Аэродинамическое сопротивление автомобиля 
Аэродинамическое сопротивление автомобиля
СОДЕРЖАНИЕ
Аэродинамическое сопротивление стр.
Часть 1…………………………………………………….3
часть 2…………………………………………………….6
Поле потока вокруг легкового автомобиля……...13
Для чего нужен козырёк? ........................................21
Интересные сводки и аспекты аэродинамики ...23
Вывод………………………………………………………26
Список литературы……………………………………27
Аэродинамическое сопротивление
Часть 1
Аэродинамическое сопротивление автомобиля обусловлено движением
последнего с некоторой относительной скоростью в окружающей воздушной
среде. Среди всех сил, составляющих сопротивление движению автомобиля, эта
представляет наибольший интерес в свете всевозрастающих скоростей
передвижения транспортных средств. Дело все в том, что уже при скорости
движения 50-60 км/час она превышает любую другую силу сопротивления
движению автомобиля, а в районе 100-120 км/час превосходит всех их вместе
взятых.
Сразу хотелось бы отметить, что на сегодняшний день не существует
методик теоретического расчета силы аэродинамического сопротивления, а
поэтому ее величину возможно определить только экспериментально. Конечно,
неплохо было бы еще на стадии проектирования произвести количественную
оценку аэродинамики автомобиля и изменяя определенным образом форму
кузовных деталей оптимизировать ее. Но, увы, решить данную задачку
оказалось не так просто. Найти выход из сложившейся ситуации, конечно же,
пытались. В частности, путем создания каталогов, где значению
аэродинамического сопротивления объекта ставились в соответствие основные
параметры его формы. Такой подход оправдывает себя лишь в случаях его
применения к относительно простым в аэродинамическом смысле телам. Число же
параметров, описывающих геометрию легкового автомобиля, слишком велико, и
отдельные поля потоков находятся в весьма сложном взаимодействии друг с
другом, так что и в этом случае попытка приручить аэродинамику провалилась.
Применительно к автомобильной технике аэродинамическое сопротивление
можно представить как сумму нескольких его составляющих. К ним относятся:
[pic]сопротивление формы;
[pic]сопротивление трения о наружные поверхности;
[pic]сопротивление, вызываемое выступающими частями автомобиля;
[pic]внутреннее сопротивление.
Сопротивление формы еще называют сопротивлением давления или лобовым
сопротивлением. Сопротивление формы является основной составляющей
сопротивления воздуха, оно достигает 60 % общего. Механизм возникновения
этого вида сопротивления следующий. При движении транспортного средства в
окружающей воздушной среде происходит сжатие набегающего потока воздуха в
передней части автомобиля. В результате здесь создается область повышенного
давления. Под его влиянием струйки воздуха устремляются к задней части
автомобиля. Скользя по его поверхности, они обтекают контур транспортного
средства. Однако в некоторый момент начинает проявляться явление отрыва
элементарных струек от обтекаемой ими поверхности и образования в этих
местах завихрений. В задней части автомобиля воздушный поток окончательно
срывается с кузова транспортного средства. Это способствует образованию
здесь области пониженного давления, куда постоянно осуществляется подсос
воздуха из окружающего воздушного пространства. Классической иллюстрацией
наличия зоны пониженного давления является пыль и грязь, оседающие на
элементы конструкции задней части транспортного средства. За счет различия
давлений воздуха впереди и сзади автомобиля создается сила лобового
сопротивления. Чем позже происходит срыв воздушного потока с обтекаемой
поверхности и соответственно меньше область пониженного давления, тем
меньшей будет и сила лобового сопротивления.
В этом аспекте интересен следующий факт. Известно, что при езде двух
формульных болидов друг за другом, уменьшается не только сопротивление
движению заднего автомобиля, идущего в воздушном мешке, но и переднего, по
измерениям в аэродинамической трубе - на 27%. Происходит это вследствие
частичного заполнения зоны пониженного давления и уменьшения разряжения за
ним.
Из вышесказанного понятно, что форма кузова транспортного средства в
данном случае играет существенную роль. Кузов автомобиля необходимо изваять
таким образом, чтобы процесс перемещения воздуха из передней зоны
автомобиля в заднюю происходил с наименьшими затратами энергии, а последние
определяются главным образом характером вихреобразования. Чем меньше
образуется локальных завихрений, мешающих нормальному перетеканию струек
воздуха под действием разности давлений, тем меньше будет и сила лобового
сопротивления.
