Измерения аэродинамических сил могут быть выполнены на масштабных моделях в аэродинамических трубах или на полноразмерных автомобилях в аэродинамических трубах и при дорожных испытаниях. Распределение статического давления может быть определено в тех же условиях. Возможность установления аэродинамических характеристик натуры путем использования модели доказана. Но при этом требуется корреляция результатов, полученных для модели и натуры, чтобы установить точность определения сил и моментов. Тех, кого интересует где купить грузовик, рекомендуем ссылку https://olx.kz/transport/gruzovye-avtomobili/maz/ на сайт объявлений Olx. Здесь тысячи частных объявлений о купле-продаже грузовой техники. Покупайте надежные грузовые автомобили на Olx!
Схемы внешнего обтекания могут быть выявлены с помощью ворсинок, подкрашенного потока и дыма на моделях и полноразмерных автомобилях. Исследования аэродинамического шума могут быть выполнены при дорожных испытаниях и в некоторых аэродинамических трубах с низким внешним шумом. «Техническая» апатия специалистов часто приводит к большей задержке в получении и использовании результатов по аэродинамике автомобиля, чем связанные с этим чрезмерные расходы времени и денег.
Представляют интерес результаты некоторых изменений кузова легкового автомобиля выпуска 1962 г., проведенных при создании модели 1963 г. У автомобиля произвели аэродинамическое «приглаживание» передней части для того, чтобы уменьшить появление возмущающих завихрений в зоне бампера. Были сделаны небольшие изменения в конструкциях воздухозаборника и бамперных накладок. Днище кузова также было аэродинамически приглажено, и глушитель приподнят. Были проведены исследования в целях улучшения течения воздуха на входе в радиатор и на выходе из него.
Были улучшены воздуховоды к передним тормозам. Эти незначительные изменения внешних и внутренних частей кузова и других деталей не изменили основную форму автомобиля. Фирма, выпускающая автомобиль, отмечает, что уменьшился расход топлива и возросла максимальная скорость от 150 до 160 км/ч.
Знание и применение аэродинамики автомобиля может позволить конструктору кузова резко улучшить общие характеристики автомобиля без каких-либо существенных изменений его основной формы. Необходимые для этого данные и методики экспериментов имеются.
Чем выше скорость автомобиля, тем сильнее ему противодействует воздушный поток: при разгоне с 60 до 90 км/ч сила сопротивления возрастает в 2,25 раза (пропорционально квадрату скорости), до 120 км/ч — уже в 4 раза. На высоких скоростях автомобиль тратит большую часть мощности именно на то, чтобы преодолеть сопротивление воздуха.
Различные конструктивные решения позволяют улучшить аэродинамические характеристики легковых автомобилей последних моделей. При этом не менее важна устойчивость автомобиля. Придав автомобилю обтекаемую форму, напоминающую в профиль идеальную форму крыла, конструкторы столкнулись с подъемной силой, которая почти отрывает от земли автомобиль при больших скоростях. Поэтому необходимо правильно рассчитать сопротивление воздуха и соотношение подъемной и прижимающей сил, чтобы подъемная сила не отрывала автомобиль от дороги, вызывая потерю устойчивости.
Главными инструментами для изменения воздушных потоков являются аэродинамические элементы, называемые спойлерами и антикрыльями, основное назначение которых — не дать автомобилю взлететь с ростом скорости, т.е. повысить его устойчивость. Так, у модели Audi Т-Т после установки спойлера на багажнике подъемная сила на скоростях, близких к 200 км/ч, уменьшилась с 670 до 240 Н, т.е. почти в 3 раза.
Спойлер — элемент, срывающий воздушный поток с той или иной целью. Спойлеры бывают разные: например, регулируемый — у багажника и стационарный — у переднего колеса.
Антикрыло создано для обеспечения прижимной силы в чистом виде. В современных спортивных автомобилях и те и другие элементы часто выполняют с регулировкой угла атаки, что позволяет оптимизировать аэродинамические характеристики в зависимости от скорости.
Очень часто аэродинамика задней части кузова оказывается важнее, чем передней. Поэтому больше элементов устанавливают именно на багажнике или в задней части его крышки.
Оценка влияния антикрыльев на изменение подъемной силы была проведена у различных конструкций автомобилей.
