Меню

Снижение аэродинамическое сопротивлении автомобиля

Снижение аэродинамическое сопротивлении автомобиля

4.6. Снижение аэродинамического сопротивления грузовых автомобилей

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

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

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

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


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

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

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


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

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

Читайте также:  Брезентовые пологи для автомобилей

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

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

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

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

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

Снижение аэродинамического сопротивления автомобиля

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

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

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

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

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

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

В коэффициенте Cx отражается несколько видов аэродинамического сопротивления:

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

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

Читайте также:  Газовая топливная аппаратура автомобилей

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

Читайте также

Технология 3D-печати преобразит производство автомобилей и деталей для них.

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

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.

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 м 2 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.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

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.

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.

Читайте также:  Диагностирование передней подвески автомобиля

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.

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.

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.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

Источник статьи: http://autoleek.ru/nesushhaja-sistema/kuzov-avtomobilja/aerodinamicheskoe-soprotivlenie-avtomobilya.html