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.

Аэродинамика автомобиля. Как это работает?

С какими законами аэродинамики ежедневно приходиться сталкиваться автомобилю

Ни одна машина не пройдет сквозь кирпичную стену, но ежедневно проходит через стены из воздуха у которого тоже есть плотность.

Никто не воспринимает воздух или ветер как стену. На низких скоростях, в безветренную погоду, сложно заметить, как поток воздуха взаимодействует с транспортным средством. Но на высокой скорости, при сильном ветре, сопротивление воздуха (сила, воздействующая на движущийся по воздуху объект – также определяемая как сопротивление) сильно влияет на то, как машина ускоряется, насколько управляема, как расходует топливо.

Здесь в игру вступает наука аэродинамика, изучающая силы, образующиеся в результате движения объектов в воздухе. Современные автомобили разрабатываются с учетом аэродинамики. Автомобиль с хорошей аэродинамикой проходит сквозь стену воздуха как нож по маслу.

За счет низкого сопротивления воздушному потоку, такой автомобиль лучше ускоряется и лучше расходует топливо, так как двигателю не приходится тратить лишние силы на то, чтобы «протолкнуть» машину сквозь воздушную стену.

Чтобы улучшить аэродинамику автомобиля, форму кузова закругляют, чтобы воздушный канал обтекал авто с наименьшим сопротивлением. У спорткаров форма кузова спроектирована так, чтобы направлять поток воздуха преимущественно по нижней части, далее поймете почему. Еще на багажник машины ставят антикрыло или спойлер. Антикрыло прижимает заднюю часть автомобиля предотвращая подъем задних колес, из-за сильного потока воздуха, когда тот движется на большой скорости, что делает машину устойчивей. Не все антикрылья одинаковы и не все применяют по назначению, некоторые служат только элементом автомобильного декора не выполняющей прямую функцию аэродинамики.

Наука аэродинамика

Прежде чем говорить об автомобильной аэродинамике, пройдемся по основам физики.

При движении объекта через атмосферу, он вытесняет окружающий воздух. Объект также подвержен силе притяжения и сопротивлению. Сопротивление генерируется, когда твердый объект движется в жидкой среде — воде или воздуху. Сопротивление увеличивается вместе со скоростью объекта – чем быстрее он перемещается в пространстве, тем большее сопротивление испытывает.

Мы измеряем движение объекта факторами, описанными в законах Ньютона — масса, скорость, вес, внешняя сила, и ускорение.

Сопротивление прямо влияет на ускорение. Ускорение (а) объекта = его вес (W) минус сопротивление (D), деленное на массу (m). Напомним, что вес – это произведение массы тела на ускорение свободного падения. Например, на Луне вес человека изменится из-за отсутствия силы притяжения, но масса останется прежней. Проще говоря:

a = (W — D) / m

Когда объект ускоряется, скорость и сопротивление растут до конечной точки, в которой сопротивление становится равным весу – больше объект не ускориться. Давайте представим, что наш объект в уравнении — автомобиль. Когда автомобиль движется все быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха сопротивляется его движению, ограничивая машину предельным ускорением при определенной скорости.

Подходим к самому важному числу – коэффициенту аэродинамического сопротивления. Это один из основных факторов, который определяет, как легко объект движется сквозь воздух. Коэффициент лобового сопротивления (Cd) рассчитывается по следующей формуле:

Cd = D / (A * r * V/2)

Где D – это сопротивление, A – площадь, r – плотность, V – скорость.

Коэффициент аэродинамического сопротивления в автомобиле

Разобрались в том, что коэффициент лобового сопротивления (Cd) это величина, которая измеряет силу сопротивления воздуха, примененную к объекту, например, к автомобилю. Теперь представьте, что сила воздуха давит на автомобиль по мере его передвижения по дороге. На скорости в 110 км/ч на него воздействует сила в четыре раза большая, чем на скорости в 55 км/ч.

Аэродинамические способности автомобиля измеряются коэффициентом аэродинамического сопротивления. Чем меньше показатель Cd, тем лучше аэродинамика автомобиля, и тем легче он пройдет сквозь стену воздуха, которая давит на него с разных сторон.

Рассмотрим показатели Cd. Помните угловатые квадратные Volvo из 1970-х, 80-х годов? У старого седана Volvo 960 коэффициент лобового сопротивления 0.36. У новых Volvo кузова плавные и гладкие, благодаря этому коэффициент седана S80 достигает 0.28. Более плавные и обтекаемые формы показывают лучшую аэродинамику, чем угловатые и квадратные.

Причины, по которым аэродинамика любит гладкие формы

Вспомним самую аэродинамическую вещь в природе – слезу. Слеза круглая и гладкая со всех сторон, а в верхней части сужается. Когда слеза капает вниз, воздух легко и плавно ее обтекает. Также с автомобилями – по гладкой, округлой поверхности воздух течет свободно, сокращая сопротивление воздуха движению объекта.

Сегодня у большинства моделей средний коэффициент сопротивления 0. 30. У внедорожников коэффициент лобового сопротивления от 0.30 до 0.40 и более. Причина высокого коэффициента в габаритах. Ленд Крузеры и Гелендвагены вмещают больше пассажиров, у них больше грузового места, большие радиаторные решетки, чтобы охладить двигатель, отсюда и квадратно-подобный дизайн. У пикапов, дизайн которых целенаправленно квадратный Cd больше, чем 0.40.

Дизайн кузова Toyota Prius спорный, но у машины показательно аэродинамическая форма. Коэффициент лобового сопротивления Toyota Prius 0.24, поэтому показатель расхода топлива у машины низкий не только из-за гибридной силовой установки. Запомните, каждые минус 0,01 в коэффициенте сокращают расход топлива на 0,1 л на 100 км пути.

Модели с плохим показателем аэродинамического сопротивления:

Модель	Коэффициент Сх
Lada 4×4 / ВАЗ-21213 «Нива»	0,536
Mercedes-Benz G-класса	0,54
ВАЗ 2101,2103,2106,2107	0,56-0,53
Hummer h3	0,57
Jeep Wrangler (поколение TJ)	0,58
УАЗ «Хантер» / УАЗ-469	0,6
Caterham Seven	0,7

 

Модели с хорошим показателем аэродинамического сопротивления:

Модель	Коэффициент Сх
BMW 3-й серии (E90), BMW i8, Jaguar XE, Lexus LS, Mazda 3, Mercedes B-класса, Mercedes C-класса Coupe, Mercedes E-класса, Infiniti Q50, Nissan GT-R	0,26
Alfa Romeo Giulia, Honda Insight, Audi A2, Peugeot 508	0,25
Tesla Model S, Tesla Model X, Hyundai Sonata Hybrid, Mercedes C-класса, Toyota Prius	0,24
Audi A4, Mercedes CLA, Mercedes S 300 h	0,23
Tesla Model 3	0,21
General Motors EV1	0,195
Volkswagen XL1	0,189

Методы улучшения аэродинамики известны давно, но потребовалось много времени, чтобы автопроизводители начали пользоваться ими при создании новых транспортных средств.

У моделей первых появившихся автомобилей нет ничего общего с понятием аэродинамики. Взгляните на Модель T компании Ford – машина больше похожа на лошадиную повозку без лошади – победитель в конкурсе квадратного дизайна. Правду сказать, большинство моделей — первопроходцев и не нуждались в аэродинамическом дизайне, так как ездили медленно, с такой скоростью нечему было сопротивляться. Однако гоночные машины начала 1900-х годов начали понемногу сужаться, чтобы за счет аэродинамики побеждать в соревнованиях.

Rumpler-Tropfen Auto

В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfen Auto, что в переводе с немецкого означает «автомобиль — слеза». Созданный по образу самой аэродинамической формы в природе, формы слезы, у этой модели коэффициент лобового сопротивления был 0.27. Дизайн Rumpler-Tropfenauto так и не нашел признания. Румплер успел создать только 100 единиц Rumpler-Tropfenauto.

В Америке скачок в аэродинамическом дизайне совершили в 1930 году, когда вышла модель Chrysler Airflow. Вдохновленные полетом птиц, инженеры сделали Airflow с учетом аэродинамики. Для улучшения управляемости вес машины равномерно распределили между передней и задней осями — 50/50. Уставшее от Великой депрессии общество так и не приняло нетрадиционную внешность Chrysler Airflow. Модель посчитали провальной, хотя обтекаемый дизайн Chrysler Airflow был далеко впереди своего времени.

Chrysler Airflow

В 1950-х и 60-х годах произошли самые большие достижения в области автомобильной аэродинамики, которые пришли из гоночного мира. Инженеры начали экспериментировать с разными формами кузова, зная, что обтекаемая форма ускорит автомобили. Так родилась форма гоночного болида, сохранившаяся по сей день. Передние и задние спойлеры, носы в форме лопаты, и аэрокомплекты служили одной цели, направить поток воздуха через крышу и создать необходимую прижимную силу на передние и задние колеса.

Успеху экспериментов поспособствовала аэродинамическая труба. В следующей части нашей статьи расскажем зачем она нужна и почему важна в проектировании дизайна автомобиля.

Измерение сопротивления в аэродинамической трубе

Для измерения аэродинамической эффективности автомобиля, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности – аэродинамическую трубу.

Аэродинамическая труба — это туннель с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Автомобиль, самолет, или что-то еще, чье сопротивление воздуху измеряют инженеры. Из помещения за туннелем, научные сотрудники наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом и как ведут себя воздушные потоки на разных поверхностях.

Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы не двигается, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные авто даже не загоняют в трубу – дизайнеры часто полагаются на точные модели, создаваемые из глины или другого сырья. Ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, а компьютеры рассчитывают коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамические трубы используют еще с конца 1800-х годов, когда пытались создать самолет и измеряли в трубах воздействие воздушного потока. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей, в поисках преимущества над конкурентами, стали применять аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамических элементов разрабатываемых моделей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских авто и грузовиков.

За последние 10 лет, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США применяют все реже и реже. Компьютерное моделирование понемногу вытесняет этот способ тестирования аэродинамики автомобиля (подробнее здесь). Аэродинамические трубы запускают только, чтобы убедиться, что в компьютерном моделировании нет никаких просчетов.

В аэродинамике больше понятий, чем одно только сопротивление воздуха – есть еще факторы подъемной и прижимной силы. Подъемная сила (или лифт) – это сила, работающая против веса объекта, поднимающая и удерживающая объект в воздухе. Прижимная сила противоположность лифта – это сила, которая прижимает объект к земле.

Тот, кто думает, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей Формулы 1, развивающих 320 км/ч, низкий, заблуждается. У типичного гоночного болида Формулы 1 коэффициент аэродинамического сопротивления около 0.70.

Причина завышенного коэффициента сопротивления воздуху гоночных болидов Формулы 1 в том, что эти машины спроектированы так, чтобы создавать как можно больше прижимной силы. С той скоростью, с которой болиды передвигаются, с их чрезвычайно легким весом, они начинают испытывать лифт на больших скоростях – физика заставляет их подниматься в воздух как самолет. Автомобили не созданы, чтобы летать (хотя статья Transition Terrafugia – летающий автомобиль-трансформер утверждает обратное), и если транспортное средство начинает подниматься в воздух, то ожидать можно только одного – разрушительной аварии. Поэтому, прижимная сила должна быть максимальной, чтобы удержать автомобиль на земле при высоких скоростях, а значит коэффициент аэродинамического сопротивления должен быть большим.

Высокой прижимной силы болиды Формулы 1 добиваются при помощи крыльев или спойлеров на передней и задней частях транспортного средства. Эти крылья направляют потоки воздуха так, что прижимают автомобиль к земле – та самая прижимная сила. Теперь можно спокойно увеличивать скорость и не терять ее на поворотах. При этом, прижимная сила должна быть тщательно сбалансирована с лифтом, чтобы автомобиль набирал нужную прямолинейную скорость.

Многие серийные автомобили имеют аэродинамические дополнения для создания прижимной силы. Суперкар Nissan GT-R пресса раскритиковала за внешность. Спорный дизайн. А все потому, что весь кузов GT-R спроектирован так, чтобы направить поток воздуха над автомобилем и обратно через овальный задний спойлер, создавая большую прижимную силу. О красоте машины никто не подумал.

