Аеродинамічний опір автомобіля
Автор Олександр Дитина
Аеродинамічний опір автомобіля обумовлено рухом останнього з деякою відносною швидкістю в навколишньому повітряному середовищі. Серед усіх сил, що становлять опір руху автомобіля, ця представляє найбільший інтерес в світлі зростаючих швидкостей пересування транспортних засобів. Справа вся в тому, що вже при швидкості руху 50-60 км / год вона перевищує будь-яку іншу силу опору руху автомобіля, а в районі 100-120 км / год перевершує всіх їх разом узятих.
Відразу хотілося б відзначити, що на сьогоднішній день не існує методик теоретичного розрахунку сили аеродинамічного опору, а тому її величину можливо визначити тільки експериментально. Звичайно, непогано було б ще на стадії проектування провести кількісну оцінку аеродинаміки автомобіля і змінюючи певним чином форму кузовних деталей оптимізувати її. Але, на жаль, вирішити це завдання виявилося не так просто. Знайти вихід з ситуації, що склалася, звичайно ж, намагалися. Зокрема, шляхом створення каталогів, де значенням аеродинамічного опору об'єкта ставилися у відповідність основні параметри його форми. Такий підхід виправдовує себе лише у випадках його застосування до відносно простим в аеродинамічному сенсі тіл. Число ж параметрів, що описують геометрію легкового автомобіля, дуже велика, і окремі поля потоків перебувають у вельми складній взаємодії один з одним, так що і в цьому випадку спроба приручити аеродинаміку провалилася.
Стосовно до автомобільної техніки аеродинамічний опір можна уявити як суму кількох його складових. До них відносяться:
- опір форми;
- опір тертя об зовнішні поверхні;
- опір, викликаного виступаючими частинами автомобіля;
- внутрішній опір.
Опір форми ще називають опором тиску або лобовим опором. Опір форми є основною складовою опору повітря, воно досягає 60% загального. Механізм виникнення цього виду опору наступний. При русі транспортного засобу в навколишньому повітряному середовищі відбувається стиснення набігаючого потоку повітря в передній частині автомобіля. В результаті тут створюється область підвищеного тиску. Під його впливом цівки повітря спрямовуються до задньої частини автомобіля. Ковзаючи по його поверхні, вони обтікають контур транспортного засобу. Однак в певний момент починає проявлятися явище відриву елементарних цівок від обтічної ними поверхні і освіти в цих місцях завихрень. У задній частині автомобіля повітряний потік остаточно зривається з кузова транспортного засобу. Це сприяє утворенню тут області зниженого тиску, куди постійно здійснюється підсмоктування повітря з навколишнього повітряного простору. Класичною ілюстрацією наявності зони зниженого тиску є пил і бруд, що осідають на елементи конструкції задньої частини транспортного засобу. За рахунок різниці тисків повітря попереду і позаду автомобіля створюється сила лобового опору. Чим пізніше відбувається зрив повітряного потоку з обтічної поверхні і відповідно менше область зниженого тиску, тим меншою буде і сила лобового опору.
В цьому аспекті цікавий наступний факт. Відомо, що при їзді двох формульних болідів один за одним, зменшується не тільки опір руху заднього автомобіля, що йде в повітряному мішку, а й переднього, за вимірюваннями в аеродинамічній трубі - на 27%. Відбувається це внаслідок часткового заповнення зони зниженого тиску і зменшення розрідження за ним.
З вищесказаного зрозуміло, що форма кузова транспортного засобу в даному випадку відіграє істотну роль. Кузов автомобіля необхідно виліпити таким чином, щоб процес переміщення повітря з передньої зони автомобіля в задню відбувався з найменшими витратами енергії, а останні визначаються головним чином характером вихреобразования. Чим менше утворюється локальних завихрень, що заважають нормальному перетікання цівок повітря під дією різниці тисків, тим менше буде і сила лобового опору.
