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.

Содержание

1. Несколько слов о самом движении
2. Немного теории
3. Улучшение аэродинамики автомобиля

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.

Аэродинамика автомобиля. Как это работает.

Аэродинамика автомобиля,к числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом,.

..

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

Главные цели автомобильной аэродинамики это:
*Уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива.

*Снижение уровня шума.
*Предотвращение появления поднимающих сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости.
Аэродинамика автомобилей изучается двумя основными методами — испытаниями в аэродинамической трубе и компьютерным моделированием. Аэродинамические трубы для испытания автомобилей иногда оснащаются подвижной дорожкой, имитирующей движущееся дорожное полотно. Кроме того, колеса испытываемого автомобиля приводятся во вращение. Эти меры принимаются для того, чтобы учесть влияние дорожного полотна и вращающихся колес на потоки воздуха.

Аэродинамическое сопротивление-№1

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.
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.

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.

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…

Подпишись на наш Telegram-канал

10 Аэродинамические характеристики гоночных автомобилей

Существуют три основные причины для улучшения аэродинамики гоночных автомобилей с точки зрения производительности: охлаждение, прижимная сила и минимизация сопротивления. Вот 10 различных аэродинамических характеристик, начиная с передней части автомобиля и заканчивая задней

.

Напомнить позже

1. Разветвитель

Передний край передней части автомобиля, относительно параллельный земле, который пытается удерживать воздух под высоким давлением над автомобилем, а не под ним. Высокое давление давит на сплиттер, что также способствует созданию прижимной силы.

2. Направляющие

Эти крепления обычно располагаются на правой и левой сторонах переднего бампера (см. ниже) и имеют изогнутую форму, чтобы перенаправлять поток воздуха в передней части автомобиля вверх, создавая таким образом прижимную силу. Они также используются для изменения воздушного потока по бокам автомобиля, пытаясь свести к минимуму количество воздуха под высоким давлением, поступающего под автомобиль (что создаст подъемную силу/минимизирует прижимную силу).

3. Вентиляционные отверстия капота

Вентилируемые капоты обеспечивают чистый выход воздуха, проходящего через радиатор, а также помогают поддерживать поток воздуха через моторный отсек, улучшая охлаждение.

4. Воздуховоды NACA

Эти воздухозаборники сконструированы таким образом, чтобы оказывать минимальное воздействие на воздушный поток, но при этом создавать входное отверстие для воздушного потока. Их можно использовать практически в любых приложениях, требующих воздушного потока, будь то питание воздухозаборника, радиатора или даже охлаждение водителя. В Ferrari F40 широко использовались воздуховоды NACA.

5. Боковые вентиляционные отверстия

Боковые вентиляционные отверстия можно увидеть за передними (или задними) колесами, позволяя воздушному потоку выходить из колесных арок, который обычно остается турбулентным из-за вращения колес. Их также можно использовать для отвода горячего воздуха из моторного отсека.

6. Боковые юбки

Боковые юбки в чем-то похожи на сплиттеры. Они установлены и, как правило, находятся как можно ниже, чтобы предотвратить движение воздуха под высоким давлением под автомобилем.

7. Низ живота

Для гонок они часто бывают гладкими и плоскими, чтобы минимизировать сопротивление и уменьшить турбулентность под автомобилем. В сочетании с диффузором воздух с более низким давлением под автомобилем может создавать значительную прижимную силу.

8. Диффузор

Диффузор — это часть днища кузова, форма которой обеспечивает увеличение объема воздуха под задней частью автомобиля. Это позволяет быстро движущемуся воздуху низкого давления под автомобилем замедляться и расширяться в задней части автомобиля. Диффузор помогает ускорить поток воздуха под автомобилем, что снижает его давление, тем самым улучшая прижимную силу. Это также может помочь перенаправить воздушный поток вверх, еще больше улучшив прижимную силу.

Вот краткое видео о том, как работают диффузоры:

9. Спойлер

Не путать с задним антикрылом, спойлеры на гоночных автомобилях используются для предотвращения подъема путем создания препятствия на пути подъема. создание воздушного потока. Это вызывает изменение пути воздуха, так что воздушный поток в задней части транспортного средства выходит горизонтально или вверх, таким образом, не создавая подъемной силы. Аналогичную особенность можно увидеть, когда вы находитесь в приземляющемся пассажирском самолете. Закрылки на крыльях (спойлеры) поднимутся, минимизируя подъемную силу и создавая сопротивление, что поможет снизить скорость самолета.

