1. віднесені вітром
2. Частина 1. Аеродинамічний опір
3. сила опору
4. ретроспектива
5. оптимізація
6. А далі?
7. Частина 2. Притискна сила

віднесені вітром

віднесені вітром

аеродинаміка автомобілів

Чому при однаковій потужності максимальна швидкість автомобілів різниться? Чому у одного скла затягується пилом, а в іншого немає? За рахунок чого гоночні боліди в повороті розвивають п'ятикратну бічну перевантаження? Питання різні, а відповідь одна - аеродинаміка.

Текст: Карелов Олег.

Сучасна автомобільна аеродинаміка вирішує безліч завдань. Фахівці повинні не тільки домогтися мінімального опору повітря, а й відстежити величину і розподіл по осях підйомної сили, адже нинішні автомобілі досягають тих швидкостей, на яких літаки вже відриваються від землі. Необхідно передбачити і доступ повітря для охолодження двигуна і гальмівних дисків, продумати вентиляцію салону, розташувавши в потрібних місцях отвори для забору та відведення повітря. Аеродинаміка визначає рівень шумів в салоні, піклується про те, щоб захоплюючі бруд повітряні потоки не потрапляли на скла, дзеркала, ліхтарі і ручки дверей. З ростом швидкості не повинно змінюватися і якість очищення лобового скла.

Загалом, коло завдань надзвичайно широкий, а вирішення однієї проблеми тісно пов'язане з іншого: наприклад, необхідність робити воздухозабрнікі для охолодження гальм або боротьба з підйомною силою веде до збільшення лобового опору. І розібратися в цій головоломці, знайти оптимум під силу лише справжнім майстрам своєї справи. Ми ж розглянемо тільки два головні аспекти автомобільної аеродинаміки: проблему опору повітря і притискної сили.

Частина 1. Аеродинамічний опір

Напевно, кожен чув про те, що сила опору повітря пропорційна квадрату швидкості - настільки швидко наростає протидія руху в процесі розгону. Вражає, але як це співвіднести з параметрами автомобіля? Для цього потрібно лише перейти в терміни механічної роботи, і тоді вийде, що відбирається від двигуна потужність знаходиться аж в кубічної залежності від швидкості! Тільки уявіть, як важко даються автомобілю останні десятки кілометрів на годину. В таких умовах навіть значне збільшення потужності мотора не в змозі істотно збільшити максимальну швидкість.

Таким чином, завдання зниження лобового опору - пріоритетне завдання не тільки для аеродинаміки, але, в світлі боротьби за екологію, і для всього автомобілебудування в цілому.

сила опору

- так обраховується сила аеро & shyдінаміческого опору & shyтівленія. S - площа поперечного перерізу (м2), V - швидкість повітряного потоку (м / c), p - щільність повітря (1,23 кг / м3), Cx - коефіцієнт аеро & shyдінаміческого опору. Тобто вплинути на величину сили при заданій швидкості можна тільки двома шляхами: змінивши або Cx, або площа S.

Рішення можна шукати за двома напрямками. Перше - це зменшення площі поперечного перерізу автомобіля, іншими словами, створення більш вузького і низького кузова. Шлях вельми ефективний, бо опір повітря безпосередньо залежить від розмірів об'єкта, але, на жаль, абсолютно розходиться з нинішньої тенденцією до збільшення габаритів автомобілів. І збільшення, варто відзначити, чималого, адже в моду активно входять кросовери, що вторгаються навіть в абсолютно чужий їм сегмент спортивних, швидкісних автомобілів, де вимоги до аеродинаміці гранично високі.

А значить залишається другий і єдиний варіант - оптимізація процесу обтікання кузова, критерієм досконалості якого як раз і є коефіцієнт аеродинамічного опору Cx (або Cw, як іноді зустрічається в літературі).