Вне трассы Формулы 1, антикрылья часто встречаются на серийных автомобилях, например, на седанах компаний Toyota и Honda. Иногда эти элементы дизайна добавляют немного устойчивости на высоких скоростях. Например, на первом Audi TT изначально не было спойлера, но компании Audi пришлось его добавить, когда выяснилось, что округлые формы TT и легкий вес, создавали слишком много подъемной силы, что делало машину неустойчивой на скорости выше 150 км/ч.

Но если машина не Audi TT, не спортивный болид, не спорткар, а обычный семейный седан или хетчбек, установка спойлера не к чему. Управляемости на таком автомобиле спойлер не улучшит, так как у «семейника» итак высокая прижимная сила из-за высокого Cx, а скорости выше 180 на нем не выжмешь. Спойлер на обычном авто может стать причиной избыточной поворачиваемости или наоборот, нежелания входить в повороты. Однако если вам тоже кажется, что гигантский спойлер Honda Civic стоит на своем месте, не позволяйте никому переубедить вас в этом.

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 Cх 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.

 

Аэродинамика автомобиля

Содержание статьи

Зачем это нужно

Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:

• рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
• обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
• продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
• стремятся понизить уровень шумов в салоне,
• оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.

Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.

Снижение лобового сопротивления

От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient – коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».

Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:

• внутреннего сопротивления при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
• сопротивления трения воздушных потоков о внешние поверхности кузова и
• сопротивления формы.

Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.

Передняя часть и боковые поверхности автомобиля особых хлопот конструкторам в плане аэродинамики не доставляют. Здесь главное – избегать резких переходов и выступов, предотвращая тем самым отрыв воздушного потока от поверхности кузова.

А вот с задней частью кузова все гораздо сложнее. Как нетрудно догадаться, наименее аэродинамичными являются универсалы – их форма меньше всего напоминает идеальную «каплю». За их обширным «задком» образуется внушительная зона разряжения, которая не только снижает Сх, но и «засасывает» пыль и грязь, оседающую на заднем стекле. Немного уменьшить ее вредное воздействие можно с помощью установки дефлектора на верху пятой двери. Он направляет часть воздушного потока вниз, снижая разряжение и уменьшая загрязнение.

Не все просто и с хэтчбеками, хотя, на первый взгляд, их форма кажется наиболее обтекаемой. Впечатление обманчиво – яркий пример непредсказуемости аэродинамики. Сх хэтчбеков зависит от угла наклона задней части. При большом угле наклона (а таких моделей большинство) процесс обтекания практически не отличается от универсалов – воздушный поток отрывается от верхней кромки крыши и создает значительную зону разряжения.

С уменьшением угла наклона до 30-35 градусов точка отрыва потока перемещается на нижнюю кромку задней части. Казалось бы, зона разряжения и, соответственно, Сх должны уменьшиться. Но, как это на первый взгляд ни парадоксально, происходит все наоборот. Дело в том, что в этом случае воздушные потоки с боков кузова, попадая на наклонную поверхность, образуют кромочные вихри, которые, закручиваясь по спирали, создают за автомобилем еще большую зону разряжения. Борются с этим явлением с помощью спойлера, устанавливаемого на кромке крыши. При этом точка отрыва потока перемещается с нижней кромки задней части на верхнюю, что предотвращает образование кромочных вихрей и несколько улучшает общую аэродинамику.

А вот если уменьшить наклон «задка» до 20-23 градусов, воздушный поток с крыши почти идеально обтекает автомобиль, отрываясь от нижней кромки. При этом кромочные вихри уже не образуются, и зона разряжения получается минимальной. Но такие автомобили теряют в практичности и поэтому среди серийных моделей их совсем немного.

Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.

Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.

Прижимная сила

При движении автомобиля поток воздуха под его днищем идет по прямой, а верхняя часть потока огибает кузов, то есть, проходит больший путь. Поэтому скорость верхнего потока выше, чем нижнего. А согласно законам физики, чем выше скорость воздуха, тем ниже давление. Следовательно, под днищем создается область повышенного давления, а сверху – пониженного. Таким образом создается подъемная сила. И хотя ее величина невелика, неприятность состоит в том, что она неравномерно распределяется по осям. Если переднюю ось подгружает поток, давящий на капот и лобовое стекло, то заднюю дополнительно разгружает зона разряжения, образующаяся за автомобилем. Поэтому с ростом скорости снижается устойчивость и автомобиль становится склонен к заносу.

Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.

Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.

Практическая аэродинамика

Выполнение нескольких несложных правил позволит вам получить экономию из воздуха, снизив расход топлива. Однако эти советы будут полезны только тем, кто часто и много ездит по трассе.

При движении значительная часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления воздуха. Чем выше скорость, тем выше и сопротивление (а значит и расход топлива). Поэтому если вы снизите скорость даже на 10 км/ч, сэкономите до 1 л на 100 км. При этом потеря времени будет несущественной. Впрочем, эта истина известна большинству водителей. А вот другие «аэродинамические» тонкости известны далеко не всем.

Расход топлива зависит от коэффициента лобового сопротивления и площади поперечного сечения автомобиля. Если вы думаете, что эти параметры заложены на заводе, и автовладельцу изменить их не под силу, то вы ошибаетесь! Изменить их совсем несложно, причем можно добиться как положительного, так и отрицательного эффекта.

Что увеличивает расход? Непомерно «съедает» топливо груз на крыше. И даже бокс обтекаемой формы будет отнимать не менее литра на сотню. Нерационально сжигают топливо открытые во время движения окна и люк. Если перевозите длинномерный груз с приоткрытым багажником — тоже получите перерасход. Различные декоративные элементы типа обтекателя на капоте («мухобойки»), «кенгурятника», антикрыла и других элементов доморощенного тюнинга хоть и принесут эстетическое наслаждение, но заставят вас дополнительно раскошелиться. Загляните под днище — за все, что провисает и выглядывает ниже линии порога, придется доплачивать. Даже такая мелочь, как отсутствие пластиковых колпаков на стальных дисках, повышает расход. Каждый перечисленный фактор или деталь по отдельности увеличивают расход не на много — от 50 до 500 г на 100 км. Но если все суммировать, «набежит» опять же около литра на сотню. Эти расчеты справедливы для малолитражных автомобилей при скорости 90 км/ч. Владельцы больших автомобилей и любители блльших скоростей делайте поправку в сторону увеличения расхода.

Если выполнить все вышеперечисленные условия, мы сможем избежать излишних трат. А можно ли еще снизить потери? Можно! Но это потребует проведения небольшого внешнего тюнинга (речь идет, конечно, о профессионально выполненных элементах). Передний аэродинамический обвес не дает воздушному потоку «врываться» под днище автомобиля, накладки порогов прикрывают выступающую часть колес, спойлер препятствует образованию завихрений за «кормой» автомобиля. Хотя спойлер, как правило, уже включен в конструкцию кузова современного автомобиля.

Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.

Совет	Экономия при 90 км\ч	Экономия при 120км\ч
Демонтировать верхний бокс	0,98	1,61
Демонтировать крепления для лыж	0,61	1,01
Закрыть окна	0,27	0,44
Установка переднего обтекателя	0,24	0,40
Закрыть люк в крыше	0,05	0,08
Установить колпаки на штампованные колеса	0,05	0,08

Аэродинамика

1. Вся информация, представленная в базе данных Porsche Новости, включая, но не ограничиваясь, тексты, изображения, аудио и видео документы, охраняется авторскими правами или другими законодательными актами, защищающими интеллектуальную собственность. Данная информация предоставляется в пользование журналистам в качестве источника для их собственных публикаций в СМИ и не предназначена для коммерческого использования, в частности в рекламных целях. Передача текстов, изображений, аудио- и видео- материалов неавторизованным третьим лицам запрещена.

2. Все логотипы и товарные знаки, упомянутые в базе данных Porsche Новости, являются собственностью Др. Инж. х.с. Ф. Порше Акционерное Общество (далее Porsche AG), за исключением случаев, когда указано иное. 

3. Все содержимое базы данных Porsche Новости тщательно составлено и обработано. Тем не менее, информация может содержать расхождения и неточности. Porsche AG не несет ответственности за результаты, полученные в ходе использования предоставленной информации, в частности, касаемо точности, актуальности и полноты.

4. База данных Porsche Новости предоставляет информацию, связанную с транспортными средствами и относящуюся к рынку Германии. Все утверждения о стандартном оборудовании, юридических и налоговых нормах и последствиях действительны только для Федеративной Республики Германии.

5. При использовании базы данных Porsche Новости не могут быть исключены такие технические ошибки, как задержка передачи новостных данных. Porsche AG не несет ответственности за какой-либо причиненный этим ущерб.

6. Так как база данных Porsche Новости предоставляет ссылки на сторонние интернет — ресурсы, Porsche AG не несет ответственности за содержимое сайтов, на которые предоставлена ссылка. Используя такие ссылки, пользователь покидает информационные продукты Porsche AG.

7. Соглашаясь с изложенными условиями и положениями, пользователь обязан воздерживаться от неправомерного использования базы данных Porsche Новости.

8. В случае неправомерного использования, Porsche AG оставляет за собой право заблокировать доступ к базе данных Porsche Новости.

9. Если одно или несколько положений настоящих положений утратят силу, это не повлияет на юридическую силу остальных положений.

Аэродинамика автомобиля

Автор admin На чтение 4 мин. Просмотров 227

В соответствии с законами физики движение любого механизма является результатом взаимодействия нескольких сил. Причем при различных внешних условиях, вклад тех или иных воздействий будет отличаться. В применении к ТС часто приходится пользоваться таким понятием как аэродинамика автомобиля. Что это такое – ясно интуитивно, а вот коснуться некоторых подробностей будет, как минимум, просто интересно.

Несколько слов о самом движении

Хотим мы этого или нет, но машине при движении требуется преодолевать противодействие внешней среды. На нее действуют силы тяжести, инерции, сцепления с дорожным полотном, трения сопротивления качения, но для нас сейчас более интересны те из них, которые имеют отношение к аэродинамике. Для автомобиля с этой точки зрения актуальны:

• сила сопротивления среды;
• подъемная сила, образованная воздушным потоком;
• прижимная сила.

Именно их соотношение (равнодействующая) определяет устойчивость, маневренность и экономичность автомобиля на дороге. Величина отмеченных сил во многом зависит от параметров движения. Сопротивление, оказываемое встречным потоком, определяется квадратом скорости и соответствующими коэффициентами. Но характер поведения других сил, обусловленных аэродинамикой, более сложный.

При разгоне и движении ТС, препятствующий этому воздух делится на несколько потоков. Один из них обтекает машину сверху и прижимает ее к дороге. Другой проходит под днищем, по закону Бернулли он является более плотным и приподнимает машину, а остальные обтекают ее с боков.

Это самое краткое и минимальное описание сил аэродинамики. Как пример можно привести их распределение, действующих на автомобиль при определенной скорости в зависимости от формы машины и наличия внешних элементов.

Простое сравнение результатов показывает, что даже минимальное улучшение, такое как изменение формы кузова и использование внешних элементов (спойлеров), приводит к тому, что аэродинамика автомобиля может поменяться самым кардинальным образом. Но относиться к этому надо достаточно осторожно, и вряд ли целесообразно экспериментировать самому.

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.

Улучшение аэродинамики автомобиля

Машина движется в воздушной среде, преодолевая ее сопротивление. Оно во многом определяется формой автомобиля, наличием и конструкцией внешних устройств. Для первых представителей авто, например «жестянка Лиззи», это не имело никакого значения, скорости движения были невелики, и время думать о том, что надо улучшать аэродинамику автомобиля, еще не пришло.

Однако по мере взросления автопрома росли скорости и мощности моторов, так что для дальнейшего развития и совершенствования автомобиля, вопросы, затрагивающие улучшение его аэродинамики, становились все более и более актуальными. Главные цели улучшения аэродинамических показателей — увеличение скоростей и экономия топлива. В таблице показано как меняется сопротивление воздуха в зависимости от скорости.

Первыми с этим столкнулись спортивные машины, именно там стали появляться обтекаемые формы, позволившие снизить сопротивление внешней среды, благодаря чему повысились скорости движения. Надо сразу отметить, что в тот момент именно скоростные характеристики стояли на первом месте, об экономичности речи еще не шло.

Но со временем именно топливная экономичность, вопросы безопасности и управляемости стали решающими. За счет оптимальных форм кузова, а также обтекаемости внешних элементов отделки и дизайна (фар, ручек, решеток и т.д.) удалось поднять скорость движения и повысить топливную эффективность автомобиля.

