РазноеАэродинамика автомобиля в движении: Аэродинамика автомобиля — коэффициент аэродинамического сопротивления, подъемная сила. Внешняя и внутренняя аэродинамика

Аэродинамика автомобиля в движении: Аэродинамика автомобиля — коэффициент аэродинамического сопротивления, подъемная сила. Внешняя и внутренняя аэродинамика

Содержание

Аэродинамика автомобиля — что такое коэффициент Cx и как определяется

Первые модели с улучшенной аэродинамикой сделаны в форме капли — она обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Поговорим об аэродинамике автомобиля и узнаем что такое коэффициент Сх и на что влияет.

Основные факты аэродинамики

Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, — снижение лобового аэродинамического сопротивления. C ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха. Когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Для примера, автомобилю массой 2 тонны при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 180 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы — 310 л.с.

Коэффициент Cx

Определяется экспериментально и описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины. Как потом выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной её Cx равен примерно 1,2.
Самый низкий Cx у капли — примерно 0,05.

При нормальной эксплуатации авто важнее сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива. Снизить его можно двумя способами: улучшить форму (снизить Cx) или уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра. Зато влияние оказывают небольшое.


Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент — аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные машины обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова авто.

У большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,24-0,27. Он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова.

Приведенные значения — идеал, которого может достичь данная модель.

Прижимная и подъемная силы

Подъемная сила — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. Частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, т.е. более выпуклую поверхность. Согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.

Низкое лобовое сопротивление иногда не важно. Болиды «Формулы-1» имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колёса. Для них важнее другие параметры и прежде всего — прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колёс с дорогой и устойчивость в повороте.

Для гоночных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья.

Для снижения подъемной силы

Используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление, и машина присасывается к дороге. Спойлер на крышке багажника ставят для организации срыва воздушного потока до того, как начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А антикрыло работает на создание прижимной силы. Заметный эффект они создают при скорости 120 км/ч и выше. Работающий на создание прижимной силы воздух создает заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом будет ниже, а расход топлива — больше.

Для уменьшения прижимной силы

В автоспорте используют диффузоры – они способны присосать автомобиль к трассе. Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной.
В результате создавалась мощная прижимная сила.

Но для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны плоское днище и минимальный дорожный просвет. Значит диффузоры в задней части обычных машин не дают эффекта улучшения аэродинамики.

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.

При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх)  — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 ми коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует.

Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

  • Формой кузова;
  • Трением потока о поверхности при обтекании;
  • Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть.

И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто.

А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

Аэродинамика автомобиля — RacePortal.ru

Современная автомобильная аэродинамика решает множество задач. Специалисты должны не только добиться минимального сопротивления воздуха, но и отследить величину и распределение по осям подъемной силы, ведь нынешние автомобили достигают тех скоростей, на которых самолеты уже отрываются от земли. Необходимо предусмотреть и доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных дисков, продумать вентиляцию салона, расположив в нужных местах отверстия для забора и вытяжки воздуха. Аэродинамика определяет уровень шумов в салоне, заботится о том, чтобы захватывающие грязь воздушные потоки не попадали на стекла, зеркала, фонари и ручки дверей. С ростом скорости не должно меняться и качество очистки лобового стекла.

В общем, круг задач необычайно широк, а решение одной проблемы тесно связано с другой: например, необходимость делать воздухозабрники для охлаждения тормозов или борьба с подъемной силой ведет к увеличению лобового сопротивления. И разобраться в этой головоломке, найти оптимум под силу лишь настоящим мастерам своего дела. Мы же рассмотрим только два главных аспекта автомобильной аэродинамики: проблему сопротивления воздуха и прижимной силы.

Аэродинамическое сопротивление

Наверное, каждый слышал о том, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости – столь быстро нарастает противодействие движению в процессе разгона. Впечатляет, но как это соотнести с параметрами автомобиля? Для этого нужно лишь перейти в термины механической работы, и тогда получится, что отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! 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.

Таким образом, задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом.

Сила сопротивления  — так рассчитывается сила аэро­динамического сопро­тивления. S – площадь поперечного сечения (м2), V – скорость воздушного потока (м/c), p – плотность воздуха (1,23 кг/м3), Cx — коэффициент аэро­динамического сопротивления. То есть повлиять на величину силы при заданной скорости можно только двумя путями: изменив либо Cx, либо площадь S.

Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки.

А значит остается второй и единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе).

Величина Cx определяется опытным путем. Например, у так называемого обтекаемого тела, похожего на вытянутую каплю воды, Cx равен 0,04, у сферы – 0,47, у куба, грань которого перпендикулярна потоку, — 1,05, а если его повернуть, так чтобы угол между воздушным потоком и гранями составлял 45 градусов, то Сх снизится до 0,8. Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25.

Факторов, влияющих на Cx автомобиля, несколько: во-первых, это внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон, во-вторых, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, и, в-третьих, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Внутреннее сопротивление составляет около 12% от общей величины, и пока особых успехов в этой области не наблюдается: напротив, все более и более мощные моторы современных автомобилей требуют все больше воздуха для охлаждения. Например, в пределе 300-сильный бензиновый двигатель выделяет в виде тепла около 450кВт – этого хватило бы для отопления нескольких особняков! Соответственно, растут размеры радиаторов, уплотняются моторные отсеки, увеличивается сопротивление воздуха… Существенные же улучшения здесь возможны лишь при переходе на более эффективные электродвигатели, но пока они так и остаются технологией будущего.

Красные стрелки – вектора, показывающие направление и скорость движения отдельных частиц. В данном случае они параллельны друг другу, а потому поток находится в ламинарном состоянии.

Сопротивление поверхностного трения так же вносит свой 10-процентный вклад в величину Cx. Вообще, наличие столь ощутимого трения между воздухом и кузовом может показаться странным, но оно действительно имеет место: прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с микронеровностями покрытия и тормозиться — образуется так называемый пограничный слой. Пока это течение находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое. Но с переходом в турбулентное состояние, когда поток «спотыкается» о более крупное препятствие, и траектории его частиц становятся хаотичными, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение – воздух словно становится более вязким. Таким образом, от разработчиков в данном случае требуется обеспечение гладкости кузова, дабы пограничный слой дольше оставался ламинарым. А для этого нужно уменьшать зазоры кузовных элементов, закрывать уплотнителями щели между деталями. Помогает и придание поверхностям небольшой кривизны – прилегающий поток ускоряется, давление в нем падает, и траектории частиц упорядочиваются. К сожалению, в целях экономии этими мерами в последнее время частично пренебрегают, например, уплотнители по периметру лобового стекла или вокруг фар сейчас встретишь нечасто.

Рсопротивление давления Распределение давления воздуха на движущийся автомобиль. Красному соответствуют зоны высокого давления, синему – низкого. Обратите внимание на возникающее разряжение позади заднего стекла и, в особенности, за крышкой багажника и бампером – именно эта область главным образом и определяет аэродинамику кузова. И чем меньше она, тем лучше.

И, наконец, сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx. Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя. Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно. Так что задача перед инженерами стояла непростая…

Ретроспектива

Первый автомобиль, преодолевший отметку в 100 км/ч (1899 г.). Приводился в движение двумя электромоторами суммарной мощностью 67 л.с. Масса – 1000 кг. Максимальная скорость 105 км/ч.

В начале прошлого века, когда автомобили только зарождались, их скорость едва превышала 40км/ч, а форма походила на карету, об аэродинамике, естественно, не задумывались – при величине Cx около единицы те модели едва ли могли поспорить по обтекаемости даже с пресловутым кирпичом. Однако все же находились энтузиасты, уделявшие этому внимание. Главным образом, то были разработчики рекордных автомобилей и тех, что мы бы сейчас назвали «концепт-карами».

Над формой долго не думали – её перенимали из других областей техники, таких как мореплавание или авиация. Соответственно, автомобили напоминали корабли, дирижабли, торпеды и другие тела вращения. Самым же первым представителем этой плеяды была машина Камилла Дженатци, на которой сам создатель впервые в истории преодолел рубеж в 100км/ч – произошло это аж в 1899 году. Cx того автомобиля, конечно, не известен, но, учитывая немалую мощность в 67 л.с., можно предположить, что его аэродинамика все же была далека от совершенства – сопротивление увеличивал водитель, возвышавшийся над кузовом, и совершенно неприкрытые элементы подвески и шасси.

Более удачной попыткой создать обтекаемый автомобиль стала Alfa Romeo 40-60 HP – спортивная машина 1913 года, на шасси которой был установлен кузов в форме дирижабля. Полностью укрывающий пассажиров корпус, интегрированное шасси и компактные узлы подвески позволили при мощности 70 л.с. достигать уже 139 км/ч, что свидетельствует о весьма неплохой, а по тем временам и вовсе выдающейся, аэродинамике.

Уникальность автомобиля Tropfenwagen (1921 г.) состояла не только в потрясающе низком Сх (0,28), но и необычной компоновке с W-образным 6-цилиндровым двигателем в хвостовой части. Всего было выпущено около 100 таких моделей.

Но постепенно подход к проектированию обтекаемых кузовов менялся. Опыт в самолетостроении, накопленный за время Первой мировой войны, помог разработчикам взглянуть на проблему шире — они уже не стремились просто перенять удачные с точки аэродинамики формы, а начали их комбинировать, совмещать, пытаясь получить приемлемое для автомобиля решение. И быстро преуспели в этом деле.

В 1921 году инженером Эдмундом Румплером был создан Tropfenwagen – «машина-капля». Необычный автомобиль имел сильно зауженную в горизонтальной проекции переднюю и заднюю части, плавный изгиб крыши и овальную, вытянутую кабину – набегающий воздух он направлял не вверх и вниз, а в стороны. Проведенные в последствии, в 1979 году, компанией Volkwagen испытания показали, что Cx Tropfenwagen равнялся 0,28! И это при том, что выступающие за габариты колеса увеличивали сопротивление примерно на 50%. К сожалению, спросом экстравагантный автомобиль не пользовался – не помогал ни низкий расход топлива, ни появление удлиненной версии. идеальная форма — Сх =0,16

Одна из идеальных аэродинамических форм автомобиля – Cx равен 0,14-0,16. Возможны и другие, но их будет так же находится в окрестности 0,15.

Сравнение форм задка. 1 – укороченная форма, характерная для серийных автомобилей 20-40-годов; 2 – «оптимальная» форма предложенная в 1934 г; 3 – идеальная форма. В последнем случае имеет место безотрывное обтекание кузова, а в 1-ом и 2-ом – точка отрыва располагается в месте расхождения с оптимальной формой. Таким образом, 2-ой вариант с крутым срезом задка оказывается предпочтительнее наклонной формы 1, ибо поток отрывается от кузова заметно позже.

Тем временем Институтом аэродинамических исследований в Геттингене (Германия) была выведена «идеальная» форма, Сх которой равнялся 0,16. В профиль такой кузов походил на современные Porsche 911, но имел более заостренную и узкую переднюю и заднюю часть. Однако если для спортивных двухместных автомобилей эта форма еще подходила — можно вспомнить великолепный Adler Triumph 1934 года – то для «гражданских» она казалась почти бесполезной – слишком нерационально использовался внутренний объем длинного «хвоста».

