Аэродинамика автомобиля книга евграфов

Аэродинамика автомобиля

Слово «аэродинамика» знакомо многим, и в основном оно ассоциируется с аэродинамикой самолета или автомобиля. Так что же означает это понятие? В нашем случае, мы рассмотрим именно аэродинамику автомобиля, насколько она важна и как влияет на характеристики и поведение автомобиля.

Аэродинамикой называют науку, изучающую законы движения воздуха (газа) и механическое взаимодействие между воздухом (газом) и движущимся в нем телом.

С точки зрения аэродинамики, самая совершенная форма – это форма капли.

Первые, выпускавшиеся в начале XX века, легковые автомобили имели кузова каретообразной формы, что делало их плохообтекаемыми. Значение коэффициента аэродинамического сопротивления этих автомобилей составляло 0,7-0,8. Это, учитывая малую мощность устанавливавшихся на них двигателей, было одним из препятствий в достижении высоких скоростей движения, что и послужило основной причиной развертывания работ по совершенствованию аэродинамики автомобильного кузова.

После Первой мировой войны создание обтекаемых кузовов началось одновременно в ряде стран. При этом широко использовались оставшиеся бездействующими самолетные аэродинамические труды и информация по аэродинамике самолетов. Особенно интенсивные разработки в области автомобильной аэродинамики велись в этот период в Германии. Известный авиаконструктор Румплер разработал кузов автомобиля, который в плане имел форму профиля крыла. Чтобы с пользой использовать сильно зауженную заднюю часть кузова, двигатель у этого автомобиля был размещен сзади.

Развитие формы автомобиля сначала было направлено исключительно на снижение сопротивления воздуха. С увеличением скорости движения возникла проблема устойчивости при боковом ветре. В более позднее время стали предпринимать попытки за счет формообразования уменьшить загрязнение и скопление дождевой воды на стеклах и фонарях. Для исследования влияния воздушных потоков на автомобиль, автомобильные кузова начали продувать в аэродинамических трубах. Первые в мире аэродинамические трубы были построены в 1871 году членом Совета Королевского авиационного общества Великобритании Фрэнсисом Гербертом Уэнхемом и русским военным инженером В.А. Пашкевичем.

В 1897 году К.Э. Циолковский построил прототип аэродинамической трубы собственной конструкции, использовав поток воздуха на выходе из центробежного вентилятора, и впервые в России применил этот агрегат для изучения эффектов, проявляющихся при обтекании твёрдых тел (самолётов, автомобилей, ракет) воздушным потоком. Первая аэродинамическая труба со свободной струей в рабочей части была построена Гюставом Эйфелем в Париже на Марсовом поле в 1909 году. Дальнейшее развитие шло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель).

Читайте также:  Годы изобретения автомобиля с паровым двигателем

В наше время все автомобильные компании уделяют огромное внимание аэродинамике автомобиля и вкладывают большие средства в её развитие. Инженеры, проектируя современные автомобили, преследуют следующие цели аэродинамики:

— уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива;

— снижение уровня шума;

— предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости;

— оптимизация процесса охлаждения некоторых агрегатов автомобиля;

— уменьшение загрязнения дорожной грязью стёкол, некоторых элементов охлаждения и воздушного фильтра автомобиля.

Лобовое сопротивление

При движении автомобиля на небольшой скорости, воздействие воздушного потока на автомобиль незначительное, но с повышением скорости давление возрастает, т.к. сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости, и отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! Это можно легко проверить, например, открыть окно и высунуть руку на 30 км/ч, а затем проделать то же самое на 100 км/ч. Воздух на более высокой скорости плотнее, и автомобилю сложнее преодолевать его. Только представьте, с каким трудом даются автомобилю последние десятки километров в час. В таких условиях даже значительная прибавка мощности мотора не в состоянии существенно увеличить максимальную скорость.

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивление складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления. Лобовое сопротивление выражается коэффициентом аэродинамического сопротивления (Cx) — безразмерной величиной, отражающей отношение силы лобового сопротивления автомобиля к произведению скоростного напора Q на площадь поперечного сечения автомобиля S:

Cx = Fсопр / (Q * S), где Cx — безразмерный коэффициент, обычно меньше единицы.

Чем меньше Cx, тем лучше проработана аэродинамика автомобиля. Для современных автомобилей Cx

Как было написано ранее, 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». Поэтому задача инженеров при проектировании автомобиля состоит в том, чтобы воздушный поток, обтекая кузов, имел как можно меньше завихрений и срывов. Даже стыки между кузовными панелями ухудшают аэродинамику автомобиля, поэтому, в той же Формуле 1, зазоры между панелями делают минимальными и применяют специальную более гладкую краску. Все это позволяет воздушному потоку с наименьшим сопротивлением и завихрением обтекать кузов.

Читайте также:  Буксировка автомобиля с акпп полный привод

И все же, как ни странно, болиды класса Формулы 1 имеют большой коэффициент аэродинамического сопротивления, и колеблется он в зависимости от настроек от 0,5 до 1!

