Меню Закрыть

Аэродинамика авто: Аэродинамика автомобиля — что такое коэффициент Cx и как определяется

Содержание

Аэродинамика автомобиля — что такое коэффициент Cx и как определяется

Первые модели с улучшенной аэродинамикой сделаны в форме капли — она обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Поговорим об аэродинамике автомобиля и узнаем что такое коэффициент Сх и на что влияет.

Основные факты аэродинамики

Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, — снижение лобового аэродинамического сопротивления. C ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха. Когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Для примера, автомобилю массой 2 тонны при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 180 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы — 310 л.с.

Коэффициент Cx

Определяется экспериментально и описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины. Как потом выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной её Cx равен примерно 1,2. Самый низкий Cx у капли — примерно 0,05.

При нормальной эксплуатации авто важнее сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива. Снизить его можно двумя способами: улучшить форму (снизить Cx) или уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра. Зато влияние оказывают небольшое.


Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент — аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные машины обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова авто.

У большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,24-0,27. Он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова. Приведенные значения — идеал, которого может достичь данная модель.

Прижимная и подъемная силы

Подъемная сила — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. Частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, т.е. более выпуклую поверхность. 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.

Низкое лобовое сопротивление иногда не важно. Болиды «Формулы-1» имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колёса. Для них важнее другие параметры и прежде всего — прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колёс с дорогой и устойчивость в повороте.

Для гоночных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья.

Для снижения подъемной силы

Используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление, и машина присасывается к дороге. Спойлер на крышке багажника ставят для организации срыва воздушного потока до того, как начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А антикрыло работает на создание прижимной силы. Заметный эффект они создают при скорости 120 км/ч и выше. Работающий на создание прижимной силы воздух создает заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом будет ниже, а расход топлива — больше.

Для уменьшения прижимной силы

В автоспорте используют диффузоры – они способны 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.

Но для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны плоское днище и минимальный дорожный просвет. Значит диффузоры в задней части обычных машин не дают эффекта улучшения аэродинамики.

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 ми 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.

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.

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.

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.

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. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.

Снижение лобового сопротивления

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прижимная сила

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

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

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

Практическая аэродинамика

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

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

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

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

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

Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.

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

Аэродинамика автомобиля | Автомобильный справочник

 

Одной из важных характеристик современного автомобиля, является его аэродинамика. Если сказать точнее, коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля. Этот показатель влияет на динамические характеристики и экономичность машины. Вот о том, что же такое аэродинамика автомобиля, как она влияет на его скорость и экономичность, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Аэродинамические параметры

 

Основные параметры, т.е. силы моменты и коэффициенты, относящиеся к аэродинами­ческим характеристикам автомобиля приве­дены в табл «Аэродинамические силы и моменты».

 

 

Аэродинамическое сопротивление

 

Коэффициент аэродинамического сопро­тивления cw описывает аэродинамическое поведение кузова автомобиля в воздушном потоке. Умножая cw на динамическое давле­ние воздушного потока:

q = 0,5 ρ v2

и на площадь поперечного сечения автомо­биля Afx получаем аэродинамическое сопро­тивление W. В отличие от важного значения W момент L относительно оси х не столь важен.

 

Подъемная сила

 

Вследствие криволинейной формы крыши ав­томобиля скорость воздушного потока, обтека­ющего эту поверхность, выше скорости потока в области днища. Это приводит к возникновению нежелательных подъемных сил, снижающих силы сцепления колес с дорогой и, следова­тельно, курсовую устойчивость автомобиля.

Коэффициент подъемной силы сА равен сумме коэффициентов подъемной силы передней оси cAV и задней оси сАн. Разность между коэффициентами подъемной силы передней и задней осей называется «балан­сом подъемных сил» и является переменной, влияющей на курсовую устойчивость.

Вместо подъемной силы в конструировании часто используется момент продольной качки M, действующий относительно оси у. Положи­тельный момент продольной качки требует недо­статочной поворачиваемости, а отрицательный- избыточной поворачиваемости автомобиля.

 

Боковая сила

 

При взгляде спереди автомобиль имеет прак­тически симметричную форму. Это означает, что боковые силы, генерируемые воздушными потоками, невелики. Когда направление обте­кающего кузов воздушного потока не совпа­дает с осью х (например, при боковом ветре), воздушный поток генерирует поперечные силы, которые могут оказывать значительное влияние на поведение автомобиля.

В качестве показателя влияния бокового ветра также используется момент рыскания N, действующий относительно оси z. Это зна­чение берется, чтобы получить скорость из­менения угла рыскания и углового ускорения рыскания, которые являются показателями силы бокового ветра.

 

Автомобильные аэродинамические трубы

 

Автомобильные аэродинамические трубы ис­пользуются для как можно более реалистич­ного и воспроизводимого моделирования воздушного потока, воздействующего на авто­мобиль во время движения по дороге. Однако, по своей природе реальные условия движения весьма изменчивы. Так, направление и сила ветра постоянно изменяются вследствие та­ких факторов, как естественные изменения, застройка и дорожное движение.

Преимущества использования аэродина­мических труб в качестве инструмента экспериментальных разработок, по сравнению с дорожными испытаниями, заключаются в воссоздании условий испытаний, срав­нительно несложной, надежной и быстродей­ствующей технике измерений и возможности изолировать те или иные эффекты, которые в реальных условиях изолированно не воз­никают (например, шум во время движения). В аэродинамической трубе конструкторские прототипы, которые не могут быть выпущены на дорогу, могут быть опти­мизированы с точки зрения аэродинамики с гарантированной секретностью.

 

Типы аэродинамических труб

 

При помощи аэродинамических труб опреде­ляются аэродинамические параметры авто­мобиля. Трубы различаются по способу на­правления воздушного потока, конструкции испытательной секции и способу моделиро­вания дорожной поверхности (см. табл. «Автомобильные аэродинамические трубы в германии» ).

 

 

Замкнутые аэродинамические трубы с за­крытой рабочей частью называются «Геттин­генскими трубами», а системы с возвратом потока — «трубами Эйфеля» (рис. «Конструкция аэродинамических труб» ).

 

 

Стандартное оборудование аэродинамических труб

 

Испытательная секция может быть открытого типа, закрытого типа или с перфорированными стенками. Она характеризуется сечением на выходе диффузора, сечением коллектора и длиной (см. табл. Автомобильные аэродинамические трубы в германии).

Также важным параметром является ко­эффициент препятствия ФN = АfxN . Это отношение площади поперечного сечения автомобиля Afx к поперечному сечению диффузора АN. На дороге это отношение ФN = 0, поэтому в аэродинамической трубе оно должно быть как можно меньше. С уче­том конструкции и эксплуатационных затрат обычным значением на практике является ФN = 0,1. Это соответствует поперечному сечению диффузора приблизительно 20 м2.

Скорость и стабильность воздушного по­тока в аэродинамической трубе определяются сужением и формой диффузора. Большое значение коэффициента поджатия к, пред­ставляющего отношение площадей сечений форкамеры и выпускной части диффузора (к = АvD), дает равномерное распределение скорости, низкую турбулентность и высокое значение ускорения воздушного потока.

Контур диффузора может влиять на ста­бильность профиля скорости потока на вы­ходе диффузора в испытательной секции и параллельность потока геометрической оси трубы.

 

Форкамера

 

Форкамера располагается перед диффузо­ром, в области наибольшего сечения аэро­динамической трубы. Форкамера содержит выпрямители потока, фильтры и теплооб­менники, служащие для повышения качества воздушного потока в отношении стабильно­сти и направления и поддержания постоян­ной температуры в канале.

Для исследования аэродинамики автомо­билей в основном используются Геттинские аэродинамические трубы с открытыми испы­тательными секциями или с перфорирован­ными стенками.

 

Вентиляторы

 

Большинство аэродинамических труб могут создавать воздушные потоки со скоростью далеко за 200 км/ч. Однако такие скорости используются редко, например, для испытаний функциональной безопасности компонентов кузова и их стойкости к ветровым нагрузкам. Это связано с тем, что такие испытания требуют полной мощности вентилятора до 5000 кВт.

 

 

Обычно измерения выполняются при скорости воздушного потока 140 км/ч. При такой скорости аэродинамические коэффициенты могут быть определены достоверно и с низкими затратами. Скорость воздушного потока регулируется путем изменения скорости вращения вентилятора или положения лопастей вентилятора при постоянной скорости вращения (см. табл. «Вентиляторы аэродинамических труб» ).

 

Динамометр аэродинамической трубы

 

Динамометр аэродинамической трубы служит для регистрации аэродинамических сил, воздействующих на испытуемый автомобиль, и моментов относительно всех точек контакта шин с поверхностью, которые используются для вычисления аэродинамических параметров, действующих в направлении осей х, у и z.

Динамометр аэродинамической трубы обычно расположен под поворотной платформой, служащей для поворота автомобиля относительно направления воздушного потока, т. е. для моделирования таким образом бокового ветра.

 

 

В отличие от реальной ситуации, автомобиль в аэродинамической трубе неподвижен и обте­кается воздушным потоком. Поэтому влияние перемещения автомобиля относительно до­роги не может быть учтено. Однако в послед­нее время было сооружено несколько аэро­динамических труб, на которых в пол встроены движущиеся ленты, служащие для модели­рования движения автомобиля по дороге и вращения колес (см. рис. «Поворотная платформа на полу аэродинамической трубы с встроенной движущейся лентой» ). Это позволяет повысить качество прохождения воздушного потока между автомобилем и дорогой и зна­чительно приблизить условия в трубе к реаль­ным условиям.

 

Вспомогательные системы аэродинамических труб

 

Система измерения площади поперечного сечения

 

Система измерения площади поперечного се­чения (лазерная или на приборах с зарядовой связью) измеряет площадь поперечного се­чения автомобиля оптическими средствами. Результаты измерений используются для вы­числения аэродинамических коэффициентов и значений сил, измеренных в аэродинами­ческой трубе.

 

 

Современные системы датчиков давле­ния в аэродинамических трубах (например, плоские датчики давления, крепящиеся к поверхности кузова) могут одновременно ре­гистрировать изменения давления как минимум в 100 точках. Миниатюрные (кварцевые) датчики давления во всех точках измерения выдают информацию в электронной форме с относительно высокой частотой (см. рис. «Система определения распределения давления» ).

 

Траверсная люлька 

 

Траверсная люлька позволяет выполнить измерения во всем поле обтекающего авто­мобиль воздушного потока. Каждая точка испытуемого образца может быть описана ко­ординатами и воспроизведена. По показаниям датчиков, установленных во всех точках, затем могут быть определены значения давления, скорости и уровня шума в каждой точке.

 

Дымовые струи

 

Дымовые струи используются для визуализа­ции воздушного потока, который в противном случае является невидимым. (см. рис. «Использование «дымового гребня» и дымовой струи для визуализации воздушного потока» ). Дымовые струи по­зволяют выявить те или иные неоднородности воздушного потока, которые могут стать при­чиной недостоверных результатов измерений вследствие снижающей энергию турбулентно­сти. Нетоксичный «дым» обычно производится посредством нагрева смеси этиленгликоля в паромасляном генераторе. Другие методы ви­зуализации воздушного потока включают:

  • ленты на поверхности кузова;
  • ленточные датчики;
  • фотографии потока с использованием быстросохнущей смеси парафина или талька;
  • генераторы пузырьков гелия;
  • лазерные системы.

 

 

Система дисперсии загрязняющих агентов

 

Система дисперсии загрязняющих агентов может использоваться для орошения автомо­биля в аэродинамической трубе водой с раз­личной интенсивностью — от легкого тумана до сильного дождя. Картины распределения потоков могут быть визуализированы и за­документированы путем добавки к воде мела или флуоресцирующего вещества.

 

Блок подачи горячей воды

 

Блок подачи горячей воды обеспечивает по­дачу горячей воды с постоянным расходом для определения охлаждающей способности радиаторов на прототипах, которые не могут быть выпущены на дорогу.

