук, с которым воздух «срывается» с кузова автомобиля, а потом «бьётся» в стёкла и двери. Чем быстрее вы будете ехать, тем большее количество воздуха будет с шумом «утекать» со стоек, зеркал и других излишне выступающих частей экстерьера, отсюда и нарастающий шум.

Разгон

Неспроста я успела обозвать воздушную массу киселём. Ведь воздух правда всеми силами сопротивляется передвижению в нём. Работает это примерно так: сила сопротивления воздуха увеличивается пропорционально квадрату скорости, а это значит, что, при прочих равных, если вы ускоритесь с 60 до 70 км/ч, сила сопротивления вырастет примерно на 35%, а если разогнаться до 100 км/ч — на 180%. Получается, что чем быстрее вы едете, тем больше машине требуется мощности на преодоление воздушной преграды. Соответственно, на высоких скоростях может значительно вырасти потребление горючего, а разгон при этом серьёзно «просядет», даже если номинальный запас мощности мотора не исчерпан.

Управляемость

На управляемость сильно влияет подъёмная сила, которая возникает под днищем вашей машины. На маленьких скоростях вес автомобиля больше, чем воздействие воздуха снизу, но на скоростях выше городских вы можете почувствовать, что машина начала по-другому управляться и очень уж нервно реагировать, например, на боковые порывы ветра. Это происходит потому, что кузов чуть приподнялся над дорогой, и часть веса машины приняла на себя своеобразную воздушную подушку. Поэтому пятно контакта колёс с дорогой стало чуть меньше, от этого и неприятная нестабильность в управлении. У всех автомобилей эта «критическая» скорость разная. Кто-то «взлетает» на 100 км/ч, а кому-то и скорость 210 не страшна. Это зависит и от геометрии кузова, веса самой машины и от того, что автомобиль может противопоставить подъёмной силе.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх)  — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2  и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

  • Формой кузова;
  • Трением потока о поверхности при обтекании;
  • Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Что такое аэродинамика автомобиля

Как бы странно это ни звучало, чем с большей скоростью автомобиль движется по дороге, тем сильнее он будет стремиться оторваться от земли. Причина в том, что поток воздуха, с которым сталкивается транспортное средство, разрезается кузовом авто на две части. Одна проходит между днищем и дорожным покрытием, а вторая – над крышей, и огибает контур машины.

Если посмотреть на кузов автомобиля сбоку, то визуально он будет отдаленно напоминать крыло самолета. Особенность этого элемента летательного аппарата заключается в том, что воздушный поток над изгибом проходит больше пути, чем под прямой частью детали. Из-за этого над крылом создается разряжение, или вакуум. С увеличением скорости эта сила сильнее приподнимает корпус.

Подобный подъемный эффект создается и у автомобиля. Верхний поток огибает капот, крышу и багажник, а нижний – только днище. Еще один элемент, который создает дополнительное сопротивление, это приближенные к вертикали детали кузова (радиаторная решетка или лобовое стекло).

Скорость транспорта напрямую влияет на подъемный эффект. Причем форма кузова с вертикальными панелями создает дополнительное завихрение, которое снижает сцепление транспорта с дорогой. По этой причине владельцы многих классических автомобилей с угловатыми формами при тюнинге обязательно крепят к кузову спойлер и другие элементы, позволяющие увеличивать прижимную силу машины.

Основные понятия аэродинамики

Чтобы легче разобраться в аэродинамике, определимся с терминами, принятыми в этой науке.

Сила аэродинамического сопротивления (Рх) — сила, с которой поток воздуха «давит» на движущийся автомобиль. Всегда действует в сторону, противоположную движению. Чем больше, тем ниже максимальная скорость и динамика автомобиля при прочих равных условиях.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх). Безразмерная величина, обычно меньше единицы. Определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помочью расчетов. Физический смысл — отношение аэродинамической силы к скоростному напору и характерной площади. У современных автомобилей значение Сх в районе 0,30. Внедорожники имеют чуть больший коэффициент Сх из-за большей площади кузова.