И все же попытки приблизиться к такому идеалу в серийном производстве предпринимались долго, а одной из самых успешных стала Tatra-87 1940 года. Угол наклона задка у неё был больше, но сильно зауженная сзади кабина и плавно спадающая подоконная линия позволили снизить Сх до 0,38.

Впрочем, к тому времени смысла в подобных хитростях уже не было – в 1934-ом исследователи пришли к выводу, что выгоды от покатой, вытянутой задней части кузова нет, если она не повторяет идеальную форму – как только наклон задка превышает определенное значение, поток срывается, и продолжающаяся часть хвоста оказывается в зоне разряжения. Следовательно, её можно просто отбросить без ущерба для аэродинамики, а в некоторых случаях даже на этом и выиграть, ведь в зоне разряжения оказывается меньшая площадь поверхности. Что, собственно, чуть позже и продемонстрировал автомобиль конструктора Камма под индексом К5 – его Сх равнялся 0,37. А это означало, что впервые аэродинамика и практичность нашли точку пересечения, но началась война…

 Первым автомобилем с оптимизированной формой укороченного задка был опытный К5 конструктора Камма, построенный на шасси Mercedes-Benz 170V в 1938 году. Его Сх равнялся 0,37 (в отличие от донора 170V, у которого Cx был 0,55)

Надо отметить, что все упомянутые наработки почти не коснулись серийных автомобилей 20-40-ых годов. Конечно, за этот период Сх в среднем снизилися с 0,8 до 0,55, но в основе этого лежали лишь компоновочные и стилистические изменения – сохраняя выступающие крылья и фары, автомобили становились более вытянутыми и округлыми. Те же модели, что внешне казались обтекаемыми, только подражали реально эффективным кузовам.

Не сильно изменилась ситуация и послевоенные годы. Целенаправленные работы по созданию обтекаемых автомобилей почти остановились, а Cx серийных моделей снижался в основном за счет объединения отдельно выступающих фар и крыльев в единую форму кузова. И все же к 60-ому году некоторые автопроизводители обратили внимание на аэродинамику. Так, в 1955-ом вышел Citroen DS, потрясший мир не только множеством неординарных конструктивных решений, но и великолепной обтекаемостью – Cx составлял всего 0,38. Отличился и Porsche со своей моделью 356, второе поколение которой в 1959 году достигло Cx равного 0,39. И это в то время, когда для большинства автомобилей была характерна величина около 0,5.

Постепенно стали подтягиваться и остальные автопроизводители – росла мощность моторов, увеличивались скорости, и к 70-ому году вместе с модой на угловатые кузова окончательно утвердилась и роль аэродинамики, как одной из приоритетных областей совершенствования автомобилей.

Оптимизация

Однако задача перед инженерами стояла уже другая: если раньше они трудились над созданием оптимальной аэродинамической формы, то отныне их работа заключалась в оптимизации предложенного дизайнерами проекта. То есть в последовательном изменении отдельных частей кузова, таких, как переходы, выступы, спойлеры, с целью снижения сопротивления воздуха при минимальном вмешательстве в дизайн. И хотя это означало гораздо меньшую свободу действий, тем не менее, на практике такой подход оказался весьма эффективным. В частности, в 70-ых он помог удержать Cx на уровне 0,45, несмотря на переход к более угловатым формам кузова, а в дальнейшем, особенно с появлением мощных суперкомпьютеров, позволил неизменно совершенствовать аэродинамику автомобилей вплоть до наших дней.

Но как же при столь ограниченном вмешательстве удалось достичь почти такой же обтекаемости, что и у кузовов, изначально спроектированных с учетом аэродинамики? Оказывается, факторов, принципиально влияющих на обтекаемость, не так уж и много. Их мы сейчас и рассмотрим.

Передний спойлер Передний спойлер уменьшает воздушный поток под днищем автомобиля, а вместе с ним и общее аэродинамическое сопротивление. Правда, справедливо это лишь для маленького спойлера – большой уже увеличивает Cx и работает на создание прижимной силы, создавая существенную зону разряжения под передком.

К носовой части автомобиля (оформлению бампера, фар и решетки радиатора) требований предъявляется немного, и различные формы могут обеспечивать почти одинаковое сопротивление – все же «разрезать» воздушный поток не составляет больших проблем. Однако в этом месте важно придать воздуху правильно направление, ведь от этого зависит характер обтекания остальной поверхности кузова. В частности, нужно избегать отрыва потока от передней кромки капота – образующая за ней зона разряжения может протянуться аж до лобового стекла и увеличить Cx примерно на 0,05 единиц. Для этого, особенно при сильном наклоне передка, необходимо сглаживать переход к капоту, избегая резких граней.

Дополнительно можно отыграть несколько сотых, установив небольшой передний спойлер. Сам по себе он, конечно, увеличивает Cx, частично препятствуя затеканию воздуха под автомобиль, но это компенсируется падением сопротивления днища, где уже гораздо меньший поток сталкивается с полосой препятствий в виде рычагов подвески, картеров агрегатов и выхлопной системой. Нередко подобного эффекта добиваются и за счет небольшого наклона автомобиля вперед – достаточно даже 2 градусов, чтобы понизить Cx на пару-тройку процентов.

А вот наклон лобового стекла, как ни странно, однозначного влияния не оказывает – в пределах стандартых 30-40 градусов четкая связь с величиной Cx не прослеживается. Зато положительную роль играет небольшая выпуклость крыши – снижение Cx может составить две-три сотых. Правда, это верно лишь при условии сохранения высоты кузова – кривизна должна достигаться вследствие увеличения наклона лобового и заднего стекла, ибо в противном случае уменьшение Cx нивелируется увеличением площади поперечного сечения.

Главный же элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова. Здесь счет идет уже не на сотые, а на десятые доли Cx!

Хэтчбеки и универсалы Характер обтекания универсалов и хэтчбеков с большим наклоном пятой двери (коих подавляющее большинство) одинаков – поток отрывается от задней кромки крыши.

Автомобили с углом наклона задка около 30 градусов Уменьшение угла наклона задней части до 30 градусов приводит к образованию кромочных вихрей, создающих дополнительное разряжение позади автомобиля. При дальнейшем же уменьшении наклона вихри ослабевают, и примерно на 23 градусов достигается плавное и безотрывное течение потока по наклонной поверхности.

Наименее эффективной оказывается форма с крутым срезом, то есть кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. Сопутствующей неприятностью является и быстрое загрязнение заднего стекла, ибо в «пустующее» позади пространство активно устремляется поднятая пыль и грязь. И поправить положение никак нельзя, разве что установить дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – так и стекло будет медленнее пачкаться и разряжение слегка упадет. Подобное решение часто встречается на современных универсалах.

Кузова со скошенной задней частью (как правило, хэтчбеки) выглядят, на первый взгляд, предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Среди современных гражданских автомобилей такой формой обладают, пожалуй, только Audi A5 Sportback да Porsche Panamera. Большинство же остальных хэтчбеков и близко не подбираются к этой цифре, а потому по обтекаемости они эквивалентны универсалам и точно так же оснащаются задним стеклоочистителем. Попытки же приблизиться к оптимальному углу чреваты еще большими проблемами. А дело в том, что при уменьшении наклона до 28-32 градусов воздушный поток оказывается в неком переходном состоянии – точка отрыва уже перемещается на нижнюю кромку задка, но плавного обтекания еще наблюдается. При этом на наклонной поверхности возникают так называемые кромочные вихри – потоки с боков кузова начинают попадать на наклонный задок и, закручиваясь по спирали, создают значительное разряжение позади автомобиля. И хотя заднее стекло уже не пачкается, ибо вихри направлены вниз, Cx получается наихудшим. В свое время именно с такой проблемой столкнулся Москвич 2141, который при всей своей визуальной обтекаемости, имел Cx около 0,47.

А что же делать инженерам, если им на стол лег такой неудачный дизайнерский проект с наклоном близким к 30 градусам? Если поменять угол никак не нельзя, то можно пойти на крайние меры и установить на торце крыши спойлер — он сорвет поток, предотвратив образование кромочных вихрей, и по обтекаемости такой автомобиль хотя бы приблизится к универсалам. Впрочем, при небольшом наклоне (< 28 градусов) есть и менее радикальный способ – разместить в том же месте спойлер чуть поменьше, который не сорвет поток, а лишь переведет в турбулентное состояние, что поможет ему лучше удерживаться на наклонной поверхности.

Современные седаны и купе, как правило, демонстрируют наилучшие показатели обтекаемости среди остальных типов кузовов. А в некоторых случаях даже удается добиться безотрывного течения потока по заднему стеклу.

Описанные проблемы встречаются и на автомобилях со ступенчатым задком, например, седанах и купе, но последствия уже не столь страшны – отовравшийся с крыши поток или закрутившийся на стекле кромочных вихрь «приземляется» на крышку багажника, успокаивается, а затем вновь и уже окончательно отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx на несколько сотых – чем раньше поток коснется поверхности, и чем дольше он будет пребывать в стационарном состоянии, тем лучше. Почти так же эффективно и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации в данном случае предостаточно, а потому на практике именно седаны или купе, особенно больших размеров, и демонстрируют наилучшую обтекаемость.

А дальше?

Возможность достижения значений Сх ниже 0,2 для рядовых автомобилей была доказана еще в 1977 году дизайн-студией Pininfarina. Представленный ими макет седана имел Cx 0,18!

Читая пресс-релизы и отслеживая презентации новых моделей, трудно усомниться в прогрессе автомобильной аэродинамики – столь восторженно автопроизводители докладывают о своих достижениях. Однако если посмотреть на такие дорогие машины как BMW и Mercedes, то с удивлением можно обнаружить, что за последние 15-20 лет улучшений практически нет. Например, Cx «семерки» BMW образца 1986 года равнялся 0,34, а последней модели – только 0,31. Более того, новый Mercedes E-класса с его Сх равным 0,27, кстати, весьма неплохой величиной по нынешним меркам, оказывается на одном уровне с E-классом 1995-го модельного года! Аналогичная картина и c «пятеркой» BMW.

Таким образом, нижняя граница Сх нащупана уже давно, а наблюдаемый прогресс объясняется лишь снижением стоимости исследований, что позволило менее именитым брендам подтянуться к компаниям, изначально не жалевшим денег на проработку аэродинамики.

А как же двигаться дальше? Об этом уже давно говорят многие специалисты – необходимо вновь пересматривать роль аэродинамики в процессе создания автомобиля. Нужны новые формы, новые пропорции, главенство инженерной мысли над фантазией дизайнера. И потенциал здесь скрыт немалый – речь не только о выведенной еще в 20-ых годах идеальной форме с Сх 0,16, но и о более поздних исследованиях, подтвердивших, что обтекаемость и рациональная компоновка – понятия не взаимоисключающие.