Величина Cx визначається дослідним шляхом. Наприклад, у так званого обтічного тіла, схожого на витягнуту краплю води, Cx дорівнює 0,04, у сфери - 0,47, у куба, грань якого перпендикулярна потоку, - 1,05, а якщо його повернути, так щоб кут між повітряним потоком і гранями становив 45 градусів, то Сх знизиться до 0,8. Приблизно в тому ж діапазоні знаходиться і Сх практично всіх автомобілів, хіба що нижня межа піднімається приблизно до 0,25.

Факторів, що впливають на Cx автомобіля, кілька: по-перше, це внутрішній опір, що виникає при проходженні повітря через підкапотний простір і салон, по-друге, опір тертя між повітряним потоком і поверхнею кузова, і, по-третє, опір форми, що виявляється головним чином в надмірному тиску перед автомобілем і розрядженням позаду нього.

Внутрішній опір становить близько 12% від загальної величини, і поки особливих успіхів в цій області не спостерігається: навпаки, все більше і більше потужні мотори сучасних автомобілів вимагають все більше повітря для охолодження. Наприклад, в межі 300-сильний бензиновий двигун виділяє у вигляді тепла близько 450квт - цього вистачило б для опалення кількох особняків! Відповідно, зростають розміри радіаторів, ущільнюються моторні відсіки, збільшується опір повітря ... Істотні ж поліпшення тут можливі лише при переході на більш ефективні електродвигуни, але поки вони так і залишаються технологією майбутнього.

Прикордонний шар повітряного потоку. Червоні стрілки - вектора, що показують напрямок і швидкість руху окремих частинок. В даному випадку вони паралельні один одному, а тому потік знаходиться в ламінарному стані.

Опір поверхневого тертя так само вносить свій 10-відсотковий внесок в величину Cx. Взагалі, наявність такого відчутного тертя між повітрям і кузовом може здатися дивним, але воно дійсно має місце: прилеглий до поверхні шар повітря стикається з мікронерівностями покриття і гальмуватися - утворюється так званий прикордонний шар. Поки ця течія знаходиться в ламінарному стані, тобто всі його частинки рухаються в одному напрямку, товщина прикордонного шару невелика (близько декількох міліметрів) і опір тертя невелике. Але з переходом в турбулентний стан, коли потік «спотикається» про більш велика перешкода, і траєкторії його частинок стають хаотичними, прикордонний шар розширюється, а разом з ним збільшується і тертя - повітря немов стає більш в'язким. Таким чином, від розробників в даному випадку потрібне забезпечення гладкості кузова, щоб прикордонний шар довше залишався ламінарії. А для цього потрібно зменшувати зазори кузовних елементів, закривати ущільнювачами щілини між деталями. Допомагає і надання поверхням невеликий кривизни - прилеглий потік прискорюється, тиск в ньому падає, і траєкторії частинок упорядковуються. На жаль, в цілях економії цими заходами останнім часом частково нехтують, наприклад, ущільнювачі по периметру лобового скла або навколо фар зараз зустрінеш нечасто.

Розподіл тиску повітря на автомобіль, що рухається. Червоному відповідають зони високого тиску, синього - низького. Зверніть увагу на що виникає розрядження позаду заднього скла і, особливо, за кришкою багажника і бампером - саме ця область головним чином і визначає аеродинаміку кузова. І чим менше вона, тим краще.

І, нарешті, опір форми або опір тиску - головний фактор, що визначає значення Cx. Причина його виникнення зрозуміла - спереду на автомобіль тисне потік, що набігає повітря, а позаду його «відтягує» назад зона розрядження, що утворюється в результаті відриву потоку від різко закінчується кузова. Рішення проблеми теж, здавалося б, очевидно - потрібно додати автомобілю таку форму, щоб він плавно розсікав повітря і знову-таки плавно, без відриву потоку від поверхні, дозволяв йому зійтися позаду себе. Але заковика в тому, що відповідно до такими вимогами автомобіль повинен нагадувати дирижабль (точніше, його половину, відрізану в поздовжній площині), тобто мати мінімум граней і, головне, дуже довгу, поступово звужується задню частину. Зрозуміло, про раціональної компонуванні в даному випадку говорити важко. Так що завдання перед інженерами стояло непросте ...