Опір тертя обумовлено "прилипання" до поверхні кузова шарів переміщається повітря, внаслідок чого повітряний потік втрачає швидкість. У цьому випадку величина опору тертя залежить від властивостей матеріалу обробки поверхні кузова, а також від його стану. Справа в тому, що будь-яка поверхня володіє різною поверхневою енергією, здатною в різній мірі вплинути на навколишнє середовище. Чим більше значення поверхневої енергії у матеріалу покриття автомобіля, тим сильніше його поверхню взаємодіє на молекулярному рівні з навколишнього повітряним середовищем, і тим більше енергії необхідно затратити на руйнування сил Ван-дер-Ваальса (сил взаємного тяжіння молекул), що перешкоджають взаємному переміщенню обсягів дотичних речовин . На даний вид втрат припадає близько 10 - 20% всіх аеродинамічних втрат. Менші значення опору тертя відносяться до автомобілів, що володіє новими, добре відполірованими покриттями, великі до автомобілів з погано забарвленими кузовами або покриттями, які з плином часу втратили більшість своїх споживчих властивостей.
Опір викликаного виступаючими частинами автомобіля становить 10 - 15% загального. Хоча на деяких примірниках автомобільної техніки воно може приймати і набагато більше значення. На його величину впливають самі, здавалося б, нешкідливі конструктивні елементи автомобіля, як-то дверні ручки, важелі склоочисників, колісні ковпаки та інші деталі. Виявляється навіть такі дрібниці вносять свій внесок в загальну силу аеродинамічного опору руху, причому їх доважок вельми істотний. Судіть самі: підняті вночі забираються фари збільшують силу опору повітря на 10%, відкриті вікна - на 5%, встановлені завбачливим автовласником брудозахисні фартухи на всіх колесах - на 3%, багажник на даху - на 10-12%, зовнішні дзеркала заднього виду - 5-7%, широкопрофільні шини - на 2-4%, антена - на 2%, відкритий люк в даху - на 2-5%. З іншого боку є ряд деталей, застосування яких дозволяє зменшити аеродинамічний опір. Так, установка на колеса гладких ковпаків знижує його на 3%, заміна виступаючих дверних ручок на оптимізовані в аеродинамічному сенсі - втоплені також трохи знижує силу опору повітря. Щоб виключити додатковий опір, що викликається щітками склоочисників, коли останні перебувають в неробочому положенні, конструктори деяких фірм ховають їх у спеціальний відсік, розташований між кромкою капота і лобовим склом. Також істотну роль грає якість збірки кузова автомобіля: малі зазори в місцях стиків кузовних деталей можуть зменшити опір на 2-5%.
Внутрішній опір обумовлено рухом повітряних потоків через системи вентиляції та охолодження. Зазвичай шляху руху повітряних потоків в цьому випадку мають досить складну конфігурацію, що володіє безліччю місцевих опорів. До числа останніх відносяться різкі зміни напрямку руху повітря, фільтри, радіатори і т. П.
Для кількісної характеристики аеродинамічного опору використовують наступну залежність:
FX = CX.P.V2.FMID / 2,
де: Р - щільність повітря;
V - швидкість відносного руху повітря і машини;
FMID - площа найбільшого поперечного перерізу автомобіля (лобова площа);
CX - коефіцієнт лобового опору повітря (коефіцієнт обтічності).
Зверніть увагу на те, що швидкість у формулі стоїть в квадраті, а це значить: при збільшенні швидкості руху транспортного засобу в два рази, сила опору повітря збільшується в чотири рази, а витрати потужності виростають у вісім разів !!! Тому при русі автомобіля в міському потоці аеродинамічний опір автомобіля мало, на трасі ж його значення досягає великих величин. А що говорити про гоночних болідах, що рухаються зі швидкостями 300 км / год. В таких умовах практично вся вироблювана двигуном потужність витрачатися на подолання опору повітря. Причому за кожен зайвий км / год приросту максимальної швидкості автомобіля доводиться платити істотним збільшенням його потужності або зниженням CX. Так, наприклад, працюючи над збільшенням швидкісних можливостей болідів, що беруть участь в кільцевих гонках Nascar, інженери з'ясували, що для збільшення максимальної швидкості на 8 км / год буде потрібно приріст потужності двигуна в 62 кВт! Або зменшення СX на 15%.