Как пример – в таблице приведены некоторые данные о влиянии внешних элементов на расход топлива.

Так что со временем улучшение эксплуатационных характеристик автомобиля, стало просто невозможно без учета влияния на них его аэродинамики. И достигается это кропотливым трудом многочисленных специалистов на специальных стендах.

Аэродинамика автомобиля имеет отношение практически ко всему спектру вопросов существования современного ТС. Дело не только в наличии внешних атрибутов, таких как спойлеры, колесные диски или зеркала специальной формы. Во многих случаях аэродинамика играет едва ли не решающую роль в управляемости и безопасности движения. И собираясь улучшать аэродинамику автомобиля самостоятельно, стоит понимать, что этим занимался производитель еще на этапе производства.

Мне нравится1Не нравится

Что еще стоит почитать

Аэродинамика автомобиля

Почему на автомобиль действует подъемная сила, которая стремится оторвать машину от дороги?

На первый взгляд действительно странно, что с ростом скорости автомобиль стремится оторваться от дороги. Но на самом деле все просто – посмотрите на машину в профиль. Не правда ли, она отдаленно напоминает крыло самолета? В этом и кроется разгадка.

Набегающий на автомобиль поток воздуха разделяется на два основных “течения”. Одно проходит снизу под днищем, другое – по капоту, крыше и багажнику. Понятно, что верхний путь значительно длиннее, поэтому по законам аэродинамики здесь образуется разрежение, которое и тянет машину вверх, стремясь оторвать ее от дороги.

Причем чем выше скорость машины и ближе к вертикали стоят панели кузова (например, решетка радиатора, ветровое стекло), тем большая подъемная сила будет на него действовать. В этом случае воздух, наталкиваясь на края капота, крыши или багажника как бы не находит дальнейшей опоры и начинает завихряться. Поэтому здесь тоже образуется вредное разрежение.

Чем антикрыло отличается от спойлера?

Спойлер на переднем бампере изменяет направление набегающего воздушного потока.

Эти аэродинамические устройства используются для разных целей.

Антикрыло призвано создавать силу, прижимающую автомобиль к земле. В профиль оно похоже на перевернутое крыло самолета. То есть набегающий поток воздуха стремится не оторвать машину от дороги, а наоборот, сильнее “вдавить” ее в полотно. В результате улучшаются устойчивость и управляемость автомобиля. Но только на высоких скоростях. Если ехать медленнее 90-100 км/ч, антикрыло практически бесполезно.

Также для эффективной работы этого элемента необходимо, чтобы воздух обтекал его с обеих сторон – сверху и снизу. Поэтому антикрыло обычно устанавливается на специальных стойках отдельно от кузова.

Спойлер же лишь меняет направление течения воздушного потока. Например, отсекает его часть для охлаждения тормозов или для снижения завихрений за кормой. Подъемная сила при этом обычно не уменьшается, зато коэффициент аэродинамического сопротивления может упасть очень заметно. А это, в свою очередь, улучшает экономичность машины и повышает максимальную скорость.

В отличие от антикрыла спойлер порой имеет весьма замысловатую форму, но всегда крепится непосредственно к кузову. Частенько он даже изготавливается вместе с каким-либо кузовным элементом. Например, бампером.

 

Что такое “граундэффект”?

Еще в 70-х годах прошлого века создатели гоночных “формул” поняли, что для увеличения прижимной силы можно использовать не только антикрылья, но и разрежение, возникающее под автомобилем. Впервые эту идею использовал знаменитый конструктор Колин Чепмен на болидах команды “Lotus”.

Суть заключается в следующем. Днищу машины придается специальная выгнутая в сторону дороги форма. Часть набегающего воздуха с помощью спойлеров направляется под автомобиль. Поскольку ближе к середине кузова дорожный просвет плавно уменьшается, воздушный поток начинает ускоряться. Это приводит к падению давления, которое “присасывает” машину к трассе. Ближе к корме днище снова расширяется, и воздух через диффузор выходит наружу. По такому же принципу работает карбюратор. Но в аэродинамике это явление получило название “граунд-эффект”.

Однако на серийных моделях он практически не используется. Почему? Во-первых, для его реализации днище должно быть гладким. На обычных машинах это почти невозможно. А любая выступающая часть шасси может нарушить воздушный поток, что приведет к росту подъемной силы. Во-вторых, с увеличением клиренса разрежение уменьшается, и “граундэффект” опять же перестает действовать..

Пожалуй, единственный класс, где машины способны “присасываться” к дороге – это эксклюзивные суперкары вроде “Ferrari Enzo”.

Слышал, что если ехать вплотную за впередиидущим автомобилем, то так можно снизить расход топлива, да и на обгон будет проще выходить. Так ли это?

Антикрыло на высокой скорости создает дополнительное усилие, прижимающее автомобиль к дороге.

Действительно, в автоспорте часто используется подобный прием. Он называется “слипстрим”.

Дело в том, что движущийся автомобиль как бы рассекает набегающий поток, образуя за собой “воздушный мешок” – область низкого давления. Аэродинамическое сопротивление в ней очень мало, поэтому пилот идущей сзади машины экономит топливо и ему легче разогнаться при выходе на обгон.

Но в обычной жизни данная тактика малоприменима. Опытным путем установлено, что размер “воздушного мешка”, как правило, не превышает длину автомобиля. То есть обычный легковой автомобиль оставляет за собой максимум 5-6 метров разреженного пространства. Естественно, если приблизиться к впередиидущей машине на это расстояние, то дистанция сократится до минимума. Что небезопасно..

Другое дело, если вы едете по загородной трассе за длинным грузовиком. В его “воздушном мешке” с легкостью спрячется какая-нибудь малолитражка. В этом случае “слипстрим” действительно может оказаться эффективным.  

 

 

Почему заднее стекло у одних автомобилей быстро загрязняется, а у других – остается чистым в любую погоду?

Ничего удивительного в этом нет. Чистота заднего стекла зависит от угла его наклона. Чем вертикальнее оно стоит, тем быстрее загрязняется. “Пограничным” считается угол 30о. При большей величине происходит срыв воздушного потока, образуются завихрения. Именно они, словно мощный пылесос, затягивают на стекло грязь и пыль.

Также на “чистоплотность” машины влияет форма кузова. Универсалы в этом смысле самые грязные. Ведь у них очень длинная крыша. На протяженной плоской поверхности воздух успевает ускориться, а поскольку задняя стенка почти вертикальная, за кормой такого автомобиля образуется маленький тайфун.

Другое дело – седаны, хэтчбеки и купе. Сильно наклонить стекло у них не всегда получается (иначе головам задних пассажиров не останется места), зато плавный переход от крыши к багажнику не дает воздушному потоку возможности закрутиться волчком.

Можно ли улучшить аэродинамику машины установкой специального комплекта?

Да, но к выбору аэродинамического обвеса следует подходить очень тщательно. Изготовить его на глазок нельзя. Должны проводиться кропотливые расчеты и долгие испытания. Финансировать подобные разработки по силам лишь крупным тюнинговым ателье вроде “Brabus” или “Alpina”. Такие комплекты действительно способны улучшить аэродинамику автомобиля.

Большинство же продукции на рынке – это кустарно выполненные поделки неизвестных азиатских компаний. Как правило, они привлекают клиентов агрессивным внешним видом. Но на этом их достоинства заканчиваются и начинаются недостатки.

Прежде всего однозначно вырастет расход топлива, поскольку дополнительные спойлеры и антикрылья сильно увеличивают аэродинамическое сопротивление автомобиля. Но главное – сделанный на коленке комплект может так изменить распределение подъемных сил по осям, что на высокой скорости машина станет просто небезопасной.

Когда менеджер автосалона представлял мне машину, он долго ходил вокруг, показывая на какие-то незначительные детали кузова. По его словам, они улучшают аэродинамику автомобиля и делают его комфортнее. Неужели эти мелочи так важны?

Через диффузор под задним бампером воздух выходит из-под днища машины.

Еще 8-10 лет назад к вопросам аэродинамики автомобиля действительно подходили глобально. Но теперь ситуация изменилась. Современным компаниям удалось добиться приемлемой обтекаемости своих моделей, поэтому на первый план сегодня выходят, казалось бы, незначительные мелочи.

Например, долгое время считалось, что щетки стеклоочистителя находятся в “мертвой зоне” и не влияют на аэродинамику кузова. Исследования показали, что это не так. Обратите внимание – у многих современных моделей “дворники” в нерабочем состоянии прячутся за край капота.

Другая проблема – загрязнение боковых стекол в плохую погоду – тоже связана с обтекаемостью машины. Ведь щетки смахивают грязь ближе к передним стойкам, а затем уже воздух уносит ее на боковины кузова. Оказалось, достаточно сделать по краям стоек небольшие желобки, и грязь начнет уходить на крышу.

Также тщательно прорабатывается форма зеркал заднего вида, поскольку они – один из главных источников шума на высоких скоростях. Иногда в поле зрения аэродинамиков попадают самые неожиданные детали. Например, на новом “Mercedes-Benz” C-класса по краям задних фонарей сделаны отверстия, через которые выводится часть воздушного потока изпод днища автомобиля. Этот “ветерок” призван уменьшать загрязнение светотехники.

 

Хочу установить на свой автомобиль передний бампер с большими воздухозаборниками, как на гоночных машинах. Это улучшит охлаждение двигателя?

Вовсе нет. При проектировании автомобиля инженеры учитывают экстремальные режимы работы двигателя и в соответствии с ними рассчитывают систему охлаждения. Поэтому, если мотор вашей машины перегревается, – ищите неполадку.

А увеличив приток воздуха в моторный отсек, вы рискуете еще больше поднять в нем температуру. Ведь нагретый воздух еще надо отводить из-под капота (как правило, под днище автомобиля). И штатные каналы могут с ним не справиться..

Кроме того, на гоночных машинах большие воздухозаборники на переднем бампере, как правило, направляют воздух вовсе не к двигателю, а для охлаждения тормозов.

Автор

Юрий УРЮКОВ

Издание

Клаксон №13 2007 год

Фото

фото Алексея БАРАШКОВА и “Mercedes-Benz”

Основы аэродинамики автомобилей, инструкции и советы по дизайну ~ БЕСПЛАТНО!

Аэродинамика — это наука о том, как воздух движется вокруг и внутри объектов. В более общем смысле, это можно назвать «Динамика жидкости», потому что воздух на самом деле представляет собой очень тонкий тип жидкости. Выше медленных скоростей воздушный поток вокруг и через транспортное средство начинает оказывать более заметное влияние на ускорение, максимальную скорость, топливную экономичность и управляемость.

Следовательно, чтобы построить лучший автомобиль, нам необходимо понять и оптимизировать то, как воздух течет вокруг и через кузов, его отверстия и его аэродинамические устройства.

Принципы аэродинамики

Перетащите

Независимо от того, насколько медленно движется машина, для ее перемещения по воздуху требуется определенная энергия. Эта энергия используется для преодоления силы, называемой сопротивлением.

В аэродинамике транспортного средства сопротивление в основном состоит из трех сил:

1. Фронтальное давление, или эффект, создаваемый кузовом транспортного средства, выталкивающим воздух с пути.
2. Задний вакуум, или эффект, создаваемый воздухом, который не может заполнить отверстие, оставленное кузовом автомобиля.
3. Пограничный слой, или эффект трения, создаваемый медленно движущимся воздухом по поверхности кузова автомобиля.

Между этими тремя силами мы можем описать большинство взаимодействий воздушного потока с кузовом транспортного средства.

Фронтальное давление

Фронтальное давление возникает из-за того, что воздух пытается обтекать переднюю часть автомобиля, как показано на диаграмме D1 ниже.

Схема D1. Фронтальное давление — это форма сопротивления, при которой транспортное средство должно отталкивать молекулы воздуха, когда они движутся по воздуху.

Когда миллионы молекул воздуха приближаются к передней части автомобиля, они начинают сжиматься, повышая при этом давление воздуха перед автомобилем. В то же время молекулы воздуха, движущиеся по бокам автомобиля, находятся под атмосферным давлением, более низким по сравнению с молекулами в передней части автомобиля.