Связано это с тем, что автомобили класса Формул имеют открытые колеса, антикрылья и большие воздухозаборники. Все это ухудшает лобовое сопротивление и тормозит болид.

Подъемная и прижимная силы

Начнем снова с теории. В зависимости от формы, любой объект, движущийся сквозь воздух, будет всегда либо подниматься вверх, либо наоборот, прижиматься к земле. Силы, действующие на него в этих случаях, известны как подъемная и прижимная. Причину этого эффекта когда-то открыл швейцарский ученый Даниил Бернулли. Эффект Бернулли состоит как раз в том, что чем выше скорость молекул воздуха, передвигающихся вокруг объекта, тем ниже давление воздуха на этот объект. И наоборот: чем ниже скорость молекул воздуха, тем выше давление. Как раз из-за разности давлений самолет поднимается в воздух, крылья которого имеют специальную форму, создающую подъемную силу.

То же самое происходит и с автомобилем, ведь в профиль кузов автомобиля имеет похожую на крыло форму.

Поэтому при наборе скорости машина все сильнее стремится «взлететь» – ее просто-напросто выталкивает наверх воздух снизу.

Как мы видим на картинке, при увеличении скорости движения автомобиля подъемная сила больше создается на задней оси автомобиля, что ухудшает сцепление с дорогой. Поэтому задача инженеров создать прижимную силу, которая смогла бы прижать заднюю ось автомобиля к дороге. Особенно актуальна такая задача для гоночных инженеров, т.к. для гражданских автомобилей это не так важно (гражданские автомобили редко развивают скорости за 200 км/ч, и им не нужно проходить повороты на максимальной скорости). Как раз для увеличения прижимной силы и используют антикрыло, которое ни что иное как перевернутое крыло самолета.

Впервые антикрыло применил швейцарский студент инженерного факультета Майкл Мей на своем Porsche 550 в 1956 году. К участию в гонке Нюрбургринг он не был допущен из-за «ограничения видимости гонщикам», идущим позади него. И про антикрылья забыли на несколько лет. А вот следующим «крылатым» экспериментатором стал более известный в истории автоспорта Джим Холл, который прикрутил антикрыло к своему Chaparral 2E – машине серии CanAm. Хотя, в отличие от конструкции Майкла Мея, крыло Холла было неподвижным. Однако считается, что именно его успехи и спровоцировали интерес к антикрыльям в среде инженеров Формулы 1.

Читайте также:  Большая влажность в салоне автомобиля

Увидев преимущество болидов с аниткрылом, гоночные инженеры разных команд Формулы 1 начали экспериментировать с их конструкцией и креплениями. В дальнейшем бурная работа с антикрыльями началась в различных гоночных сериях, а также их начали использовать и на дорожных спортивных автомобилях.

Сплиттер (англ. splitter — рассекатель) — аэродинамическая плоскость, служащая для ограничения поступления воздуха под днище и, соответственно, создания разрежения под ним. Устанавливается внизу переднего бампера вплотную к нему, примыкая задней кромкой. Воздух над сплиттером отводится вбок, вдоль колесных арок, или через кузов машины, через вентиляционные отверстия в бампере.

Первым конструктором гоночных автомобилей, пытавшимся использовать «граунд-эффект», был уже известный нам Джим Холл. В 1961 году он применил на своём автомобиле Chaparral специальный профиль днища, но не добился успеха, а в 1970 создал модификацию Chaparral 2J, в которой «граунд-эффект» создавался парой откачивающих воздух вентиляторов с приводом от отдельного двигателя. В этой модели впервые была применена «юбка», прикрывающая по бокам зазор между автомобилем и поверхностью трассы.

Ещё одним аэродинамическим элементом современных гоночных автомобилей является диффузор. Он размещается в задней части автомобиля, и так же способствует снижению давления, образуя разряжение, засасывая воздух из-под днища и оптимизируя потоки за автомобилем, что увеличивает прижимную силу. Сам диффузор представляет собой расширяющийся к концу болида участок днища.

Важно понимать, что все аэродинамические элементы должны работать совместно друг с другом, соблюдая баланс между передней и задней частью автомобиля.

Вот пример того, когда отсутствие аэродинамического элемента негативно сказывается на управлении автомобилем. На ралли Швеции 2017 Мадс Остберг потерял заднее антикрыло, и вот что он вспоминает об этом случае: «Прыгать было просто невозможно. Когда сзади нет прижимной силы, автомобиль постоянно «ныряет» вперёд, поэтому мне пришлось избегать прыжков и проезжать трамплины в спокойном темпе».

Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что перед гоночными инженерами стоит сложная задача: при уменьшении лобового сопротивления ухудшается прижимная сила, а при увеличении прижимной силы ухудшается лобовое сопротивление. Им приходится постоянно балансировать на тонкой грани, укрощая строптивую аэродинамику.

Автор статьи: Алексей Плюснин

Ссылки на используемый материал:

Источник

Популярные рекомендации экспертов
Adblock
detector