ретроспектива

Перший автомобіль, що подолав позначку в 100 км / ч (1899 г.). Приводився в рух двома електромоторами сумарною потужністю 67 л.с. Маса - 1000 кг. Максимальна швидкість 105 км / ч.

На початку минулого століття, коли автомобілі тільки зароджувалися, їх швидкість ледь перевищувала 40 км / год, а форма схожа на карету, про аеродинаміку, природно, не замислювалися - при величині Cx близько одиниці ті моделі чи могли посперечатися з обтічності навіть з горезвісним цеглою. Однак все ж знаходилися ентузіасти, котрі приділяли цьому увагу. Головним чином, то були розробники рекордних автомобілів і тих, що ми б зараз назвали «концепт-карами».

Над формою довго не думали - її переймали з інших областей техніки, таких як мореплавання або авіація. Відповідно, автомобілі нагадували кораблі, дирижаблі, торпеди і інші тіла обертання. Самим же першим представником цієї плеяди була машина Камілла Дженатці, на якій сам творець вперше в історії подолав рубіж в 100 км / ч - сталося це аж в 1899 році. Cx того автомобіля, звичайно, ніхто не знає, але, з огляду на чималу потужність в 67 л.с., можна припустити, що його аеродинаміка все ж була далека від досконалості - опір збільшував водій, який височів над кузовом, і зовсім неприкриті елементи підвіски і шасі.

Більш вдалою спробою створити обтічний автомобіль стала Alfa Romeo 40-60 HP - спортивна машина 1913 року, на шасі якої був встановлений кузов у ​​формі дирижабля. Повністю вкриває пасажирів корпус, інтегроване шасі і компактні вузли підвіски дозволили при потужності 70 к.с. досягати вже 139 км / ч, що свідчить про досить непоганий, а на ті часи і зовсім видатної, аеродинаміці.

Унікальність автомобіля Tropfenwagen (1921 г.) полягала не тільки в приголомшливо низькому Сх (0,28), але і незвичайною компонуванні з W-образним 6-циліндровим двигуном в хвостовій частині. Всього було випущено близько 100 таких моделей.

Але поступово підхід до проектування обтічних кузовів змінювався. Досвід в літакобудуванні, накопичений за час Першої світової війни, допоміг розробникам поглянути на проблему ширше - вони вже не прагнули просто перейняти вдалі з точки аеродинаміки форми, а почали їх комбінувати, поєднувати, намагаючись отримати прийнятне для автомобіля рішення. І швидко досягли успіху в цій справі.

У 1921 році інженером Едмундом Румплера був створений Tropfenwagen - «машина-крапля». Незвичайний автомобіль мав сильно звужену в горизонтальній проекції передню і задню частини, плавний вигин даху і овальну, витягнуту кабіну - набігає повітря він направляв не вгору і вниз, а в сторони. Проведені згодом, в 1979 році, компанією Volkwagen випробування показали, що Cx Tropfenwagen дорівнював 0,28! І це при тому, що виступають за габарити колеса збільшували опір приблизно на 50%. На жаль, попитом екстравагантний автомобіль не користувався - не допомагав ні низьку витрату палива, ні поява подовженою версією.

Одна з ідеальних аеродинамічних форм автомобіля - Cx дорівнює 0,14-0,16. Можливі й інші, але їх Cх буде так само знаходиться в околиці 0,15.

Порівняння форм задка. 1 - укорочена форма, характерна для серійних автомобілів 20-40-років; 2 - "оптимальна" форма запропонована в 1934 р; 3 - ідеальна форма. В останньому випадку має місце безвідривне обтікання кузова, а в 1-му та 2-му - точка відриву розташовується в місці розбіжності з оптимальною формою. Таким чином, 2-ий варіант з крутим зрізом задка виявляється переважно похилій форми 1, бо потік відривається від кузова помітно пізніше.

Тим часом Інститутом аеродинамічних досліджень в Геттінгені (Німеччина) була виведена «ідеальна» форма, Сх якої дорівнював 0,16. У профіль такий кузов був схожий на сучасні Porsche 911, але мав більш загострену і вузьку передню і задню частину. Однак якщо для спортивних двомісних автомобілів ця форма ще підходила - можна згадати чудовий Adler Triumph 1934 року - то для «цивільних» вона здавалася майже марною - занадто нераціонально використовувався внутрішній обсяг довгого «хвоста».

І все ж спроби наблизитися до такого ідеалу в серійному виробництві робилися довго, а однією з найуспішніших стала Tatra-87 1940 року. Кут нахилу задка у неї був більше, але сильно звужена ззаду кабіна і плавно спадає підвіконна лінія дозволили знизити Сх до 0,38.

Втім, на той час сенсу в подібних хитрощів вже не було - в 1934-му дослідники прийшли до висновку, що вигоди від похилим, витягнутої задньої частини кузова немає, якщо вона не повторює ідеальну форму - як тільки нахил задка перевищує певне значення, потік зривається , і триває частина хвоста виявляється в зоні розрядження. Отже, її можна просто відкинути без шкоди для аеродинаміки, а в деяких випадках навіть на цьому і виграти, адже в зоні розрядження виявляється менша площа поверхні. Що, власне, трохи пізніше і продемонстрував автомобіль конструктора Камма під індексом К5 - його Сх дорівнював 0,37. А це означало, що вперше аеродинаміка і практичність знайшли точку перетину, але почалася війна ...

Треба відзначити, що всі згадані напрацювання майже не торкнулися серійних автомобілів 20-40-их років. Звичайно, за цей період Сх в середньому знизилися з 0,8 до 0,55, але в основі цього лежали лише компонувальні і стилістичні зміни - зберігаючи виступаючі крила і фари, автомобілі ставали більш витягнутими і округлими. Ті ж моделі, що зовні здавалися обтічними, тільки наслідували реально ефективним кузовам.

Не сильно змінилася ситуація і післявоєнні роки. Цілеспрямовані роботи зі створення обтічних автомобілів майже зупинилися, а Cx серійних моделей знижувався в основному за рахунок об'єднання окремо виступаючих фар і крил в єдину форму кузова. І все ж до 60-ому році деякі автовиробники звернули увагу на аеродинаміку. Так, в 1955-му вийшов Citroen DS, яка потрясла світ не тільки безліччю неординарних конструктивних рішень, але і прекрасною обтічністю - Cx становив всього 0,38. Відзначився і Porsche зі своєю моделлю 356, друге покоління якої в 1959 році досягло Cx рівного 0,39. І це в той час, коли для більшості автомобілів була характерна величина близько 0,5.

Поступово стали підтягуватися й інші автовиробники - росла потужність моторів, збільшувалися швидкості, і до 70-ому році разом з модою на незграбні кузова остаточно утвердилася і роль аеродинаміки, як однієї з пріоритетних областей вдосконалення автомобілів.

оптимізація

Однак завдання перед інженерами стояло вже інша: якщо раніше вони працювали над створенням оптимальної аеродинамічної форми, то відтепер їх робота полягала в оптимізації запропонованого дизайнерами проекту. Тобто в послідовному зміні окремих частин кузова, таких, як переходи, виступи, спойлери, з метою зниження опору повітря при мінімальному втручанні в дизайн. І хоча це означало набагато меншу свободу дій, проте, на практиці такий підхід виявився досить ефективним. Зокрема, в 70-их він допоміг утримати Cx на рівні 0,45, незважаючи на перехід до більш незграбним формам кузова, а в подальшому, особливо з появою потужних суперкомп'ютерів, дозволив незмінно удосконалювати аеродинаміку автомобілів аж до наших днів.

Але як же при настільки обмеженому втручанні вдалося досягти майже такої ж обтічності, що і у кузовів, спочатку спроектованих з урахуванням аеродинаміки? Виявляється, чинників, принципово впливають на обтічність, не так вже й багато. Їх ми зараз і розглянемо.

Передній спойлер зменшує повітряний потік під днищем автомобіля, а разом з ним і загальне аеродинамічний опір. Правда, справедливо це лише для маленького спойлера - великий уже збільшує Cx і працює на створення притискної сили, створюючи суттєву зону розрядження під передком.

До носової частини автомобіля (оформлення бампера, фар і решітки радіатора) вимог пред'являється трохи, і різні форми можуть забезпечувати майже однаковий опір - все ж «розрізати» повітряний потік не становить великих проблем. Однак в цьому місці важливо надати повітрю правильно напрямок, адже від цього залежить характер обтікання решті поверхні кузова. Зокрема, потрібно уникати відриву потоку від передньої кромки капота - утворює за нею зона розрядження може простягнутися аж до лобового скла і збільшити Cx приблизно на 0,05 одиниць. Для цього, особливо при сильному нахилі передка, необхідно згладжувати перехід до капоту, уникаючи різких граней.

Додатково можна відіграті кілька сотих, ВСТАНОВИВ Невеликий передній спойлер. Сам по собі він, звичайно, збільшує Cx, частково перешкоджаючи затікання повітря під автомобіль, але це компенсується падінням опору днища, де вже набагато менший потік стикається з смугою перешкод у вигляді важелів підвіски, картерів агрегатів і вихлопною системою. Нерідко подібного ефекту досягають і за рахунок невеликого нахилу автомобіля вперед - досить навіть 2 градусів, щоб знизити Cx на пару-трійку відсотків.

А ось нахил лобового скла, як не дивно, однозначного впливу не робить - в межах стандарт 30-40 градусів чіткий зв'язок з величиною Cx не простежується. Зате позитивну роль відіграє невелика опуклість даху - зниження Cx може скласти дві-три сотих. Правда, це вірно лише за умови збереження висоти кузова - кривизна повинна досягатися внаслідок збільшення нахилу лобового і заднього скла, тому що в протилежному випадку зменшення Cx нівелюється збільшенням площі поперечного перерізу.

Головний же елемент, який визначає аеродинаміку автомобіля, - задня частина кузова. Тут рахунок йде вже не на соті, а на десяті частки Cx!

Характер обтікання універсалів і хетчбеків з великим нахилом п'ятої двері (яких переважна більшість) однаковий - потік відривається від задньої кромки даху.

Зменшення кута нахилу задньої частини до 30 градусів призводить до утворення кромок вихорів, що створюють додаткове розрядження позаду автомобіля. При подальшому ж зменшенні нахилу вихори слабшають, і приблизно на 23 градусів досягається плавне і безвідривне протягом потоку по похилій поверхні.

Найменш ефективною виявляється форма з крутим зрізом, тобто кузов типу універсал - потік зривається прямо з кромки даху, і за машиною утворюється велика зона розрядження, що збільшує опір руху. Супутньої неприємністю є і швидке забруднення заднього скла, бо в «порожнє» позаду простір активно спрямовується піднята пил і бруд. І виправити становище ніяк не можна, хіба що встановити дефлектор на даху, над п'ятими дверима, відтинає частина потоку вниз - так і скло буде повільніше бруднитися і розрядження злегка впаде. Подібне рішення часто зустрічається на сучасних універсалах.

Кузови зі скошеною задньою частиною (як правило, хетчбеки) виглядають, на перший погляд, краще - потік стікає по похилій поверхні і відривається внизу п'ятих дверей, залишаючи набагато меншу область розрядження. Однак справедливо це лише при малому нахилі задка, не більше 23-х градусів. Серед сучасних цивільних автомобілів такою формою володіють, мабуть, тільки Audi A5 Sportback та Porsche Panamera. Більшість же інших хетчбеків і близько не підбираються до цієї цифри, а тому по обтічності вони еквівалентні універсалів і точно так же оснащуються заднім склоочисником. Спроби ж наблизитися до оптимального кутку загрожують ще більшою проблемами. А справа в тому, що при зменшенні нахилу до 28-32 градусів повітряний потік виявляється в деякому перехідному стані - точка відриву вже переміщається на нижню кромку задка, але плавного обтікання ще спостерігається. При цьому на похилій поверхні виникають так звані кромочні вихори - потоки з боків кузова починають потрапляти на похилий задок і, закручуючись по спіралі, створюють значну розрядження позаду автомобіля. І хоча заднє скло вже не мажеться, бо вихори спрямовані вниз, Cx виходить найгіршим. Свого часу саме з такою проблемою зіткнувся Москвич 2141, який при всій своїй візуальній обтічності, мав Cx близько 0,47.

А що ж робити інженерам, якщо їм на стіл ліг такий невдалий дизайнерський проект з нахилом близьким до 30 градусів? Якщо поміняти кут Ніяк не можна, то можна піти на крайні заходи і встановити на торці даху спойлер - він зірве потік, запобігши освіту кромок вихорів, і по обтічності такий автомобіль хоча б наблизиться до універсалів. Втім, при невеликому нахилі (

Сучасні седани і купе, як правило, демонструють найкращі показники обтічності серед інших типів кузовів. А в деяких випадках навіть вдається домогтися безвідривного течії потоку по задньому склу.

Описані проблеми зустрічаються і на автомобілях із ступінчастим задком, наприклад, седанах і купе, але наслідки вже не такі страшні - отовравшійся з даху потік або закрутити на склі кромок вихор «приземляється» на кришку багажника, заспокоюється, а потім знову і вже остаточно відривається від задньої кромки. В результаті розрядження за заднім склом виходить невеликим, а вихровий слід за автомобілем - майже як у хетчбека з малим нахилом задка. Крім того, збільшуючи висоту і довжину багажника, можна додатково знизити Cx на кілька сотих - чим раніше потік торкнеться поверхні, і чим довше він буде перебувати в стаціонарному стані, тим краще. Майже так само ефективно і невелике звуження задньої частини. Загалом, можливостей для оптимізації в даному випадку достатньо, а тому на практиці саме седани або купе, особливо великих розмірів, і демонструють найкращу обтічність.

А далі?

Можливість досягнення значень Сх нижче 0,2 для рядових автомобілів була доведена ще в 1977 році дизайн-студією Pininfarina. Представлений ними макет седана мав Cx 0,18!

Читаючи прес-релізи і відстежуючи презентації нових моделей, важко засумніватися в прогресі автомобільної аеродинаміки - настільки захоплено автовиробники доповідають про свої досягнення. Однак якщо подивитися на такі дорогі машини як BMW і Mercedes, то з подивом можна виявити, що за останні 15-20 років поліпшень практично немає. Наприклад, Cx «сімки» BMW зразка 1986 року дорівнював 0,34, а останньої моделі - тільки 0,31. Більш того, новий Mercedes E-класу з його Сх рівним 0,27, до речі, вельми непоганий величиною за нинішніми мірками, виявляється на одному рівні з E-класом 1995- го модельного року! Аналогічна картина і c «п'ятіркою» BMW.

Таким чином, нижня межа Сх намацаний вже давно, а спостережуваний прогрес пояснюється лише зниженням вартості досліджень, що дозволило менш іменитим брендам підтягнутися до компаній, з самого початку не жалкував грошей на опрацювання аеродинаміки.

А як же рухатися далі? Про це вже давно говорять багато фахівців - необхідно знову переглядати роль аеродинаміки в процесі створення автомобіля. Потрібні нові форми, нові пропорції, верховенство інженерної думки над фантазією дизайнера. І потенціал тут прихований чималий - мова не тільки про виведеної ще в 20-их роках ідеальній формі з Сх 0,16, а й про більш пізніх дослідженнях, які підтвердили, що обтічність і раціональна компоновка - поняття не взаємовиключні.

Частина 2. Притискна сила

30.10.2009