Сопротивление трения обусловлено "прилипанием" к поверхности кузова
слоев перемещающегося воздуха, вследствие чего воздушный поток теряет
скорость. В этом случае величина сопротивления трения зависит от свойств
материала отделки поверхности кузова, а также от его состояния. Дело в том,
что любая поверхность обладает различной поверхностной энергией, способной
в различной степени повлиять на окружающую среду. Чем больше значение
поверхностной энергии у материала покрытия автомобиля, тем сильнее его
поверхность взаимодействует на молекулярном уровне с окружающей воздушной
средой, и тем больше энергии необходимо затратить на разрушение сил Ван-дер-
Ваальса (сил взаимного притяжения молекул), препятствующих взаимному
перемещению объемов соприкасающихся веществ. На данный вид потерь
приходится около 10 - 20% всех аэродинамических потерь. Меньшие значения
сопротивления трения относятся к автомобилям, обладающим новыми, хорошо
отполированными покрытиями, большие к автомобилям с плохо окрашенными
кузовами или покрытиями, которые с течением времени утратили большинство
своих потребительских свойств.
Часть 2
Сопротивление вызываемое выступающими частями автомобиля составляет 10 -
15% общего. Хотя на некоторых экземплярах автомобильной техники оно может
принимать и гораздо большее значение. На его величину влияют самые,
казалось бы, безобидные конструктивные элементы автомобиля, как-то дверные
ручки, рычаги стеклоочистителей, колесные колпаки и прочие детали.
Оказывается даже такие мелочи вносят свой вклад в общую силу
аэродинамического сопротивления движению, причем их довесок весьма
существенен. Судите сами: поднятые ночью убирающиеся фары увеличивают силу
сопротивления воздуха на 10%, открытые окна - на 5%, установленные
предусмотрительным автовладельцем грязезащитные фартуки на всех колесах -
на 3%, багажник на крыше - на 10-12%, наружные зеркала заднего вида - 5-7%,
широкопрофильные шины - на 2-4%, антенна - на 2%, открытый люк в крыше - на
2-5%. С другой стороны есть ряд деталей, применение которых позволяет
уменьшить аэродинамическое сопротивление. Так, установка на колеса гладких
колпаков снижает его на 3%, замена выступающих дверных ручек на
оптимизированные в аэродинамическом смысле - утопленные также несколько
снижает силу сопротивления воздуха. Чтобы исключить добавочное
сопротивление, вызываемое щетками стеклоочистителей, когда последние
находятся в нерабочем положении, конструкторы некоторых фирм прячут их в
специальный отсек, расположенный между кромкой капота и лобовым стеклом.
Также существенную роль играет качество сборки кузова автомобиля: малые
зазоры в местах стыков кузовных деталей могут уменьшить сопротивление на 2-
5%.
Внутреннее сопротивление обусловлено движением воздушных потоков через
системы вентиляции и охлаждения. Обычно пути движения воздушных потоков в
этом случае имеют достаточно сложную конфигурацию, обладающую множеством
местных сопротивлений. К числу последних относятся резкие изменения
направления движения воздуха, фильтры, радиаторы и т. п.
Для количественной характеристики аэродинамического сопротивления
используют следующую зависимость:
FX=CX*P*V2*FMID/2,
где: Р - плотность воздуха;
V - скорость относительного движения воздуха и машины;
FMID - площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля (лобовая
площадь);
CX - коэффициент лобового сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости).
Обратите внимание на то, что скорость в формуле стоит в квадрате, а это
значит: при увеличении скорости движения транспортного средства в два раза,
сила сопротивления воздуха увеличивается в четыре раза, а затраты мощности
вырастают в восемь раз!!! Поэтому при движении автомобиля в городском
потоке аэродинамическое сопротивление автомобиля мало, на трассе же его
значение достигает больших величин. А что говорить о гоночных болидах,
движущихся со скоростями 300 км/час. В таких условиях практически вся
вырабатываемая двигателем мощность тратиться на преодоление сопротивления
воздуха. Причем за каждый лишний км/ч прироста максимальной скорости
автомобиля приходится платить существенным увеличением его мощности или
снижением CX. Так, например, работая над увеличением скоростных
возможностей болидов, участвующих в кольцевых гонках Nascar, инженеры
выяснили, что для увеличения максимальной скорости на 8 км/ч потребуется
прирост мощности двигателя в 62 кВт! Или уменьшение СX на 15%.
Коэффициент лобового сопротивления определяют экспериментальным методом
путем продувки автомобиля или его модели в аэродинамических трубах. От
величины CX Вашего автомобиля в прямой зависимости находится количество
расходуемого им топлива, а значит и денежная сумма оставляемая Вами у
бензоколонки. Поэтому конструкторы всех фирм-производителей автомобильной
техники постоянно пытаются снизить коэффициент лобового сопротивления своих
творений. CX для лучших образцов современных автомобилей составляет
величину порядка 0,28-0,25. Для примера, величина коэффициента лобового
сопротивления "седьмого вазовского классического кирпича" составляет 0,46.
