13Окт

Аэродинамика авто – Аэродинамика автомобиля

Содержание

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

avtonov.info

Аэродинамика автомобиля — Энциклопедия журнала «За рулем»

Понятие «аэродинамика автомобиля» включает в себя много аспектов, важнейшими из которых являются:
— обеспечение минимальной силы сопротивления воздуха при движении автомобиля с целью уменьшения расхода топлива или повышения скорости движения;
— уменьшение аэродинамической подъемной силы, стремящейся оторвать автомобиль от дороги и снижающей сцепление колес с дорожным покрытием;
— снижение загрязнения стекол, ручек дверей и других поверхностей автомобиля;
— обеспечение оптимальных воздушных потоков для снабжения двигателя воздухом, его охлаждения, вентиляции салона;
— снижение аэродинамического шума.

Снижение коэффициента Сх легковых автомобилей в конце XX века

Кузов автомобиля, особенно легкового, как наиболее крупная часть автомобиля, оказывает решающее влияние на характер взаимодействия автомобиля с воздушной средой. Аэродинамическое сопротивление (или сопротивление воздуха), которое мешает двигаться автомобилю вперед, резко увеличивается (в квадратичной зависимости) с ростом скорости движения, а также зависит от площади поперечного сечения автомобиля и совершенства формы кузова, которое определяется коэффициентом воздушного сопротивления Сх. Основной способ уменьшения аэродинамического сопротивления — создание автомобилей с низким коэффициентом Сх, что особенно актуально для высокоскоростных автомобилей (легковые, спортивные). Обширные исследования аэродинамики, проведенные за последние 40 лет, позволили уменьшить коэффициент Сх легковых автомобилей практически в два раза и сэкономить в среднем около 1,5 л топлива на 100 км.

Изменение аэродинамических свойств кузова автомобилей ВАЗ

Этот эффект достигнут за счет выбора оптимальных углов наклона панелей кузова (ветрового и заднего стекол, капота, крышки багажника и т. д.), удалении с поверхности кузова мелких выступающих деталей (водосливных желобков на крыше, ободков фар, размещении щеток стеклоочистителей в нише под капотом), придание оставшимся выступающим деталям, например зеркалам, аэродинамических форм, сглаживания острых углов кузова.

Кузов современного легкового автомобиля

Кузов современного легкового автомобиля в профиль напоминает самолетное крыло. Поэтому при движении на автомобиль действует аэродинамическая подъемная сила, которая ухудшает управляемость, устойчивость и безопасность движения.

Схема установки аэродинамических элементов на гоночном автомобиле:
1 — переднее антикрыло;
2 — боковая секция;
3 — заднее антикрыло;
Р1, Р2, Р3 — аэродинамические прижимающие силы переднего крыла, боковой секции и заднего антикрыла соответственно

При грамотном проектировании формы кузова подъемная сила может быть существенно снижена, более того, может быть обеспечена сила, прижимающая автомобиль к дороге. Иногда для увеличения прижимающей силы применяют дополнительные кузовные элементы — спойлеры и антикрылья (профиль перевернутого самолетного крыла). Величина аэродинамической прижимающей силы для гоночного автомобиля при движении на большой скорости может в несколько раз превышать его вес.br>

Кабина грузового автомобиля Volvo FH
Аэродинамика грузовых автомобилей и автобусов хуже, чем у легковых, что объясняется невозможностью принципиально поменять форму кузова: для оптимального размещения грузов и пассажиров основа кузова должна приближаться к прямоугольному параллелепипеду. Правда, и влияние аэродинамики на эксплуатационные свойства таких автомобилей меньше, что связано с более низкими скоростями движения грузовиков и автобусов. Тем не менее в последние годы кабины и кузовы названных транспортных средств проектируются с учетом аэродинамических требований. Это проявляется в придании кабинам более округлых форм, увеличении угла наклона ветрового стекла, установке между кабиной и кузовом аэродинамических обтекателей и закрылков.

Противогрязевые обтекатели автомобиля КамАЗ
Загрязняемость поверхностей кузова определяется его формой, расположением выступающих деталей и учитывается конструктором при проектировании кузова. Иногда для снижения загрязняемости боковых или задних стекол на кузове устанавливают дополнительные аэродинамические устройства, воздушный поток от которых отбрасывает летящую грязь.

wiki.zr.ru

Аэродинамика автомобиля

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.

znanieavto.ru

Аэродинамика автомобиля — RacePortal.ru

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

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

Аэродинамическое сопротивление

Наверное, каждый слышал о том, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости – столь быстро нарастает противодействие движению в процессе разгона. Впечатляет, но как это соотнести с параметрами автомобиля? Для этого нужно лишь перейти в термины механической работы, и тогда получится, что отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! Только представьте, с каким трудом даются автомобилю последние десятки километров в час. В таких условиях даже значительная прибавка мощности мотора не в состоянии существенно увеличить максимальную скорость.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ретроспектива

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Оптимизация

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

А дальше?