Прижимная сила

Благодаря несимметричному профилю поток над плоскостью крыла течет быстрее, что, согласно закону Бернулли, создает над крылом зону разрежения а, в конечном итоге, и подъемную силу.

Почему крыло самолета создает подъемную силу? Отнюдь не из-за угла между ним и набегающим потоком, как кажется на первый взгляд – угол этот может быть и нулевым (хотя при его увеличении подъемная сила и возрастает). Секрет крыла кроется в его особом профиле. Оказывается, будучи несимметричным, оно разрезает набегающий воздух таким образом, что верхний поток проходит больший путь, чем нижний. С учетом несжимаемости воздуха (на малых скоростях) это означает, что над крылом скорость потока выше, а статическое давление, соответственно, ниже. Эта разность давлений и создает подъемную силу.

При чем же здесь автомобиль? А притом, что характер его обтекания воздухом практически тот же: нижний поток, ныряя под днище, обходит кузов по прямой, а верхний вынужден ускоряться, дабы успеть обогнуть автомобиль сверху. Отсюда все та же разница в давлении и подъемная сила. Правда, во многом она компенсируется динамическим давлением воздуха на капот и лобовое стекло — отталкивая поток вверх, автомобиль, согласно закону сохранения импульса, сам дополнительно прижимается к земле.

В итоге подъемная сила получается невелика – как правило, даже на предельной скорости автомобиль разгружается не более чем на 100 кг.

Характер обтекания автомобиля во многом повторяет ситуацию с крылом — все так же воздух сверху ускоряется, а его давление падает.

В общем-то, этой величиной можно и пренебречь, но беда в том, что по осям она распределяется неравномерно – если передок автомобиля, как уже было сказано, догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова нередко оказывается еще и в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса. С этой неприятностью в основном и борются производители массовых автомобилей, тем более что до некоторого момента снижение подъемной силы не противоречит уменьшению лобового сопротивления.

Например, стремление к безотрывному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает локальных зон резко пониженного давления. Аналогично две цели преследует и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает. То, что нужно!

Задний спойлер

В отличие заднего спойлера, «работающего» на улучшение Cx, спойлер, увеличивающий прижимную силу, имеет большие размеры и заметный наклон по отношению к воздушному потоку.

С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, здесь уже важно знать меру – слишком большой спойлер негативно скажется на обтекаемости, увеличив и без того обширную зону разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он даже делается выдвижным, чтобы вступать в работу лишь при необходимости.

Таков инструментарий инженеров при разработке «гражданского» автомобиля. А как же быть со спортивными или тем более гоночными моделями? Чтобы удержать болид в повороте нужен уже гораздо более серьезный арсенал, превращающий подъемную силу в прижимную. Причем подчас такую, что автомобиль смог бы ездить и по потолку!

Передний спойлер

 Чтобы добиться заметного эффекта, передний спойлер должен быть очень большим,что неизбежно увеличивает лобовое сопротивление.

Одним из подобных радикальных средств является передний спойлер. Идея проста – не пустить воздух по днище, создав тем самым область пониженного давления, присасывающую автомобиль к дороге. Для большего эффекта и равномерного распределения прижимной силы одновременно может применяться и специальный обвес вдоль порогов, «герметизирующий» днище по бокам. Простое и эффективное это решение почти повсеместно применяется на гоночных автомобилях, однако на суперкарах, предназначенных все же для дорог общего пользования, массивный спойлер встретишь нечасто. Причин тому две: первая – снижение геометрической проходимости, ведь спойлер должен едва ли не касаться земли, вторая – увеличение лобового сопротивления. А, разумеется, для большинства покупателей суперкаров важнее круглая цифра максимальной скорости, нежели цепкость в повороте на 200км/ч.

К тому же есть и другие решения, почти не портящие обтекаемость. Правда, без серьезного вмешательства в конструкцию автомобиля тут уже не обойтись…

Форма кузова

Помимо низкого центра тяжести такая форма кузова дает и выигрыш в прижимной силе при минимальном лобовом сопротивлении.

Речь, прежде всего, об особой форме кузова, примером которой могут послужить суперкары Lamborghini. Минимальная высота, смещенная вперед кабина, сильно наклоненное лобовое стекло и почти горизонтальная задняя часть – автомобиль словно приплюснут сверху. А, как мы помним, чем меньше кривизна верхней части кузова, тем ниже скорость воздушного потока над ней, и тем больше прижимная сила. И все это при низком лобовом сопротивлении, ведь с такими линиями отрыв потока почти исключен, а площадь поперечного сечения минимальна.

К сожалению, воспользоваться всеми перечисленными преимуществами дано лишь избранным – среднемоторным суперкарам с очень низкой крышей. В остальных случаях придание задней части автомобиля столь малого наклона приведет к увеличению лобового сопротивления, ибо кромка задка, с которой отрывается поток, окажется слишком высоко. Предельный случай – кузова типа универсал: в сравнении с седанами или хэтчбеками их Cx максимален, хотя, с точки зрения прижимной силы, они по-прежнему впереди всех!

Граунд-эффект

Даже столь быстрые суперкары, как Ferrari Enzo, не ограничивают доступ воздуха под днище спойлером. Наоборот, они «подминают» поток под себя…

…чтобы ускорить и понизить давление, а затем выпустить его через диффузор позади.

Более хитрым способом прижать автомобиль к земле является так называемый граунд-эффект. В его основе лежит все та же обратная зависимость между скоростью потока и давлением: если под днищем автомобиля разогнать воздух, то его статическое давление упадет, а прижимающая сила, соответственно, вырастет. Но как ускорить воздух? Для этого необходимо так спрофилировать днище, чтобы оно вместе с поверхностью дороги представляло собой сужающийся канал – в простейшем случае дно можно сделать не плоским, а немного выгнутым. Кроме того, нужно обеспечить более-менее свободный доступ воздуха под автомобиль, то есть, как минимум, не преграждать ему путь спойлером, а так же правильно организовать его выход позади автомобиля, применив диффузор. Задача последнего – помочь «вытягиванию» воздуха из-под днища, используя область низкого давления, образующуюся за автомобилем, а параллельно и уменьшить саму область разряжения, направив в неё воздух. Собранные же воедино все эти элементы могут дать совершенно поразительный результат, выражающийся в большой прижимной силе при низком лобовом сопротивлении. Например, в болидах Формулы-1, даже несмотря на строгий регламент, ограничивающий форму днища, на долю граунд-эффекта приходится около 40% от общей величины создаваемой прижимающей силы.

А откуда берутся оставшиеся 60? Их обеспечивают антикрылья.

Антикрылья

Составное антикрыло помогает сильнее прижать автомобиль к дороге, избежав сильного вихреобразования позади себя – поток проникает в щели между планками, уменьшая образующуюся зону разряжения.

Впервые появившиеся в 60-ых годах в Формуле-1 антикрылья стали неотъемлемым атрибутом гоночных автомобилей всех мастей. Конструктивно это те же крылья, о которых шла речь в начале статьи, только перевернутые. Соответственно, область пониженного статического давления образуется не сверху, а снизу, и крыло уже не стремиться взлететь, а тянет вниз. Правда, при установке параллельно воздушному потоку, как того требуют соображения о минимизации лобового сопротивления, заметный эффект достигается лишь на очень большой скорости, в то время как прижимная сила нужна в поворотах, где темп, наоборот, невысок. В связи с этим антикрылья обычно устанавливаются под некоторым углом к потоку (углом атаки), дабы прижимать автомобиль и за счет динамического давления встречного воздуха. Но опять незадача – при этом возрастает лобовое сопротивление! И чем выше нужна прижимная сила, тем больше угол атаки, и тем хуже обтекаемость.

С этого момента и начинается инженерное искусство. Например, вместо антикрыла с одним профилем применяются двойные или даже тройные конструкции – так при заданных габаритах удается увеличить общую поверхность антикрыла и получить бОльшую прижимную силу, не прибегая к повышению угла атаки. Если же без наклона пластин все-таки не обойтись, то дополнительно изгибают и сам профиль – теперь, разместив пластины многоярусного антикрыла с небольшим смещением, можно развернуть поток так, чтобы уменьшить разряжение позади них. Отдельное внимание уделяется торцам антикрыльев – в этом месте происходит смешивание попавшего и не попавшего на крыло потоков, а потому велик риск образования вихрей. Во избежание этого устанавливаются специальные торцевые пластины, разделяющие эти потоки. Казалось бы, простой элемент, но взгляните, сколь сложна форма этих пластин на болидах Формулы-1 – описанию она просто не поддается, но именно в этом – вся красота аэродинамики.

 

Что такое аэродинамика: как усовершенствовать аэродинамику авто

Современные технические возможности позволяют разогнать автомобиль за счёт увеличения мощности двигателя, использовать топливо с повышенным октановым числом. Такого же, если не лучшего моментального эффекта можно добиться удалением с кузова лишних фар, зеркал, установкой аэродинамического обвеса.

Современные серийные автомашины давно превысили планку в 400 км/час. Рядовые автолюбители говорят о личных скоростях в районе 220-300 км/час. Для взлёта лёгкого самолёта достаточно скорости в 150-200 км/час. Какая причина удерживает автомобили от взлёта? Для ответа на этот вопрос нужно разобраться, что такое аэродинамика автомобиля и на что она влияет при движении по трассе?

Движущийся автомобиль подвергается воздействию замедляющих сил. Манёвренность, устойчивость на полотне дороги, экономичность энергоустановки машины определяется тремя аэродинамическими силами:

• Сопротивлением прямого потока воздуха.

• Поднимающим и прижимающим воздействием воздушных масс.

Сила, с которой воздух сопротивляется движению авто, возрастает в два раза превышает растущую скорость. Лобовой поток воздуха обтекает корпус машины сверху и снизу. Более плотный нижний поток приподнимает автомобиль. При обтекании корпуса авто, воздушные массы создают завихрения, усиливающие силу трения и усиливающие силу сопротивления. Хорошее и правильное обтекание воздушных потоков по кузову — это и ест лучшая аэродинамика автомобиля в движении.

Немного истории автоаэродинамики

Разработчики первых автомобилей не обращали особого внимания аэродинамическим показателям своих творений, поскольку на скоростях до 40 км/час, именно такие скорости развивали первые автомобили, это не имело принципиально значения. С увеличением скоростей, возрастает значение минимизации воздействия встречного воздушного потока.

Авторазработчики за идеями оптимизации аэродинамических показателей всё чаще начинают обращаться за опытом в пограничные технические отрасли – авиационную, воздухо- и мореплавание. Ещё до начала Второй Мировой Войны бельгийцем К. Женатци, австрийцем Э. Румплера и аэродинамических исследований Геттингентского Института была разработана концепция оптимального кузова автомобиля.

Концепция актуальна до настоящего времени. Современные изменения в кузове для улучшения аэродинамики и прочих показателей сводятся к оптимизации отдельных элементов (неровности, спойлеры, поверхностные стыки) с минимальными вмешательствами в дизайн.