 

Варианты аэродинамических труб

 

Сооружение автомобильных аэродинамических труб требует крупных капиталовложений. Эти капиталовложения в сочетании с высокими эксплуатационными затратами делают трубы дорогостоящим оборудованием с высокой по­часовой ставкой стоимости использования. Только очень частое использование автомо­бильных аэродинамических труб для аэродина­мических, аэроакустических и температурных экспериментов может оправдать сооружение нескольких специализированных аэродинами­ческих труб для выполнения различных задач.

 

Аэродинамические трубы для испытаний на моделях

 

Аэродинамические трубы для испытаний на моделях значительно снижают эксплуатаци­онные затраты, благодаря менее строгим кон­структивным требованиям и меньшей техни­ческой сложности. В зависимости от масштаба (от 1:5 до 1:2), можно легко, быстро и эконо­мично изменять форму моделей автомобилей.

Испытания на моделях в основном прово­дятся на ранних этапах разработки для опти­мизации базовой аэродинамической формы кузова. При поддержке дизайнеров «пласти­линовые» модели используются для оптими­зации формы кузова или для формирования полного ряда вариантов перед испытаниями их аэродинамического потенциала.

Используя новые методы производства (бы­строе создание прототипов), модели можно создавать быстро, точно и во всех деталях. Это позволяет выполнять на моделях важные ис­следования с целью оптимизации деталей, даже по окончании этапа разработки формы кузова.

 

Акустические аэродинамические трубы

 

В акустических аэродинамических трубах, благодаря надежной звукоизоляции, уровень звукового давления приблизительно на 30 дБ (А) ниже, чем в стандартных трубах. Это обе­спечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум, составляющее более 10 дБ (А), что позволяет идентифицировать и оценить шумы, генерируемые в результате циркуля­ции и сквозного потока воздуха.

 

 

Аэродинамические трубы с системами климат-контроля

 

Аэродинамические трубы с системами климат-контроля используются для теплового анализа и разработки систем защиты автомо­биля в определенных температурных диапазо­нах при различных условиях нагрузки.

Для поддержания температуры в диапа­зоне от-40°С до +70°С с высокой точностью (±1 К) служат большие теплообменники.

Автомобиль устанавливается на динамо­метрических роликах и «приводится в движе­ние» при требуемых условиях нагрузки или в условиях циклического изменения нагрузки. Скорости воздушного потока и вращения роликов должны быть точно согласованы, даже при низких скоростях. При необходи­мости, с целью учета влияния действующих в реальной ситуации факторов, могут моде­лироваться условия движения на подъем или под уклон. Также может регулироваться влажность воздуха или при помощи ламп может имити­роваться солнечное излучение.

Тем не менее, не все проблемы, воз­никающие при проработке аэродинамики автомобилей, могут быть решены посред­ством описанных выше испытаний. В до­полнение к экспериментальным исследо­ваниям производители все более широко используют модели CFD (вычислительной гидродинамики). Они позволяют вырабо­тать предварительные решения с целью снижения нагрузки на испытательное обо­рудование.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Аэродинамика автомобиля

Автор admin На чтение 4 мин. Просмотров 420

В соответствии с законами физики движение любого механизма является результатом взаимодействия нескольких сил. Причем при различных внешних условиях, вклад тех или иных воздействий будет отличаться. В применении к ТС часто приходится пользоваться таким понятием как аэродинамика автомобиля. Что это такое – ясно интуитивно, а вот коснуться некоторых подробностей будет, как минимум, просто интересно.

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.

При разгоне и движении ТС, препятствующий этому воздух делится на несколько потоков. Один из них обтекает машину сверху и прижимает ее к дороге. Другой проходит под днищем, по закону Бернулли он является более плотным и приподнимает машину, а остальные обтекают ее с боков.

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.

Немного теории

Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля указывается в величине Cx, обычно она меньше 1. Чем он будет меньше, тем меньше мощностей он будет затрачивать для движения. Так показатель Cx у AUDI A8 — 0.37, Lexus LS 460 — 0.26. Весьма странным может показаться тот факт, что у спорткаров этот показатель значительно выше (Porsche 911 Turbo 997 — 0.31, Bugatti Veyron — 0.42). На самом же деле все довольно просто. Мощные двигатели требуют охлаждения, в том числе и воздушными потоками. Добиться этого можно увеличив площадь радиатора, а значит и поперечное сечение машины.

Улучшение аэродинамики автомобиля

Машина движется в воздушной среде, преодолевая ее сопротивление. Оно во многом определяется формой автомобиля, наличием и конструкцией внешних устройств. Для первых представителей авто, например «жестянка Лиззи», это не имело никакого значения, скорости движения были невелики, и время думать о том, что надо улучшать аэродинамику автомобиля, еще не пришло.

Однако по мере взросления автопрома росли скорости и мощности моторов, так что для дальнейшего развития и совершенствования автомобиля, вопросы, затрагивающие улучшение его аэродинамики, становились все более и более актуальными. Главные цели улучшения аэродинамических показателей — увеличение скоростей и экономия топлива. В таблице показано как меняется сопротивление воздуха в зависимости от скорости.

Первыми с этим столкнулись спортивные машины, именно там стали появляться обтекаемые формы, позволившие снизить сопротивление внешней среды, благодаря чему повысились скорости движения. Надо сразу отметить, что в тот момент именно скоростные характеристики стояли на первом месте, об экономичности речи еще не шло.

Но со временем именно топливная экономичность, вопросы безопасности и управляемости стали решающими. За счет оптимальных форм кузова, а также обтекаемости внешних элементов отделки и дизайна (фар, ручек, решеток и т.д.) удалось поднять скорость движения и повысить топливную эффективность автомобиля.

Как пример – в таблице приведены некоторые данные о влиянии внешних элементов на расход топлива.

Так что со временем улучшение эксплуатационных характеристик автомобиля, стало просто невозможно без учета влияния на них его аэродинамики. И достигается это кропотливым трудом многочисленных специалистов на специальных стендах.

Аэродинамика автомобиля имеет отношение практически ко всему спектру вопросов существования современного ТС. Дело не только в наличии внешних атрибутов, таких как спойлеры, колесные диски или зеркала специальной формы. Во многих случаях аэродинамика играет едва ли не решающую роль в управляемости и безопасности движения. И собираясь улучшать аэродинамику автомобиля самостоятельно, стоит понимать, что этим занимался производитель еще на этапе производства.

Мне нравится1Не нравится
Что еще стоит почитать

Аэродинамика – Автомобили – Коммерсантъ

&nbspАэродинамика

Больше хорошей аэродинамики

Аэродинамика авиационная и автомобильная
       Аэродинамические исследования — важнейшая часть проектирования летательных аппаратов тяжелее воздуха. Эта сравнительно молодая наука накопила обширную теоретическую базу, и математические модели обтекания реального самолета весьма совершенны. Машину рассматривают поэлементно — крылья, фюзеляж, хвостовое оперение, а потом сводят результаты воедино.
       Аэродинамические исследования в разработке автомобиля играют не столь важную роль, хотя заниматься ими стали почти одновременно с авиационными. Теория в данном случае не так важна, как эксперимент. Попытки использовать авиационные выкладки очень часто проваливались. Например, внутреннее обтекание объекта в авиации почти не рассматривается (корпус самолета герметичен), а в автомобиле постоянно циркулируют воздушные потоки. В авиации не нужно бороться с забрызгиванием окон и стекол фар. И наконец, никто в авиастроении не будет настаивать на сохранении габаритов и дизайна опытного образца, если его аэродинамические характеристики не устраивает конструкторов. Когда речь идет об автомобиле, маркетинговые соображения часто берут верх над другими.
       
Исторический аспект, дизайн
       До начала 20-х годов лишь немногие, преимущественно рекордные автомобили получали обтекаемые кузовы. Наиболее известные примеры — электромобиль Камилла Женатци (Camille Jenatzy) 1899 и Alfa Romeo с кузовом Рикотти 1913 года. Их дизайн был позаимствован не у самолетов, а, скорее, у кораблей и дирижаблей. Появлялось и множество псевдоаэродинамических кузовов, разработчики которых добивались скорее эстетических преимуществ, нежели лучшей обтекаемости. После первой мировой войны положение изменилось: Германии запретили разработку военных самолетов, и немецкие авиаконструкторы решили попробовать себя в автоконструировании.
       Представления о том, какой должна быть конструкция автомобиля (узкая рама, вынесенные за кузов колеса) не только ограничивали художников-кузовщиков, но и сбивали с толку аэродинамиков. Немецкие авиационные специалисты Клемперер (Klemperer), Нойманн-Неандер (Neumann-Neander) и Ярай (Jaray), комбинировали кузов из знакомых им самолетных элементов — профилей крыльев, тел вращения. Они совершенствовали форму, не трогая компоновку. Поток воздуха пускали по бокам кузова, как будто это был самолетный фюзеляж. Кузовы получались неимоверно высокими, узкими, у них была длинная заостренная задняя часть. В небольшой автомобиль Ярая, например, с трудом помещались пассажиры.
       Первым догадался изменить компоновку известный немецкий авиаконструктор Эдмунд Румплер (E. Rumpler). Его автомобиль 1924 года с несущим основанием и задним расположением двигателя имел сравнительно небольшие размеры. Румплер получил замечательный даже по сегодняшним меркам результат — Cx равнялся 0,28 (аэродинамические испытания закрытого автомобиля его конструкции 1924 года в 1979 году провел Volkswagen). Но автомобиль этот не пользовался успехом — конструкция была слишком непривычной.
       В 30-е годы сотрудник Мичиганского университета Лей (Lay) озаглавил одну из своих статей вопросом, который сегодня кажется наивным: «Можно ли проехать 50 миль на одном галлоне горючего, улучшив аэродинамику?». Экономичность автомобиля за прошедшие полвека улучшилась в большей степени благодаря совершенствованию двигателя и трансмиссии, а не аэродинамических показателей.
       Последовательно изменяя форму, Лей пришел к сенсационному выводу — заостренную заднюю часть, которая досталась первым обтекаемым автомобилям в наследство от самолета, можно обрезать, а основной поток направить не по бокам, а поверх кузова. Обтекаемость практически не ухудшится.
       Еще один немецкий исследователь, Кам (Kamm) создал на материале исследований Лея обтекаемый автомобиль «К-формы». В 1938 году был построен ходовой образец на базе шасси BMW. Он был вместительным и относительно компактным. С этого изделия и началась современная автомобильная аэродинамика. Конструкторы наконец поняли, что в результате аэродинамической проработки можно избежать шума, забрызгивания окон и стекол фар или попадания пыли в салон.
       В 70-е годы сделали еще одно важное открытие: улучшать аэродинамические показатели можно не только уменьшая сопротивление потоку, но и увеличивая — принудительно направляя его по нужному пути. Появились спойлеры (от to spoil — портить) и антикрылья.
       «Зализанные» кузовы, которые воздушный поток обтекает плавно, без завихрений, сегодня почти не применяются на серийных машинах, поскольку редко отвечают современным эксплуатационным и эстетическим требованиям. Вольный полет дизайнеров в клетке безотрывного обтекания, как метко охарактеризовал увлечение «зализанными» формами московский дизайнер Сергей Ивакин, автор формы концепткара АЗЛК «Истра», завершился.
       