Как и в случае с воздушным резервуаром, если клапан для атмосферы с более низким давлением за пределами резервуара открывается, молекулы воздуха естественным образом перетекают в зону с более низким давлением, в конечном итоге выравнивая давление внутри и снаружи резервуара.Те же правила применяются к любому транспортному средству. Сжатые молекулы воздуха естественным образом ищут выход из зоны высокого давления перед автомобилем, и они находят его по бокам, сверху и снизу транспортного средства, как показано на диаграмме D1.

Задний пылесос

Вакуум сзади возникает из-за «дыры», оставленной в воздухе при проезде через нее автомобиля. Чтобы наглядно это представить, давайте взглянем на нашу демонстрационную машину на диаграмме D2 ниже. Когда он едет по дороге, автомобиль в форме блочного седана создает дыру в воздухе.Воздух обтекает тело, как описано выше.

На скоростях выше ползания пространство сразу за задним стеклом и багажником автомобиля «пусто» или похоже на вакуум. Эти пустые области являются результатом того, что молекулы воздуха не могут заполнить отверстие так быстро, как это может сделать машина. Молекулы воздуха пытаются заполнить эту область, но автомобиль всегда на шаг впереди, и в результате непрерывный вакуум засасывается в направлении, противоположном автомобилю.

Схема D2.Задний вакуум (также известный как отслоение потока) — это еще одна форма сопротивления, при которой воздух, через который проходит транспортное средство, не может заполнить пространство отверстия, оставленного транспортным средством, что приводит к тому, что составляет вакуум.

Эта неспособность заполнить дыру, оставленную автомобилем, технически называется отслоением потока.

Отслоение потока применяется только к «задней вакуумной» части сил сопротивления и имеет все больший и больший отрицательный эффект по мере увеличения скорости транспортного средства. Фактически, сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости транспортного средства, поэтому требуется все больше и больше лошадиных сил, чтобы толкать транспортное средство по воздуху по мере увеличения его скорости.

Следовательно, когда транспортное средство достигает высоких скоростей, становится важным спроектировать автомобиль так, чтобы ограничить области отрыва потока. В идеале мы даем молекулам воздуха время, чтобы они следовали контурам кузова автомобиля и заполняли дыры, оставленные автомобилем, его шинами, подвеской и выступами (например, зеркалами, поперечинами).

Если вы были свидетелями гоночных автомобилей Ле-Мана, то наверняка заметили, как хвосты этих автомобилей имеют тенденцию значительно расширяться назад от задних колес и сужаться при взгляде сбоку или сверху.Эта дополнительная конструкция кузова позволяет молекулам воздуха плавно сходиться обратно в вакуум вдоль кузова в отверстие, оставленное кабиной автомобиля и передней частью, вместо того, чтобы внезапно заполнять большое пустое пространство.

Сила, создаваемая задним вакуумом, превышает силу, создаваемую лобовым давлением, поэтому есть очень веская причина минимизировать масштаб вакуума, создаваемого в задней части автомобиля.

Схема D3. Турбулентность создается за счет отрыва воздушного потока от транспортного средства.Последний неизбежный отрыв в самой задней части машины оставляет бурный след.

Когда поток отделяется, воздушный поток становится очень турбулентным и хаотичным по сравнению с плавным потоком на передней части объекта.

Если мы посмотрим на выступ из автомобиля, такой как зеркало на диаграмме D3 выше, мы увидим отрыв потока и турбулентность в действии. Воздушный поток отделяется от плоской стороны зеркала, которое, конечно же, обращено к задней части автомобиля.

Турбулентность, создаваемая этим отрывом, может затем повлиять на поток воздуха к частям автомобиля, находящимся за зеркалом.Например, воздухозаборники лучше всего работают, когда поступающий в них воздух течет плавно. Крылья создают гораздо большую прижимную силу с плавным обтеканием их. Следовательно, действительно необходимо оптимизировать всю длину автомобиля (в разумных пределах), чтобы обеспечить наименьшее количество турбулентности на высокой скорости.

Коэффициент сопротивления

Чтобы можно было сравнить сопротивление, создаваемое одним транспортным средством, с другим, было создано безразмерное значение, называемое коэффициентом сопротивления или Cd. У каждого транспортного средства есть Cd, который можно измерить с помощью данных в аэродинамической трубе.Cd можно использовать в уравнениях сопротивления для определения силы сопротивления при различных скоростях. В своей всеобъемлющей книге «Аэродинамика гоночных автомобилей: проектирование для скорости» Джозеф Кац приводит таблицу обычных транспортных средств, их компакт-дисков и лобовых поверхностей. Вот выдержка из этой таблицы:

Коэффициенты сопротивления автомобиля (отрывок из «Аэродинамика гоночных автомобилей» Джозефа Каца. © Bentley Publishers)

— цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб. — цена: + 0 руб.

Тип транспортного средства	Перетащите	Фронтальная зона
	Коэффициент Cq	A [м 2 ]	C D A [м 2 ]
Форд Эскорт 1.3 GL	0,39-0,41	1,83	0,71-0,75
Nissan Cherry GL	0,39-0,41	1,83	0,71-0,75
Volvo 360 GLT	0,40–0,41	1,95	0,78-0,80
Хонда Аккорд 1.8 EX	0,40–0,42	1,88	0,75-0,79
Nissan Stanza SGL 1.8	0,40–0,42	1.88	0,75-0,79
Мазда 323 1.5	0,41-0,43	1,78	0,73-0,77
Nissan Sunny	0,41-0,43	1,82	0,75-0,78
Talbot Horizon GL	0,41-0,44	1,85	0,76-0,81
Альфа Ромео Джульетта 1.6	0,42-0,44	1,87	0,79-0,82
Тойота Королла 1300 DX	0.45-0,46	1,76	0,79-0,81
VW Golf Cabrio GL	0,48-0,49	1,86	0,89-0,91
Полноразмерные седаны
Renault 25 TS	0,30–0,31	2,04	0,61-0,63
Ауди 100 1.8	0,30–0,31	2,05	0,62-0,64
Мерседес 190 E (190 D)	0.33-0,35	1,90	0,63-0,67
Мерседес 380 SEC	0,34-0,35	2,10	0,71-0,74
Мерседес 280 SE	0,36-0,37	2,15	0,77-0,80
Мерседес 500 SEL	0,36-0,37	2,16	0,78-0,80
BMW 518i (520i, 525e)	0,36-0,38	2,02	0.73-0,77
Citroen CX 25 Gti	0,36-0,39	1,99	0,72-0,78
BMW 323i	0,38-0,39	1,86	0,71-0,73
Альфа Ромео 90 2.0	0,38-0,40	1,95	0,74-0,78
Мазда 929 2.0 GLX	0,39-0,44	1,93	0,75-0,85
Saab 900 Gli	0.40-0,42	1,95	0,78-0,82
Вольво 740 GLE	0,40–0,42	2,16	0,86-0,91
Volvo 760 Turbo с интеркулером	0,40–0,42	2,16	0,86-0,91
Пежо 505 STI	0,41-0,43	1,97	0,81-0,85
Пежо 604 STI	0,41-0,43	2,05	0.84-0,88
БМВ 728i (732i / 735i)	0,42-0,44	2,13	0,89-0,94
BMW 745i	0,43-0,45	2,14	0,92-0,96
Форд Гранада 2.3 GL	0,44-0,46	2,13	0,94-0,98
Спорткары
Порше 924	0.31-0,33	1,80	0,56-0,59
Порше 944 Турбо	0,33-0,34	1,90	0,63-0,65
Nissan 300 ZX	0,33-0,36	1,82	0,60–0,66
Mazda 626 Coupe	0,34-0,36	1,88	0,64-0,68
Опель Монца GSE	0,35-0,36	1,95	0.68-0,70
Рено Фуэго GTX	0,34-0,37	1,82	0,62-0,67
Honda CRX купе	0,35-0,37	1,72	0,60-0,64
Audi купе GT 5E	0,36-0,37	1,83	0,66-0,68
Шевроле Корвет	0,36-0,38	1,80	0,65-0,68
Шевроле Камаро Z 28 E	0.37-0,38	1,94	0,72-0,74
Mazda RX-7	0,36-0,39	1,69	0,61-0,66
Toyota Celica Supra 2.8i	0,37-0,39	1,83	0,68-0,71
VW Scirocco GTX	0,38-0,39	1,74	0,66-0,68
Порше 911 Каррера	0,38-0,39	1,78	0.68-0,69
Honda Prelude	0,38-0,40	1,84	0,70-0,74
Mitsubishi Starion Turbo	0,38-0,40	1,84	0,70-0,74
Порше 928 S	0,38-0,40	1,96	0,74-0,78
Порше 911 Каррера Кабрио	0,40–0,41	1,77	0,71-0,73
Ягуар XJ-S	0.40-0,41	1,92	0,77-0,79

Из этой таблицы и наших знаний о форме кузова некоторых из этих транспортных средств мы можем сделать вывод, что наилучший Cd достигается, когда транспортное средство имеет следующие атрибуты:

• Имеет небольшой носик / решетку для минимизации лобового давления.
• Имеет минимальный дорожный просвет под решеткой, чтобы минимизировать поток воздуха под автомобилем.
• Имеет ветровое стекло с крутым наклоном (если есть), чтобы избежать повышения давления спереди.
• Имеет заднее окно / деку в стиле Fastback или наклонный кузов, чтобы воздушный поток оставался на месте.
• Имеет сужающийся «хвост» для удержания воздушного потока и минимизации площади, на которой в конечном итоге происходит отрыв потока.

Если это звучит так, будто мы только что описали спортивный автомобиль, вы правы. По правде говоря, чтобы быть идеальным, кузов автомобиля имел бы форму слезы, поскольку даже лучшие спортивные автомобили испытывают отрыв потока. Однако формы слезных капель не подходят для зоны, где движется автомобиль, а именно близко к земле.У самолетов нет этого ограничения, поэтому каплевидные формы работают.

Лучшие дорожные автомобили сегодня имеют КД около 0,28. Автомобили Формулы 1 с их крыльями и открытыми колесами (большой компонент сопротивления) выдерживают минимум 0,75.

Если учесть, что Cd плоской пластины составляет около 1,0, автомобиль F1 действительно кажется неэффективным, но то, что автомобилю F1 не хватает в эффективности аэродинамического сопротивления, компенсируется прижимной силой и мощностью в лошадиных силах.

Советы по аэродинамике (1/4)

Крышка Открытые колеса

Открытые колеса создают большое сопротивление и турбулентность воздушного потока, как на диаграмме зеркала в разделе «Турбулентность» выше.Полное закрытие кузова, вероятно, является лучшим решением, если это разрешено правилами, но если частичное использование кузова разрешено, размещение сходящегося обтекателя за колесом дает максимальную пользу.

Уменьшить фронтальную область

Чем меньше дыра, которую пробивает ваша машина в воздухе, тем лучше она будет разгоняться, тем выше будет максимальная скорость и тем ниже будет расход топлива. Обычно намного легче уменьшить FA (фронтальную площадь), чем Cd (коэффициент сопротивления).

Конвергентный кузов медленно

Кузов, который быстро сходится или просто усекается, вызывает турбулентность воздушного потока и создает большое сопротивление.Как упоминалось выше, это также может повлиять на аэродинамические устройства и кузов на задней части кузова транспортного средства.

Как работает аэродинамика | HowStuffWorks

В аэродинамике есть нечто большее, чем просто сопротивление — есть и другие факторы, называемые подъемной силой и прижимной силой. Подъем — это сила, которая противостоит весу объекта, поднимает его в воздух и удерживает там. Прижимная сила — это противоположность подъемной силы — силы, которая прижимает объект в направлении земли [источник: НАСА].

Вы можете подумать, что коэффициент лобового сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, не так ли? 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 такими аэродинамическими, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы. На таких скоростях и при их чрезвычайно легком весе эти автомобили действительно начинают испытывать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолет.Очевидно, что автомобили не предназначены для полета по воздуху, и если автомобиль взлетит, это может означать разрушительную аварию. По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы автомобиль оставался на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокий 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 — это более известное как прижимная сила. Это максимизирует скорость на поворотах, но необходимо тщательно уравновесить подъемную силу, чтобы автомобиль также мог двигаться по прямой [источник: Смит].

Многие серийные автомобили включают аэродинамические надстройки 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. Ferrari 599 GTB Fiorano имеет центральные стойки-контрфорсы, предназначенные также для направления воздуха назад — это помогает уменьшить сопротивление [источник: Classic Driver].