Коефіцієнт лобового опору визначають експериментальним методом шляхом продувки автомобіля або його моделі в аеродинамічних трубах. Від величини CX Вашого автомобіля в прямій залежності перебуває кількість витрачається їм палива, а значить і грошова сума що залишається Вами у бензоколонки. Тому конструктори всіх фірм-виробників автомобільної техніки постійно намагаються знизити коефіцієнт лобового опору своїх творінь. CX для кращих зразків сучасних автомобілів становить величину порядку 0,28-0,25. Для прикладу, величина коефіцієнта лобового опору "сьомого вазовского класичного цегли" становить 0,46. Коментарі зайві. Найменшим ж коефіцієнтом відрізняються автомобілі, призначені для встановлення рекордів швидкості - CX порядку 0,2-0,15.
Однак аеродинаміка впливає не тільки на швидкісні якості автомобіля і витрата палива. В її компетенцію входять також завдання забезпечення належного рівня курсової стійкості, керованості автомобіля, зниження шумів при його русі.
Особливу увагу заслуговує вплив аеродинаміки на стійкість і керованість автомобілем. Це в першу чергу пов'язано з виникненням підйомної сили, яка серйозно впливає на ходові якості машини - зменшує силу зчеплення коліс з дорогою, а в деяких випадках може бути однією з причин перекидання автомобіля. Причина появи підйомної сили у автомобіля криється в формі його профілю. Довжини шляхів руху повітря під автомобілем і над ним істотно відрізняються, отже, обтекаемому зверху повітряному потоку доводиться проходити його з більшою швидкістю, ніж потоку рухається внизу автомобіля. Далі вступає в дію закон Бернуллі, за яким, чим більше швидкість, тим менше тиск і навпаки. Тому внизу автомобіля створюється область підвищеного тиску, а зверху - зниженого. В результаті отримуємо підйомну силу. Конструктори прагнуть всякими хитрощами звести її до нуля, і частенько це їм вдається. Так, наприклад, у "десятки" нульова підйомна сила, а у "вісімки" існує тенденція до підйому. Позбутися від підйомної сили можна установкою антикрила. Вони створюють додаткову притискну силу, хоч дещо й погіршують загальний аеродинамічний опір. Слід зауважити, що використовуються вони в основному на гоночних болідах. Не слід плутати між собою антикрило і спойлер. Кожен з них виконує свою задачу. Спойлери, які встановлюються на серійні моделі легкових автомобілів, призначені більшою мірою для кращої організації руху потоку повітря.
На стійкість автомобіля впливає і характер обтікання кузова повітряними потоками, спрямованими під певним кутом до його поздовжньої осі. В цьому випадку результуюча сила лобового опору, прикладена до його центру парусності, який знаходиться на деякій відстані від поверхні контакту автомобіля з дорогою, а також зміщений від його центру мас, створює розвертає і крен автомобіля. Відчути всю красу даного явища можна, наприклад, на "Таврії" під час руху на високій швидкості в момент проходження поруч "фури".
Аеродинамічні шуми, що виникають при русі автомобіля, свідчать про поганий його аеродинаміці або ж про її відсутності взагалі. Генеруються вони за рахунок вібрацій елементів кузова в моменти зриву повітряного потоку з їх поверхні. За наявністю або відсутністю шумів на високих швидкостях руху можна визначити ступінь опрацювання конструкції автомобіля в аеродинамічному сенсі.
Як Ви розумієте, прорахувати таку величезну кількість параметрів аеродинаміки автомобіля неможливо. Тому її створенням і доведенням конструктори займаються шляхом численних продувок в аеродинамічних трубах, як моделей автомобілів, так і натурних зразків.
скопійовано з http://autotheory.by.ru/ з дозволу автора.
24.03.04.