Интернет журныл о промышленности в Украине

Аеродинамічний опір автомобіля

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 Опір форми ще називають опором тиску або лобовим опором 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.