Суть дела
       Существует несколько формул расчета силы сопротивления воздуха. Различаются они, главным образом, методикой оценки обтекаемости — учетом тех или иных факторов. Например, немецкая, ее приводит в книге «Аэродинамика автомобиля» Вольф-Хейнрих Гухо (Wolf-Heinrich Hucho). Выглядит она так: W=Cw•A•(p/2)•V2. Сопротивление воздуха W возрастает в квадратичной зависимости от скорости V: скорость увеличивается в 2 раза, а сопротивление — в четыре. С увеличением сопротивления воздуха растет расход топлива. На скорости 100 км/ч автомобиль затрачивает 75% мощности и около 75% горючего именно на преодоление сопротивления воздуха.
       Скорость — показатель, который в данном случае можно только учитывать. В обычных расчетах за постоянную величину принимается и плотность воздуха p. То есть специалист по аэродинамике может работать лишь с двумя составляющими формулы: A — наибольшей площадью поперечного сечения автомобиля, и Cw — коэффициентом аэродинамического сопротивления, который обозначают и как Ca, K, Cl или Cx.
       Как только ни боролись за уменьшение площади поперечного сечения компоновщики, дизайнеры и специалисты по аэродинамике! Сокращали ширину и высоту автомобилей, уточняли профиль поперечного сечения. В результате появились гнутые боковые стекла, узкие продольные поручни на крыше для крепления багажника, скрытые водосточные желоба в полостях дверей и зеркала заднего вида на тонких кронштейнах. Все это, так сказать, разумные изобретения. Но были и другие. Например, в 60-80-х годах появлялись машины, по крышам которых между голов пассажиров проходил широкий продольный желоб. В этом случае площадь поперечного сечения уменьшалась приблизительно на 150 см кв. А пассажиры чувствовали себя, как в кабине истребителя. Самые смелые проекты предлагали делать автомобиль двухкорпусным — объединять 2 зализанные «сигары» наподобие катамарана.
       Сокращением площади поперечного сечения увлекались до тех пор, пока стремление экономить топливо за счет аэродинамичной формы не вошло в противоречие с требованиями комфорта и безопасности. Новые нормативы по защищенности автомобилей от столкновений заставляют делать кузов с развитыми силовыми элементами, а они «съедают» внутреннее пространство. Поэтому, чтобы не создавать дискомфорта, площадь поперечного сечения современных автомобилей оставляют достаточно большой.
       Другое дело — коэффициент аэродинамического сопротивления. Он — единственное свидетельство того, насколько компетентные специалисты в области аэродинамики работают в фирме. Рекордный коэффициент — у Opel Calibra: 0,20. Правда, машина эта создана в 1989 году, когда еще увлекались «безотрывным» обтеканием.
       На обтекаемость влияет положение автомобиля относительно дороги в зависимости от дорожного просвета и угла продольного наклона (уместно вспомнить авиационный термин «угол атаки»). У машин с положительным углом атаки подъемная сила набегающего воздушного потока настолько разгружает передние колеса, что способна ухудшить управляемость. Особенно опасно это для переднеприводных машин. В зависимости от нагрузки коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля может возрасти на 4-6%
       Иногда автоконструкторы все же используют авиационные теоретические выкладки. Например, чтобы уменьшить влияние бокового ветра, отклоняющего автомобиль от заданного курса. Меньше отклоняется каплевидное тело с сильно вытянутой задней частью. Вот тут-то, наверное, специалисты и вспомнили Румплера и его автомобиль-каплю.
       В современной машине набегающий воздушный поток активно эксплуатируется. Профилированные решетки облицовки радиатора в зависимости от скорости дозируют объем воздуха, поступающего в подкапотное пространство; дефлекторы препятствуют попаданию пыли в салон; форма стекол фар и задних фонарей не дает оседать на них пыли и грязи. Даже щетки стеклоочистителя снабжаются аэродинамическими элементами, иначе на больших скоростях они отлипают от поверхности стекла. На быстроходные автомобили ставят антикрылья, спойлеры, воздухозаборники для охлаждения тормозов. Средние значения Сх за последние 20 лет улучшены приблизительно на 25% — причем при попутном увеличении объема салона, вместимости багажника и габаритов автомобиля.
       
Дело — труба
       Когда-то прототипы ездили по шоссе, обклеенные множеством бумажных полосок. Рядом следовала машина с фотографом, который снимал поведение ленточек на разных скоростях. В 30-е годы немногим автомобилям довелось побывать в аэродинамической трубе. Она считалась привилегией самолетов. В СССР была построена одна из самых больших в мире труб в ЦАГИ, но автоконструкторы долго эксплуатировали прямой участок шоссе к северо-западу от Москвы.
       Большинство фирм начали «дуть» машины лишь в 60-70-е годы. В настоящее время около 25 труб принадлежит крупным автомобильным фирмам и независимым исследовательским институтам. Неплохая труба есть на автополигоне в Дмитрове. Специальные автомобильные трубы компактнее авиационных, скорость воздушного потока в них меньше. Самая серьезная установка принадлежит Mercedes-Benz, ее огромный вентилятор разгоняет воздух до 270 км/ч. Мощность его привода — 3000 кВт.
       Рабочую часть трубы делают достаточно длинной и широкой, чтобы воздушные вихри, возникающие возле ее стен, не нарушали картины обтекания автомобиля. Стены обшивают стальными пластинами толщиной 1 см, чтобы исключить любую вибрацию. Отклонение потока регистрируют с помощью специальных ленточек, наклеенных на поверхность кузова в определенном порядке, а так же — пуская «дымы». «Дымы» — это аэрозоли парфюмерного масла. Специалисты визуально оценивают характер обтекания и стараются уменьшить завихрения воздуха в зонах разрежения, чтобы снизить аэродинамические потери. Там, где дымовой след отклоняется от кузова, расположена зона низкого давления (разрежения). Где след прижимается — наоборот. В зоне разрежения на кузове имеет смысл размещать вытяжные вентиляционные отверстия, в зоне высокого давления — воздухозаборники. Ленточки, искривляясь под действием потока, подсказывают характер завихрений. Можно увидеть, куда из-под колес полетит грязь и будет ли она попадать на стекла и зеркала заднего обзора.
       Учитывая, что законы обтекания тела в воде и воздухе схожи, фирма Mercedes-Benz стала обдувать пузырьками воздуха макеты в масштабе 1/5 в водном потоке. Установка для таких исследований компактнее аэродинамической трубы и потребляет меньше энергии (из-за большей плотности воды можно снизить скорость потока).
       Процесс доводки автомобиля в аэродинамической трубе называется оптимизацией. Даже самые мощные компьютерные программы не в состоянии просчитать поведение потока в области дверной ручки или зеркала заднего обзора. Между тем именно отработкой таких нюансов сегодня и добиваются улучшения коэффициента сопротивления. А обдув подкапотного пространства можно оптимизировать только экспериментальным путем.
       Труба «разрушила» многие дизайнерские проекты якобы обтекаемых автомобилей: интуиция в данном случае — плохой подсказчик. Поэтому сейчас фирмы стремятся подвести математическую базу под эксперименты. Так что сходство кузовов автомобилей разных фирм — следствие не стандартизации, а физических законов.
       
       Денис Орлов
       

Аэродинамика автомобиля

Почему на автомобиль действует подъемная сила, которая стремится оторвать машину от дороги?

На первый взгляд действительно странно, что с ростом скорости автомобиль стремится оторваться от дороги. Но на самом деле все просто – посмотрите на машину в профиль. Не правда ли, она отдаленно напоминает крыло самолета? В этом и кроется разгадка.

Набегающий на автомобиль поток воздуха разделяется на два основных “течения”. Одно проходит снизу под днищем, другое – по капоту, крыше и багажнику. Понятно, что верхний путь значительно длиннее, поэтому по законам аэродинамики здесь образуется разрежение, которое и тянет машину вверх, стремясь оторвать ее от дороги.

Причем чем выше скорость машины и ближе к вертикали стоят панели кузова (например, решетка радиатора, ветровое стекло), тем большая подъемная сила будет на него действовать. В этом случае воздух, наталкиваясь на края капота, крыши или багажника как бы не находит дальнейшей опоры и начинает завихряться. Поэтому здесь тоже образуется вредное разрежение.

Чем антикрыло отличается от спойлера?

Спойлер на переднем бампере изменяет направление набегающего воздушного потока.

Эти аэродинамические устройства используются для разных целей.

Антикрыло призвано создавать силу, прижимающую автомобиль к земле. В профиль оно похоже на перевернутое крыло самолета. То есть набегающий поток воздуха стремится не оторвать машину от дороги, а наоборот, сильнее “вдавить” ее в полотно. В результате улучшаются устойчивость и управляемость автомобиля. Но только на высоких скоростях. Если ехать медленнее 90-100 км/ч, антикрыло практически бесполезно.

Также для эффективной работы этого элемента необходимо, чтобы воздух обтекал его с обеих сторон – сверху и снизу. Поэтому антикрыло обычно устанавливается на специальных стойках отдельно от кузова.

Спойлер же лишь меняет направление течения воздушного потока. Например, отсекает его часть для охлаждения тормозов или для снижения завихрений за кормой. Подъемная сила при этом обычно не уменьшается, зато коэффициент аэродинамического сопротивления может упасть очень заметно. А это, в свою очередь, улучшает экономичность машины и повышает максимальную скорость.

В отличие от антикрыла спойлер порой имеет весьма замысловатую форму, но всегда крепится непосредственно к кузову. Частенько он даже изготавливается вместе с каким-либо кузовным элементом. Например, бампером.

 

Что такое “граундэффект”?

Еще в 70-х годах прошлого века создатели гоночных “формул” поняли, что для увеличения прижимной силы можно использовать не только антикрылья, но и разрежение, возникающее под автомобилем. Впервые эту идею использовал знаменитый конструктор Колин Чепмен на болидах команды “Lotus”.

Суть заключается в следующем. Днищу машины придается специальная выгнутая в сторону дороги форма. Часть набегающего воздуха с помощью спойлеров направляется под автомобиль. Поскольку ближе к середине кузова дорожный просвет плавно уменьшается, воздушный поток начинает ускоряться. Это приводит к падению давления, которое “присасывает” машину к трассе. Ближе к корме днище снова расширяется, и воздух через диффузор выходит наружу. По такому же принципу работает карбюратор. Но в аэродинамике это явление получило название “граунд-эффект”.

Однако на серийных моделях он практически не используется. Почему? Во-первых, для его реализации днище должно быть гладким. На обычных машинах это почти невозможно. А любая выступающая часть шасси может нарушить воздушный поток, что приведет к росту подъемной силы. Во-вторых, с увеличением клиренса разрежение уменьшается, и “граундэффект” опять же перестает действовать..

Пожалуй, единственный класс, где машины способны “присасываться” к дороге – это эксклюзивные суперкары вроде “Ferrari Enzo”.

Слышал, что если ехать вплотную за впередиидущим автомобилем, то так можно снизить расход топлива, да и на обгон будет проще выходить. Так ли это?

Антикрыло на высокой скорости создает дополнительное усилие, прижимающее автомобиль к дороге.

Действительно, в автоспорте часто используется подобный прием. Он называется “слипстрим”.

Дело в том, что движущийся автомобиль как бы рассекает набегающий поток, образуя за собой “воздушный мешок” – область низкого давления. Аэродинамическое сопротивление в ней очень мало, поэтому пилот идущей сзади машины экономит топливо и ему легче разогнаться при выходе на обгон.

Но в обычной жизни данная тактика малоприменима. Опытным путем установлено, что размер “воздушного мешка”, как правило, не превышает длину автомобиля. То есть обычный легковой автомобиль оставляет за собой максимум 5-6 метров разреженного пространства. Естественно, если приблизиться к впередиидущей машине на это расстояние, то дистанция сократится до минимума. Что небезопасно..

Другое дело, если вы едете по загородной трассе за длинным грузовиком. В его “воздушном мешке” с легкостью спрячется какая-нибудь малолитражка. В этом случае “слипстрим” действительно может оказаться эффективным.  

 

 

Почему заднее стекло у одних автомобилей быстро загрязняется, а у других – остается чистым в любую погоду?

Ничего удивительного в этом нет. Чистота заднего стекла зависит от угла его наклона. Чем вертикальнее оно стоит, тем быстрее загрязняется. “Пограничным” считается угол 30о. При большей величине происходит срыв воздушного потока, образуются завихрения. Именно они, словно мощный пылесос, затягивают на стекло грязь и пыль.

Также на “чистоплотность” машины влияет форма кузова. Универсалы в этом смысле самые грязные. Ведь у них очень длинная крыша. На протяженной плоской поверхности воздух успевает ускориться, а поскольку задняя стенка почти вертикальная, за кормой такого автомобиля образуется маленький тайфун.