Но вы видите много спойлеров и крыльев на обычных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota.Действительно ли они добавляют автомобилю аэродинамические преимущества? 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 корпус создает слишком большую подъемную силу и, возможно, стал причиной нескольких аварий [источник: Эдгар].

В большинстве случаев, однако, крепление большого спойлера к задней части обычного автомобиля не поможет улучшить характеристики, скорость или управляемость — если вообще поможет. В некоторых случаях это могло даже вызвать недостаточную поворачиваемость или нежелание проходить повороты.Однако, если вы думаете, что этот гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.

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

Аэродинамика автомобилей | Как работает автомобиль

По мере роста стоимости бензина производители автомобилей проявляют все большую осторожность. в проектировании своих автомобилей, чтобы они были топливо эффективный.

Аэродинамические характеристики автомобиля

Современные автомобили имеют общие аспекты дизайна, потому что дизайнеры разных производителей пришли к одним и тем же выводам на основе независимых исследований.Сейчас принято считать, что определенные формы и особенности обеспечивают лучшую аэродинамику — это одна из причин, по которой многие современные автомобили имеют тенденцию выглядеть одинаково.

Одним из аспектов конструкции автомобиля, который играет важную роль в экономии топлива, является аэродинамика. эффективность — другими словами, автомобиль должен как можно меньше соответствовать сопротивление в виде возможно с воздуха, через который он проходит. Чем более аэродинамически он эффективнее тем меньше топлива он будет использовать для движения с любой заданной скоростью. Быстрее машина движется, тем важнее сохранить сопротивление воздуха — сопротивление — чтобы минимум.

Коэффициент трения

Аэродинамическая эффективность формы автомобиля измеряется его коэффициентом сопротивления (обычно известный как его Cd-фигура). Например, квартира пластина состоится в под прямым углом к ​​воздушному потоку имеет Cd 1,25, в то время как наиболее эффективный Формы серийных автомобилей в настоящее время имеют Cd около 0,28.

Однако это значение Cd не может использоваться само по себе для расчета автомобильной аэродинамическое сопротивление, поскольку при этом не учитывается площадь лобовой части автомобиля.Фронтальная площадь — это общее поперечное сечение автомобиля или общий объем пространства. он занимает, если смотреть спереди.

Полноразмерный автомобиль и шкала модель одного и того же будет иметь одинаковую Цифра CD, но более крупной версии потребуется гораздо больше мощности, чтобы продвинуть ее в скорость, потому что его лобовая площадь больше.

Становится скользко

Делая упор на аэродинамику, производители автомобилей стараются сделать так, чтобы каждый следующая модель более «скользкая» — аэродинамически — чем предыдущая. один.Взяв, к примеру, Jaguar XJ6, КД новой модели составляет 0,38, по сравнению с .44 для старой серии 3. Однако новая модель имеет больший лобовая площадь по сравнению со старым — 22,17 кв.м, против 21,3 у старше. Таким образом, новый XJ6 имеет CdA 8,42 (0,38 x 22,17) по сравнению с 9,37 для серии 3. Это означает, что новый Jaguar потребляет меньше энергии, чтобы водите его на любой конкретной скорости, и на той же мощности достигнет более высокая максимальная скорость.

По этой причине важным показателем является CdA (коэффициент лобового сопротивления). умноженное на площадь лобовой части), что дает общее сопротивление, действующее на тело.Таким образом, если вы сравниваете две машины, вы должны сравнить показатель CdA. а не компакт-диск.

Аэродинамические трубы

Производители автомобилей используют аэродинамические трубы, чтобы увидеть прототипы своих автомобилей. вести себя. В аэродинамической трубе автомобиль ставится на якорь и выдувается потоком воздуха. мимо него, чтобы смоделировать условия, которым будет соответствовать автомобиль во время движения. вперед.

Автомобиль подключен к приборам, которые регистрируют, сколько прижимной силы или как на каждом конце вагона создается большая подъемная сила.Поток воздуха мимо автомобиль становится видимым, если прикрепить к кузову небольшие пучки шерсти или выпуская струю дыма мимо него.

В обоих случаях путь, по которому ветер обтекает машину, может быть видно по тому, как ведет себя шерсть или дым. Дым также показывает поведение воздух перед автомобилем и за ним. Шерстяные пучки располагаются вдоль линии воздушного потока над телом, но не могут показать поведение воздуха спереди от или за автомобилем.

Модель или автомобиль в аэродинамической трубе можно поворачивать под разными углами, чтобы поток воздуха, чтобы инженеры могли видеть, как фигура тела ведет себя сбоку ветры.

Проектирование нестабильности

Центр давление эффективная точка на кузове автомобиля где действует ветер. Взаимное расположение центра давления в автомобиле и его центр тяжести (точка внутри автомобиля, через которую сила тяжести эффективно действует) имеют решающее значение для определения устойчивости автомобиля. Например, если центр давления находится значительно впереди центра силы тяжести боковой ветер может сбить машину с курса (справа).А автомобиль наиболее устойчив, когда центр давления находится немного впереди центр тяжести, как в случае с переднеприводным автомобилем, в котором большая часть веса направлена ​​вперед. Относительная высота этих двух факторов также важна. Если центр давления и центр тяжести находятся высоко на автомобиле, тогда боковой ветер может заставить машину катиться и, в крайнем случае, перевернуть.

Перетащите и скорость

Поскольку автомобили с годами стали быстрее, их аэродинамическая эффективность стал более важным, потому что количество энергии, необходимое для приведения в движение автомобиля на большой скорости поднимается с кубиком скорости.Чем быстрее ты идешь, тем больше мощности требуется, чтобы двигаться еще быстрее. Например, если двухлитровый Ford Sierra развивает 100 л.с. около 115 миль в час, вы можете определить, насколько быстро похожий автомобиль с вдвое большей мощностью должен ехать, игнорируя сопротивление качению. Кубический корень из 2 (от 200 л.с.) составляет 1,26, поэтому вторая машина должна достичь 115x 1,26 = 145 миль в час — примерно фактическая максимальная скорость 200-сильного Sierra. Cosworth.

Уменьшение сопротивления

Поворотный стол позволяет подавать на машину воздушный поток под любым углом.

Когда автомобиль установлен в аэродинамической трубе, его сопротивление измеряется количество сила что автомобиль воздействует на закрепленные вниз колеса, как ветер дует мимо него. По мере внесения изменений можно измерить влияние на сопротивление. и записал.

Обычно конструкторы автомобиля создают прототип, который выглядит так, как будто он будет легко скользить по воздуху, но однажды такие предметы, как воздухозаборники и добавляются дверные ручки, падает КПД.

Некоторые функции, которые помогают сгладить воздушный поток, можно увидеть на автомобилях. такие как Vauxhall Astra.У Astra низкий, плавно скошенный нос для стрижки. в воздухе, лобовое стекло, которое почти на одном уровне с окружающими кузов, чтобы не нарушался воздушный поток, боковые окна, которые также почти заподлицо с кузовом и накладками колес с минимумом контуров. Пристальное внимание к деталям, таким как углубление дверных ручек и обтекаемые наружные зеркала заднего вида помогают снизить аэродинамическое сопротивление, позволяя воздух течет более плавно и снижает склонность к образованию водоворотов.

Другие методы, используемые на современных аэродинамических автомобилях, включают в себя врезку дворники под обшивкой иллюминатора, когда они не используются, имеют всплывающее окно фары, которые соответствовать промыть нос автомобиля при выключении, и устранение выступающих желобов по краям крыши автомобиля.Осторожно внимание к деталям, воздушный поток можно даже сделать, чтобы удерживать линзы заднего фонаря чистый.

Использование аэродинамических труб для исследования хорошего воздушного потока

В аэродинамических трубах используется большой вентилятор с приводом от двигателя, который втягивает поток воздуха мимо автомобиля, имитируя движение по неподвижному воздуху на высокой скорости. Автомобиль стоит на чувствительных к давлению подкладках в центре туннеля, а смотровой экран сбоку от туннеля позволяет инженерам видеть, что происходит.

Хороший воздушный поток означает, что автомобиль скользит по атмосфере с минимальными помехами, оставаясь стабильными. Определенное количество прижимная сила необходима на обоих концах тела для устойчивости, но любая турбулентность в идеале должно происходить за задней частью автомобиля — это тоже помогает содержать его в чистоте.

В аэродинамических трубах используется большой двигатель с приводом от двигателя. поклонник всосать поток воздуха мимо автомобиль для имитации движения по неподвижному воздуху на скорости. Машина сидит на чувствительный к давлению колодки посреди туннеля и обзорный экран в сторона туннеля позволяет инженерам видеть, что происходит.

Практичность

Когда автомобиль разрабатывается для производства, часть аэродинамической чистоты оригинального дизайна обычно теряется. Иногда изменения вносятся для причины стоимости. Например, установка гладкого поддона может улучшить эффективность формы автомобиля, но изготовление этой панели потребовало бы дополнительных денег. и может затруднить доступ к таким компонентам, как коробка передач.

В других случаях из практических соображений, таких как необходимость более широкого шины , может сделать автомобиль менее аэродинамичным, чем прототип с тонкими шинами.Если автомобиль будет выпускаться серийно, его продажи могут быть сдержаны, если он будет включать в себя функции это слишком незнакомо.

Примером этого являются обтекаемые передние колеса автомобиля Ford. концепт-кар Probe. Sierra, который очень похож на Probe, но без обтесанных передних колес, продавались медленно, пока публика не привыкла Это. Если бы у него были обтекаемые передние колеса, продажи могли бы продолжаться. назад.

Стабильность

Относительно легко сконструировать машину, которая будет скользить по воздуху в прямая линия, когда нет ветра, но ее труднее обеспечить что автомобиль будет устойчивым, когда на него дует боковой ветер, или при прохождении поворотов на высокой скорости, что создает силу со стороны машина.

На боковой стороне автомобиля есть теоретическая точка, называемая центром давление, при котором эффективно действует давление ветра. Обращая внимание к центру давления и баланса сил, инженеры могут спроектировать больше стабильные автомобили.

Например, если центр давления был значительно выше центра тяжести автомобиля, боковой ветер заставил бы машину катиться, а также попытался бы ее толкнуть не в сети. Если центр давления находится перед центром автомобиля силы тяжести, сильный и порывистый боковой ветер заставит машину попытаться развернуться, чтобы центр тяжести ставим впереди.

Однако расположение центра давления смещается с изменением скорость автомобиля, а в некоторых случаях может даже сместиться так, что находится перед автомобилем сам. Решение состоит в том, чтобы сначала убедиться, что центр тяжести автомобиля хорошо вперед. Это одна из причин популярности переднеприводных автомобилей. компоновка привода, имеющая смещение веса вперед.

Центр давления также имеет тенденцию удерживаться дальше назад, если есть большая площадь кузова по направлению к задней части автомобиля.Некоторые гоночные автомобили у прошлого были хвостовые плавники, которые улучшили их стабильность на скорости за счет увеличения область в тыл. Низкая наклонная линия капота, обеспечивающая хорошее проникновение через воздух также помогает удерживать боковую часть в передней части машина.

Drag Queens: аэродинамика по сравнению с

Из июньского выпуска Автомобиль и водитель

Подобно ночному вору, сопротивление ветру — это незаметный злоумышленник, который снижает вашу скорость и убивает ваш километраж, не оставляя отпечатков пальцев.Мягкое журчание воздуха, струящегося над вашей машиной, под ней и сквозь нее, противоречит отвратительным ветрам.

Даже если нет альтернативы движению в атмосфере Земли, мы, по крайней мере, можем бороться с сопротивлением ветру с помощью науки. Аэродинамика — изучение движения воздуха — может поднять нашу максимальную скорость, сократить расход топлива и, если мы будем в этом разбираться, удержать наши шины прилипшими к асфальту.

Задолго до того, как автомобильные инженеры начали беспокоиться об аэродинамике, пионеры авиации определили основные принципы сопротивления и подъемной силы.Вдохновленные птицами и дирижаблями, демоны ранней скорости также играли с обтекаемыми формами. Первым автомобилем, который разогнался до скорости 60 миль в час (в 1899 году), была электрическая торпеда на колесах, которую весело назвали «La Jamais Contente» («Неудовлетворенные»). Гонщики Гран-при взялись за дело в начале 1920-х годов; В следующем десятилетии Auto Union и Mercedes-Benz разогнались до 300 миль в час с обтекаемыми моделями, разработанными в немецких аэродинамических трубах. Спустя полвека после того, как Чак Йегер преодолел звуковой барьер в полете, Энди Грин на своем Thrust SSC проехал 763 миль в час по пустыне Блэк-Рок в Неваде.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Теперь наша очередь. Car and Driver собрали пять скользких автомобилей, чтобы изучить их характеристики сопротивления и подъемной силы в аэродинамической трубе, название и местонахождение которой мы поклялись не раскрывать. У нас были две цели: во-первых, изучить тонкости обдува автомобиля воздухом в испытательной камере; во-вторых, чтобы определить, какой бренд лучше всего справился с оптимизацией аэродинамических характеристик своего автомобиля.