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

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

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

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

Прижимная сила

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

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

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

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

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

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

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

Задний спойлер

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

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

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

Передний спойлер

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

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

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

Форма кузова

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

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

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

Граунд-эффект

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

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

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

А откуда берутся оставшиеся 60? Их обеспечивают антикрылья.

Антикрылья

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

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

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

 

raceportal.ru

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”

www.motorpage.ru

Аэродинамика автомобиля | Автомобильный справочник

 

Одной из важных характеристик современного автомобиля, является его аэродинамика. Если сказать точнее, коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля. Этот показатель влияет на динамические характеристики и экономичность машины. Вот о том, что же такое аэродинамика автомобиля, как она влияет на его скорость и экономичность, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Аэродинамические параметры

 

Основные параметры, т.е. силы моменты и коэффициенты, относящиеся к аэродинами­ческим характеристикам автомобиля приве­дены в табл «Аэродинамические силы и моменты».

 

Аэродинамическое сопротивление

 

Коэффициент аэродинамического сопро­тивления cw описывает аэродинамическое поведение кузова автомобиля в воздушном потоке. Умножая cw на динамическое давле­ние воздушного потока:

q = 0,5 ρ v2

и на площадь поперечного сечения автомо­биля Afx получаем аэродинамическое сопро­тивление W. В отличие от важного значения W момент L относительно оси х не столь важен.

Подъемная сила

 

Вследствие криволинейной формы крыши ав­томобиля скорость воздушного потока, обтека­ющего эту поверхность, выше скорости потока в области днища. Это приводит к возникновению нежелательных подъемных сил, снижающих силы сцепления колес с дорогой и, следова­тельно, курсовую устойчивость автомобиля.

Коэффициент подъемной силы сА равен сумме коэффициентов подъемной силы передней оси cAV и задней оси сАн. Разность между коэффициентами подъемной силы передней и задней осей называется «балан­сом подъемных сил» и является переменной, влияющей на курсовую устойчивость.

Вместо подъемной силы в конструировании часто используется момент продольной качки M, действующий относительно оси у. Положи­тельный момент продольной качки требует недо­статочной поворачиваемости, а отрицательный- избыточной поворачиваемости автомобиля.

 

 

Боковая сила

 

При взгляде спереди автомобиль имеет прак­тически симметричную форму. Это означает, что боковые силы, генерируемые воздушными потоками, невелики. Когда направление обте­кающего кузов воздушного потока не совпа­дает с осью х (например, при боковом ветре), воздушный поток генерирует поперечные силы, которые могут оказывать значительное влияние на поведение автомобиля.

В качестве показателя влияния бокового ветра также используется момент рыскания N, действующий относительно оси z. Это зна­чение берется, чтобы получить скорость из­менения угла рыскания и углового ускорения рыскания, которые являются показателями силы бокового ветра.

 

 

Автомобильные аэродинамические трубы

 

Автомобильные аэродинамические трубы ис­пользуются для как можно более реалистич­ного и воспроизводимого моделирования воздушного потока, воздействующего на авто­мобиль во время движения по дороге. Однако, по своей природе реальные условия движения весьма изменчивы. Так, направление и сила ветра постоянно изменяются вследствие та­ких факторов, как естественные изменения, застройка и дорожное движение.

Преимущества использования аэродина­мических труб в качестве инструмента экспериментальных разработок, по сравнению с дорожными испытаниями, заключаются в воссоздании условий испытаний, срав­нительно несложной, надежной и быстродей­ствующей технике измерений и возможности изолировать те или иные эффекты, которые в реальных условиях изолированно не воз­никают (например, шум во время движения). В аэродинамической трубе конструкторские прототипы, которые не могут быть выпущены на дорогу, могут быть опти­мизированы с точки зрения аэродинамики с гарантированной секретностью.

Типы аэродинамических труб

 

При помощи аэродинамических труб опреде­ляются аэродинамические параметры авто­мобиля. Трубы различаются по способу на­правления воздушного потока, конструкции испытательной секции и способу моделиро­вания дорожной поверхности (см. табл. «Автомобильные аэродинамические трубы в германии» ).

 

 

Замкнутые аэродинамические трубы с за­крытой рабочей частью называются «Геттин­генскими трубами», а системы с возвратом потока — «трубами Эйфеля» (рис. «Конструкция аэродинамических труб» ).