Другое дело – седаны, хэтчбеки и купе. Сильно наклонить стекло у них не всегда получается (иначе головам задних пассажиров не останется места), зато плавный переход от крыши к багажнику не дает воздушному потоку возможности закрутиться волчком.

Можно ли улучшить аэродинамику машины установкой специального комплекта?

Да, но к выбору аэродинамического обвеса следует подходить очень тщательно. Изготовить его на глазок нельзя. Должны проводиться кропотливые расчеты и долгие испытания. Финансировать подобные разработки по силам лишь крупным тюнинговым ателье вроде “Brabus” или “Alpina”. Такие комплекты действительно способны улучшить аэродинамику автомобиля.

Большинство же продукции на рынке – это кустарно выполненные поделки неизвестных азиатских компаний. Как правило, они привлекают клиентов агрессивным внешним видом. Но на этом их достоинства заканчиваются и начинаются недостатки.

Прежде всего однозначно вырастет расход топлива, поскольку дополнительные спойлеры и антикрылья сильно увеличивают аэродинамическое сопротивление автомобиля. Но главное – сделанный на коленке комплект может так изменить распределение подъемных сил по осям, что на высокой скорости машина станет просто небезопасной.

Когда менеджер автосалона представлял мне машину, он долго ходил вокруг, показывая на какие-то незначительные детали кузова. По его словам, они улучшают аэродинамику автомобиля и делают его комфортнее. Неужели эти мелочи так важны?

Через диффузор под задним бампером воздух выходит из-под днища машины.

Еще 8-10 лет назад к вопросам аэродинамики автомобиля действительно подходили глобально. Но теперь ситуация изменилась. Современным компаниям удалось добиться приемлемой обтекаемости своих моделей, поэтому на первый план сегодня выходят, казалось бы, незначительные мелочи.

Например, долгое время считалось, что щетки стеклоочистителя находятся в “мертвой зоне” и не влияют на аэродинамику кузова. Исследования показали, что это не так. Обратите внимание – у многих современных моделей “дворники” в нерабочем состоянии прячутся за край капота.

Другая проблема – загрязнение боковых стекол в плохую погоду – тоже связана с обтекаемостью машины. Ведь щетки смахивают грязь ближе к передним стойкам, а затем уже воздух уносит ее на боковины кузова. Оказалось, достаточно сделать по краям стоек небольшие желобки, и грязь начнет уходить на крышу.

Также тщательно прорабатывается форма зеркал заднего вида, поскольку они – один из главных источников шума на высоких скоростях. Иногда в поле зрения аэродинамиков попадают самые неожиданные детали. Например, на новом “Mercedes-Benz” C-класса по краям задних фонарей сделаны отверстия, через которые выводится часть воздушного потока изпод днища автомобиля. Этот “ветерок” призван уменьшать загрязнение светотехники.

 

Хочу установить на свой автомобиль передний бампер с большими воздухозаборниками, как на гоночных машинах. Это улучшит охлаждение двигателя?

Вовсе нет. При проектировании автомобиля инженеры учитывают экстремальные режимы работы двигателя и в соответствии с ними рассчитывают систему охлаждения. Поэтому, если мотор вашей машины перегревается, – ищите неполадку.

А увеличив приток воздуха в моторный отсек, вы рискуете еще больше поднять в нем температуру. Ведь нагретый воздух еще надо отводить из-под капота (как правило, под днище автомобиля). И штатные каналы могут с ним не справиться..

Кроме того, на гоночных машинах большие воздухозаборники на переднем бампере, как правило, направляют воздух вовсе не к двигателю, а для охлаждения тормозов.

Автор
Юрий УРЮКОВ
Издание
Клаксон №13 2007 год
Фото
фото Алексея БАРАШКОВА и “Mercedes-Benz”

Основы аэродинамики автомобилей, инструкции и советы по дизайну ~ БЕСПЛАТНО!

Аэродинамика — это наука о том, как воздух движется вокруг и внутри объектов. В более общем смысле, это можно назвать «Динамика жидкости», потому что воздух на самом деле представляет собой очень тонкий тип жидкости. Выше медленных скоростей воздушный поток вокруг и через транспортное средство начинает оказывать более заметное влияние на ускорение, максимальную скорость, топливную экономичность и управляемость.

Следовательно, чтобы построить лучший автомобиль, нам необходимо понять и оптимизировать то, как воздух течет вокруг и через кузов, его отверстия и его аэродинамические устройства.

Принципы аэродинамики

Перетащите

Независимо от того, насколько медленно движется машина, для ее перемещения по воздуху требуется определенная энергия. Эта энергия используется для преодоления силы, называемой сопротивлением.

В аэродинамике транспортного средства сопротивление в основном состоит из трех сил:

  1. Фронтальное давление, или эффект, создаваемый кузовом транспортного средства, выталкивающим воздух с пути.
  2. Задний вакуум, или эффект, создаваемый воздухом, который не может заполнить отверстие, оставленное кузовом автомобиля.
  3. Пограничный слой, или эффект трения, создаваемый медленно движущимся воздухом по поверхности кузова транспортного средства.

Между этими тремя силами мы можем описать большинство взаимодействий воздушного потока с кузовом транспортного средства.

Фронтальное давление

Фронтальное давление возникает из-за того, что воздух пытается обтекать переднюю часть автомобиля, как показано на диаграмме D1 ниже.

Схема D1. Фронтальное давление — это форма сопротивления, при которой транспортное средство должно отталкивать молекулы воздуха, когда они движутся по воздуху.

Когда миллионы молекул воздуха приближаются к передней части автомобиля, они начинают сжиматься, повышая при этом давление воздуха перед автомобилем. В то же время молекулы воздуха, движущиеся по бокам автомобиля, находятся под атмосферным давлением, более низким по сравнению с молекулами в передней части автомобиля.

Как и в случае с воздушным резервуаром, если клапан для атмосферы с более низким давлением за пределами резервуара открывается, молекулы воздуха естественным образом перетекают в зону с более низким давлением, в конечном итоге выравнивая давление внутри и снаружи резервуара.Те же правила применяются к любому транспортному средству. Сжатые молекулы воздуха естественным образом ищут выход из зоны высокого давления перед автомобилем, и они находят его по бокам, сверху и снизу транспортного средства, как показано на диаграмме D1.

Задний пылесос

Вакуум сзади возникает из-за «дыры», оставленной в воздухе при проезде через нее автомобиля. Чтобы наглядно это представить, давайте взглянем на нашу демонстрационную машину на диаграмме D2 ниже. Когда он едет по дороге, автомобиль в форме блочного седана создает дыру в воздухе.Воздух обтекает тело, как описано выше.

На скоростях выше ползания пространство сразу за задним стеклом и багажником автомобиля «пусто» или похоже на вакуум. Эти пустые области являются результатом того, что молекулы воздуха не могут заполнить отверстие так быстро, как это может сделать машина. Молекулы воздуха пытаются заполнить эту область, но автомобиль всегда на шаг впереди, и в результате непрерывный вакуум засасывается в направлении, противоположном автомобилю.

Схема D2.Задний вакуум (также известный как отслоение потока) — это еще одна форма сопротивления, при которой воздух, через который проходит транспортное средство, не может заполнить пространство отверстия, оставленного транспортным средством, что приводит к тому, что составляет вакуум.

Эта неспособность заполнить дыру, оставленную автомобилем, технически называется отслоением потока.

Отслоение потока применяется только к «задней вакуумной» части сил сопротивления и имеет все больший и больший отрицательный эффект по мере увеличения скорости транспортного средства. Фактически, сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости транспортного средства, поэтому требуется все больше и больше лошадиных сил, чтобы толкать транспортное средство по воздуху по мере увеличения его скорости.

Следовательно, когда транспортное средство достигает высоких скоростей, становится важным спроектировать автомобиль так, чтобы ограничить области отрыва потока. В идеале мы даем молекулам воздуха время, чтобы они следовали контурам кузова автомобиля и заполняли дыры, оставленные автомобилем, его шинами, его подвеской и выступами (то есть зеркалами, поперечинами).

Если вы были свидетелями гоночных автомобилей Ле-Мана, то наверняка заметили, что хвосты этих автомобилей имеют тенденцию расширяться назад от задних колес и сужаться при взгляде сбоку или сверху.Эта дополнительная конструкция кузова позволяет молекулам воздуха плавно сходиться обратно в вакуум вдоль кузова в отверстие, оставленное кабиной автомобиля и передней частью, вместо того, чтобы внезапно заполнять большое пустое пространство.

Сила, создаваемая задним вакуумом, превышает силу, создаваемую лобовым давлением, поэтому есть очень веская причина минимизировать масштаб вакуума, создаваемого в задней части автомобиля.

Схема D3. Турбулентность создается за счет отрыва воздушного потока от транспортного средства.Последний неизбежный отрыв в самой задней части машины оставляет бурный след.

Когда поток отделяется, воздушный поток становится очень турбулентным и хаотичным по сравнению с плавным потоком на передней части объекта.

Если мы посмотрим на выступ из автомобиля, такой как зеркало на диаграмме D3 выше, мы увидим отрыв потока и турбулентность в действии. Воздушный поток отделяется от плоской стороны зеркала, которое, конечно же, обращено к задней части автомобиля.

Турбулентность, создаваемая этим отрывом, может затем повлиять на поток воздуха к частям автомобиля, находящимся за зеркалом.Например, воздухозаборники лучше всего работают, когда поступающий в них воздух течет плавно. Крылья создают гораздо большую прижимную силу с плавным обтеканием их. Следовательно, действительно необходимо оптимизировать всю длину автомобиля (в разумных пределах), чтобы обеспечить наименьшее количество турбулентности на высокой скорости.

Коэффициент сопротивления

Чтобы можно было сравнить сопротивление, создаваемое одним транспортным средством, с другим, было создано безразмерное значение, называемое коэффициентом сопротивления или Cd. У каждого транспортного средства есть Cd, который можно измерить с помощью данных в аэродинамической трубе.Cd можно использовать в уравнениях сопротивления для определения силы сопротивления при различных скоростях. В своей всеобъемлющей книге «Аэродинамика гоночных автомобилей: проектирование для скорости» Джозеф Кац приводит таблицу обычных транспортных средств, их компакт-дисков и лобовых поверхностей. Вот выдержка из этой таблицы:

Коэффициенты сопротивления автомобиля (отрывок из «Аэродинамика гоночных автомобилей» Джозефа Каца. © Bentley Publishers)

— цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб.
Тип транспортного средства Перетащите Фронтальная зона
Коэффициент Cq A [м 2 ] C D A [м 2 ]
Форд Эскорт 1.3 GL 0,39-0,41 1,83 0,71-0,75
Nissan Cherry GL 0,39-0,41 1,83 0,71-0,75
Volvo 360 GLT 0,40–0,41 1,95 0,78-0,80
Хонда Аккорд 1.8 EX 0,40–0,42 1,88 0,75-0,79
Nissan Stanza SGL 1.8 0,40–0,42 1.88 0,75-0,79
Мазда 323 1.5 0,41-0,43 1,78 0,73-0,77
Nissan Sunny 0,41-0,43 1,82 0,75-0,78
Talbot Horizon GL 0,41-0,44 1,85 0,76-0,81
Альфа Ромео Джульетта 1.6 0,42-0,44 1,87 0,79-0,82
Тойота Королла 1300 DX 0.45-0,46 1,76 0,79-0,81
VW Golf Cabrio GL 0,48-0,49 1,86 0,89-0,91
Полноразмерные седаны
Renault 25 TS 0,30–0,31 2,04 0,61-0,63
Ауди 100 1.8 0,30–0,31 2,05 0,62-0,64
Мерседес 190 E (190 D) 0.33-0,35 1,90 0,63-0,67
Мерседес 380 SEC 0,34-0,35 2,10 0,71-0,74
Мерседес 280 SE 0,36-0,37 2,15 0,77-0,80
Мерседес 500 SEL 0,36-0,37 2,16 0,78-0,80
BMW 518i (520i, 525e) 0,36-0,38 2,02 0.73-0,77
Citroen CX 25 Gti 0,36-0,39 1,99 0,72-0,78
BMW 323i 0,38-0,39 1,86 0,71-0,73
Альфа Ромео 90 2.0 0,38-0,40 1,95 0,74-0,78
Mazda 929 2.0 GLX 0,39-0,44 1,93 0,75-0,85
Saab 900 Gli 0.40-0,42 1,95 0,78-0,82
Volvo 740 GLE 0,40–0,42 2,16 0,86-0,91
Volvo 760 Turbo с интеркулером 0,40–0,42 2,16 0,86-0,91
Пежо 505 STI 0,41-0,43 1,97 0,81-0,85
Пежо 604 STI 0,41-0,43 2,05 0.84-0,88
БМВ 728i (732i / 735i) 0,42-0,44 2,13 0,89-0,94
BMW 745i 0,43-0,45 2,14 0,92-0,96
Форд Гранада 2.3 GL 0,44-0,46 2,13 0,94-0,98
Спорткары
Порше 924 0.31-0,33 1,80 0,56-0,59
Порше 944 Турбо 0,33-0,34 1,90 0,63-0,65
Nissan 300 ZX 0,33-0,36 1,82 0,60–0,66
Mazda 626 Coupe 0,34-0,36 1,88 0,64-0,68
Опель Монца GSE 0,35-0,36 1,95 0.68-0,70
Рено Фуэго GTX 0,34-0,37 1,82 0,62-0,67
Honda CRX купе 0,35-0,37 1,72 0,60-0,64
Audi купе GT 5E 0,36-0,37 1,83 0,66-0,68
Шевроле Корвет 0,36-0,38 1,80 0,65-0,68
Шевроле Камаро Z 28 E 0.37-0,38 1,94 0,72-0,74
Mazda RX-7 0,36-0,39 1,69 0,61-0,66
Toyota Celica Supra 2.8i 0,37-0,39 1,83 0,68-0,71
VW Scirocco GTX 0,38-0,39 1,74 0,66-0,68
Порше 911 Каррера 0,38-0,39 1,78 0.68-0,69
Honda Prelude 0,38-0,40 1,84 0,70-0,74
Mitsubishi Starion Turbo 0,38-0,40 1,84 0,70-0,74
Порше 928 S 0,38-0,40 1,96 0,74-0,78
Порше 911 Каррера Кабрио 0,40–0,41 1,77 0,71-0,73
Ягуар XJ-S 0.40-0,41 1,92 0,77-0,79

Из этой таблицы и наших знаний о форме кузова некоторых из этих транспортных средств мы можем сделать вывод, что наилучший Cd достигается, когда транспортное средство имеет следующие характеристики:

  • Имеет небольшой носик / решетку для минимизации лобового давления.
  • Имеет минимальный дорожный просвет под решеткой, чтобы минимизировать поток воздуха под автомобилем.
  • Имеет ветровое стекло с крутым наклоном (если есть), чтобы избежать повышения давления спереди.
  • Имеет заднее окно / деку в стиле Fastback или наклонный кузов, чтобы воздушный поток оставался на месте.
  • Имеет сужающийся «хвост» для удержания воздушного потока и минимизации площади, на которой в конечном итоге происходит отрыв потока.

Если это звучит так, будто мы только что описали спортивный автомобиль, вы правы. По правде говоря, чтобы быть идеальным, кузов автомобиля имел бы форму слезы, поскольку даже лучшие спортивные автомобили испытывают отрыв потока. Однако формы слезных капель не подходят для зоны, где движется автомобиль, а именно близко к земле.У самолетов нет этого ограничения, поэтому каплевидные формы работают.

Лучшие дорожные автомобили сегодня имеют КД около 0,28. Автомобили Формулы 1 с их крыльями и открытыми колесами (большой компонент сопротивления) выдерживают минимум 0,75.

Если учесть, что плоская пластина имеет Cd около 1,0, автомобиль F1 действительно кажется неэффективным, но то, что автомобилю F1 не хватает в эффективности аэродинамического сопротивления, компенсируется прижимной силой и мощностью в лошадиных силах.

Советы по аэродинамике (1/4)

Крышка Открытые колеса

Открытые колеса создают большое сопротивление и турбулентность воздушного потока, как на диаграмме зеркала в разделе «Турбулентность» выше.Полное закрытие кузова, вероятно, является лучшим решением, если это разрешено правилами, но если частичное использование кузова разрешено, размещение сходящегося обтекателя за колесом дает максимальную пользу.

Уменьшить фронтальную область

Чем меньше дыра, которую пробивает ваша машина в воздухе, тем лучше она будет разгоняться, тем выше будет максимальная скорость и тем ниже будет расход топлива. Обычно намного легче уменьшить FA (фронтальную площадь), чем Cd (коэффициент сопротивления).

Конвергентный кузов медленно

Кузов, который быстро сходится или просто усекается, вызывает турбулентность воздушного потока и создает большое сопротивление.Как упоминалось выше, это также может повлиять на аэродинамические устройства и кузов на задней части кузова транспортного средства.

Лаборатория автомобильной электроники Клемсона: активная аэродинамика

Активная аэродинамика

Базовое описание

Аэродинамика была включена в автомобильный дизайн в течение нескольких десятилетий. При разработке аэродинамических характеристик автомобилей учитываются две основные концепции: прижимная сила и сопротивление. Прижимная сила использует области с низким давлением, чтобы удерживать автомобиль на земле и улучшить управляемость и реакцию тормозов на высоких скоростях.Однако некоторые аэродинамические характеристики, которые увеличивают прижимную силу на автомобиле, также могут увеличивать лобовое сопротивление, из-за чего автомобилю требуется больше мощности для поддержания скорости.

Активная аэродинамика начала появляться на серийных автомобилях в середине-конце 1980-х годов. Некоторые из первых автомобилей с этой функцией включают Porsche 959 1986 года, Volkswagen Corrado 1988 года и Mitsubishi 3000GT VR-4 1991 года. Активные аэродинамические системы обычно регулируют определенные аэродинамические характеристики в зависимости от скорости транспортного средства.Однако также может использоваться другая информация, такая как ускорение, скорость рыскания, угол поворота рулевого колеса и тормозное воздействие. На рисунке ниже показаны несколько аэродинамических компонентов, которые сегодня используются в различных транспортных средствах. Те, которые выделены зеленым, обычно интегрированы в раму и в настоящее время не являются частью активных аэродинамических систем, в то время как те, что выделены красным, являются активными системами в некоторых автомобилях.

Аэродинамические характеристики автомобиля

Стационарные аэродинамические элементы направлены на направление воздуха, проносящегося мимо автомобиля, в оптимальные места.Вентиляционные отверстия в шинах, например, позволяют воздуху охлаждать шины и тормоза, тем самым повышая топливную эффективность и продлевая срок службы этих компонентов. Лопатки и плавники направляют часть воздуха вокруг автомобиля к вентиляционным отверстиям шин и увеличивают прижимную силу на автомобиль. Горбинка и диффузор направляют воздух под автомобилем. Это создает зону низкого давления, увеличивая прижимную силу и устойчивость автомобиля.

Активные аэродинамические элементы улучшают характеристики стационарных компонентов.Например, в Porsche 911 Turbo задний спойлер и воздушная заслонка синхронно расширяются и убираются при достижении определенных скоростей. В исходном положении на низкой скорости они обеспечивают автомобилю достаточную прижимную силу и устойчивость. Однако их расширение на более высоких скоростях увеличивает устойчивость и сводит к минимуму коэффициент лобового сопротивления на этой скорости. Передние вертикальные заслонки и заслонки заднего диффузора являются особенностями Ferrari 458 Speciale. Заслонки заднего диффузора поднимаются, чтобы увеличить мощность вытяжки воздуха под автомобилем, в то время как передние вертикальные заслонки открываются для создания прижимной силы, уравновешивая создаваемую задними заслонками.Передние заслонки также открываются, чтобы направлять воздушный поток к поворотным лопаткам и пропускать больше воздуха внутрь автомобиля для охлаждения двигателя. Видео ниже демонстрирует движение каждого из этих активных компонентов.

Демонстрация активной аэродинамики

McLaren MP4-12C оснащен активным воздушным тормозом, который срабатывает при резком торможении на скорости выше 95 км / ч. Пневматический тормоз — это ветрозащитная перегородка на задней части автомобиля, которая раскрывается поршнем на начальный угол в 32 градуса.Затем воздушный поток, проходящий через заднюю часть автомобиля, вынуждает воздушный тормоз разогнуться до 69 градусов. Пневматический тормоз сокращает тормозной путь до 20 метров.

Хотя в гоночных автомобилях используется большинство активных аэродинамических систем, в других автомобилях высокого класса реализованы некоторые из этих функций. Некоторые автомобили BMW и Ford Mustang имеют активные системы решетки радиатора, которые перемещаются на более высоких скоростях для уменьшения лобового сопротивления, когда не требуется дополнительная охлаждающая способность. Audi также имеет активную конструкцию с использованием заслонок между спицами колес, которые открываются и закрываются в зависимости от количества воздуха, необходимого для охлаждения тормозов.

Датчики
Датчик ускорения, датчик положения педали тормоза, датчик температуры двигателя, датчик угла поворота рулевого колеса, датчик скорости автомобиля, датчик скорости рыскания
Приводы
Воздушная заслонка, заслонки переднего сплиттера и / или заднего диффузора, задние воздушные тормоза, задний спойлер, жалюзи решетки, ставни колес
Передача данных
Типичная сеть управления (CAN)
Производителей
Audi, BMW, Bugatti, Ferrari, Ford, Koenigsegg, McLaren, Pagani, Porsche
Для получения дополнительной информации
[1] Автомобильная аэродинамика, Википедия.
[2] Auto Future: Active Aerodynamics, David Moreria, The Truth About Cars, 8 января 2009 г.
[3] Диффузоры — Основы инженерии — Аэродинамика, гоночная инженерия, 15 апреля 2009 г.
[4] McLaren P1: создание великолепной сверхсовременной аэродинамики, Jalopnik, 27 сентября 2012 г.
[5] 2014 Porsche 911 Turbo — Видео по аэродинамике, YouTube, 16 августа 2013 г.
[6] Ferrari 458 Speciale — Аэродинамика, YouTube, октябрь.8, 2013.
[7] Audi 7 Retractable Spoiler, 2014 г., YouTube, 30 ноября 2013 г.
[8] One: 1 Active Rear Wing — / Inside Koenigsegg 2, YouTube, 8 апреля 2014 г.
[9] Активная аэродинамика, скользкая одержимость, BBC, 19 августа 2014 г.

Как работает аэродинамика | HowStuffWorks

В аэродинамике есть нечто большее, чем просто сопротивление — есть и другие факторы, называемые подъемной силой и прижимной силой. Подъемник — это сила, которая противостоит весу объекта, поднимает его в воздух и удерживает там. Прижимная сила является противоположностью подъемной силы — силы, которая прижимает объект в направлении земли [источник: НАСА].

Вы можете подумать, что коэффициент лобового сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, не так ли? Не в этом дело. Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.

Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не такими аэродинамическими, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы.На таких скоростях и при их чрезвычайно легком весе эти автомобили действительно начинают испытывать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолет. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если машина взлетит в воздух, это может означать разрушительную аварию. По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы автомобиль оставался на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокий Cd.

Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля.Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле — это более известное как прижимная сила. Это максимизирует скорость на поворотах, но необходимо тщательно уравновесить подъемную силу, чтобы автомобиль также мог двигаться по прямой [источник: Смит].

Многие серийные автомобили включают аэродинамические надстройки для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу.Ferrari 599 GTB Fiorano имеет центральные стойки-контрфорсы, предназначенные также для направления воздуха назад — это помогает уменьшить сопротивление [источник: Classic Driver].

Но вы видите много спойлеров и крыльев на обычных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota. Действительно ли они добавляют автомобилю аэродинамических преимуществ? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный корпус создает слишком большую подъемную силу и, возможно, стал причиной нескольких аварий [источник: Эдгар].