Есть причины, по которым вы раньше не читали эту историю. Каждый крупный автопроизводитель владеет и эксплуатирует аэродинамическую трубу, но эти объекты работают круглосуточно, поскольку инженеры работают над тем, чтобы опережать быстро растущую тенденцию к увеличению пробега EPA. Другой проблемой, мешающей легкому доступу, является соперничество между компаниями. В то время как производители часто рекламируют скользкость своей продукции, сравнения с конкурирующими моделями случаются редко.

Ответственный эксперт на нашем подпольном испытательном полигоне объясняет: «Все аэродинамические трубы стремятся точно измерить аэродинамику, с которой автомобиль будет испытывать в реальном мире.Транспортное средство и туннель составляют систему со сложными взаимодействиями. В результате измерения сопротивления и подъемной силы на конкретном транспортном средстве могут варьироваться от одного туннеля к другому ».

По его словам, группа транспортных средств может по-разному оцениваться в разных туннелях. Вот почему большинство производителей так мало верят в показатели аэродинамики, измеряемые за пределами их собственных предприятий. Испытания на выбеге, которые регистрируют скорость автомобиля при его замедлении, часто рекламируются как лучший «реальный» способ измерения аэродинамических свойств автомобиля.«В принципе, это может быть правдой, но на практике трудно получить точные результаты, потому что на результат влияют колебания ветра, температуры трансмиссии и качества шин. Прелесть аэродинамических труб в том, что они жестко контролируют переменные ».

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Нашим победителем здесь будет автомобиль с наименьшей площадью лобового сопротивления, которая является произведением площади лобовой части формы и ее коэффициента аэродинамического сопротивления и истинным показателем способности автомобиля противостоять ветру [см. «Немного многословный глоссарий» ниже] .На этом мы смиренно представляем наше первое в истории аэросравнение.

НЕКОТОРЫЙ ГЛОССАРИЙ С ДЛИННЫМ ОБРАТОМ

Аэродинамическая мощность в лошадиных силах: Мощность, необходимая для движения транспортного средства в атмосфере (не включая трансмиссию и потери при качении шин). Она увеличивается вместе с кубом скорости, так что мощность на скорости 100 миль в час в 2,9 раза превышает требуемую мощность на скорости 70 миль в час.

Площадь сопротивления: Произведение коэффициента лобового сопротивления и площади лобовой части является лучшим показателем аэродинамических характеристик любого автомобиля, поскольку оно прямо пропорционально горизонтальной силе, измеренной в аэродинамической трубе и испытанной на дороге.

Коэффициент сопротивления (CD): Безразмерный параметр, используемый для количественной оценки аэродинамической эффективности в горизонтальной плоскости (лобовое сопротивление).

Фронтальная область: Самый крупный горизонтальный вид автомобиля. Мы использовали 200-миллиметровый объектив камеры, расположенный в 150 футах от автомобиля, чтобы сделать цифровую фотографию, которую мы проанализировали с помощью программного обеспечения Siemens Solid Edge CAD.

Лифт: Воздух, проходящий над автомобилем и под ним, а также через решетку, может уменьшить нагрузку на колеса и, в крайних случаях, ухудшить управляемость.Воздушные дамбы и интерцепторы — эффективные средства противодействия.

Сопротивление ветру (сопротивление): Сила, пропорциональная площади сопротивления, увеличивается пропорционально квадрату скорости автомобиля.

Streamlines: Операторы аэродинамической трубы добавляют небольшое количество дыма в воздушный поток, чтобы показать, как ветер движется вокруг, под или сквозь тестируемое транспортное средство.

Drag Area = 7,8 ft²
Leaf — самая квадратная форма, которую мы катили в аэродинамической трубе, и у нее вторая по величине лобовая площадь в этом тесте — 24.5 квадратных футов. В сочетании с коэффициентом лобового сопротивления 0,32 это дает площадь лобового сопротивления 7,8 квадратных футов. Это разумная цифра для пятиместного универсала и всего на 30 процентов больше, чем у двухместной пулевидной модели Honda Insight 2001 года, которую мы привезли с собой и протестировали для справки.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Фары с глазками гордо возвышаются над V-образным носом Leaf, чтобы отводить воздух от наружных зеркал, которые часто являются источником турбулентности, сопротивления и шума.Чтобы максимально увеличить пространство в кабине, боковые окна приподняты, а крыша плоская, как лист фанеры. Хвост этого люка больше похож на защищающую от ветра телефонную будку, чем на гладкую каплю дождя.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Нижняя часть кузова Leaf плоская и скользкая (что становится все более распространенной чертой в новых автомобилях), а полосы диффузора встроены в его заднюю панель. В чистом электромобиле нет необходимости в большом радиаторе, поэтому единственный воздух, попадающий в нижнюю решетку, — это охлаждение электрооборудования и вентиляция аккумулятора и салона.Воздух, проходящий через внутренние полости автомобиля, является основным источником сопротивления и подъемной силы.

Nissan инвестировал 5 миллиардов долларов в разработку первого серийного электромобиля, продаваемого по всей Америке. Если повезет, у котенка осталось несколько иен, чтобы снизить сопротивление в следующем поколении.

Площадь сопротивления = 7,0 футов²
CLA 250 имеет наименьшую площадь лобовой части в этом тесте. Измеренный нами коэффициент лобового сопротивления — 0,30 — выше, чем ожидалось для того, что Mercedes называет эталоном аэродинамики для серийных автомобилей.Но стоит отметить, что Mercedes не поддерживает специальные функции, такие как автоматические жалюзи решетки радиатора, на американских моделях. И хотя этот спортивный седан оснащен двигателем с турбонаддувом и автоматической коробкой передач, чтобы сохранять хладнокровие, его площадь лобового сопротивления в 7,0 квадратных футов конкурентоспособна с гибридами и электрикой.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Оба конца CLA сильно сужены для защиты от ветра.Фары заворачиваются назад, как глаза королевы ботокса, слишком туго затянутой в хвост. Мини-спойлеры под автомобилем направляют воздух вокруг передних шин, а обтекатели сглаживают поток воздуха под двигателем и задней подвеской.

Крыша CLA жертвует некоторой задней высотой, но стоит отдать должное Mercedes за то, что он придал своей модели начального уровня аэродинамический дизайн, обеспечивающий высокую топливную эффективность.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Область перетаскивания = 6.7 футов²
Коэффициент аэродинамического сопротивления среднего блока Volt (0,28) и площадь лобовой части (23,7 квадратных футов) дают ему оценку площади лобового сопротивления, которая, в общем, соответствует среднему уровню. Традиционно выглядящая решетка этого подключаемого гибрида почти полностью заблокирована, чтобы отводить воздух сверху и по бокам. Это дает увеличение нагрузки на переднюю ось на 15 фунтов на скорости 70 миль в час, что способствует устойчивости на шоссе.

Передние фонари Volt простираются до колес, а от верхней части решетки до задней кромки люка есть лыжный магнат красивой формы, обеспечивающий плавный ход для скольжения.Боковые зеркала заднего вида, установленные на стойках, пропускают ветер. GM создал Volt так, чтобы воздушный поток оставался на боковых поверхностях как можно дольше, чтобы уменьшить турбулентность. Плоский удлинитель люка помогает стабилизировать кильватерный след автомобиля.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Но даже если хвосты Prius и Volt выглядят примерно одинаково, мы измерили на 50 процентов больше подъемной силы сзади у Chevy. Снижение нагрузки на задние колеса Volt на 26 фунтов не вызывает беспокойства, но именно такая разница говорит вам, что вы должны доверять аэродинамической трубе, а не визуальной оценке формы любого автомобиля.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Площадь лобового сопротивления = 6,2 фута²
Многолетний представитель Toyota в области гибридных технологий занял второе место в нашем тестировании с аккуратной лобовой площадью 23,9 квадратных фута и чистым коэффициентом аэродинамического сопротивления 0,26. Подключаемые модули Prius, Prius C и Prius третьего поколения — самые эффективные гибриды на рынке, во многом потому, что они отдают ветру так мало энергии.Это приводит к 50 милям на галлон в комбинированных оценках экономии топлива EPA и только 42 лошадиным силам (по сравнению с уже низкими 45 у Volt), необходимыми для преодоления аэродинамического сопротивления на скорости 100 миль в час.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Верхняя поверхность этого автомобиля имитирует аэродинамический профиль — одну из самых эффективных форм для пробивания чистой дыры в атмосфере. Лобовое стекло сливается с крышей без дополнительных молдингов, препятствующих воздушному потоку.Зеркала в форме яйца хорошо отделены от почти плоских боковых поверхностей. Спицы колесных колпаков гладкие, чтобы свести к минимуму отток.

Круто наклоненный капот и контролируемый поток воздуха через двигатель / моторный отсек обеспечивают 4 фунта передней прижимной силы на скорости 70 миль в час. Задний подъемник составляет всего 17 фунтов.

Площадь сопротивления = 6,2 фута²
Предел победы Tesla над Prius кроется в погрешности, характерной для аэродинамических труб. S занимает наш верхний слот благодаря своим большим 25.2 квадратных фута и более низкий коэффициент лобового сопротивления 0,24, что дает такую ​​же площадь лобового сопротивления 6,2 квадратных фута, как у Prius. Низкое лобовое сопротивление — более сложная задача с большей лобовой площадью, отсюда и общая победа Tesla. Будьте осторожны при проверке наших математических расчетов, потому что в конце вычислений измерения были округлены.

В Model S есть нечто большее, чем красивое лицо и гладкий внешний вид. Пневматическая подвеска снижает дорожный просвет на скоростях по шоссе (мы тестировали в нижнем положении). Контурный подбородок под решеткой помогает удерживать воздушный поток, проходящий под плоским днищем автомобиля.Внешние углы передней панели отклоняют воздух вокруг шин. Жалюзи закрывают три отверстия решетки до тех пор, пока внутренние теплообменники не потребуют воздушного потока. Спойлеры и ограждения отводят воздух от передних колесных арок, а выходящий воздух направляется под автомобиль, а не через колесные отверстия. Задний диффузор выравнивает поток, чтобы минимизировать подъемную силу и сопротивление, в то время как сверху дополнительный спойлер из углеродного волокна уменьшает подъемную силу, не снижая сопротивления.

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Аэродинамика Model S стала результатом компьютерного моделирования, дополненного посещениями в аэродинамической трубе.Наши дорожные испытания Model S показали максимальную скорость 134 миль в час и реальный запас хода 211 миль. С более высокой передачей P85 Model S может разогнаться до 200 миль в час. Очевидно, что это аэродинамический электромобиль, заслуживающий пристального внимания мировых автопроизводителей. Это доказывает, что вы можете выглядеть гладко и одновременно.