Подробнее про коэффициент Сх в данной статье.

Подъемная сила (Рz) — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. При обтекании автомобиля частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, то есть более выпуклую поверхность. А согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.

Преимущества кованых дисков перед литыми. Что выбрать?

Коэффициент подъемной силы (Су). Тоже безразмерный, определяется аналогично Сх. Зависит от форм автомобиля, его ориентации в пространстве, чисел Рейнольдса и Маха.

Мидель (от middel — средняя) – наибольшая площадь сечения автомобиля, перпендикулярная направлению движения.

Опрокидывающий момент (Му) — определяет перераспределение нагрузок между передними и задними осями автомобиля. Возникает из-за того, что Рх всегда действует под углом к продольной оси автомобиля. По Му можно судить о возможном изменении управляемости на высоких скоростях, а нулевое значение говорит о том, что независимо от скорости автомобиля тот будет управляться одинаково, а заложенный производителем баланс нагрузок на колеса не нарушится.

Момент крена (Мх) и разворачивающий момент (Мz) – характеризуют способность автомобиля противостоять порывам бокового ветра. Чем меньше абсолютные значения, тем меньше водитель чувствует влияние капризов природы.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.


Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.


Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

EV1 General Motors

Хотя компания General Motors официально и не продавала свою модель EV1, а только сдавала в аренду, этот автомобиль написал в автопромышленности свою историю. Этот автомобиль вместил в себя как и разочарования (проект был сырой, и машина была ненадежна), так и позитив. Этот автомобиль, начиная с 1996 года, стал первым электромобилем в автопромышленности. Всего было произведено 1000 автомобилей. 

Машина оснащалась простыми свинцовыми или никель-металлогидридными батареями. Но, несмотря на это, запас хода у электрического транспортного средства был потрясающим – 230 км. И все это благодаря конструкции кузова, который имел невероятный коэффициент сопротивления воздуха, составляющий всего 0,19 cd. 

Несколько слов о самом движении

Хотим мы этого или нет, но машине при движении требуется преодолевать противодействие внешней среды. На нее действуют силы тяжести, инерции, сцепления с дорожным полотном, трения сопротивления качения, но для нас сейчас более интересны те из них, которые имеют отношение к аэродинамике. Для автомобиля с этой точки зрения актуальны:

  • сила сопротивления среды;
  • подъемная сила, образованная воздушным потоком;
  • прижимная сила.

Именно их соотношение (равнодействующая) определяет устойчивость, маневренность и экономичность автомобиля на дороге. Величина отмеченных сил во многом зависит от параметров движения. Сопротивление, оказываемое встречным потоком, определяется квадратом скорости и соответствующими коэффициентами. Но характер поведения других сил, обусловленных аэродинамикой, более сложный.

Это самое краткое и минимальное описание сил аэродинамики. Как пример можно привести их распределение, действующих на автомобиль при определенной скорости в зависимости от формы машины и наличия внешних элементов.

Простое сравнение результатов показывает, что даже минимальное улучшение, такое как изменение формы кузова и использование внешних элементов (спойлеров), приводит к тому, что аэродинамика автомобиля может поменяться самым кардинальным образом

Но относиться к этому надо достаточно осторожно, и вряд ли целесообразно экспериментировать самому

О теории и практике

Одним из основных технико-экономических показателей колесного транспорта является его производительность. Она определяется количеством перевезенного груза в тоннах или выполненной транспортной работой в тонно-километрах за единицу времени. Таким образом, повышение производительности обеспечивается как увеличением количества (объема) перевезенного груза, так и ростом скорости движения транспортного средства.

Влиянием аэродинамики на скоростные свойства и производительность колесного транспортного средства всерьез заинтересовались в НЦ ПММ НАН Беларуси. В качестве подопытного был выбран автопоезд МАЗ-5432.