Комментарии излишни. Наименьшим же коэффициентом отличаются автомобили,
предназначенные для установления рекордов скорости - CX порядка 0,2-0,15.
Однако аэродинамика влияет не только на скоростные качества автомобиля и
расход топлива. В ее компетенцию входят также задачи обеспечения должного
уровня курсовой устойчивости, управляемости автомобиля, снижения шумов при
его движении.
Особое внимание заслуживает влияние аэродинамики на устойчивость и
управляемость автомобилем. Это в первую очередь связано с возникновением
подъемной силы, которая серьезно влияет на ходовые качества машины -
уменьшает силу сцепление колес с дорогой, а в некоторых случаях может быть
одной из причин опрокидывания автомобиля. Причина появления подъемной силы
у автомобиля кроется в форме его профиля. Длины путей движения воздуха под
автомобилем и над ним существенно разняться, следовательно, обтекаемому
сверху воздушному потоку приходится проходить его с большей скоростью,
нежели потоку движущемуся внизу автомобиля. Далее вступает в действие закон
Бернулли, по которому, чем больше скорость, тем меньше давление и наоборот.
Поэтому внизу автомобиля создается область повышенного давления, а сверху -
пониженного. В результате получаем подъемную силу. Конструкторы стремятся
всякими ухищрениями свести ее к нулю, и частенько это им удается. Так,
например, у "десятки" нулевая подъемная сила, а у "восьмерки" существует
тенденция к подъему. Избавиться от подъемной силы можно установкой
антикрыльев. Они создают дополнительную прижимную силу, хотя несколько и
ухудшают общее аэродинамическое сопротивление. Следует заметить, что
используются они в основном на гоночных болидах. Не следует путать между
собой антикрыло и спойлер. Каждый из них выполняет свою задачу. Спойлеры,
которые устанавливаются на серийные модели легковых автомобилей,
предназначены в большей степени для лучшей организации движения потока
воздуха.
На устойчивость автомобиля влияет и характер обтекания кузова воздушными
потоками, направленными под определенным углом к его продольной оси. В этом
случае результирующая сила лобового сопротивления, приложенная к его центру
парусности, который находится на некотором расстоянии от поверхности
контакта автомобиля с дорогой, а также смещен от его центра масс, создает
разворачивающий момент и крен автомобиля. Ощутить всю прелесть данного
явления можно, например, на "Таврии" при движении на высокой скорости в
момент прохождения рядом "фуры".
Аэродинамические шумы, возникающие при движении автомобиля, свидетельствуют
о плохой его аэродинамике или же о ее отсутствии вообще. Генерируются
они за счет вибраций элементов кузова в моменты срыва воздушного потока с
их поверхности. По наличию или отсутствию шумов на высоких скоростях
движения можно определить степень проработки конструкции автомобиля в
аэродинамическом смысле.
Как Вы понимаете, просчитать такое огромное количество параметров
аэродинамики автомобиля невозможно. Поэтому ее созданием и доводкой
конструкторы занимаются путем многочисленных продувок в аэродинамических
трубах, как моделей автомобилей, так и натурных образцов.
Как оценить потери мощности на качение шин? Если дорога имеет твердое,
ровное покрытие, а давление в шинах нормальное, то в широком диапазоне
скоростей (примерно до 60–70% от максимальной) сила сопротивления качению
шин почти постоянна и, по данным ряда исследований, составляет 0,013–0,015
полного веса машины. На скоростях 150–160 км/ч этот коэффициент может
увеличиваться в зависимости от особенностей шины, давления в ней,
температуры и т. д. до значений 0,019–0,020.
А вот другая составляющая пространства – это воздух. Чем быстрее едешь, тем
сильнее его сопротивление. На очень высоких скоростях воздух становится
"железным": так, на некоторых боевых самолетах при энергичных маневрах один
квадратный метр крыла испытывает нагрузку до нескольких тонн! Сопротивление
воздуха – главный враг высоких скоростных показателей.
Соотношение мощности к скорости
Так изменяется необходимая для движения мощность в зависимости от скорости
автомобиля: N – мощность, л.с.;
V – скорость, км/ч (м/с); Cx – коэффициент аэродинамического сопротивления;
S – "лобовая площадь" автомобиля; 1 – расчетная мощность, с учетом
изменения потерь на качение шин по скорости;
2, 6 – характеристики максимальной ("располагаемой") мощности двигателей
ВАЗ-2103 и ВАЗ-2101;
3, 4 – результаты расчета для попутного и встречного ветра 5 м/с;
5 – расчетная кривая необходимой мощности для современного автомобиля со
сниженным аэродинамическим сопротивлением Сх = 0,3.
Этот «враг» по-настоящему серьезен, так как резко увеличивается с ростом
скорости: увеличили ее втрое – сила сопротивления подскочила в девять раз!
Страницы: 1, 2
|