Конструкция антикрыла болида фирмы Lucoil Racing, имеющая необычный ковшеобразный профиль с изменяющимся углом атаки, оказалась малоэффективной из-за того, что антикрыло частично попадает в «аэродинамическую тень» крышки багажника и изменение угла атаки перестает играть решающую роль.
Применение пластиковых обвесов — спойлеров и антикрыльев — модели Sport Line фирмы Mitsubishi улучшило его аэродинамические параметры по сравнению с моделью Carisma. Благодаря антикрылу на крышке багажника на заднюю ось колеса действует не подъемная, как на обычной машине, а прижимающая сила. На скорости 144 км/ч дополнительная нагрузка, прижимающая задние колеса к дороге, эквивалентна балласту в 12 кг. Это не так много, но в критической ситуации именно эта масса помогала удержать машину на курсе и избежать нежелательного заноса. Угол атаки антикрыла составляет 7° — именно на такой угол было наклонено нерегулируемое монокрыло автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution IV.
Модель Carisma Sport Line дополнительно обладает существенно меньшим моментом Мг относительно вертикальной оси. У доработанного седана это обеспечило лучшую курсовую устойчивость на высоких скоростях и меньшую чувствительность к порывам бокового ветра. Аэродинамики объяснили улучшение характеристик увеличением боковой площади автомобиля за счет вертикальных плоскостей антикрыла по сравнению со стандартным седаном. При этом, когда воздушный поток набегает на машину под углом, момент от возникающих аэродинамических сил будет стремиться стабилизировать положение автомобиля.
Очень важно распределение потоков под днищем автомобиля. В болидах во время гонок «Формулы-1» вначале использовали вентиляторы, создававшие под днищем разрежение, которое прижимало его к покрытию трассы. Позже, после запрета вентиляторов, разработали конструкцию днища, при которой воздушный поток, попадая под машину, вынужден пройти через своеобразное горлышко в широкий канал. Возникающая разность в давлении прижимает машину к полотну дороги.
При изготовлении оригинальных автомобилей (штучное производство) Bugatti ЕВ16.4 Veyron (Германия) и Pagani Zonda S73 (Италия) с максимальными скоростями umax соответственно 406 и 340 км/ч был использован способ «граунд-эффекта», апробированный на гоночных болидах «Формулы-1» еще в 1960-х гг.
Для реализации способа середина днища автомобилей выполнялась плоской для свободного прохождения потока воздуха, а ближе к задку кузова размещали диффузоры (рис. 12.9), создающие разрежение и тем самым увеличивающие прижимную силу, которая у автомобиля Pagani составила 5 кН при скорости 300 км/ч.
Для серийных автомобилей достаточно сделать днище максимально гладким. Для этого изготовляют многослойный пол, но часто обходятся пластиковыми кожухами и юбками. На рисунке 12.10 показан вид снизу на аэродинамические элементы заднеприводного седана.
В конструкции днища автомобиля Toyota Camry применили дополнительные щитки, что позволило не только снизить шум, но и получить неплохой аэродинамический коэффициент Сх = 0,28.
1 — единая центральная панель; 2 — щиток топливного бака; 3 — глушитель; 4 — пол багажника; 5 — панель дифференциала; 6 — щит моторного отсека и трансмиссии; 7 — колесный спойлер
Ряд оригинальных решений фирмы Opel в дизайне автомобилей моделей Vectra и Astra улучшило их аэродинамические характеристики. Значение Сх снизилось благодаря изменению формы зеркал заднего обзора. Плавный переход подштамповок на капоте в корпус зеркал, несомненно, уменьшает коэффициент Сх аэродинамического сопротивления. Помимо желобка на стыке крыши и заднего стекла, предотвращающего перетекание грязи с крыши на стекло на высоких скоростях, в нижней части дверей выполнены чуть заметные подштамповки — они создают зоны разрежения, где поднимаемая передними колесами дорожная грязь оседает, не добираясь до дверных ручек и стекол дверей.
В процессе аэродинамической доводки автомобиля Porsche 911 Carrera были созданы боковые зеркала заднего вида, установленные на двойных ножках: во-первых, такие кронштейны не создают дополнительного сопротивления и, во-вторых, направляют поток воздуха так, чтобы он сдувал с бокового стекла воду и грязь. Форма корпусов этих зеркал подобрана так, что они работают как боковые антикрылья и создают дополнительную прижимную силу.
У некоторых иномарок подштамповки в нижней части дверей служат не только эстетическим, но и аэродинамическим целям: в их зоне создается разрежение, которое помогает предохранять от загрязнения боковые стекла и ручки дверей.