Практика подтвердила теорию. Эффективным способом уменьшения аэродинамического сопротивления транспортного средства является оптимизация формы кабины и кузова, а также применение внешних аэродинамических устройств. На графике приведены характеристики разгона автопоезда МАЗ-5432 без комплекта внешней аэродинамической обвески и с ним на прямой передаче с начальной скоростью 60 км/ч. Видно, что снижение сопротивления движению улучшило динамику разгона автопоезда с аэродинамическими устройствами в диапазоне скоростей 60…100 км/ч на 12%, при этом максимальная скорость автопоезда возросла от 105 до 112 км/ч, т. е. на 6,5%.

Таким образом, наряду с экономией топлива снижение аэродинамического сопротивления позволяет повысить скоростные и динамические качества автопоезда, а следовательно, их технико-экономические показатели. Как известно, производительность транспортного средства определяется его грузоподъемностью и средней технической скоростью, которая в свою очередь зависит от максимальной скорости. Снижение аэродинамического сопротивления позволяет существенно повысить максимальную скорость автомобиля, а значит, и его производительность.

Рассмотрим возможность повышения производительности магистрального автопоезда с обтекаемой головной частью и уменьшенным зазором между кабиной и кузовом.

Годовая производительность автопоезда в т·км рассчитывается по следующей формуле:

(см. таблицу «Годовая производительность автопоездов»).

Годовая производительность автопоездов
Параметры, используемые в расчетах Параметры для седельного автопоезда
с низкой кабиной с кабиной увеличенной высоты
Dх – число календарных дней в году 365 365
αв – коэффициент использования парка 0,72 0,72
Тн – время в наряде, ч 12,5 12,5
Gгр – грузоподъемный, т 20 21,1
γг – коэффициент использования грузоподъемности 0,85 0,85
βп – коэффициент использования пробега 0,75 0,75
Кг – средняя длина грузовой ездки для междугородних перевозок, км 150 150
Vт – средняя или техническая скорость автопоезда, км/ч 42 44,5
Тпр – время простоя под погрузкой и выгрузкой на одну ездку, ч 0,89 0,89
Vэ – эксплуатационная скорость автопоезда, км/ч 35,38 37,15

Величина эксплуатационной скорости определяется по формуле:

При проведении расчетов учитывалось, что за счет снижения коэффициента Сх обтекаемого автопоезда на 70% его техническая скорость возросла с 42 до 44,5 км/ч, а удлинение кузова на 0,7 м увеличило грузоподъемность с 20 до 21,1 т. С учетом приведенных данных рассчитываем годовую производительность для автопоездов с низкой кабиной Wгс и обтекаемой кабиной увеличенной высоты Wго:

Таким образом, улучшение обтекаемости головной части автопоезда за счет применения кабины увеличенной высоты и уменьшения зазора между ней и кузовом позволит повысить производительность седельного автопоезда на 10%.

Аналогичные исследования позволили оценить степень повышения скоростных свойств и производительности автопоезда при установке на них внешних аэродинамических устройств. Наличие комплекта аэродинамических элементов позволяет снизить коэффициент Сх автопоезда на 39%, что обеспечивает повышение его скоростных свойств на 8%, а производительности – на 5%. Все эти цифры очень легко перевести в рубли. Так что, как говорится, есть повод для размышлений…

В заключение хотелось бы сказать, что при разработке и эксплуатации автомобиля будь то легкого пикапа или магистрального тягача, пренебрегать аэродинамическими свойствами было бы по крайней мере ошибочно. Недаром зарубежные автопроизводители ежегодно выделяют на аэродинамические исследования огромные средства. Там прекрасно понимают, что в итоге эти затраты окупятся с лихвой. Так не пора ли аэродинамической трубе на автополигоне ФГУП НИЦИАМТ заработать и опровергнуть постулат «Деньги на ветер»? Ведь этот самый ветер может принести отечественным автостроителям и эксплуатационникам немалые деньги.