В большинстве случаев, однако, крепление большого спойлера к задней части обычного автомобиля не поможет улучшить характеристики, скорость или управляемость — если вообще поможет. В некоторых случаях это могло даже вызвать недостаточную поворачиваемость или нежелание проходить повороты. Однако, если вы думаете, что этот гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.

Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других связанных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.

Как работает аэродинамика | HowStuffWorks

В аэродинамике есть нечто большее, чем просто сопротивление — есть и другие факторы, называемые подъемной силой и прижимной силой. Подъемник — это сила, которая противостоит весу объекта, поднимает его в воздух и удерживает там. Прижимная сила является противоположностью подъемной силы — силы, которая прижимает объект в направлении земли [источник: НАСА].

Вы можете подумать, что коэффициент лобового сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, не так ли? Не в этом дело.Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.

Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не такими аэродинамическими, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы. На таких скоростях и при их чрезвычайно легком весе эти автомобили действительно начинают испытывать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолет. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если машина взлетит в воздух, это может означать разрушительную аварию.По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы автомобиль оставался на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокий Cd.

Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля. Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле — это более известное как прижимная сила. Это максимизирует скорость на поворотах, но необходимо тщательно уравновесить подъемную силу, чтобы автомобиль также мог двигаться по прямой [источник: Смит].

Многие серийные автомобили включают аэродинамические надстройки для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу. Ferrari 599 GTB Fiorano имеет центральные стойки-контрфорсы, предназначенные также для направления воздуха назад — это помогает уменьшить сопротивление [источник: Classic Driver].

Но вы видите много спойлеров и крыльев на обычных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota.Действительно ли они добавляют автомобилю аэродинамических преимуществ? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный корпус создает слишком большую подъемную силу и, возможно, стал причиной нескольких аварий [источник: Эдгар].

В большинстве случаев, однако, крепление большого спойлера к задней части обычного автомобиля не поможет улучшить характеристики, скорость или управляемость — если вообще поможет. В некоторых случаях это могло даже вызвать недостаточную поворачиваемость или нежелание проходить повороты.Однако, если вы думаете, что этот гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.

Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других связанных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.

Аэродинамика автомобилей | Как работает автомобиль

По мере роста стоимости бензина производители автомобилей проявляют все большую осторожность. в проектировании своих автомобилей, чтобы они были топливо эффективный.

Аэродинамические характеристики автомобиля

Современные автомобили имеют общие аспекты дизайна, потому что дизайнеры разных производителей пришли к одним и тем же выводам на основе независимых исследований.Сейчас принято считать, что определенные формы и особенности обеспечивают лучшую аэродинамику — это одна из причин, по которой многие современные автомобили имеют тенденцию выглядеть одинаково.

Одним из аспектов конструкции автомобиля, который играет роль в экономии топлива, является аэродинамика. эффективность — другими словами, автомобиль должен как можно меньше соответствовать сопротивление в качестве возможно с воздуха, через который он проходит. Чем более аэродинамически он эффективнее тем меньше топлива он будет использовать для движения с любой заданной скоростью. Быстрее машина движется, тем важнее сохранить сопротивление воздуха — сопротивление — чтобы минимум.

Коэффициент сопротивления

Аэродинамическая эффективность формы автомобиля измеряется его коэффициентом сопротивления (обычно известный как его Cd-фигура). Например, квартира пластина состоится в под прямым углом к ​​воздушному потоку имеет Cd 1,25, в то время как наиболее эффективный Формы серийных автомобилей в настоящее время имеют Cd около 0,28.

Однако это значение Cd не может использоваться само по себе для расчета автомобильной аэродинамическое сопротивление, поскольку при этом не учитывается лобовая площадь автомобиля.Фронтальная площадь — это общее поперечное сечение автомобиля или общий объем пространства. он занимает, если смотреть спереди.

Полноразмерный автомобиль и шкала модель одного и того же будет иметь одинаковую Цифра CD, но более крупной версии потребуется гораздо больше мощности, чтобы продвинуть ее в скорость, потому что его лобовая площадь больше.

Становится скользко

Делая упор на аэродинамику, производители автомобилей стараются сделать так, чтобы каждый следующая модель более «скользкая» — аэродинамически — чем предыдущая. один.Взяв, к примеру, Jaguar XJ6, КД новой модели составляет 0,38, по сравнению с .44 для старой серии 3. Однако новая модель имеет больший лобовая площадь по сравнению со старым — 22,17 кв.м, против 21,3 у старше. Таким образом, новый XJ6 имеет CdA 8,42 (0,38 x 22,17) по сравнению с 9,37 для серии 3. Это означает, что новый Jaguar потребляет меньше энергии, чтобы водите его на любой конкретной скорости, и на той же мощности достигнет более высокая максимальная скорость.

По этой причине важным показателем является CdA (коэффициент лобового сопротивления). умноженное на площадь лобовой части), что дает общее сопротивление, действующее на тело.Таким образом, если вы сравниваете две машины, вы должны сравнить показатель CdA. а не компакт-диск.

Аэродинамические трубы

Производители автомобилей используют аэродинамические трубы, чтобы увидеть прототипы своих автомобилей. вести себя. В аэродинамической трубе автомобиль ставится на якорь и выдувается потоком воздуха. мимо него, чтобы смоделировать условия, которым будет соответствовать автомобиль во время движения вперед.

Автомобиль подключен к приборам, которые регистрируют, сколько прижимной силы или как на каждом конце вагона создается большая подъемная сила.Поток воздуха мимо автомобиль становится видимым, если прикрепить к кузову небольшие пучки шерсти или выпуская струю дыма мимо него.

В обоих случаях путь, по которому ветер обтекает машину, может быть видно по тому, как ведет себя шерсть или дым. Дым также показывает поведение воздух перед автомобилем и за ним. Шерстяные пучки располагаются вдоль линии воздушного потока над телом, но не могут показать поведение воздуха спереди от или за автомобилем.

Модель или автомобиль в аэродинамической трубе можно поворачивать под разными углами, чтобы воздушный поток, чтобы инженеры могли видеть, как фигура тела ведет себя сбоку ветры.

Проектирование нестабильности

Центр давление эффективная точка на кузове автомобиля где действует ветер. Взаимное расположение центра давления в автомобиле и его центр тяжести (точка внутри автомобиля, через которую сила тяжести эффективно действует) имеют решающее значение для определения устойчивости автомобиля. Например, если центр давления находится значительно впереди центра силы тяжести боковой ветер может сбить машину с курса (справа).А автомобиль наиболее устойчив, когда центр давления находится немного впереди центр тяжести, как в случае с переднеприводным автомобилем, в котором большая часть веса направлена ​​вперед. Относительная высота этих двух факторов также важна. Если центр давления и центр тяжести находятся высоко на автомобиле, тогда боковой ветер может заставить машину катиться и, в крайнем случае, перевернуть.

Перетащите и скорость

Поскольку автомобили с годами стали быстрее, их аэродинамическая эффективность стал более важным, потому что количество энергии, необходимое для приведения в движение автомобиля на большой скорости поднимается с кубиком скорости.Чем быстрее ты идешь, тем больше мощности требуется, чтобы двигаться еще быстрее. Например, если двухлитровый Ford Sierra, развивающий 100 л.с., может достичь около 115 миль в час, вы можете определить, насколько быстро похожий автомобиль с вдвое большей мощностью должен ехать, игнорируя сопротивление качению. Кубический корень из 2 (от 200 л.с.) составляет 1,26, поэтому вторая машина должна достичь 115x 1,26 = 145 миль в час — примерно фактическая максимальная скорость 200-сильного Sierra. Cosworth.

Уменьшение сопротивления

Поворотный стол позволяет подавать на машину воздушный поток под любым углом.

Когда автомобиль установлен в аэродинамической трубе, его сопротивление измеряется количество сила что автомобиль воздействует на закрепленные вниз колеса, как ветер дует мимо него. По мере внесения изменений можно измерить влияние на сопротивление. и записал.

Обычно конструкторы автомобиля создают прототип, который выглядит так, как будто он будет легко скользить по воздуху, но однажды такие предметы, как воздухозаборники и добавляются дверные ручки, падает КПД.

Некоторые функции, которые помогают сгладить воздушный поток, можно увидеть на автомобилях. такие как Vauxhall Astra.У Astra низкий, плавно скошенный нос для стрижки. в воздухе, лобовое стекло, которое почти на одном уровне с окружающими кузов, чтобы не нарушался воздушный поток, боковые окна, которые также почти на одном уровне с кузовом и накладками колес с минимумом контуров. Пристальное внимание к деталям, таким как углубление дверных ручек и обтекаемые наружные зеркала заднего вида помогают снизить аэродинамическое сопротивление, позволяя воздух течет более плавно и снижает склонность к образованию водоворотов.

Другие методы, используемые на современных аэродинамических автомобилях, включают в себя врезку дворники под обшивкой иллюминатора, когда они не используются, имеют всплывающее окно фары, которые соответствовать промыть нос автомобиля при выключении, и устранение выступающих желобов по краям крыши автомобиля.Осторожно внимание к деталям, воздушный поток можно даже сделать, чтобы удерживать линзы заднего фонаря чистый.

Использование аэродинамических труб для исследования хорошего воздушного потока

В аэродинамических трубах используется большой вентилятор с приводом от двигателя, который втягивает поток воздуха мимо автомобиля, имитируя движение по неподвижному воздуху на высокой скорости. Автомобиль стоит на чувствительных к давлению подкладках в центре туннеля, а смотровой экран сбоку от туннеля позволяет инженерам видеть, что происходит.

Хороший воздушный поток означает, что автомобиль скользит по атмосфере с минимальными помехами, оставаясь стабильными. Определенное количество для устойчивости необходима прижимная сила на обоих концах тела, но любая турбулентность в идеале должно происходить за задней частью автомобиля — это тоже помогает содержать его в чистоте.

В аэродинамических трубах используется большой двигатель с приводом от двигателя. поклонник всосать поток воздуха мимо автомобиль для имитации движения по неподвижному воздуху на скорости. Машина сидит на чувствительный к давлению колодки посреди туннеля и обзорный экран в сторона туннеля позволяет инженерам видеть, что происходит.

Практичность

Когда автомобиль разрабатывается для производства, часть аэродинамической чистоты первоначального дизайна обычно теряется. Иногда изменения вносятся для причины стоимости. Например, установка гладкого поддона может улучшить эффективность формы автомобиля, но изготовление этой панели потребовало бы дополнительных денег. и может затруднить доступ к таким компонентам, как коробка передач.

В других случаях из практических соображений, таких как необходимость более широкого шины , может сделать автомобиль менее аэродинамичным, чем прототип с тонкими шинами.Если автомобиль будет выпускаться серийно, его продажи могут быть сдержаны, если он будет включать в себя функции это слишком незнакомо.

Примером этого являются обтекаемые передние колеса автомобиля Ford. концепт-кар Probe. Sierra, который очень похож на Probe, но без обтесанных передних колес, продавались медленно, пока публика не привыкла Это. Если бы у него были обтекаемые передние колеса, продажи могли бы продолжаться. назад.

Стабильность

Относительно легко сконструировать машину, которая будет скользить по воздуху в прямая линия, когда нет ветра, но ее труднее обеспечить что автомобиль будет устойчивым, когда на него дует боковой ветер, или при повороте на высокой скорости, что создает силу на стороне автомобиль.

На боковой стороне автомобиля есть теоретическая точка, называемая центром давление, при котором эффективно действует давление ветра. Обращая внимание к центру давления и баланса сил, инженеры могут спроектировать больше стабильные автомобили.

Например, если центр давления был значительно выше центра тяжести автомобиля, боковой ветер заставил бы машину катиться, а также попытался бы ее толкнуть не в сети. Если центр давления находится перед центром автомобиля силы тяжести, сильный и порывистый боковой ветер заставит машину попытаться развернуться, чтобы центр тяжести ставим впереди.