$ 34,995 906.3 дюйма 908 при 5500 90 90 908 при 1250 903 при 0 с

Автомобиль	2014 Chevrolet Volt	2014 Mercedes- Benz CLA250	2012 Nissan Leaf SL	2012 Tesla Model S P85	2014 Toyota Prius
Базовая цена	$ 30,825	$ 38,100	$ 93,390	$ 29,245
Цена по результатам испытаний	$ 35,995	$ 35,855	$ 38,290	$ 100,520	177.1 дюйм	182,3 дюйма	175,0 дюйма	196,0 дюйма	176,4 дюйма
Ширина	70,4 дюйма	70,0 дюйма	69,7 дюйма	77,3 дюйма	68,7 дюйма
Высота 56,6 дюйма	56,6 дюйма	61,0 дюйма	56,5 дюйма	58,7 дюйма
Колесная база	105,7 дюйма	106,3 дюйма	116,5 дюйма	106,3 дюйма
Вес	3766 фунтов	3374 фунта	3353 фунта	4785 фунтов	3180 фунтов
Силовой агрегат	DOHC 1,4-литровый рядный 4 + электродвигатель переменного тока, вариатор	2,0-литровый рядный 4-цилиндровый двигатель с турбонаддувом DOHC 7-ступенчатый автоматический с двойным сцеплением	Электродвигатель переменного тока, одинарный скоростной привод	Электродвигатель переменного тока, односкоростной привод	DOHC 1.8-литровый рядный 4 + электродвигатель переменного тока, вариатор
Мощность л.с. при об / мин	84 при 4800 (двигатель)	107 при 10000	6 при 8600	98 при 5200 (двигатель )
Крутящий момент LB-FT при об / мин	1 при 0 (двигатель)
187 при 0	153 при 0 (двигатель)
Ведомые колеса	передний	передний	передний	задний	передний
Производительность
Ускорение					3
6,3 с	10,2 с	4,6 с	10,0 с
¼-миля при MPH	16,7 с при 85	14,9 с при 95	17,7 с при 78	13,3 с при 104	17,6 с при 79
Максимальная скорость	101 миль / ч (ограничено губернатором )	133 миль / час (ограничено регулятором)	94 миль / час (ограничено регулятором)	134 миль / час (ограничено красной линией)	115 миль / час (ограниченное сопротивление)
Топливо
EPA City / Hwy	35/40 миль на галлон Результаты производительности C / D , ноябрь 2011 г.	26/38 миль на галлон Результаты производительности для C / D , декабрь 2013 г.	126/101 mpge Результаты производительности для C / D , март 2014.	88/90 mpge Результаты производительности с C / D , январь 2013 г.	51/48 миль на галлон Результаты производительности по сравнению с C / D , июль 2009 г.
Результаты теста C / D в аэродинамической трубе
Коэффициент сопротивления	0.28	0,30	0,32	0,24	0,26
Фронтальная площадь	23,7 кв. Фута	23,2 кв. Фута	24,5 кв. Фута	25,2 кв. Футов	900 кв.
Площадь перетаскивания (фронтальная область CD X)	6,7 квадратных футов	7,0 квадратных футов	7,8 квадратных футов	6,2 квадратных футов	6.2 квадратных фута
Drag Force @ 70 миль в час	84 фунта	88 фунтов	97 фунтов	77 фунтов	78 фунтов
Aero Power @ 70 миль в час	16903	16 л.с.	18 л.с.	14 л.с.	14 л.с.
Aero Power @ 100 миль в час	45 л.с.	48 л.с.	53 л.с.	42 л.с. 42 л.с.
Подъемник передней оси @ 70 миль в час	-15 фунтов	46 фунтов	-12 фунтов	23 фунта	-4 фунта
Подъем задней оси @ 70 миль / ч	26 фунтов	44 фунта	11 фунтов	17 фунтов	17 фунтов

МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

аэродинамических вагонов

В наши дни каждый хочет машину, которая выглядит гладкой и экономичной. Вот почему так много производителей автомобилей сосредоточены на создании аэродинамических автомобилей.Чтобы автопроизводители могли достичь желаемой аэродинамики, к которой стремятся потребители, они должны уменьшить лобовое сопротивление и другие причины нестабильности на высоких скоростях.

Коэффициент лобового сопротивления автомобиля, или Cd, — это то, как автомобили оцениваются по их аэродинамике. Формула для определения площади лобового сопротивления автомобиля заключается в умножении площади лобовой части на Cd. Howstuffworks сообщает нам, что при разработке аэродинамики учитывается вся форма автомобиля. Это означает, что даже фары и колесные арки обтекаемы.

Самые аэродинамичные автомобили, которые вы можете купить

Вы обнаружите, что большинство автомобилей сделаны так, чтобы быть в некоторой степени аэродинамичными для современных потребителей. Однако некоторые из них построены более аэродинамически, чем другие. Если вы ищете один из самых аэродинамических автомобилей, которые вы можете купить сегодня, вам стоит обратить внимание на один из них:

• Mercedes-Benz A-Class
• Mercedes-Benz CLA
• Mercedes-Benz Салон S-Класса
• Toyota Prius
• Hyundai Ioniq
• BMW 7 series L
• Tesla Model X
• Kia Optima Hybrid
• Audi A6
• BMW i8
• Mazda 3 Saloon

Согласно Soft Tops Все Худс Лтд.эти аэродинамические автомобили действительно выделяются среди конкурентов. Каждый из них предлагает отличный коэффициент лобового сопротивления, а также другие невероятные функции, которые делают их отличным выбором для тех, кто ищет новый автомобиль, который хорошо выглядит и имеет аэродинамический дизайн.

Аэродинамические трубы используются для проверки аэродинамики автомобиля, потому что, согласно Popular Mechanics, многие изменения можно внести за короткое время. Аэродинамическая труба — это большая труба, в которой используются вентиляторы, которые нагнетают воздух над автомобилем для измерения сопротивления воздуха.Инженеры изучают это, чтобы выяснить, как воздух взаимодействует с различными формами транспортных средств и материалами.

Mercedes-Benz A-Class

Неудивительно, что с его 0,22-дюймовым диском и значительно уменьшенной лобовой площадью этот автомобиль занимает первое место в списке аэродинамических автомобилей. Вы найдете его слегка наклонную решетку радиатора и чистые линии, которые интригуют. У него есть панели по всему кузову и фара на днище, которые улучшают конструктивные особенности и превосходный коэффициент аэродинамического сопротивления.

Mercedes-Benz CLA

Mercedes-Benz CLA также имеет компакт-диск.22 и стал впечатляющим дополнением к семейству Mercedes с момента своего появления в 2013 году. Такие особенности, как задний спойлер и выхлопной спойлер, помогают этому автомобилю хорошо выглядеть, а также придают ему аэродинамику, которую вы ищете от седана. Его плавные, гладкие линии и профиль ветро-срезки придают вам желаемый вид и помогают добиться желаемой эффективности.

Mercedes-Benz S-Class Saloon

Этот автомобиль не только надежен и аэродинамичен, но и экономичен.Он имеет компакт-диск. калибра .24, и вы обнаружите, что в его конструкцию встроено больше металла. С активными жалюзи решетки радиатора, улучшающими поток воздуха, он может эффективно использовать воздух для охлаждения двигателя. Это увеличивает эффективность седана S-Класса на дороге.

Toyota Prius

В четвертом поколении Toyota Prius очень аэродинамична и обеспечивает КД 0,24. У этого автомобиля есть линии и углы, которые делают его более эффективным, чем у конкурентов. У него есть панели днища и продвинутая линия крыши, которая сдвинута вперед, что делает его еще более аэродинамичным.Его относительно небольшая передняя часть помогает отводить воздух вокруг кузова, а небольшое отверстие в верхней решетке предотвращает прохождение воздуха через автомобиль. Эта комбинация означает, что он может разрезать воздух с минимальными усилиями.

Hyundai Ioniq

Вы обнаружите, что Hyundai Ioniq вдохновлен каплевидной формой, которая помогает направлять ветер по кузову для максимальной аэродинамической устойчивости. Он имеет активную воздушную заслонку, которая в закрытом состоянии обеспечивает потрясающую аэродинамику на крейсерской скорости. Это самый аэродинамичный гибрид на дороге.Благодаря встроенному заднему спойлеру и воздушным завесам колес он потребляет меньше кВтч, чем его конкуренты.

BMW 7 серии L

Этот немецкий автомобиль отличается надежностью и аэродинамикой, обеспечивая КД 0,24. Благодаря расширенным функциям, таким как дополнительные воздушные завесы и ставни, вы действительно заметите, как они увеличивают функциональность дверей. Он имеет активную решетку радиатора и систему охлаждения двигателя с электронным управлением, чтобы улучшить управляемость и облегчить скольжение по улицам.

Tesla Model X

Оцените Tesla Model X, если вы хотите испытать самый аэродинамичный внедорожник из когда-либо созданных. С его Cd 0,25 этот автомобиль способен разогнаться с нуля до 60 за 2,7 секунды, что очень впечатляет для внедорожника. Он имеет обтекаемый дизайн и спойлер, которые помогают легко прорезать воздух.

Kia Optima Hybrid

Тем, кто хочет экономичный гибрид, который также обладает аэродинамическими характеристиками, стоит обратить внимание на Kia Optima Hybrid.Он сочетает в себе двигатель внутреннего сгорания с высококачественной аккумуляторной батареей для достижения расширенных возможностей. Уникальный для данной модели задний бампер и передняя воздушная завеса также добавляют аэродинамики этому автомобилю.

Audi A6

Audi A6 зарекомендовал себя как аэродинамический автомобиль, сочетающий в себе экономичный мягкий гибрид и тихую езду. Его конструкция позволяет воздуху плавно обтекать кузов, сводя к минимуму дорожный шум. Этот автомобиль обеспечивает водителям КД 0,26, что позволяет легко управлять автомобилем в большинстве дорожных условий.

BMW i8

Взгляните на BMW i8, и вы сразу заметите его аэродинамическую форму. Вырезы и воздушные завесы делают этот автомобиль более эффективным и дают ему возможность плавно рассекать воздух. У него Cd 0,26, так что вы знаете, что вас ждет захватывающая поездка. Это подключаемый гибрид, который действительно будет иметь значение благодаря своей гидродинамике и превосходным характеристикам.

Mazda 3 Saloon

Если вам нужна большая экономия топлива и меньше выбросов угарного газа, тогда обратите внимание на Mazda 3 Saloon.Его 0,27 Cd в сочетании с двигателем Mazda SkyActiv означает, что он экономит топливо как на шоссе, так и на городских улицах. Производитель этого автомобиля сосредоточился на том, чтобы даже днище и подвеска работали на улучшение аэродинамических качеств.

Это одни из лучших автомобилей на рынке на сегодняшний день, если вы ищете что-то аэродинамическое, которое привлекает внимание, когда вы проезжаете мимо. Вы будете впечатлены их элегантным дизайном и впечатляющими возможностями с первого взгляда.

Информация и исследования в этой статье проверены сертифицированным ASE техническим специалистом Дуэйн Саялун из YourMechanic.ком . Для любых отзывов или запросов на исправления, пожалуйста, свяжитесь с нами по телефону [email protected] .

Источники:

The Most Aerodynamic Cars You Can Buy in 2019

https://www.popularmechanics.com/cars/car-technology/a21272157/aerodynamics -car-science /

https://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/fuel-economy/aerodynamics2.htm

https://www.caranddriver.com/news/a15348961/no-prototypes-how- автопроизводители-максимизируют-эффективность-автомобиля-виртуально /

https: // www.caranddriver.com/mercedes-benz/cla-class

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Как это работает: аэродинамика | Вождение

Экономия топлива — важная проблема для транспортных средств, но это не просто повышение эффективности двигателя.Форма транспортного средства и то, как воздух обтекает его, играют большую роль в расходе топлива, и автопроизводители тратят много времени на то, чтобы убедиться, что они все сделали правильно.

Компании могут потратить много денег на такие технологии, как легкие материалы или многоступенчатые трансмиссии, в то время как экономичная форма иногда может быть столь же простой, как настройка конструкции крыла перед запуском автомобиля в производство. По этой причине инженеры часто называют аэродинамику «экономией свободного топлива». Тем не менее, они немного шутят.Ничто в автомобильном мире никогда не бывает бесплатным, и для получения правильной аэродинамики требуется много часов исследований с использованием очень дорогого оборудования.

Воздушные лопатки в аэродинамической трубе Volvo.

Движущееся транспортное средство должно вытеснять воздух, и для этого требуется топливо. Около половины механической работы двигателя используется только для преодоления сопротивления ветра и сопротивления качению шин, и неудивительно, что чем быстрее вы едете, тем сильнее воздух хочет оттолкнуть вас. Инженеры измеряют это сопротивление воздуха как коэффициент лобового сопротивления (Cd), и автомобиль с низким Cd более аэродинамичен, чем автомобиль с большим числом.Например, Toyota Prius имеет КД 0,24, в то время как более квадратная спортивная утилита Toyota Highlander — 0,33 Кд. Для сравнения, квадратный седан 1930-х годов мог быть близок к 1,0 Cd.

Самым аэродинамичным автомобилем из всех возможных был бы автомобиль с низкой посадкой, каплевидной формы, полностью гладкий, не намного шире, чем его пассажир — отличный вариант для установления рекордов экономии топлива, но не очень практичный. Вместо этого инженерам приходится работать с такими реалиями, как объем салона, клиренс и охлаждение двигателя.