В передних частях автомобилей, как уже отмечалось ранее, основным распределителем воздушных потоков является бампер. Оптимизация форм деталей бампера у многих автомобилей позволяет создавать необходимую прижимную силу на передней оси, а также повышать нейтральную поворачиваемость.
Часто поставить антикрыло на багажник автомобиля и удачно выбрать угол атаки бывает недостаточно. Если не пересмотреть при этом аэродинамику передней части, то на высокой скорости из-за действия антикрыла станут еще больше разгружаться передние колеса. Обвес Nicole Engineering в автомобиле Mitsubishi Sport Line помог избежать этой опасности. Передний бампер теперь направляет вверх часть воздушного потока, и подъемная сила, действующая на колеса передней оси, становится меньше. Кроме того, большой объем воздуха, проходящего через подкапотное пространство, должен улучшить охлаждение двигателя и тормозных механизмов.
Для создания зоны пониженного давления переднему бамперу придают обтекаемую форму, не допускающую набегающий поток под днище.
Как правило, отогнутые кромки бамперов служат спойлерами, увеличивая прижимную силу и препятствуя рождение вихря за кормой.
Фирмой Citroen создан экспериментальный образец мини-вэн С — Airlounge с высокими аэродинамическими характеристиками: Сх = 0,26. Его конструкция имеет ряд интересных решений. Например, для устранения эффекта пылесоса, когда в вихревой след позади движущегося автомобиля втягиваются пыль и грязь, оседая на заднем стекле, применен генератор вихрей. Он представляет собой несколько расположенных поперек крыши «лезвий», выдвигающихся в процессе увеличения скорости. Воздушный поток, натыкаясь на преграду, рассекается на ламинарные потоки, отрыв которых от поверхности кузова с последующей циркуляцией происходит значительно позже.
Глубокой проработке подверглась передняя часть автомобиля. Поскольку показатели обтекаемости зависят от прохождения потоков снаружи кузова и внутри через агрегаты, там предусмотрены воздуховоды, оптимизирующие идущий к двигателю и передним тормозам поток. Колесные диски получили форму, уменьшающую завихрения. Перед каждым из колес появились специальные обтекатели. Компания Michelin разработала шины с улучшенным сопротивлением воздуху. Большим достижением является уменьшение подъемной силы, действующей на движущийся автомобиль: ее коэффициент в зоне передней оси составляет всего 0,02, а сзади — 0,04.
На аэродинамическую характеристику автомобиля огромное влияние оказывает герметичность кузова. Так, отличная аэродинамика Honda Civic — результат усовершенствованной технологии сборки кузова, которая позволила точнее подогнать друг к другу панели и до предела уменьшить зазоры между ними. Это, естественно, привело и к существенному снижению расхода топлива.
Однако при улучшении аэродинамических характеристик автомобиля иногда происходит нежелательное удлинение кузова или создаются неудобства при посадке и выходе пассажиров из салона. Поэтому современный автомобиль представляет собой конструкторский компромисс, учитывающий все аспекты его жизнедеятельности и удобства в эксплуатации.
Влияние конструктивных факторов на величину Сх
Снижение высоты автомобиля* на 30 мм..............................................................-5
Широкопрофильные шины.........................................................................................+2...+4
Уменьшение кузовных зазоров.................................................................................-2...-5
Аэродинамические панели под днищем кузова...............................................+1...-7
Подъемные фары............................................................................................................+3...+ 10
Внешние зеркала заднего вида.................................................................................+2...+5
Приток воздуха через моторный отсек...............................................................+4...+14
Организация охлаждения тормозов.......................................................................+2...+5
Открытые окна.....................................................................................................................+5
Багажник-кофр на крыше.........................................................................................+30...+40
С помощью изменения настроя подвески, высоты профиля шин и т.п.
Для приближения формы автомобиля к идеальной и, следовательно, экономии топлива автомобильные фирмы создают все более дорогие и огромные испытательные стенды — аэродинамические трубы, приближая условия эксперимента к реальности. Например, колеса испытуемого объекта должны вращаться, а пол под ними уноситься со скоростью набегающего воздуха.