Однако расположение центра давления смещается с изменением скорость автомобиля, а в некоторых случаях может даже сместиться так, что находится перед автомобилем сам. Решение состоит в том, чтобы сначала убедиться, что центр тяжести автомобиля хорошо вперед. Это одна из причин популярности переднеприводных автомобилей. компоновка привода, имеющая смещение веса вперед.

Центр давления также имеет тенденцию удерживаться дальше назад, если есть большая площадь кузова по направлению к задней части автомобиля.Некоторые гоночные автомобили у прошлого были хвостовые плавники, которые улучшили их стабильность на скорости за счет увеличения область в тыл. Низкая наклонная линия капота, обеспечивающая хорошее проникновение через воздух также помогает удерживать боковую часть в передней части автомобиль.

Drag Queens: аэродинамика по сравнению с

Из июньского выпуска Автомобиль и водитель

Подобно ночному вору, сопротивление ветра — это незаметный злоумышленник, который снижает вашу скорость и убивает ваш километраж, не оставляя отпечатков пальцев.Мягкое журчание воздуха, струящегося над вашей машиной, под ней и сквозь нее, противоречит отвратительным ветрам.

Даже если нет альтернативы движению в атмосфере Земли, мы, по крайней мере, можем бороться с сопротивлением ветру с помощью науки. Аэродинамика — изучение движения воздуха — может поднять нашу максимальную скорость, сократить расход топлива и, если мы будем в этом разбираться, удержать наши шины прилипшими к асфальту.

Задолго до того, как автомобильные инженеры начали беспокоиться об аэродинамике, пионеры авиации определили основные принципы сопротивления и подъемной силы.Вдохновленные птицами и дирижаблями, демоны ранней скорости также играли с обтекаемыми формами. Первым автомобилем, который разогнался до скорости 60 миль в час (в 1899 году), была электрическая торпеда на колесах, которую весело назвали «La Jamais Contente» («Неудовлетворенные»). Гонщики Гран-при взялись за дело в начале 1920-х годов; В следующем десятилетии Auto Union и Mercedes-Benz разогнались до 300 миль в час с обтекаемыми моделями, разработанными в немецких аэродинамических трубах. Спустя полвека после того, как Чак Йегер преодолел звуковой барьер в полете, Энди Грин на своем Thrust SSC проехал 763 миль в час по пустыне Блэк-Рок в Неваде.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Теперь наша очередь. Car and Driver собрали пять скользких автомобилей, чтобы изучить их характеристики сопротивления и подъемной силы в аэродинамической трубе, название и местонахождение которой мы поклялись не раскрывать. У нас были две цели: во-первых, изучить тонкости обдува автомобилей воздухом в испытательной камере; во-вторых, чтобы определить, какой бренд лучше всего справился с оптимизацией аэродинамических характеристик своего автомобиля.

Есть причины, по которым вы раньше не читали эту историю. Каждый крупный автопроизводитель владеет и эксплуатирует аэродинамическую трубу, но эти объекты загружены круглосуточно, поскольку инженеры работают над тем, чтобы опережать быстро растущую тенденцию к увеличению пробега EPA. Другой проблемой, мешающей легкому доступу, является соперничество между компаниями. В то время как производители часто рекламируют скользкость своей продукции, сравнения с конкурирующими моделями случаются редко.

Ответственный эксперт на нашем подпольном испытательном полигоне объясняет: «Все аэродинамические трубы стремятся точно измерить аэродинамику, с которой автомобиль будет испытывать в реальном мире.Транспортное средство и туннель составляют систему со сложными взаимодействиями. В результате измерения сопротивления и подъемной силы на конкретном транспортном средстве могут варьироваться от одного туннеля к другому ».

По его словам, группа транспортных средств может по-разному оцениваться в разных туннелях. Вот почему большинство производителей так мало верят в показатели аэродинамики, измеряемые за пределами их собственных предприятий. Тестирование на выбеге, при котором регистрируется скорость автомобиля при его замедлении, часто рекламируется как лучший «реальный» способ измерения аэродинамических свойств автомобиля.«В принципе, это может быть правдой, но на практике трудно получить точные результаты, потому что на результаты влияют колебания ветра, температуры трансмиссии и качества шин. Прелесть аэродинамических труб в том, что они жестко контролируют переменные ».

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Нашим победителем здесь будет автомобиль с наименьшим сопротивлением лобовой части, которое является произведением площади лобовой части формы и ее коэффициента лобового сопротивления, а также истинной мерой способности автомобиля противостоять ветру [см. «Немного многословный глоссарий» ниже] .На этом мы смиренно представляем наше первое в истории аэросравнение.

НЕКОТОРЫЕ ГЛОССАРИЙ С ДЛИННЫМ ОБРАТОМ

Аэродинамическая мощность в лошадиных силах: Мощность, необходимая для движения транспортного средства в атмосфере (без учета трансмиссии и потерь при качении шин). Она увеличивается вместе с кубом скорости, так что аэродинамическая мощность на 100 миль в час в 2,9 раза превышает требуемую мощность на скорости 70 миль в час.

Площадь сопротивления: Произведение коэффициента лобового сопротивления и площади лобовой части является лучшим показателем аэродинамических характеристик любого автомобиля, поскольку оно прямо пропорционально горизонтальной силе, измеренной в аэродинамической трубе и испытанной на дороге.

Коэффициент сопротивления (CD): Безразмерный параметр, используемый для количественной оценки аэродинамической эффективности в горизонтальной плоскости (лобовое сопротивление).

Фронтальная область: Самый крупный горизонтальный вид автомобиля. Мы использовали 200-миллиметровый объектив камеры, расположенный в 150 футах от транспортного средства, чтобы сделать цифровую фотографию, которую мы проанализировали с помощью программного обеспечения Siemens Solid Edge CAD.

Лифт: Воздух, проходящий над автомобилем и под ним, а также через решетку, может уменьшить нагрузку на колеса и, в крайних случаях, ухудшить управляемость.Воздушные дамбы и интерцепторы — эффективные средства противодействия.

Сопротивление ветру (сопротивление): Сила, пропорциональная площади сопротивления, увеличивается пропорционально квадрату скорости автомобиля.

Streamlines: Операторы аэродинамической трубы добавляют небольшое количество дыма в воздушный поток, чтобы показать, как ветер движется вокруг, под или сквозь тестируемое транспортное средство.

Drag Area = 7,8 ft²
Leaf — самая квадратная форма, которую мы катили в аэродинамической трубе, и у нее вторая по величине лобовая площадь в этом тесте — 24.5 квадратных футов. В сочетании с коэффициентом лобового сопротивления 0,32 это дает площадь лобового сопротивления 7,8 квадратных футов. Это разумная цифра для универсала с пятью пассажирами и всего на 30 процентов больше, чем у двухместной пулевидной модели Honda Insight 2001 года, которую мы привезли с собой и проверили для справки.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Фары с «глазками» гордо возвышаются над V-образным носом Leaf, чтобы отводить воздух от наружных зеркал, которые часто являются источником турбулентности, сопротивления и шума.Чтобы максимально увеличить пространство в кабине, боковые окна приподняты, а крыша плоская, как лист фанеры. Хвост этого люка больше похож на защищающую от ветра телефонную будку, чем на гладкую каплю дождя.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Нижняя часть кузова Leaf плоская и скользкая (что становится все более распространенной чертой в новых автомобилях), а полосы диффузора встроены в его заднюю панель. В чистом электромобиле нет необходимости в большом радиаторе, поэтому единственный воздух, попадающий в нижнюю решетку, — это охлаждение электрооборудования и вентиляция аккумулятора и салона.Воздух, проходящий через внутренние полости автомобиля, является основным источником сопротивления и подъемной силы.

Nissan инвестировал 5 миллиардов долларов в разработку первого серийного электромобиля, продаваемого по всей Америке. Если повезет, у котенка осталось несколько иен, чтобы снизить сопротивление в следующем поколении.

Площадь сопротивления = 7,0 футов²
CLA 250 имеет наименьшую площадь лобовой части в этом тесте. Измеренный нами коэффициент лобового сопротивления — 0,30 — выше, чем ожидалось для того, что Mercedes называет эталоном аэродинамики для серийных автомобилей.Но стоит отметить, что Mercedes не поддерживает специальные функции, такие как автоматические жалюзи решетки радиатора, на американских моделях. И хотя этот спортивный седан оснащен двигателем с турбонаддувом и автоматической коробкой передач, чтобы сохранять хладнокровие, его площадь сопротивления 7,0 квадратных футов конкурентоспособна с гибридами и электрикой.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Оба конца CLA сильно сужены для защиты от ветра.Фары заворачиваются назад, как глаза королевы ботокса, слишком туго затянутой в хвост. Мини-спойлеры под автомобилем направляют воздух вокруг передних шин, а обтекатели сглаживают поток воздуха под двигателем и задней подвеской.

Крыша CLA жертвует некоторой задней высотой, но стоит отдать должное Mercedes за то, что он придал своей модели начального уровня аэродинамический дизайн, обеспечивающий высокую топливную экономичность.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Область перетаскивания = 6.7 футов²
Коэффициент аэродинамического сопротивления среднего блока Volt (0,28) и площадь лобовой части (23,7 квадратных футов) дают ему оценку площади лобового сопротивления, которая, в общем, соответствует среднему уровню. Традиционно выглядящая решетка этого подключаемого гибрида почти полностью заблокирована, чтобы отводить воздух сверху и по бокам. Это дает увеличение нагрузки на переднюю ось на 15 фунтов на скорости 70 миль в час, что способствует устойчивости на шоссе.

Передние фонари Volt простираются до колес, а от верхней части решетки до задней кромки люка есть лыжный магнат красивой формы, обеспечивающий плавный ход для скольжения.Боковые зеркала заднего вида, установленные на стойках, пропускают ветер. GM создал Volt так, чтобы воздушный поток оставался на боковых поверхностях как можно дольше, чтобы уменьшить турбулентность. Плоский удлинитель люка помогает стабилизировать кильватерный след автомобиля.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Но даже если хвосты Prius и Volt выглядят примерно одинаково, мы измерили на 50 процентов больше подъемной силы задней части Chevy. Снижение нагрузки на задние колеса Volt на 26 фунтов не вызывает беспокойства, но именно такая разница говорит вам, что вы должны доверять аэродинамической трубе, а не визуальной оценке формы любого автомобиля.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Площадь лобового сопротивления = 6,2 фута²
Многолетний представитель Toyota в области гибридных технологий занял второе место в нашем тестировании с аккуратной лобовой площадью 23,9 квадратных фута и чистым коэффициентом аэродинамического сопротивления 0,26. Подключаемые модули Prius, Prius C и Prius третьего поколения — самые эффективные гибриды на рынке, во многом потому, что они отдают ветру так мало энергии.Это приводит к 50 милям на галлон в комбинированных оценках экономии топлива EPA и только 42 лошадиным силам (по сравнению с уже низкими 45 у Volt), необходимыми для преодоления аэродинамического сопротивления на скорости 100 миль в час.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Верхняя поверхность этого автомобиля имитирует аэродинамический профиль — одну из самых эффективных форм для пробивания чистой дыры в атмосфере. Лобовое стекло сливается с крышей без дополнительных молдингов, препятствующих воздушному потоку.Зеркала в форме яйца хорошо отделены от почти плоских боковых поверхностей. Спицы колесных колпаков гладкие, чтобы свести к минимуму оттекание.

Круто наклоненный капот и контролируемый поток воздуха через двигатель / моторный отсек обеспечивают 4 фунта передней прижимной силы на скорости 70 миль в час. Задний подъемник составляет всего 17 фунтов.

Площадь сопротивления = 6,2 фута²
Предел победы Tesla над Prius кроется в погрешности, характерной для аэродинамических труб. S занимает наш верхний слот благодаря своим большим 25.2 квадратных фута и более низкий коэффициент лобового сопротивления 0,24, что дает такую ​​же площадь лобового сопротивления 6,2 квадратных фута, как у Prius. Низкое лобовое сопротивление — более сложная задача с большей лобовой площадью, отсюда и общая победа Tesla. Будьте осторожны при проверке наших математических расчетов, потому что в конце вычислений измерения были округлены.