Основное направление в снижении сопротивления автомобилей воздушному потоку – регулирование поперечного сопротивления. В среднем коэффициент лобового сопротивления составляет 0,37-0,34. Современные серийные модели имеют коэффициент намного ниже: Ауди А8 — 0,27, Лексус LS 460 – 0,26.

Аэродинамика отдельных типов кузовов

Наибольшее влияние на аэродинамические показатели автомобиля оказывает форма задней части.

Поэтому:

• Самыми неэффективными машинами в отношении аэродинамики считаются пикапы и универсалы. Срывающиеся с крыши салона воздушные потоки, образуют разряжённую вихревую зону, из-за чего значительно повышается сопротивление движению. Компенсируют отрицательный эффект производители, путём отсечения части потока воздуха вниз дефлектором, расположенным на крыше.

• Незначительно наклонённая задняя часть, позволяющая плавно стечь воздушным потокам до нижней кромки задней двери, делает значительно лучше аэродинамику хэтчбеков.

• Пологое заднее стекло и наличие крышки багажника, минимизирует вихревой след купе и седанов. Оперируя размерами высоты и длины багажников, конструкторы могут в значительной мере регулировать их аэродинамическое сопротивление.

Возможности самостоятельного совершенствования аэродинамики автомобиля

Заниматься улучшением аэродинамических показателей серийных автомобилей должны профессиональные конструкторские бюро. Владельцы машин могут самостоятельно уменьшить сопротивление своего автомобиля, выполнив простые требования.

1. Соблюдать минимальную необходимость в накладках и декоративных элементах. Оставлять следует только крайне функционально необходимые.

2. Во время движения все окна и люки должны быть закрыты, только в этом случае Вы почувствуете улучшение аэродинамики автомобиля.

3. Все выдающиеся детали и узлы должны фиксироваться за несущие конструкции.

4. Кузов автомобиля подлежит полировке.

5. Приобретаемые дополнительные багажники и прицепы должны быть обтекаемой формы.

Обратившись в тюнинг – мастерскую к квалифицированному специалисту, можно подобрать себе автомобильное приспособление благодаря которому улучшается аэродинамика машины. За счёт дополнительных спойлеров, антикрыла и обвеса днища добивается уменьшение зоны разряжения и увеличивается прижимная сила.

Самостоятельные эксперименты с аэродинамикой автомобиля могут быть опасны. Неправильно подобранное антикрыло, разгрузив переднюю ось, значительно снизит управляемость. Так что выбор за Вами!

Поделитесь информацией с друзьями:


Аэродинамика автомобиля — это… Что такое Аэродинамика автомобиля?

Аэродина́мика автомоби́ля — это раздел аэродинамики, изучающий аэродинамику автомобилей и другого дорожного транспорта. К числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом, Альфа-Ромео, Румплером и Яраем, появившиеся не столько в связи с изучением законов аэродинамики, сколько в результате чисто механического заимствования форм, используемых в снарядо-, корабле-, дирижабле- и самолетостроении. Наибольшего внимания заслуживает автомобиль конструкции инженера Ярая, который считал, что для тела, движущегося в непосредственной близости к поверхности дороги, в качестве теоретически наивыгоднейшей формы может служить разделенный пополам корпус дирижабля со слегка выпуклой нижней стороной и тщательно закругленными краями.

Главные цели

Главные цели автомобильной аэродинамики это:

  • 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.

Особенности

Есть отличия в аэродинамике автомобилей и аэродинамике воздушного транспорта. Во-первых, характерная форма дорожного транспорта намного менее обтекаемая в сравнении с воздушным транспортом. Во-вторых, для автомобилей необходимо учитывать влияние дорожного покрытия на потоки воздуха. В-третьих, скорости наземного транспорта намного меньше. В-четвертых, у наземного транспорта меньше степеней свободы чем у воздушного, и его движение меньше зависит от аэродинамических сил. В-пятых, Наземный транспорт имеет особые ограничения во внешнем виде, связанные с высокими требованиями безопасности. И, наконец, большинство водителей наземного транспорта менее обучены чем пилоты и обычно водят, не стремясь достичь максимальной экономичности.

Сила сопротивления воздуха

Сила сопротивления воздуха вычисляется по формуле:

Где — плотность воздуха, S — площадь поперечной проекции автомобиля, — коэффициент аэродинамического сопротивления. Из формулы видно, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. На больших скоростях сила сопротивления воздуха превосходит другие силы сопротивления. Из формулы также видно, что уменьшить силу сопротивления можно путем уменьшения коэффициента Cx и уменьшения площади поперечной проекции. Наличие силы сопротивления воздуха объясняется тем, что при движении автомобиль сжимает воздух, находящийся перед ним, и там образуется область повышенного давления, и разрежает воздух позади себя, где образуется область пониженного давления.

Существует также сила поверхностного трения, возникающая из-за трения между неровностями поверхности автомобиля и воздухом.

Внутренние объемы автомобиля также оказывают влияние на коэффициент сопротивления, и, следовательно, на силу сопротивления воздуха.

Способы изучения аэродинамики автомобиля

Аэродинамика автомобилей изучается двумя основными методами — испытаниями в аэродинамической трубе и компьютерным моделированием. Аэродинамические трубы для испытания автомобилей иногда оснащаются подвижной дорожкой, имитирующей движущееся дорожное полотно. Кроме того, колеса испытываемого автомобиля приводятся во вращение. Эти меры принимаются для того, чтобы учесть влияние дорожного полотна и вращающихся колес на потоки воздуха.

Ссылки

Примечания

Зачем автомобилю аэродинамика

Одной из важнейших характеристик, которую производители автомобилей указывают при выпуске новой модели или нового поколения уже известной модели, является ее аэродинамика. Вернее, указывается коэффициент аэродинамического сопротивления, показатель которого влияет на динамические характеристики и экономичность машины. Что же такое аэродинамика, как она влияет на скорость и экономичность автомобиля, и можно ли улучшить аэродинамику стандартной машины, мы разберемся в этом материале.

От самолетов до автомобилей

Первоначально знания об аэродинамике применялись исключительно в военной промышленности – особенно в авиации. Но уже в начале ХХ века автомобилестроители решили перенять опыт самолетостроителей в конструировании машин, которые бы обладали выдающимися динамическими характеристиками.

Rumpler Tropfenwagen — спортивный автомобиль 1921 года с коэффиционетом аэродинамического сопротивления Сх (0,28)

Именно это, а отнюдь не экономия топлива, лежало в основе создания первых автомобилей, где за счет придания машине определенной формы и, тем самым, снижения сопротивления встречному потоку воздуха, удавалось добиваться увеличения скорости движения.

Первые испытания автомобилей, чьи кузова были построены с учетом аэродинамических характеристик, проводились в 1920 годах в Германии. Инженерам удавалось построить машины, напоминавшие по форме кузова фюзеляжи самолетов. Эти прототипы обладали лучшими, чем стандартные модели того времени, динамическими характеристиками. Но гиганты автомобилестроения не спешили воплощать находки энтузиастов в серийные образцы, полагаясь на принцип «тише едешь, дальше будешь». Впрочем, развивающийся параллельно «гражданскому» автомобилестроению автомобильный спорт требовал от известных производителей строительства более скоростных автомобилей, поэтому прототипы созданных по аэродинамическим законам модели рассматривались ими внимательно.

Дебютной «аэродинамической» моделью, которая пошла в серийное производство, стала Tatra 77, которая производилась с 1937 по 1950 годы.

Tatra T77 1934 года

Она обладала выдающимися по тем временам динамическими характеристиками — максимальная скорость — 160 км/час (самые скоростные модели на тот момент развивали не более 130 км/час), расход топлива при этом составлял 14 л/100 км (у остальных авто – от 17л/100 км и выше). Такие результаты вдохновили и других автопроизводителей, и постепенно все большее количество машин строились с учетом аэродинамических характеристик. Сегодня ни один производитель не игнорирует этого важнейшего аспекта при проектировке кузова новой модели, а усилия инженеров направлены на то, чтобы уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля.

Какой коэффициент лучше для авто

Коэффициент аэродинамического сопротивления является составной часть формулы, по которой рассчитывается сила сопротивления воздуха, воздействующего на какой-либо объект. Обозначается он символом Сw. Помимо потока встречного воздуха, существует еще одно препятствие для развития высокой скорости автомобиля – сила поверхностного трения, которая возникает из-за неровностей кузова. Придание ему обтекаемой формы, а также использование различных дополнительных конструкций (спойлеров, диффузоров, специальных вентиляционных отверстий) позволяет значительно снизить эти естественные препятствия, что в итоге положительно сказалось как на динамике, уменьшения шума в салоне, увеличении прижимной силы машины, так и на показателях расхода топлива. Испытания аэродинамических свойств автомобиля проводились в специально обустроенных трубах. В настоящее время применяется метод компьютерного моделирования условий, близкий к тем, что создаются в аэродинамической трубе. Оба метода признаны эффективными и применяются сегодня в автомобилестроении.

Аэродинамика автомобиля

Первые автомобили, построенные с учетом аэродинамического коэффициента, имели значение лобового сопротивления воздух 0.5. Постепенно конструкторам, применявшим все более прогрессивные материалы при создании автомобиля, удалось снизить до 0.28. Первым автомобилем, достигшим такого эффекта, стал Audi 100.

Audi 100

Этот показатель стал эталоном аэродинамики пассажирских автомобилей на долги годы, пока в 1990 году еще немецкая компания, Opel, не выпустила модель с более прогрессивным коэффициентом аэродинамического сопротивления – 0.26. Этой моделью стала Calibra.

Opel Calibra

Конечно, конструкторы могли снизить коэффициент еще больше, но в таком случае это отражалось на комфорте водителя и пассажиров. Ведь конструкция кузова автомобиля с коэффициентом аэродинамического сопротивления ниже 0.2 предполагает низкий клиренс, неудобную посадку в авто для водителя и пассажиров. Также автомобили с такими показателями нерентабельны для серийного выпуска: технология их производства дорогостояща, что сказывается и на последующем обслуживании. Поэтому автомобили с низким коэффициентом аэродинамического сопротивления в основном используются в автоспорте.

Впрочем, добиться приблизительно похожего эффекта можно и для стандартного автомобиля. Конечно, заводские показатели аэродинамики в значительной мере скорректировать не удастся, но при использовании аэродинамического обвеса повлиять на динамические и расходные характеристики – можно. Множество компаний, занимающихся тюнингом автомобилей, изготавливают различные приспособления, при грамотной установке которых можно добиться улучшения аэродинамических характеристик практически любой машины.

Porsche Cayman (981C) ’2013 от тюнинг-ателье TechArt. Вот такие вот бамперы, вентиляционные отверстия в крыльях могут улучшить аэродинамику авто.

Как и зачем улучшают аэродинамические характеристики автомобиля


В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.

При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.


Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.


Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

  • Формой кузова;
  • Трением потока о поверхности при обтекании;
  • Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.


Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Немного теории

Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля указывается в величине Cx, обычно она меньше 1. Чем он будет меньше, тем меньше мощностей он будет затрачивать для движения. Так показатель Cx у AUDI A8 — 0.37, Lexus LS 460 — 0.26. Весьма странным может показаться тот факт, что у спорткаров этот показатель значительно выше (Porsche 911 Turbo 997 — 0.31, Bugatti Veyron — 0.42). На самом же деле все довольно просто. Мощные двигатели требуют охлаждения, в том числе и воздушными потоками. Добиться этого можно увеличив площадь радиатора, а значит и поперечное сечение машины.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.


Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Как меняют аэродинамику автомобиля?

Задача специалистов по аэродинамике состоит в уменьшении паразитных сил и моментов (Рх, Рz, Му, Мх и Мz). Добиться можно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, что ведет к увеличению площади миделя и как следствие – к увеличению силы лобового сопротивления. Тупик? Нет, оказывается, грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы позволяют уменьшить Сх! Что это за устройства? Обычно при слове обвес речь идет о бамперах, порогах, спойлерах и антикрыльях.

Антикрыло. Создано для борьбы с подъемной силой. Первостепенная задача – создать прижимную силу, чтобы колеса не теряли контакт с дорогой ни при каких условиях. Взгляните на болиды Ф1. Вот где антикрылья – усилия работы специалистов по аэродинамике! Но перебарщивать с размерами нельзя – резко растет аэродинамическое сопротивление, а значит – падает скорость, увеличивается расход топлива. Практически на всех спортивных автомобилях рабочая часть крыла выполнена регулируемой для возможности изменения угла атаки и возможности настройки.

Вискомуфта (вязкостная муфта). Принцип работы и устройство

Спойлер (от spoil — портить). Аэродинамический элемент с одной рабочей поверхностью для изменения направления движения воздушного потока. Основная задача «правильного» спойлера – организация безотрывного и «плавного» обтекания воздушным потоком всей поверхности автомобиля, что повышает устойчивости при движении с высокими скоростями. Спойлер может бороться с подъемной силой, отсюда его сложные формы. Но эта деталь всегда примыкает к кузову автомобиля. По большому счету, бамперы и пороги это тоже большие спойлеры.

Спойлер и антикрыло – основные, но не единственные элементы, улучшающие аэродинамику. Если заглянуть под днище современного авто, то увидим большое количество специальных щитков. Их задача – уменьшить сопротивление, исключить завихрения и направление потока в нужном направлении. Иногда проработка днища дает потрясающие результаты.

Диффузор. Дальше всех пошли спортсмены – они решили присосать автомобиль к трассе! Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила. Плодами этого открытия норовит воспользоваться каждый автопроизводитель: диффузоры, обеспечивающие ускорение потока, появляются в задней части гражданских машин.

Проблема, что для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны по возможности плоское днище и минимальный дорожный просвет. Если строители спортивных машин могут это позволить, то, к примеру, на Evolution диффузор служит скорее украшением, чем полноценным аэродинамическим элементом.

Турбокомпрессор: что это такое и как он работает

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.


Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

ALFA 40-60 HP Aerodinamica Castagna

Первым в истории шоу-каром и первой попыткой применить принципы аэродинамики к автомобилям был аэродинамический автомобиль ALFA, выпущенный в 1914 году (в те годы марка еще не называлась Alfa Romeo).

Смотрите также: Необычные автомобили, которые приехали на техосмотр

Автомобиль был создан итальянской компанией Carrozzeria Castagna для графа Марио Рикотти. Кузов машины был выполнен в виде капли и опирался на классическую раму.

Благодаря алюминиевому кузову и отсутствию капота максимальная скорость этого концепта составляла 120 км/ч. Когда машина пошла в серийный выпуск, скорость уже составляла 139 км/ч. К сожалению, точное значение аэродинамического сопротивления воздуха этого автомобиля неизвестно.

Что такое сопротивление качению шины?

Давайте разберемся, что такое сопротивление качению шин. Когда вы нажимаете на педаль газа в вашем автомобиле, вы начинаете ускоряться. Но если посмотреть более детально на сам процесс ускорения автомобиля, то можно увидеть, что нажимая на педаль газа вы передаете энергию от сгорания топлива в моторе, или электрическую энергию (все зависит от того, какой тип двигателя вы используете) через другие системы прямиком на шины вашего автомобиля. Это приводит к тому, что ваши покрышки начинают оборачиваться и набирать достаточный импульс, чтобы ваш автомобиль начал двигаться. Но для того, чтобы колесо начало двигаться, ваши покрышки должны преодолеть очень много факторов, которые препятствуют началу движения. И одним из этих факторов является сопротивление качению шины.

Если говорить техническим языком, то сопротивление качению шины – это минимальная энергия, которую ваше транспортное средство должно передать на колеса, чтобы поддерживать постоянную скорость на ровном дорожном полотне. Другими словами, это усилие, которое нужно для того, чтобы колесо постоянно двигалось.

Главным источником сопротивлению качения является процесс, который называется гистерезис. С технической точки зрения, гистерезис – это, по сути, потеря энергии, которая возникает при прохождении шины по поверхности дорожного полотна. Из-за того, что двигатель автомобиля должен постоянно компенсировать гистерезис, он должен вырабатывать дополнительную энергию, что приводит к увеличению расхода топлива.

Минимальное сопротивление качению шины

Скажем сразу, что избавиться сопротивления качению шины нельзя исходя из законов физики. Но раз его нельзя полностью устранить, его можно попробовать свести к минимуму. Как мы уже выяснили, сопротивление качения шин вызвано гистерезисом. Чтобы минимизировать его влияние можно спроектировать покрышку таким образом, чтобы ее протектор был как можно меньше. Минусом такого подхода будет очень малый срок службы покрышки.

Второй способ более технологичен, ведь он требует разработки качественно новых материалов для шин. Покрышки из таких материалов получат снижение сопротивления качению благодаря тому, что они будут устойчивыми к выработке тепла и их протектор будет иметь минимальный прогиб во время сцепления с дорожным покрытием. Современные шины с низким сопротивлением качению используют именно второй подход.

Как работает аэродинамика | HowStuffWorks

Аэродинамика — это нечто большее, чем просто сопротивление — есть и другие факторы, называемые подъемной и прижимной силой. Подъемная сила — это сила, которая противодействует весу объекта, поднимает его в воздух и удерживает там. Прижимная сила противоположна подъемной силе — силе, которая прижимает объект к земле [источник: НАСА].

Вы можете подумать, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, верно? Не в этом дело.Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.

Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не так аэродинамически, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы. На скоростях, с которыми они движутся, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили фактически начинают ощущать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолеты. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если автомобиль окажется в воздухе, это может привести к катастрофе.По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы удерживать автомобиль на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокое значение Cd.

Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля. Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле, более известные как прижимная сила. Это максимизирует скорость прохождения поворотов, но ее необходимо тщательно сбалансировать с подъемной силой, чтобы также обеспечить машине соответствующую скорость на прямой [источник: Смит].

Многие серийные автомобили оснащены аэродинамическими надстройками для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу. Модель 599 GTB Fiorano от Ferrari оснащена контрфорсами средних стоек, предназначенными для направления воздуха назад, что помогает уменьшить лобовое сопротивление [источник: Classic Driver].

Но вы видите множество спойлеров и крыльев на повседневных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota.Действительно ли они улучшают аэродинамику автомобиля? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный кузов создает слишком большую подъемную силу и, возможно, был фактором в нескольких авариях [источник: Эдгар].

В большинстве случаев, однако, установка большого спойлера на заднюю часть обычного автомобиля не сильно улучшит производительность, скорость или управляемость — если вообще улучшит. В некоторых случаях это может даже увеличить недостаточную поворачиваемость или нежелание поворачивать.Однако, если вы считаете, что гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.

Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других смежных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.

Как работает аэродинамика | HowStuffWorks

Аэродинамика — это нечто большее, чем просто сопротивление — есть и другие факторы, называемые подъемной и прижимной силой. Подъемная сила — это сила, которая противодействует весу объекта, поднимает его в воздух и удерживает там. Прижимная сила противоположна подъемной силе — силе, которая прижимает объект к земле [источник: НАСА].

Вы можете подумать, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, верно? Не в этом дело. Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.

Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не так аэродинамически, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы.На скоростях, с которыми они движутся, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили фактически начинают ощущать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолеты. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если автомобиль окажется в воздухе, это может привести к катастрофе. По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы удерживать автомобиль на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокое значение Cd.

Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля.Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле, более известные как прижимная сила. Это максимизирует скорость прохождения поворотов, но ее необходимо тщательно сбалансировать с подъемной силой, чтобы также обеспечить машине соответствующую скорость на прямой [источник: Смит].

Многие серийные автомобили оснащены аэродинамическими надстройками для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу.Модель 599 GTB Fiorano от Ferrari оснащена контрфорсами средних стоек, предназначенными для направления воздуха назад, что помогает уменьшить лобовое сопротивление [источник: Classic Driver].

Но вы видите множество спойлеров и крыльев на повседневных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota. Действительно ли они улучшают аэродинамику автомобиля? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный кузов создает слишком большую подъемную силу и, возможно, был фактором в нескольких авариях [источник: Эдгар].

В большинстве случаев, однако, установка большого спойлера на заднюю часть обычного автомобиля не сильно улучшит производительность, скорость или управляемость — если вообще улучшит. В некоторых случаях это может даже увеличить недостаточную поворачиваемость или нежелание поворачивать. Однако, если вы считаете, что гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.

Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других смежных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.

Как работает аэродинамика | HowStuffWorks

Аэродинамика — это нечто большее, чем просто сопротивление — есть и другие факторы, называемые подъемной и прижимной силой. Подъемная сила — это сила, которая противодействует весу объекта, поднимает его в воздух и удерживает там. Прижимная сила противоположна подъемной силе — силе, которая прижимает объект к земле [источник: НАСА].

Вы можете подумать, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, верно? Не в этом дело.Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.

Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не так аэродинамически, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы. На скоростях, с которыми они движутся, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили фактически начинают ощущать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолеты. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если автомобиль окажется в воздухе, это может привести к катастрофе.По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы удерживать автомобиль на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокое значение Cd.

Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля. Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле, более известные как прижимная сила. Это максимизирует скорость прохождения поворотов, но ее необходимо тщательно сбалансировать с подъемной силой, чтобы также обеспечить машине соответствующую скорость на прямой [источник: Смит].

Многие серийные автомобили оснащены аэродинамическими надстройками для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу. Модель 599 GTB Fiorano от Ferrari оснащена контрфорсами средних стоек, предназначенными для направления воздуха назад, что помогает уменьшить лобовое сопротивление [источник: Classic Driver].

Но вы видите множество спойлеров и крыльев на повседневных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota.Действительно ли они улучшают аэродинамику автомобиля? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный кузов создает слишком большую подъемную силу и, возможно, был фактором в нескольких авариях [источник: Эдгар].

В большинстве случаев, однако, установка большого спойлера на заднюю часть обычного автомобиля не сильно улучшит производительность, скорость или управляемость — если вообще улучшит. В некоторых случаях это может даже увеличить недостаточную поворачиваемость или нежелание поворачивать.Однако, если вы считаете, что гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.

Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других смежных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.

Лаборатория автомобильной электроники Клемсона: активная аэродинамика

Активная аэродинамика

Основное описание

Аэродинамика используется в автомобильном дизайне уже несколько десятилетий.При проектировании аэродинамических характеристик автомобилей учитываются два основных понятия: прижимная сила и сопротивление. Прижимная сила использует области низкого давления, чтобы удерживать автомобиль на земле и улучшать управляемость и реакцию торможения на высоких скоростях. Однако некоторые аэродинамические особенности, которые увеличивают прижимную силу автомобиля, также могут увеличить сопротивление, что заставляет автомобиль требовать больше мощности для поддержания скорости.

Активная аэродинамика начала появляться на серийных автомобилях в середине-конце 1980-х годов. Некоторые из первых автомобилей с этой функцией включают Porsche 959 1986 года, Volkswagen Corrado 1988 года и Mitsubishi 3000GT VR-4 1991 года.Активные аэродинамические системы обычно регулируют определенные аэродинамические характеристики в зависимости от скорости автомобиля. Однако может также использоваться другая информация, такая как ускорение, скорость рыскания, угол поворота рулевого колеса и торможение. На рисунке ниже показаны несколько аэродинамических компонентов, которые сегодня используются в различных транспортных средствах. Те, что выделены зеленым, обычно встроены в раму и в настоящее время не являются частью активных аэродинамических систем, а те, что выделены красным, являются активными системами в некоторых автомобилях.

Аэродинамические характеристики автомобиля

Стационарные аэродинамические элементы направлены на то, чтобы направлять потоки воздуха, проносящиеся мимо автомобиля, в оптимальные места. Вентиляционные отверстия в шинах, например, позволяют воздуху охлаждать шины и тормоза, тем самым повышая эффективность использования топлива и продлевая срок службы этих компонентов. Лопасти и плавники направляют часть воздуха вокруг автомобиля к вентиляционным отверстиям шин и увеличивают прижимную силу автомобиля.Горб и диффузор направляют воздух под автомобиль. Это создает область низкого давления, увеличивая прижимную силу и устойчивость автомобиля.

Активные аэродинамические характеристики улучшают характеристики стационарных компонентов. Например, в Porsche 911 Turbo задний спойлер и воздушная заслонка синхронно расширяются и убираются при достижении определенной скорости. В исходном низкоскоростном положении они обеспечивают достаточную прижимную силу и устойчивость автомобиля. Однако их расширение на более высоких скоростях повышает устойчивость и минимизирует коэффициент лобового сопротивления на этой скорости.Передние вертикальные заслонки и задние заслонки диффузора входят в комплектацию Ferrari 458 Speciale. Створки на заднем диффузоре поднимаются, чтобы увеличить объем отвода воздуха из-под автомобиля, а передние вертикальные створки открываются для создания прижимной силы, уравновешивая силу, создаваемую задними створками. Передние створки также открываются, чтобы направить поток воздуха на поворотные лопасти и впустить больше воздуха внутрь автомобиля для охлаждения двигателя. Видео ниже демонстрирует движение каждого из этих активных компонентов.

Демонстрация активной аэродинамики

McLaren MP4-12C оснащен активным пневматическим тормозом, который срабатывает при резком торможении на скорости выше 95 км/ч.Пневматический тормоз представляет собой ветровую заслонку на задней части автомобиля, которая раскрывается поршнем на первоначальный угол 32 градуса. Воздушный поток над задней частью автомобиля заставляет пневматический тормоз растягиваться до 69 градусов. Пневматический тормоз сокращает тормозной путь до 20 метров.

Хотя большинство активных аэродинамических систем используются в гоночных автомобилях, некоторые из этих функций реализованы и в других автомобилях высокого класса. Некоторые автомобили BMW и Ford Mustang имеют активные системы решетки радиатора, которые перемещаются на более высоких скоростях, чтобы уменьшить лобовое сопротивление, когда не требуется дополнительная охлаждающая способность.У Audi также есть активная конструкция с заслонками между спицами колеса, которые открываются и закрываются в зависимости от количества воздуха, необходимого для охлаждения тормозов.

Датчики
Датчик ускорения, датчик положения педали тормоза, датчик температуры двигателя, датчик угла поворота рулевого колеса, датчик скорости автомобиля, датчик скорости рыскания
Приводы
Воздушная заслонка, створки в переднем сплиттере и/или заднем диффузоре, задние воздушные тормоза, задний спойлер, решетки радиатора, колесные заслонки
Передача данных
Обычно сеть управления (CAN)
Производители
Ауди, БМВ, Бугатти, Феррари, Форд, Кенигсегг, Макларен, Пагани, Порше
Для получения дополнительной информации
[1] Автомобильная аэродинамика, Википедия.
[2] Будущее автомобилей: активная аэродинамика, Дэвид Морерия, Правда об автомобилях, 8 января 2009 г.
[3] Диффузоры — Основы техники — Аэродинамика, Машиностроение гоночных автомобилей, 15 апреля 2009 г.
[4] McLaren P1: создание великолепной сверхусовершенствованной аэродинамики, Jalopnik, 27 сентября 2012 г.
[5] 2014 Porsche 911 Turbo — Видео по аэродинамике, YouTube, 16 августа 2013 г.
[6] Ferrari 458 Speciale — аэродинамика, YouTube, октябрь.8, 2013.
[7] 2014 Audi 7 Retractable Spoiler, YouTube, 30 ноября 2013 г.
[8] Активное заднее крыло One:1 — /Inside Koenigsegg 2, YouTube, 8 апреля 2014 г.
[9] Active Aerodynamics, a Slippery Obsession, BBC, 19 августа 2014 г.

Аэродинамическое сопротивление — обзор

4.2 Аэродинамическое сопротивление маховиков

Момент аэродинамического сопротивления с обеих сторон вращающегося диска можно выразить следующим образом:

(4.1)Ma=ρgω2ro5Cm

Безразмерный коэффициент C m является функцией трех других безразмерных параметров, а именно числа Рейнольдса R e , числа Маха M и числа Кнудсена К п .

Число Рейнольдса настолько широко используется в технике, что не нуждается в объяснении. В случае вращающихся устройств его значение обычно выражается как:

(4.2) Re=ro2ω/v=ρgro2ω/η

Также число Маха:

(4.2).3) M=roω/Vs

, где V с — скорость звука, в дополнительных пояснениях не нуждается.

Число Кнудсена – это отношение длины свободного пробега молекул λ к размеру рассматриваемого объекта. В случае вращающихся дисков используется значение

(4.4)Kn=λ/ro

.

Если число Кнудсена очень мало, как в случае маховика, работающего при атмосферном давлении, газ, окружающий диск, можно рассматривать как сплошную среду.Если, наоборот, значение K n велико, можно предположить поток свободных молекул.

Соответствующее газовое уравнение используется для расчета трех вышеупомянутых безразмерных параметров. Если газ ведет себя как «идеальный газ», можно использовать уравнение:

(4.5)p=ρgR*T

.

Значение константы R* = R/м м для некоторых газов, которые можно использовать для маховиков, приведены в Таблице 4.1 вместе со значениями молекулярной массы m m . Значение универсальной газовой постоянной R равно:

ТАБЛИЦА 4.1. Параметры для расчета чисел Рейнольдса, Маха и Кнудсена в воздухе и других газах м (кг)

(кг) A (20 ° C) (M) (20 ° C) (M) A (M) T C (K) λ (20 ° C , 1 торр) (m = 032) η(20°C) (кг/мс) = (Pl) Воздух 287.2 0.028 8 4.782 × 10 -26 3 98 × 10 -10 — 113 456 × 10 -5 1.81 × 10 -5 O 2 259.9 0.032 5.032 5.313 × 10 -26 3.60 × 10 -10 296 × 10 -10 132 4,82 × 10 -5 2,03 × 10 −5 С 2 296.8 0.028 016 0.028 016 4,652 × 10 -26 3 90 × 10 -10 3 3 -10 112 4,50 × 10 -5 1.80 × 10 -5

3 H 2 4124,5 0,002 016 3.347 × 10 -27 270 × 10 -10 2,42 × 10 -10 76 8,81 × 10 −5 0.91 × ​​10 -5 -5 He 2077.2 0.004 003 6.646 × 10 -27 226 × 10 -10 1,94 × 10 -10 99 79 (плотность газа легко вычисляется из уравнения).

Динамическая вязкость η газа может быть рассчитана как функция длины свободного пробега молекул по соотношению:

(4.6)η=13ρgυ¯λ

, полученное в предположении максвелловского распределения равновесной скорости. Поскольку для реальных газов это не совсем так, уравнение (4.6) можно изменить следующим образом: =m/(2a2ρgπ)

и средней скорости через:

(4.9)υ¯=8KTπm

где м — масса молекул N a , то есть N a постоянная Авогадро

Na=6.023×1023моль−1

и K – постоянная Больцмана

K=R/Na=1,38×10−23J/K

Эффективный молекулярный диаметр a не совсем постоянен, но слегка изменяется с температурой . Значения для a при 20°C для различных газов приведены в таблице 4.1 вместе со значением a , связанным с бесконечно высокой температурой, и постоянной Сазерленда T c , необходимой для расчета из в при разных температурах по формуле:

(4.10)a=a∞(1+Tc/T)

Длина свободного пробега для различных газов при 20°C представлена ​​как функция температуры в Рисунок 4.1 . Такие значения можно использовать для быстрого расчета числа Кнудсена, вязкости и, следовательно, числа Рейнольдса. Вязкость определяется по формуле:

Рисунок 4.1. Зависимость длины свободного пробега некоторых газов от давления. Значения рассчитаны для температуры 20°C

(4.11)η≃λρg(2KTπm)=KmTa2π3/2

Уравнение (4.11) получается из уравнения (4.7) и с поправкой на отклонение распределения скоростей от распределения Максвелла.

Другая формула, позволяющая рассчитать вязкость газа, — это формула Сазерленда: газ. Вязкости некоторых распространенных газов при 20°C приведены в таблице 4.1 .

Когда поток является реальным свободномолекулярным потоком, т. е. когда число Кнудсена больше единицы, вязкость зависит как от давления, так и от температуры.Эта зависимость становится важной, однако, для значений давления, которые ниже тех, которые обычно встречаются в маховиковой технике.

Скорость звука, необходимая для расчета числа Маха, равна:

(4.13)Vs=(kR*T)

где постоянная k есть отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельная теплоемкость при постоянном объеме газа и принимает значение 1,4 для двухатомных газов и 1,66 для одноатомных.

В случае малых значений числа Кнудсена ( K n ≪ 1), т.е.е. когда газ можно рассматривать как сплошную среду, можно легко получить значение коэффициента момента сопротивления C m . Если можно предположить ламинарное течение в пограничном слое, то для тонких дисков постоянной толщины обычно принимается следующая формула.