Уникальные аэродинамические трубы созданы фирмами Audi (скорость воздушного потока до 300 км/ч, расход воздуха 900 м3/с, мощность вентилятора 2600 кВт), Hyundai (скорость воздушного потока 200 км/ч, мощность вентилятора 2550 кВт, при этом уровень шума лишь 58 дБА). В США создан комплекс площадью 27 900 м2 для окончательной аэродинамической доводки моделей Chrysler, Jeep и Dodge.
Современные компьютерные программы помогли сократить время и расходы на создание автомобиля. Продувке в трубе модель будущей машины и готовый автомобиль подвергают лишь на конечной стадии проектирования, проверяя расчеты. Кстати, несовпадение теории с реальностью до сих пор нередко.
Необычно низкий уровень собственного шума комплекса позволяет глубже исследовать аэродинамические шумы, создаваемые автомобилем. В новой трубе можно имитировать движение со скоростью до 240 км/ч. Час «гонок» на месте требует 4730 кВт ч энергии. Поскольку американские автомобили отличаются большими массой и габаритами, поворотная тест-площадка позволяет устанавливать машины массой до 4,5 т, а ее длина — 5,4 м — рассчитана на очень большую колесную базу. Чтобы измерения были достаточно точными, нужно много свободного пространства между испытуемым автомобилем и стенками камеры. Отсюда и огромные размеры сооружения.
Результаты испытаний ряда моделей автомобилей в аэродинамической трубе ЦНИАП при скорости воздушного потока 144 км/ч приведены в приложении 7.
В последние годы создан ряд экспериментальных моделей, у которых значения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх ниже 0,2. Известный авиационный конструктор Фриц Фенд
(Германия), создатель трехколесных кабинероллеров Messerschmidt, спроектировал супераэродинамичный двухместный кузов автомобиля F-2000. Кузов имеет каплевидную форму фюзеляжа самолета (рис. 12.11) и вертикальный стабилизатор, напоминающий хвост самолета, его коэффициент аэродинамического сопротивления Сх = = 0,11. В кузове установлен один из существующих двигателей мощностью 50 кВт. Автомобиль развивал максимальную скорость 190 км/ч, а его разгон с места до скорости 100 км/ч происходил за 10 с.
На скорости 100 км/ч двигатель потреблял не более 2 л бензина на 100 км. Габариты автомобиля, несмотря на то что он двухместный, велики — 1000x1800x1300 мм при массе 500 кг. Кузов автомобиля имеет форму самолетного фюзеляжа с двумя передними колесами, сзади расположены два колесика-упора. При четырехколесной компоновке колея задних колес так мала, что они скорее представляют одно двускатное. Узкие шины с давлением около 0,25 МПа обеспечили минимальные пятно контакта с дорогой и коэффициент трения качения. К сожалению, из-за смерти конструктора подготовка серийного производства этой модели пока приостановлена.
Фирмой АсаЫоп (Швейцария) разработано транспортное средство с еще меньшем коэффициентом аэродинамического сопротивления — Сх — 0,1.
Обратившись к биологии, немецкие исследователи внимательно изучили форму рыбы — кузовка (Boxfish или Ostraci-idea). Тестирование пластиковой модели рыбки в аэродинамической трубе показал удивительный результат — Сх= 0,06. У экспериментального четырехместного образца в масштабе 1:4 Сх оказался равным 0,095.
Ходовой образец модели Mercedes-Benz Bionic с дизелем мощностью 103 кВт вполне пригоден для повседневной эксплуатации и отвечает всем требованиям пассивной безопасности. Он разгонялся до скорости 100 км/ч за 8,2 с, имея расход топлива в смешанном цикле 4,3 л/100 км, а при постоянной скорости v = 90 км/ч — лишь 2,8 л. Величина Сх, конечно, выросла и достигла 0,19. Для сравнения, у серийного автомобиля Mercedes-Benz класса А Сх = 0,29.
Кроме того, на экспериментальном образце Bionic кузовные панели были выполнены в виде жесткого панциря из сросшихся шестигранных пластинок типа рыбьих чешуек, обладающих максимальной жесткостью при минимальной массе. В результате по сравнению с обычным кузовом масса экспериментального образца снижалась на 30%, а жесткость возросла на 40%.
Контрольные вопросы:
1. Что такое аэродинамика автомобиля?
2. Какие существуют способы выявления обтекания автомобиля?
3. Какие способы применяются для улутшения аэродинамики автомобиля?
Интернет ресурсы.
https://infourok.ru/lekciya-na-temu-osnovnie-fondi-na-avtomobilnom-transporte-1928363.html