 

 

Стандартное оборудование аэродинамических труб

 

Испытательная секция может быть открытого типа, закрытого типа или с перфорированными стенками. Она характеризуется сечением на выходе диффузора, сечением коллектора и длиной (см. табл. Автомобильные аэродинамические трубы в германии).

Также важным параметром является ко­эффициент препятствия ФN = АfxN . Это отношение площади поперечного сечения автомобиля Afx к поперечному сечению диффузора АN. На дороге это отношение ФN = 0, поэтому в аэродинамической трубе оно должно быть как можно меньше. С уче­том конструкции и эксплуатационных затрат обычным значением на практике является ФN = 0,1. Это соответствует поперечному сечению диффузора приблизительно 20 м2.

Скорость и стабильность воздушного по­тока в аэродинамической трубе определяются сужением и формой диффузора. Большое значение коэффициента поджатия к, пред­ставляющего отношение площадей сечений форкамеры и выпускной части диффузора (к = АvD), дает равномерное распределение скорости, низкую турбулентность и высокое значение ускорения воздушного потока.

Контур диффузора может влиять на ста­бильность профиля скорости потока на вы­ходе диффузора в испытательной секции и параллельность потока геометрической оси трубы.

 

 

Форкамера

 

Форкамера располагается перед диффузо­ром, в области наибольшего сечения аэро­динамической трубы. Форкамера содержит выпрямители потока, фильтры и теплооб­менники, служащие для повышения качества воздушного потока в отношении стабильно­сти и направления и поддержания постоян­ной температуры в канале.

Для исследования аэродинамики автомо­билей в основном используются Геттинские аэродинамические трубы с открытыми испы­тательными секциями или с перфорирован­ными стенками.

Вентиляторы

 

Большинство аэродинамических труб могут создавать воздушные потоки со скоростью далеко за 200 км/ч. Однако такие скорости используются редко, например, для испытаний функциональной безопасности компонентов кузова и их стойкости к ветровым нагрузкам. Это связано с тем, что такие испытания требуют полной мощности вентилятора до 5000 кВт.

 

 

Обычно измерения выполняются при скорости воздушного потока 140 км/ч. При такой скорости аэродинамические коэффициенты могут быть определены достоверно и с низкими затратами. Скорость воздушного потока регулируется путем изменения скорости вращения вентилятора или положения лопастей вентилятора при постоянной скорости вращения (см. табл. «Вентиляторы аэродинамических труб» ).

Динамометр аэродинамической трубы

 

Динамометр аэродинамической трубы служит для регистрации аэродинамических сил, воздействующих на испытуемый автомобиль, и моментов относительно всех точек контакта шин с поверхностью, которые используются для вычисления аэродинамических параметров, действующих в направлении осей х, у и z.

Динамометр аэродинамической трубы обычно расположен под поворотной платформой, служащей для поворота автомобиля относительно направления воздушного потока, т. е. для моделирования таким образом бокового ветра.

 

 

В отличие от реальной ситуации, автомобиль в аэродинамической трубе неподвижен и обте­кается воздушным потоком. Поэтому влияние перемещения автомобиля относительно до­роги не может быть учтено. Однако в послед­нее время было сооружено несколько аэро­динамических труб, на которых в пол встроены движущиеся ленты, служащие для модели­рования движения автомобиля по дороге и вращения колес (см. рис. «Поворотная платформа на полу аэродинамической трубы с встроенной движущейся лентой» ). Это позволяет повысить качество прохождения воздушного потока между автомобилем и дорогой и зна­чительно приблизить условия в трубе к реаль­ным условиям.

 

 

Вспомогательные системы аэродинамических труб

 

Система измерения площади поперечного сечения

 

Система измерения площади поперечного се­чения (лазерная или на приборах с зарядовой связью) измеряет площадь поперечного се­чения автомобиля оптическими средствами. Результаты измерений используются для вы­числения аэродинамических коэффициентов и значений сил, измеренных в аэродинами­ческой трубе.

 

 

Современные системы датчиков давле­ния в аэродинамических трубах (например, плоские датчики давления, крепящиеся к поверхности кузова) могут одновременно ре­гистрировать изменения давления как минимум в 100 точках. Миниатюрные (кварцевые) датчики давления во всех точках измерения выдают информацию в электронной форме с относительно высокой частотой (см. рис. «Система определения распределения давления» ).

Траверсная люлька 

 

Траверсная люлька позволяет выполнить измерения во всем поле обтекающего авто­мобиль воздушного потока. Каждая точка испытуемого образца может быть описана ко­ординатами и воспроизведена. По показаниям датчиков, установленных во всех точках, затем могут быть определены значения давления, скорости и уровня шума в каждой точке.

 

 

Дымовые струи

 

Дымовые струи используются для визуализа­ции воздушного потока, который в противном случае является невидимым. (см. рис. «Использование «дымового гребня» и дымовой струи для визуализации воздушного потока» ). Дымовые струи по­зволяют выявить те или иные неоднородности воздушного потока, которые могут стать при­чиной недостоверных результатов измерений вследствие снижающей энергию турбулентно­сти. Нетоксичный «дым» обычно производится посредством нагрева смеси этиленгликоля в паромасляном генераторе. Другие методы ви­зуализации воздушного потока включают:

  • ленты на поверхности кузова;
  • ленточные датчики;
  • фотографии потока с использованием быстросохнущей смеси парафина или талька;
  • генераторы пузырьков гелия;
  • лазерные системы.

 

 

Система дисперсии загрязняющих агентов

 

Система дисперсии загрязняющих агентов может использоваться для орошения автомо­биля в аэродинамической трубе водой с раз­личной интенсивностью — от легкого тумана до сильного дождя. Картины распределения потоков могут быть визуализированы и за­документированы путем добавки к воде мела или флуоресцирующего вещества.

Блок подачи горячей воды

 

Блок подачи горячей воды обеспечивает по­дачу горячей воды с постоянным расходом для определения охлаждающей способности радиаторов на прототипах, которые не могут быть выпущены на дорогу.

Варианты аэродинамических труб

 

Сооружение автомобильных аэродинамических труб требует крупных капиталовложений. Эти капиталовложения в сочетании с высокими эксплуатационными затратами делают трубы дорогостоящим оборудованием с высокой по­часовой ставкой стоимости использования. Только очень частое использование автомо­бильных аэродинамических труб для аэродина­мических, аэроакустических и температурных экспериментов может оправдать сооружение нескольких специализированных аэродинами­ческих труб для выполнения различных задач.

 

 

Аэродинамические трубы для испытаний на моделях

 

Аэродинамические трубы для испытаний на моделях значительно снижают эксплуатаци­онные затраты, благодаря менее строгим кон­структивным требованиям и меньшей техни­ческой сложности. В зависимости от масштаба (от 1:5 до 1:2), можно легко, быстро и эконо­мично изменять форму моделей автомобилей.

Испытания на моделях в основном прово­дятся на ранних этапах разработки для опти­мизации базовой аэродинамической формы кузова. При поддержке дизайнеров «пласти­линовые» модели используются для оптими­зации формы кузова или для формирования полного ряда вариантов перед испытаниями их аэродинамического потенциала.

Используя новые методы производства (бы­строе создание прототипов), модели можно создавать быстро, точно и во всех деталях. Это позволяет выполнять на моделях важные ис­следования с целью оптимизации деталей, даже по окончании этапа разработки формы кузова.

Акустические аэродинамические трубы

 

В акустических аэродинамических трубах, благодаря надежной звукоизоляции, уровень звукового давления приблизительно на 30 дБ (А) ниже, чем в стандартных трубах. Это обе­спечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум, составляющее более 10 дБ (А), что позволяет идентифицировать и оценить шумы, генерируемые в результате циркуля­ции и сквозного потока воздуха.

 

 

Аэродинамические трубы с системами климат-контроля

 

Аэродинамические трубы с системами климат-контроля используются для теплового анализа и разработки систем защиты автомо­биля в определенных температурных диапазо­нах при различных условиях нагрузки.

Для поддержания температуры в диапа­зоне от-40°С до +70°С с высокой точностью (±1 К) служат большие теплообменники.

Автомобиль устанавливается на динамо­метрических роликах и «приводится в движе­ние» при требуемых условиях нагрузки или в условиях циклического изменения нагрузки. Скорости воздушного потока и вращения роликов должны быть точно согласованы, даже при низких скоростях. При необходи­мости, с целью учета влияния действующих в реальной ситуации факторов, могут моде­лироваться условия движения на подъем или под уклон. Также может регулироваться влажность воздуха или при помощи ламп может имити­роваться солнечное излучение.

Тем не менее, не все проблемы, воз­никающие при проработке аэродинамики автомобилей, могут быть решены посред­ством описанных выше испытаний. В до­полнение к экспериментальным исследо­ваниям производители все более широко используют модели CFD (вычислительной гидродинамики). Они позволяют вырабо­тать предварительные решения с целью снижения нагрузки на испытательное обо­рудование.

В следующей статье я расскажу об акустике автомобиля.

 

Рекомендую еще почитать:

press.ocenin.ru

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

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

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

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

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

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

Движение потоков воздуха

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Аэродинамическая труба

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

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

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

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

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

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

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

Подъемная и прижимная сила

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

Действующие подъемная и прижимная силы

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

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

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

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

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

Уменьшение завихрений при установке спойлера

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

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

Что ещё влияет на аэродинамику?

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

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

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

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

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

autoleek.ru