Если течение в пограничном слое является турбулентным, приблизительная формула, полученная фон Карманом, имеет вид:

Рисунок 4.2. Коэффициент крутящего момента для тонкого диска постоянной толщины в зависимости от числа Рейнольдса. Сообщалось также о некоторых экспериментальных точках. (4.16) (4.15) для случая турбулентного пограничного слоя. Также сообщается о некоторых экспериментальных результатах.

Переход между двумя типами течения в пограничном слое происходит при числе Рейнольдса 5 × 10 4 , но ламинарное течение во многих случаях может существовать и при более высоких значениях, и экспериментальные результаты в переходной области вполне разбросанный.

Аэродинамическое сопротивление не зависит от числа Маха, но это верно только для тонкого дискового маховика. Если число Кнудсена велико ( K n > 10), течение можно считать свободномолекулярным и была предложена следующая формула [74–6]:

(4.17)Ma=ρgωr4/2KTm

Отношение между «крутящим моментом» сопротивления (рассчитанным по формуле (4.16) для ламинарной области и уравнением (4.15) для турбулентной) и моментом, получаемым из уравнения (4.17) был построен в Рисунок 4.3 как функция числа Кнудсена.

Рисунок 4.3. Отношение между аэродинамическим моментом на тонком диске при различных значениях числа Кнудсена и моментом, рассчитанным по уравнению (4.17) для свободномолекулярного потока. Параметр кривых М *, определяемый уравнением (4.19).

(Gu, A. [74–6])

В области, где число Кнудсена принимает значения 0,1 < K n < 10, течение нельзя считать ни непрерывным, ни потоком свободных молекул.В [74–6] для этой промежуточной области предложены пунктирные линии, нанесенные на рис. 4.3 .

Кривые даны с параметром M *, который строго связан с числами Маха:

(4.18)M*=roω/R*T=M/√k момента в области сплошного течения, но это связано с тем, что момент в свободномолекулярной зоне, используемый для нормирования значений, полученных для различных условий, зависит от числа Маха.

На практике обтекание маховика турбулентным при более высоких давлениях в корпусе и ламинарным в области среднего вакуума: 130 Па > p > 0,13 Па (1 Торр > p > 10 −3 Торр). Только при очень низких значениях давления становится важным определенный эффект свободного молекулярного потока. Рисунок 4.3 дает первое приближение сопротивления.

Уравнение (4.1) часто переделывают, чтобы можно было напрямую рассчитать сопротивление, по крайней мере, при комнатной температуре.Подставляя уравнения (4.15) и (4.16) в уравнение (4.1), можно получить следующие формулы: 0,146ρg4/5ω9/5ro23/5η1/5 (турбулентный,Re≥5×104)

Приведенные выше уравнения справедливы только в том случае, если диск вращается в свободном воздухе. Если, с другой стороны, диск находится в корпусе, то обычно можно предположить более низкое значение крутящего момента.

Если зазор между диском и стенками корпуса очень мал, т.е.е. меньше, чем толщина пограничного слоя, а число Рейнольдса достаточно низкое, чтобы предположить ламинарное течение, можно предположить течение Куэтта, и выражение коэффициента момента сопротивления становится очень простым:

(4.21)Cm=2πrod1Re

где d — ширина зазора между боковыми поверхностями диска и стенками корпуса.

Это уравнение представлено на графике Рис. 4.2 и, по-видимому, согласуется с экспериментальными результатами в поле до числа Рейнольдса, равного примерно 1.6 × 10 4 .

Линия и значение R o были получены при значении d/r o = 0,02 и зависят от значения этого отношения. В случае, показанном на рис. 4.21 , наличие корпуса снижает аэродинамическое сопротивление, если число Рейнольдса превышает 7 × 10 3 .

Рисунок 4.21. Система маховика для автомобильного применения, в которой весь корпус подвешен таким образом, что вращение после удара не ограничивается.

(1) Обод из композитного материала; (2) концентратор; (3) вал; (4) подшипники и корпус уплотнения; (5) втулка; (6) монтажные кронштейны; (7) стороны вакуумного корпуса; (8) шов для герметизации и разборки; (9) Радиальные элементы жесткости/аэродинамические тормоза. (10) Удерживающее кольцо из спиральной стальной ленты.

(Sapowith, AD и др. . [80–68])

Толщина пограничного слоя для случая диска в набегающем потоке с ламинарным пограничным слоем: )

и, следовательно, не зависит от радиуса.

Если число Рейнольдса больше рассчитанного ранее, а зазор между диском и контейнером меньше толщины пограничного слоя, то значение коэффициента C m можно вычислить по простой формуле :

(4,23)Cm=2,67Re−1/2 (ламинарный поток,Re<3×105)

(4,24)Cm=0,0622Re−1/5 (турбулентный поток,Re>3×105)

значение числа Рейнольдса, при котором происходит переход между течением Куэтта (уравнение (4.21)) и имеет место ламинарное течение (уравнение (4.23)), можно получить из пересечения двух линий ( рис. 4.2 ).

Эти уравнения соответствуют экспериментальным результатам, за исключением погрешности около 17% при высоких значениях числа Рейнольдса; это можно отнести к сделанным предположениям.

Следует отметить, что сопротивление не зависит от ширины зазора d при условии, что зазор меньше толщины пограничного слоя.В случае турбулентного пограничного слоя его толщина составляет:

(4,25)δ=r3/5(v/ω)1/5

Толщина пограничного слоя в этом случае не зависит от радиуса, а увеличивается силой 3/5.

Следует отметить, что пограничный слой, достаточно тонкий при больших числах Рейнольдса, утолщается при работе диска в вакууме. В этом случае можно получить зазор меньше толщины пограничного слоя, даже если между ротором и корпусом должен быть оставлен большой зазор, т.е.грамм. если ротор подвешен на системе малой жесткости.

Вводя плотность энергии маховика и отношение ζ между радиусом инерции r j и внешним радиусом маховика, уравнения (4.19) и (4.20) дают момент сопротивления как функцию энергии плотность:

(4,26)Ma=3,87(ro5ρgηζ3)(2em)3/4

(4,27)Ma=0,146(ro14ρ4ηζ)1/5(2em)9/10

Уравнения (4.26) и (4.27), которые выполняются только в случае тонкого диска в набегающем потоке с числом Кнудсена меньше примерно 0.1, показывают, что момент сопротивления увеличивается почти линейно с плотностью энергии и сильно зависит от радиуса (со степенью 5/2 для ламинарного пограничного слоя и 14/5 для турбулентного потока).

С точки зрения аэродинамического сопротивления предпочтительны маленькие быстрые маховики. Если диск имеет постоянную толщину, но не очень тонкий, необходимо учитывать аэродинамическое сопротивление на боковой поверхности цилиндра. Простой способ учета влияния боковой поверхности диска состоит в том, чтобы умножить коэффициент момента, полученный в предположении о тонком диске, на коэффициент:

(ro+52h)/ro

, где диск (55–1).

Все эти уравнения относятся к дискам постоянной толщины, и, кажется, очень мало работы было сделано для фигурных дисков. Если колебания толщины не очень велики, в расчетах можно принять диск постоянной толщины с одинаковыми внешним радиусом и толщиной. Роторы со спицами или частями, выступающими из обода, представляют собой более сложные проблемы; но, насколько известно, этот случай не изучался в контексте технологии маховика.

Необходимо экспериментально измерить коэффициент момента сопротивления в каждом конкретном приложении и исследовать его зависимость от всех трех параметров — чисел Рейнольдса, Кнудсена и Маха.Это может быть довольно сложно в случае работы в высоком вакууме, когда необходимо измерять очень малые значения сопротивления. Одним из методов проведения этих испытаний является отслеживание замедления вращения маховика в контролируемых условиях. Из измеренного закона скорость-время можно оценить аэродинамическое сопротивление:

(4.28)Ma=dωdt(Jf+Js)−Ms

M с и J с соответственно общий момент сопротивления, действующий на систему, кроме аэродинамических (из-за подшипников, уплотнений и т.), и момент инерции всех вращающихся частей, связанных с маховиком. Насколько известно в настоящее время, основные проблемы связаны с точностью, с которой можно выполнить производную функцию уравнения (4.28) и, прежде всего, с оценкой момента сопротивления M s .

M s можно оценить, выполнив серию испытаний системы без маховика. Однако необходимо использовать некоторый балласт, чтобы нагрузить подшипники силой, равной той, которая присутствует во время фактического испытания.Однако в этом испытании энергия, рассеиваемая в демпферах, не учитывается точно, поскольку динамическое поведение системы с маховиком не равно динамическому поведению системы с балластом, и легко могут быть внесены другие ошибки. Обычно они не имеют большого значения, если аэродинамическое сопротивление намного больше, чем сопротивление других компонентов системы, но могут стать настолько большими, что результаты будут совершенно бесполезны в случае работы в высоком вакууме.

Результаты некоторых испытаний на вращение, проведенных автором на маховике, аналогичном , рис. 3.34 показаны в Рисунок 4.4(a) . Значения являются результатом наилучшего соответствия многих экспериментальных точек. Следует отметить, что в турбулентной области точность можно считать хорошей, а линию, полученную в ламинарной области, следует рассматривать только как оценку порядка величины, особенно при малых значениях числа Рейнольдса. Для сравнения приведены теоретические кривые для тонкого диска постоянной толщины.

Рисунок 4.4. Момент аэродинамического сопротивления на подкруглом маховике, подобном маховику , показанному на рис. 3.34 .

(a)

Экспериментальные значения, полученные в результате испытаний на вращение вниз, с очень малыми значениями числа Кнудсена и M a ≪ 1. Эффект стенки не учитывается. Из-за используемой экспериментальной техники значения для очень малых чисел Рейнольдса носят лишь ориентировочный характер.

(b)

Потери мощности из-за аэродинамического сопротивления, вакуумных насосов и системы управления, измеренные на экспериментальной установке пикового выравнивания Pirelli-CNR ( Рисунок 2.6 ). Устройство рассчитано на 100 кВт и хранит 5 кВтч. Поскольку система не оптимизирована, потери, кроме аэродинамических, могут быть уменьшены экспериментальная система выравнивания нагрузки маховика (см. рис. 2.6 ) показана как функция скорости на рис. 4.4 ( b ). Также показаны потери мощности по другим причинам.

Уменьшение лобового сопротивления за счет применения аэродинамических устройств в гоночном автомобиле | Достижения в области аэродинамики

Аэродинамика — это изучение того, как движущиеся объекты взаимодействуют с воздухом.То, как ведет себя тело при контакте с воздухом, определяет силы, создаваемые воздухом, обтекающим и обтекающим тело. Это один из важнейших факторов, влияющих на характеристики гоночного автомобиля [1]. Вождение автомобиля похоже на плавание в бескрайнем воздушном океане. За последние несколько лет ухудшающееся качество воздуха и нехватка природных ресурсов, в первую очередь нефти, оказали огромное давление на производителей автомобилей, заставив их найти какие-то осуществимые решения для преодоления этого кризиса.В прежние времена высокоскоростные автомобили зависели только от мощности двигателя, чтобы поддерживать сегмент производительности транспортного средства. Но в последние тенденции инженеры-конструкторы адаптируют концепции аэродинамики для повышения эффективности транспортного средства [2, 3]. Расход топлива за счет аэродинамического сопротивления потребляет около половины энергии автомобиля [4, 5]. Таким образом, снижение сопротивления является одним из основных подходов, которые выбирают производители автомобилей. Формирование кузова автомобиля и включение различных дополнительных устройств способствует оптимизации низкого сопротивления, что становится неотъемлемой частью процесса проектирования.2 $$

Где F D — сила сопротивления; ρ — плотность текучей среды — воздуха; А — лобовая часть тела, обращенная к жидкости; V — скорость тела; C D – коэффициент аэродинамического сопротивления кузова.

В аналогичном контексте подъемная сила также вызывает серьезные опасения у инженеров-конструкторов, поскольку чрезмерная подъемная сила может привести к потере сцепления транспортного средства с дорогой на высоких скоростях и может привести к смертельным травмам как водителя, так и других пешеходов, а также к повреждению общественного имущества. .2 $$

Где F L – подъемная сила; ρ — плотность текучей среды — воздуха; А — лобовая часть тела, обращенная к жидкости; V — скорость тела; C L – коэффициент подъемной силы кузова.

Из уравнения сопротивления видно, что сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости. Это означает, что сопротивление воздуха увеличивается экспоненциально по мере увеличения скорости тела [6]. Управление отрывом потока также представляет большой интерес для фундаментальной гидродинамики и различных инженерных приложений [4, 7].Место разделения потока определяет размер зоны следа, и соответственно определяется величина аэродинамического сопротивления. Когда воздух, движущийся над транспортным средством, разделяется в задней части, он оставляет за транспортным средством большую турбулентную область низкого давления, известную как след. Этот след способствует формированию сопротивления давления [8]. Были изучены многочисленные методы контроля отрыва потока либо путем его предотвращения, либо путем уменьшения его последствий [4] (рис. 1).

Рис. 1

Разделение потока и формирование зоны следа

Для достижения оптимального аэродинамического сопротивления транспортного средства проводятся исследования этих определенных дополнительных аэродинамических устройств для снижения сопротивления ветра и повышения эффективности транспортное средство [9].В этом исследовании изучается влияние различных аэродинамических устройств, таких как заднее крыло, спойлер, диффузор и плавники, а также исследуется изменение коэффициента аэродинамического сопротивления.

Спойлер является одним из наиболее широко используемых и важных аэродинамических устройств в автомобильной сфере. Его основная цель — «испортить» нежелательный воздушный поток и направить воздушный поток по порядку, что помогает уменьшить сопротивление. Однако фактическое использование спойлера заметно на более высоких скоростях примерно выше 120 км/ч.Коммерческие автомобили обычно используют его для повышения привлекательности дизайна автомобиля, что дает небольшое аэродинамическое преимущество или не дает его вовсе. Таким образом, в основном высокопроизводительные автомобили адаптируют его для достижения более высоких скоростей. Зона низкого давления позади транспортного средства уменьшается, таким образом создается меньшая турбулентность, что впоследствии приводит к уменьшению лобового сопротивления (рис. 2).

Рис. 2

Влияние спойлера на аэродинамическое сопротивление (https://i.stack.imgur.com/L5rdw.jpg)

Крыло — еще одно важное аэродинамическое устройство, часто используемое в гоночных автомобилях.Заднее антикрыло может выглядеть как спойлер, но работает по-другому. Он имеет форму перевернутого вверх ногами крыла самолета [6]. Его основная цель — обеспечить достаточную прижимную силу или отрицательную подъемную силу, чтобы автомобиль имел повышенную тягу и автомобиль не отрывался от земли на более высоких скоростях [10]. Это также позволяет быстрее проходить повороты и повышает устойчивость на высоких скоростях [11]. Но использование крыла может увеличить сопротивление кузову автомобиля. Таким образом, при любом увеличении подъемной силы сопротивление также увеличивается [12].Обычно это рассматривается как компромисс между лобовым сопротивлением и подъемной силой (рис. 3).

Рис. 3

Крыло в задней части автомобиля (https://www.lamborghini.com/masterpieces/aventador-superveloce)

Впервые в автомобильной промышленности применение плавников в задней части кузова автомобиля засвидетельствован шведским производителем гиперкаров Koenigsegg Automotive AB. Их флагманская модель Jesko Absolut, имеющая наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления в их линейке, имеет плавники вместо крыла, как показано на рис.4. Плавники вдохновлены реактивными истребителями, чтобы обеспечить устойчивость на высоких скоростях и уменьшить аэродинамическое сопротивление.

Рис. 4

Koenigsegg Jesko Absolut (https://www.koenigsegg.com/car/jesko-absolut)

Диффузор — одно из важных аэродинамических устройств, используемых в автомобилях Формулы-1. Широкая универсальность, предлагаемая диффузорами, нашла свое применение и в высокоскоростных серийных автомобилях. Диффузоры способны уменьшать лобовое сопротивление и увеличивать прижимную силу для вождения автомобилей [13, 14]. Роль диффузора заключается в расширении потока из-под автомобиля в заднюю часть, а это, в свою очередь, создает потенциал давления, который ускоряет поток под автомобилем, что приводит к снижению давления [15].Принцип работы диффузоров основан на принципе Бернулли, который гласит, что «медленно движущаяся жидкость будет оказывать большее давление, чем быстро движущаяся жидкость». Таким образом, роль диффузоров заключается в ускорении потока воздуха под автомобилем, чтобы оказывалось меньшее давление по сравнению с потоком снаружи кузова. Это служит для выброса воздуха из-под автомобиля. Затем диффузор снижает скорость этого высокоскоростного воздуха до нормальной и помогает заполнить пространство позади автомобиля, делая всю нижнюю часть кузова более мощной прижимной силой и, что важно, уменьшая сопротивление автомобиля (рис.5).

Рис. 5

Диффузор в автомобиле (https://www.lamborghini.com/masterpieces/aventador-superveloce)

Изучение аэродинамического дизайна

ФОН:

Студенты слышат об автомобилях, которые аэродинамический дизайн во многих рекламных роликах на телевидении. Они вероятно, имеют представление о том, что это значит, потому что большинство этих автомобилей гладкий и низкий. Автомобили сконструированы таким образом, чтобы свести к минимуму сопротивление и позволить им двигаться быстрее.Общий дизайн оптимизирован, что «режет» воздух. Когда транспортное средство имеет аэродинамическую конструкцию, оно может сэкономить топливо, потому что для путешествия требуется меньше энергии. Для гоночных автомобилей и дорожные машины это важно. Однако некоторые автомобили не хотят ехать быстрее настолько, насколько им нужно для достижения определенной цели. Например, сельскохозяйственный трактор не предназначен для быстрой езды, он предназначен для выполнения работы.

Внешний вид автомобиля предназначен для использовать аэродинамику, но внутренняя часть автомобиля пытается сделать эффективная машина, которая будет работать.Есть много других законов физика всего в одном транспортном средстве. Возможно, вы захотите узнать, как работает машина. просто чтобы проиллюстрировать студентам, что автомобили — это физический дизайн, созданный инженерами.

Автомобиль – сложная составная машина, который питается бензином для создания движения. В автомобиле двигатель отвечает за производство энергии, которая заставляет колеса вращаться. двигатель вращает стержень, называемый коленчатым валом, который соединен с приводом вал, который, в свою очередь, соединен с осью, которая, конечно же, связаны с колесами.

Бензин закачивается в бензобак из машины. Из бензобака топливо поступает по топливопроводу. и достигает либо карбюратора, либо топливной форсунки. С этого момента поток газа регулируется величиной давления, оказываемого на ускоритель. Топливо превращается в туман, как духи. карбюратор. Этот «дух» затем выпускается в цилиндры, где он сжимается, воспламеняется и взрывается. Каждый раз происходит взрыв, поршни толкаются вниз, вызывая коленчатый вал крутить.С каждым оборотом коленчатого вала происходит оборот карданного вала и с каждым оборотом карданного вала наступает оборот ось и, соответственно, колеса.

Автомобиль сложный и сложный машина, эффективность которой зависит от законов физики и производительность. Почти все законы физики можно найти в работы автомобиля. Трение между резиновыми шинами и асфальтом земля является причиной движения автомобиля (помимо всех работ двигатель).Чтобы улучшить трение, шины изготавливаются и разрабатываются с рисунок протектора, обеспечивающий более эффективное сцепление с асфальтовой дорогой.

Аэродинамика тоже отличный фактор когда дело доходит до проектирования автомобилей. Сопротивление воздуха может в значительной степени способствовать к низкому расходу бензина и низкой эффективности. В результате производители автомобилей дизайнерские автомобили с заостренными передками, округлыми кузовами и обтекаемыми узоры. В этих конструкциях воздух можно «разрезать», что и происходит. не действовать как блок, останавливающий машину.Хороший способ проверить понятие сопротивление воздуха — высунуть руку из машины при движении вниз по Автострада. Вертикальная рука, указывающая прямо вверх, натолкнется на большой воздух. сопротивление, в то время как горизонтальная рука почти не встретит сопротивления. Это причина, по которой автомобили заострены спереди, а не плоские.

Работа, совершаемая двигателем, передаваться в разные части автомобиля через шестерни и рычаги до тех пор, пока эта работа достигает оси. Как только работа достигает оси, шины можно повернуть и машина может двигаться.Чтобы эта работа была создана, однако требует наличия таких элементов, как карбюраторы, поршни, коленчатые валы, свечи зажигания, бензин и многие другие компоненты. Автомобиль о лучшем примере объединения всех сил физики для одна цель, движение.

ПРОЦЕДУРА:
  1. Эта лаборатория позволяет учащимся просматривать на модель вертолета, самолета, трактора, грузовика и автомобиля. Они будет определять, что дизайн пытается выполнить.В предыдущем лаборатории по дизайну и движению жидкостей, студенты рассмотрели некоторые из фоновые рассуждения для больших транспортных средств.
      
  2. Ключевой задачей этой лаборатории является чтобы учащиеся начали осознавать, что многие продукты, которые мы используем, каждый день у всех была отличная мысль, дизайн и ученый, стоящий за объектом. Вы можете добавить любые другие модели, которые у вас могут быть, чтобы учащиеся могли подумать над дизайном. В этой лаборатории особое внимание уделяется аэродинамическому дизайну и не то, как работает внутренняя часть автомобиля.
      
  3. Вы также можете посмотреть Как Вещи работают , чтобы увидеть, как другие транспортные средства, которые используются в этой лаборатории, работай.
      
  4. Часть этой лаборатории рассматривает дизайн шаров. Да, даже мячи конструируются. Для этой части вы можете хочу добавить футбол, футбол и баскетбол из спортзала. Номер оставленные на лабораторном листе для этой цели.
      
  5. Ответы могут различаться в зависимости от вашего студенты.Однако они должны заметить, что наземные транспортные средства не так аэродинамически спроектированы как летательные аппараты. Трактор не совсем заботиться об аэродинамике так же, как о выполнении работы.
Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.