В Model S есть нечто большее, чем красивое лицо и гладкий внешний вид. Пневматическая подвеска снижает дорожный просвет на скоростях по шоссе (мы тестировали в нижнем положении). Контурный подбородок под решеткой помогает удерживать воздушный поток, проходящий под плоским днищем автомобиля.Внешние углы передней панели отклоняют воздух вокруг шин. Жалюзи закрывают три отверстия решетки до тех пор, пока внутренние теплообменники не потребуют воздушного потока. Спойлеры и ограждения отводят воздух от передних колесных арок, а выходящий воздух направляется под автомобиль, а не через колесные отверстия. Задний диффузор выравнивает поток, чтобы минимизировать подъемную силу и сопротивление, в то время как сверху дополнительный спойлер из углеродного волокна уменьшает подъемную силу, не снижая сопротивления.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Аэродинамика Model S стала результатом компьютерного моделирования, дополненного посещениями в аэродинамической трубе.Наши дорожные испытания Model S показали максимальную скорость 134 миль в час и реальный запас хода 211 миль. С более высокой передачей P85 Model S может разогнаться до 200 миль в час. Очевидно, что это аэродинамический электромобиль, заслуживающий пристального внимания мировых автопроизводителей. Это доказывает, что вы можете выглядеть гладко и одновременно.

$ 34,995 0

Автомобиль 2014 Chevrolet Volt 2014 Mercedes-
Benz CLA250
2012 Nissan Leaf SL 2012 Tesla Model S P85 2014 Toyota Prius
Базовая цена $ 30,825 $ 38,100 $ 93,390 $ 29,245
Цена согласно тестированию $ 35,995 $ 35,855 $ 38,290 $ 100,520 9559 9107 970 910 955 177.1 дюйм 182,3 дюйма 175,0 дюйма 196,0 дюйма 176,4 дюйма
Ширина 70,4 дюйма 70,0 дюйма 69,7 дюйма 77,3 дюйма 68,7 дюйма
Высота 56,6 дюйма 56,6 дюйма 61,0 дюйма 56,5 дюйма 58,7 дюйма
Колесная база 105,7 дюйма 106.3 дюйма 106,3 дюйма 116,5 дюйма 106,3 дюйма
Вес 3766 фунтов 3374 фунта 3353 фунта 4785 фунтов 3180 фунтов

79

79

Силовой агрегат DOHC 1,4-литровый рядный 4 + электродвигатель переменного тока, вариатор турбированный DOHC 2,0-литровый рядный 4-цилиндровый, 7-ступенчатый автоматический с двойным сцеплением Электродвигатель переменного тока, одинарный скоростной привод Электродвигатель переменного тока, односкоростной привод DOHC 1.8-литровый рядный 4 + электродвигатель переменного тока, вариатор
Мощность л.с. при об / мин 84 при 4800 (двигатель) 208 при 5500 107 при 10000 416 при 8600 98 при 5200 (двигатель )
Крутящий момент LB-FT при об / мин 271 при 0 (двигатель) 258 при 1250 187 при 0 443 при 0 153 при 0 (двигатель)
Ведомые колеса передний передний передний задний передний

Производительность
Ускорение

72

72

72

728 с

6,3 с 10,2 с 4,6 с 10,0 с
¼-миля при MPH 16,7 с при 85 14,9 с при 95 17,7 с при 78 13,3 с при 104 17,6 с при 79
Максимальная скорость 101 миль / ч (ограничено губернатором
)
133 миль / час (ограничено регулятором) 94 мили / час (ограничено регулятором) 134 миль / час (ограничено красной линией) 115 миль / час (ограниченное сопротивление)
Топливо
EPA City / Hwy 35/40 миль на галлон

Результаты работы C / D , ноябрь 2011 г.

26/38 миль на галлон

Результаты производительности для C / D , декабрь 2013 г.

126/101 mpge

Результаты производительности для C / D , март 2014 г.

88/90 mpge

Результаты производительности с C / D , январь 2013 г.

51/48 миль на галлон

Результаты производительности по сравнению с C / D , июль 2009 г.

C / D Результаты тестов в аэродинамической трубе
Коэффициент сопротивления 0.28 0,30 0,32 0,24 0,26
Фронтальная площадь 23,7 кв. Фута 23,2 кв. Фута 24,5 кв. Фута 25,2 кв. Фута 23,9 кв.
Площадь перетаскивания
(фронтальная область CD X)
6,7 квадратных футов 7,0 квадратных футов 7,8 квадратных футов 6,2 квадратных футов 6.2 квадратных фута
Drag Force
@ 70 миль в час
84 фунта 88 фунтов 97 фунтов 77 фунтов 78 фунтов
Aero Power
@ 70 миль в час
16 16 л.с. 18 л.с. 14 л.с. 14 л.с.
Aero Power
@ 100 миль в час
45 л.с. 48 л.с. 53 л.с. 42 л. миль / ч 26 фунтов 44 фунта 11 фунтов 17 фунтов 17 фунтов

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Как это работает: аэродинамика | Вождение

Breadcrumb Trail Links

  1. Как это работает
  2. История характеристик

Форма автомобиля может влиять на экономию топлива, шум в салоне и управляемость, и автомобильные компании тратят миллионы, чтобы исправить это

Автор статьи:

Джил МакИнтош

Дата публикации:

24 января 2018 г. • 7 февраля 2019 г. • 4 минуты чтения • Присоединяйтесь к разговору

Содержание статьи

Экономия топлива — важная проблема для транспортных средств, но это не просто улучшение двигателя эффективный.Форма транспортного средства и то, как воздух обтекает его, играют большую роль в расходе топлива, и автопроизводители тратят много времени на то, чтобы убедиться, что они все сделали правильно.

Объявление

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

Компании могут потратить много денег на такие технологии, как легкие материалы или многоступенчатые трансмиссии, в то время как экономичная форма иногда может быть столь же простой, как настройка конструкции крыла перед запуском автомобиля в производство.По этой причине инженеры часто называют аэродинамику «экономией свободного топлива». Тем не менее, они немного шутят. Ничто в автомобильном мире никогда не бывает бесплатным, и для получения правильной аэродинамики требуется много часов исследований с использованием очень дорогого оборудования.

Воздушные лопатки в аэродинамической трубе Volvo.

Движущееся транспортное средство должно вытеснять воздух, и для этого требуется топливо. Около половины механической работы двигателя используется только для преодоления сопротивления ветра и сопротивления качению шин, и неудивительно, что чем быстрее вы едете, тем сильнее воздух хочет оттолкнуть вас.Инженеры измеряют это сопротивление воздуха как коэффициент лобового сопротивления (Cd), и автомобиль с низким Cd более аэродинамичен, чем автомобиль с большим числом. Например, Toyota Prius имеет КД 0,24, в то время как более квадратная спортивная утилита Toyota Highlander — 0,33 Кд. Для сравнения, квадратный седан 1930-х годов мог быть близок к 1,0 Cd.

Объявление

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

Самым аэродинамичным автомобилем из всех возможных был бы автомобиль с низкой посадкой, каплевидной формы, полностью гладкий, не намного шире, чем его пассажир — отличный вариант для установления рекордов экономии топлива, но не очень практичный.Вместо этого инженерам приходится работать с такими реалиями, как объем салона, клиренс и охлаждение двигателя.

Тестирование аэродинамики конструкции обычно начинается с компьютерного моделирования, которое определяет, как воздух будет обтекать транспортное средство и, что не менее важно, где он может застрять или плохо двигаться. Когда первоначальный дизайн установлен, он попадает в аэродинамическую трубу, обычно с использованием глиняной модели или макета. Обычно они полноразмерные, но есть и меньшие версии. В дополнение к обычному туннелю General Motors также использует туннель, который на 40 процентов меньше, с глиняными моделями соответствующего размера.Пропорциональная регулировка скорости ветра дает ту же информацию, что и полноразмерные, но быстрее и дешевле строить модели меньшего размера.

Объявление

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

Общая форма транспортного средства имеет решающее значение для его эффективности, но это только начало. Необходимо учитывать все, что отходит от этого супер-гладкого идеала, например дверные ручки, дворники и водосточные желоба.Зеркала доставляют свою долю головной боли, потому что они не могут быть слишком маленькими или необычной формы. Любые выступы или углубления, которые вы видите на них, служат не для эстетики, а для улучшения воздушного потока.

Моторные отсеки тоже могут быть проблемными. Воздух должен поступать внутрь для охлаждения двигателя, но он также увеличивает сопротивление, когда сталкивается с брандмауэром. Решетка должна быть достаточно большой для самых жарких дней, но поскольку полный поток не всегда требуется в другое время, некоторые автомобили оснащены активными жалюзи.Они располагаются за решеткой и автоматически закрываются, чтобы уменьшить количество поступающего воздуха, когда он не нужен, улучшая аэродинамику, и открываются, когда требуется большее охлаждение. (Жалюзи также могут оставаться закрытыми, когда автомобиль запускается в холодную погоду, что может сократить время, необходимое двигателю для достижения идеальной рабочей температуры.)

Реклама

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже .

Содержание статьи

То, что находится под автомобилем, также может быть проблемой, и инженеры должны расположить такие компоненты, как выхлопная система, так, чтобы воздух проходил плавно.Многие автопроизводители добавляют поддоны днища кузова, но необходимо учитывать их плюсы и минусы. Любые дополнительные детали могут увеличить вес, что потенциально может компенсировать любое повышение топливной эффективности, обеспечиваемое аэродинамикой, а также стоимостью и сложностью производства, и автопроизводители должны выбрать лучший вариант. Тем не менее, прикрыть все — не единственная уловка, которую используют инженеры, и такая, казалось бы, незначительная вещь, как добавление небольших плавников под облицовку бампера, может перенаправить и улучшить воздушный поток.

Малогабаритная модель аэродинамической трубы уменьшенного размера General Motors.

Каждый автомобиль на дороге сегодня разработан с учетом аэродинамики, вплоть до тягачей с прицепом. С прямоугольным прицепом мало что можно сделать, но некоторые автотранспортные компании добавляют откидные створки к задней части и боковые юбки между колесами прицепа, чтобы улучшить воздушный поток на шоссе. Пикапы также выигрывают от аэродинамического дизайна, а старый трюк с открытием задней двери, который, по мнению многих, позволяет воздуху проходить через платформу, а не застревать у ворот, на самом деле увеличивает расход топлива.На более высоких скоростях при закрытой двери багажника в кровати образуется «пузырь», и воздух плавно обтекает его.

Наряду с практичностью автомобиля инженеры по аэродинамике также должны учитывать его внешнюю привлекательность. Они так много могут сделать с конструкцией колес, в то время как слишком низкая передняя панель может зацепиться за парковочные бордюры, а слишком высокий задний спойлер может повлиять на обзор. Правильная аэродинамика — это не только топливная экономичность. Правильный воздушный поток также может улучшить управляемость и устойчивость автомобиля, снизить шум ветра внутри кабины, охладить тормоза и даже оптимизировать системы отопления и кондиционирования воздуха.

Поделитесь этой статьей в своей социальной сети

Подпишитесь, чтобы получать информационный бюллетень Driving.ca Blind-Spot Monitor по средам и субботам

Нажимая на кнопку подписки, вы соглашаетесь на получение вышеуказанного информационного бюллетеня от Postmedia Network Inc. откажитесь от подписки в любое время, нажав на ссылку отказа от подписки внизу наших писем. Postmedia Network Inc. | 365 Bloor Street East, Торонто, Онтарио, M4W 3L4 | 416-383-2300

Спасибо за регистрацию!

Приветственное письмо уже готово.Если вы его не видите, проверьте папку нежелательной почты.

Следующий выпуск «Монитора слепых зон» Driving.ca скоро будет в вашем почтовом ящике.

Комментарии

Postmedia стремится поддерживать живой, но гражданский форум для обсуждения и поощрять всех читателей делиться своим мнением о наших статьях. На модерацию комментариев может потребоваться до часа, прежде чем они появятся на сайте.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *