В процесі проектування і створення конструкторами дуже ретельно опрацьовується аеродинаміка автомобіля, оскільки вона значно впливає на технічні показники моделі.
При русі автомобіля більша частина потужності силової установки йде на подолання опору, створюваного повітрям. І правильно створена аеродинаміка автомобіля дозволяє зменшити цей опір, а значить на боротьбу з протидією знаходить повітряного потоку буде потрібно затратити менше потужності, і відповідно - палива.
Вимірювання аеродинаміки автомобіля проводиться для вивчення сил, що створюються повітряним потоком і впливають на транспортний засіб. І таких сил кілька - підйомні і бічні, а також лобове опір.
Лобове опір і коефіцієнт Сх
Здебільшого всі роботи з кузовом авто спрямовані на подолання лобового опору, оскільки саме ця сила найзначніша.
Рух потоків повітря
За основу при розрахунках береться сила опору повітря. Для обчислення результату використовуються такі дані як щільність повітря, площа поперечного проекції авто, коефіцієнт аеродинамічного опору (Сх) - це найважливіший показник в аеродинаміці автомобіля. При цьому на силу опору в значній мірі впливає також швидкість руху. Так, збільшення швидкості вдвічі буде супроводжуватися підвищенням опором в 4 рази. Швидкість один з потужних чинників збільшення витрати.
Наприклад, для добре обтічного авто з площею проекції 2 м2 і коефіцієнтом 0,3 при русі на швидкості 60 км / год для подолання опору повітря необхідно 2,4 к.с., а при швидкості 120 км / ч вже 19,1 л. с. Різниця витрати палива при таких умовах досягає 30% на 100 км.
Якщо вам, в даний момент, потрібна максимальна економія палива, необхідно дотримуватися постійної швидкості близько 60 км / ч. В цьому режимі руху витрата буде мінімальним навіть у авто з великим Cx.
Розглянемо все по-простому. У повітря є своя щільність, причому чимала. При русі автомобілю доводиться проходити через наявні повітряні маси, при цьому створюється потік, який обтікає кузов. І чим легше авто буде «різати» повітряну масу, тим менше він витратить на це енергії.
Але не все так просто. Під час руху перед авто створюється область збільшеного тиску (машина стискає повітряну масу), тобто спереду утворюється такий собі невидимий бар'єр, що ускладнює «розрізання» повітряної маси.
Також після обтікання кузова відбувається відрив повітряного потоку від поверхні, що ставати причиною появи завихрень і розрідження за авто. У поєднанні з підвищеним тиском виникає розрідження ще більше збільшує опір.
Оскільки вплинути на щільність повітря неможливо, то конструкторам залишається тільки вносити корективи в дві інші розрахункові складові - площа авто і коефіцієнт аеродинамічного опору.
Але зменшити проекцію авто не представляється особливо можливим без шкоди для корисних просторів кузова (просто неможливо зробити авто менше, ніж він є), тому залишається тільки зміна коефіцієнта Сх.
Цей коефіцієнт встановлюється експериментальним шляхом (в аеродинамічній трубі) і характеризує він співвідношення лобового опору до швидкісного напору і площі поперечного перерізу кузова. Величина його безрозмірна.
Аеродинамічна труба
Найменший коефіцієнт аеродинамічного опору має каплевидної тіло. При русі в повітряній масі таке тіло плавно перед собою розводить потік, не створюючи області підвищеного тиску, а наявний «хвіст» дозволяє за собою зімкнути потік без обривів і завихрень, тобто розрідження теж відсутня. Виходить, що повітря просто обтікає тіло, створюючи мінімальний опір. Для такого тіла коефіцієнт Сх становить всього 0,05.
Конструкторам, працюючи з аеродинамікою автомобіля домогтися, таких показників поки не вдається. І все тому, що при русі опір створюється декількома факторами:
- Формою кузова;
- Тертям потоку про поверхні при обтіканні;
- Попаданням потоку в підкапотний простір і салон.
Тому для сучасних авто коефіцієнт аеродинамічного опору вважається відмінним, якщо його значення нижче 0,3. Наприклад, у Peugeot 308 коефіцієнт становить 0,29, у Audi A2 він дорівнює 0,25, а у Toyota Prius - 0,26. Але варто зазначити, що це попередні оцінки кількісних ідеальних умовах. На практиці ж під час руху на авто впливають безліч різноманітних факторів, які негативно позначаються на опорі кузова.
Примітно, що на коефіцієнт має найбільший вплив не передок авто, а його задня частина. І виною цьому стає створення розрідження і завихрень в результаті відриву потоку від кузова. Тому конструктори здебільшого займаються наданням необхідної форми саме задньої частини.
Коефіцієнт опору Volkswagen XL1 складає всього 0,19
Знизити коефіцієнт Сх дозволяє також зменшення кількості виступаючих частин, причому всюди на авто (боки, дах, днище, передок), а тим елементам, які не вдається прибрати з поверхні надається максимально можлива обтічна форма.
Підйомна і притискна сила
В результаті нерівномірного обтікання потоком повітря автомобіля з різних сторін виникає різниця в швидкості його руху.
Діючі підйомна і притискна сили
Автомобіль рухається і розсікає потік повітря, при цьому частина цього потоку йде під авто і проходить під днищем, тобто рухається практично по прямій. А ось верхній частині потоку доводиться повторювати форму кузова, і їй доводиться проходити більшу відстань. Через це виникає різниця в швидкості повітря - верхня частина рухається швидше нижньої, що проходить під авто. А оскільки збільшення швидкості супроводжується зниженням тиску, то під днищем утворюється зона підвищеного тиску, яка піднімає машину.
Проблем додає і лобове опір. Область підвищеного тиску повітряної маси перед машиною притискає передок до дороги, в той час як розрідження і завихрення позаду навпаки - сприяють піднесеному кузова. Підйомна сила, як і лобове опір, зростає при збільшенні швидкості руху.
Негативним фактором від впливу такої сили є погіршення стійкості авто при збільшенні швидкості і підвищення ймовірності відходу в занос.
Але ця сила може надавати і позитивний вплив. При внесенні коректив в конструкцію авто можливо перетворення підйомної сили в притискну, яка буде забезпечувати краще зчеплення з дорогою, стійкість авто, його керованість на високих швидкостях.
При цьому для отримання притискної сили не потрібно якихось окремих рішень. Всі розробки, спрямовані на зниження коефіцієнта Сх також позначаються і на притиску. Наприклад, оптимізація форми задньої частини призводить до зменшення завихрень і розрідження, через що підйомна сила теж знижується, а притискна - підвищується. Установка заднього спойлера діє таким же чином.
Зменшення завихрень при установці спойлера
Бічні ж сили при встановленні аеродинаміки автомобіля, особливо в розрахунок не беруться, в силу того, що вони не постійні, а також значного впливу на показники авто не роблять.
Але це все теорія аеродинаміки автомобіля. На практиці все можна пояснити одним реченням - чим гірше аеродинаміка, тим вище витрата палива.
Що ще впливає на аеродинаміку?
Звичайно, конструктори намагаються по максимуму знизити опір авто при русі і підвищити притискну силу. Але особливості експлуатації авто і свій погляд автовласників на зовнішні особливості машини вносять свої корективи, причому в деяких випадках - значні.
Аеродинамічний опір різних автомобілів в залежності від швидкості
Наприклад, установка багажника на дах, навіть з аеродинамічній формою збільшує поперечну проекцію авто і сильно впливає на обтічність, це відразу позначається на споживанні палива.
Також витрата підвищується від їзди з відкритими вікнами і люком, використання захисних і декоративних обважень, перевезення негабаритних вантажів, які виступають за авто, порушення положення конструктивних елементів, розташованих під днищем, підвищення кліренсу.
Але автовласник також може і внести корективи, які позитивно вплинуть на аеродинаміку автомобіля. До них відноситься використання аеродинамічних обважень, установка спойлера, зменшення кліренсу.
Що ще впливає на аеродинаміку?