Тестирование аэродинамики конструкции обычно начинается с компьютерного моделирования, которое определяет, как воздух будет обтекать транспортное средство и, что не менее важно, где он может застрять или плохо двигаться. Когда первоначальный дизайн установлен, он попадает в аэродинамическую трубу, обычно с использованием глиняной модели или макета. Обычно они полноразмерные, но есть и меньшие версии. В дополнение к обычному туннелю General Motors также использует туннель, который на 40 процентов меньше, с глиняными моделями соответствующего размера. Пропорциональная регулировка скорости ветра дает ту же информацию, что и полноразмерные, но быстрее и дешевле строить модели меньшего размера.

Общая форма транспортного средства имеет решающее значение для его эффективности, но это только начало. Необходимо учитывать все, что отходит от этого супер-гладкого идеала, например дверные ручки, дворники и водосточные желоба. Зеркала доставляют свою долю головной боли, потому что они не могут быть слишком маленькими или необычной формы. Любые выступы или углубления, которые вы видите на них, служат не для эстетики, а для улучшения воздушного потока.

Моторные отсеки тоже могут быть проблемными. Воздух должен поступать внутрь для охлаждения двигателя, но он также увеличивает сопротивление, когда сталкивается с брандмауэром.Решетка должна быть достаточно большой для самых жарких дней, но поскольку полный поток не всегда требуется в другое время, некоторые автомобили оснащены активными жалюзи. Они располагаются за решеткой и автоматически закрываются, чтобы уменьшить количество поступающего воздуха, когда он не нужен, улучшая аэродинамику, и открываются, когда требуется большее охлаждение. (Жалюзи также могут оставаться закрытыми при запуске автомобиля в холодную погоду, что может сократить время, необходимое двигателю для достижения идеальной рабочей температуры.)

То, что находится под автомобилем, также может быть проблемой, и инженеры должны расположить такие компоненты, как выхлопная система, так, чтобы воздух проходил плавно. Многие автопроизводители добавляют поддоны днища кузова, но необходимо учитывать их плюсы и минусы. Любые дополнительные детали могут увеличить вес, что потенциально может компенсировать любое повышение топливной эффективности, обеспечиваемое аэродинамикой, а также стоимостью и сложностью производства, и автопроизводители должны выбрать лучший вариант. Тем не менее, прикрытие всего — не единственная уловка, которую используют инженеры, и такая, казалось бы, незначительная вещь, как добавление небольших плавников под облицовку бампера, может перенаправить и улучшить воздушный поток.

Небольшая модель в аэродинамической трубе уменьшенного размера General Motors.

Каждый автомобиль на дороге сегодня разработан с учетом аэродинамики, вплоть до тягачей с прицепом. С прямоугольным прицепом мало что можно сделать, но некоторые автотранспортные компании добавляют откидные створки к задней части и боковые юбки между колесами прицепа, чтобы улучшить воздушный поток на шоссе. Пикапы также выигрывают от аэродинамического дизайна, а старый трюк с открыванием задней двери, который, по мнению многих, позволяет воздуху проходить через кузов, а не попадать в заслонку, на самом деле увеличивает расход топлива.На более высоких скоростях при закрытой двери багажника в кровати образуется «пузырь», и воздух плавно обтекает его.

Наряду с практичностью автомобиля инженеры по аэродинамике также должны учитывать его внешнюю привлекательность. Они так много могут сделать с конструкцией колес, в то время как слишком низкая передняя панель может зацепиться за парковочные бордюры, а слишком высокий задний спойлер может повлиять на обзор. Правильная аэродинамика — это не только топливная экономичность. Правильный воздушный поток также может улучшить управляемость и устойчивость автомобиля, снизить шум ветра внутри кабины, охладить тормоза и даже оптимизировать системы отопления и кондиционирования воздуха.

Это больше, чем просто причудливое слово

В двух словах об аэродинамике

Мы могли бы начать с утверждения, что в механике жидкости воздух считается жидкостью. Чем плотнее жидкость, тем большее сопротивление она окажет любому движущемуся сквозь нее объекту. — для простоты предположим, что плотность воздуха остается постоянной и составляет 1,225 кг / м3.

Этот тип сопротивления называется «сопротивлением» и представляет собой параллельный компонент силы, противодействующий движению транспортного средства.Это также функция скорости автомобиля и зависит от его формы, а также от его передней части… и что? Можно спросить.

Проблема в том, что чем больше сопротивление, тем выше будет расход топлива и тем больше будет снижена максимальная скорость автомобиля (при условии, что выходная мощность двигателя остается постоянной).

Теперь, если мы вернемся к теме высокопроизводительных автомобилей , важно понять, что компоненты, генерирующие прижимную силу (например, большие задние крылья!), Имеют недостаток, заключающийся в увеличении лобового сопротивления .

Эта так называемая «прижимная сила», также называемая отрицательной подъемной силой, представляет собой компонент вертикальной силы, действующий вниз по направлению к земле. Это позволяет увеличить скорость прохождения поворотов, поскольку увеличивает тяговое усилие шины, а также снижает скольжение шины, особенно при нажатии на газ при выходе из поворотов со средней / высокой скоростью.

Самыми распространенными элементами, генерирующими прижимную силу, — далеко не единственными — являются задние крылья, передние аэродинамические «щелчки» или диффузоры. Другие решения могут включать S-образный воздуховод, такой как тот, что есть на Ferrari 488 Pista. Важно помнить, что все эти элементы взаимодействуют друг с другом, создавая общую аэродинамическую прижимную силу автомобиля . Это не всегда вопрос достижения максимальной общей прижимной силы; необходимо учитывать его переднее / заднее распределение, так как это повлияет на управляемость — подробнее об этом позже.

Как определить прижимную силу?

Коэффициент подъемной силы является наиболее важным показателем и определяется следующим образом:

Где:

• Cl = коэффициент подъемной силы (безразмерный)
• F = общая прижимная сила (в ньютонах)
• V = скорость автомобиля (в м / с)
• ρ = плотность воздуха (в кг / м3)
• A = площадь лобовой части автомобиля (в м2)

Важно помнить, что значение Cl будет отрицательным при работе с прижимной силой.

Обычное заднее крыло спортивного автомобиля будет генерировать прижимную силу в отличие от крыла самолета, которое будет создавать подъемную силу — прижимная сила или подъемная сила достигается за счет разницы давлений воздушного потока между верхней и нижней поверхностями крыла.

В случае заднего крыла автомобиля воздух будет двигаться быстрее по более низкой поверхности, где давление будет ниже; обратное верно для верхней поверхности, где поток воздуха будет двигаться медленнее, а давление будет выше.

Это то, что создает чистую вертикальную составляющую силы, действующую на землю, о которой я упоминал ранее. Чем больше перепад давления между верхней и нижней поверхностью, тем большую прижимную силу создает крыло.

Коэффициент подъемной силы Cl безразмерен, и чем больше его величина, тем большее аэродинамическое сцепление будет обеспечивать транспортное средство — в основном, вертикальная составляющая силы, «толкающая автомобиль» о землю, будет больше.

Из уравнения Cl можно заметить, что прижимная сила (F) прямо пропорциональна квадрату скорости и, следовательно, не будет иметь постоянного значения при ускорении транспортного средства.Решение исходного уравнения для прижимной силы F дает:

Плотность воздуха (1,225 кг / м3) и площадь лобовой поверхности транспортного средства (рассчитанная производителем) остаются неизменными. Таким образом, у нас есть все данные, необходимые для проведения моделирования CFD (вычислительная гидродинамика), испытаний в аэродинамической трубе и гусениц, чтобы найти значения прижимной силы на разных скоростях и сопоставить результаты моделирования и реальных испытаний.

Используя необходимые приборы, производители могут экспериментально определить общую прижимную силу (FTotal) на заданной скорости и выразить ее через общую прижимную силу передней оси (FFront Axle) и общую прижимную силу задней оси (FRear Axle).Таким образом, общая прижимная сила «F» из приведенного выше уравнения также равна:

Мы используем переднюю и заднюю оси, потому что они являются удобными точками измерения силы и позволяют определить аэродинамический баланс. Прижимная сила передней оси (FFront Axle) будет суммой эквивалентных аэродинамических сил, действующих на передние колеса, а прижимная сила задней оси (FRear Axle) будет суммой эквивалентной аэродинамической силы, действующей на задние колеса. Таким образом:

Это хороший момент, чтобы остановиться и подумать о недостаточной и избыточной поворачиваемости. Автомобиль с чрезмерным аэродинамическим сцеплением спереди и недостаточным сзади будет склонен к избыточной поворачиваемости в поворотах, так как передний конец будет иметь большее сцепление с дорогой. . Задняя часть, однако, будет более рыхлой, и водителю потребуется противодействие поворачиванию в середине поворота (по сути, коррекция), чтобы избежать обгона задней части передней части.

В случае слишком большой прижимной силы сзади и недостаточной спереди автомобиль будет склонен к недостаточной поворачиваемости . Это упрощенный взгляд на баланс транспортного средства, но по сути это правда.Есть много других факторов, которые влияют на баланс и управляемость, такие как жесткость подвески (стабилизаторы поперечной устойчивости / амортизаторы), распределение веса… Тем не менее, аэродинамика и остальные механические системы должны работать как единое целое, чтобы обеспечить хорошее переднее / заднее колесо. компромисс с захватом.

Напомним, что прижимная сила — это именно сила. Таким образом, он измеряется в Ньютонах. Однако многие источники называют это «килограммами прижимной силы». Легко понять, почему цифра, указанная в килограммах, удобнее читать и облегчает понимание концепции для более широкой аудитории.Это можно рассматривать как распределенную массу (добавленную к весу транспортного средства), которая «толкает автомобиль на дорогу».

Однако в этом анализе мы указали его только как силу «F» (из первого уравнения коэффициента подъемной силы). Итак, как нам рассчитать это в килограммах?
Просто, мы можем использовать второй закон Ньютона, который гласит, что сила равна массе, умноженной на ускорение . Наша сила в этом случае — это прижимная сила (с учетом номенклатуры «F»), а ускорение g — это постоянное ускорение силы тяжести, равное 9.81 м / с2. Таким образом:

Где:

• F = общая прижимная сила при заданной скорости (в ньютонах)
• м = масса (в кг)
• г = 9,81 м / с2

Отсюда можно уточнить такое распространенное утверждение, как «этот автомобиль создает 800 кг прижимной силы », поскольку мы знаем, как рассчитать прижимную силу, и знаем значение гравитационной постоянной (9,81 м / с2). Следовательно, решение предыдущего уравнения для массы («м») даст нам аэродинамическую прижимную силу в килограммах следующим образом:

Как упоминалось ранее, прижимная сила увеличивается пропорционально скорости.Тем не менее, принято указывать его в килограммах прижимной силы на скорости 150 миль в час (или в ньютонах на скорости 150 миль в час, мы можем легко перейти от одной единицы к другой, как показано).

В заключение, ключевой момент заключается в том, чтобы помнить, что прижимная сила не остается постоянной при увеличении скорости и что она улучшает угловую скорость, а также улучшает стабильность при резком торможении с высоких скоростей и помогает «снизить мощность» при ускорении за счет обеспечение большего сцепления шин с дорогой, что приводит к большему продольному ускорению.Соотношение между скоростью и прижимной силой определяется уравнениями. Наиболее важным аспектом является получение оптимального баланса прижимной силы между передней и задней частью, обеспечивающего предсказуемую управляемость.

Часто задаваемые вопросы

Что такое аэродинамика?

Аэродинамика — это способ, которым воздух движется вокруг предметов, и все, что движется по воздуху, подвержено влиянию аэродинамики.

Что означает аэродинамика?

Аэродинамика — это выражение, используемое для описания того, как воздух обтекает, вокруг и под всем, что движется по воздуху, например, автомобилем, самолетом или даже животным.

Как работает аэродинамика?

Аэродинамика — это изучение сил и того, как эти силы управляют движением объектов, таких как автомобиль или самолет, при их движении по воздуху. Изучение аэродинамики является важной частью создания автомобилей с высокими характеристиками и помогает измерить подъемную силу.

Что такое четыре силы аэродинамики?

Четыре силы аэродинамики — это подъемная сила, сила тяжести, тяга и сопротивление. Подъем — это сила, действующая вверх (часто с которой борются автопроизводители), а сила тяжести — это сила, действующая вниз.