Вот видео, объясняющее спойлеры и задние крылья:

10. Заднее крыло

Для использования в автомобилях крылья (во многом похожие на самолеты) представляют собой аэродинамические поверхности, однако они предназначены для прямого отклонения воздушного потока вверх, толкая вниз автомобиль. Воздушный поток, взаимодействующий с крылом, выталкивается вверх, поэтому машина вынуждена опускаться. Однако преимущество прижимной силы достигается за счет дополнительного сопротивления.

В этом видео подробно рассматриваются эти функции Nissan GT-R Nismo GT3.

Щелкните здесь для получения дополнительных статей из технических объяснений

Это больше, чем красивое слово

Аэродинамика является одной из наиболее широко используемых областей в индустрии высокопроизводительных автомобилей. Тем не менее, нелегко судить, сколько его вам нужно, особенно в дорожном автомобиле. Большинство любителей автомобилей знают о его важности. Однако для не инженера термин «аэродинамическая нагрузка» может быть расплывчатым и трудно поддающимся количественной оценке. Это то, что вам нужно знать об этом.

Аэродинамика в двух словах

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

Этот тип сопротивления называется «лобовым сопротивлением» и представляет собой параллельную составляющую силы, противодействующую движению транспортного средства. Это также функция скорости транспортного средства и зависит от его формы, а также от его лобовой площади… и что? Можно было бы спросить.

Теперь, если мы вернемся к теме высокопроизводительных автомобилей, важно понимать, что компоненты, создающие прижимную силу (например, большие задние крылья!) имеют тот недостаток, что создают большее сопротивление .

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

Наиболее распространенными элементами, создающими прижимную силу, а не единственными, являются задние крылья, передние аэродинамические «щелчки» или диффузоры. Другие решения могут включать S-образный воздуховод, такой как на Ferrari 488 Pista. Очень важно помнить, что все эти элементы взаимодействуют друг с другом для создания общей аэродинамической прижимной силы автомобиля . Не всегда речь идет о достижении наибольшей общей прижимной силы; необходимо учитывать его переднее/заднее распределение, так как это повлияет на управляемость – подробнее об этом позже.

Как измерить 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 = лобовая площадь транспортного средства (в м2)

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

В случае заднего крыла автомобиля воздух будет двигаться быстрее по нижней 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 производить транспортное средство — в основном будет больше вертикальная составляющая силы, «толкающая автомобиль» на землю.

Из уравнения Cl видно, что прижимная сила (F) прямо пропорциональна квадрату скорости и, следовательно, не будет иметь постоянной величины по мере ускорения транспортного средства. Решение исходного уравнения для прижимной силы F дает:

Плотность воздуха (1,225 кг/м3) и лобовая площадь автомобиля (рассчитанные производителем) остаются постоянными. Таким образом, у нас есть все данные, необходимые для проведения моделирования CFD (вычислительная гидродинамика), испытаний в аэродинамической трубе и на треке, чтобы найти значения прижимной силы на разных скоростях и сопоставить результаты между моделированием и реальными испытаниями.

Используя необходимые приборы, производители могут экспериментально определить общую прижимную силу (FTotal) при заданной скорости и выразить ее через общую прижимную силу передней оси (FFFront 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 (FFFront Axle) представляет собой сумму эквивалентных аэродинамических сил, действующих на передние колеса, а прижимная сила задней оси (FRear Axle) представляет собой сумму эквивалентных аэродинамических сил, действующих 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 передняя часть будет иметь большее сцепление . Задняя часть, однако, будет более свободной, и водителю потребуется встречное рулевое управление 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 автомобиля, но по сути он верен. Есть много других факторов, влияющих на баланс и управляемость, таких как жесткость подвески (стабилизаторы/амортизаторы), распределение веса… Тем не менее, аэродинамика и остальные механические системы должны работать как единое целое, чтобы обеспечить хорошее сцепление спереди и сзади. сцепление с компромиссом.

Вспомним, что прижимная сила – это именно сила. Таким образом, он измеряется в ньютонах. Однако во многих источниках она указывается в терминах «килограммы прижимной силы». Легко понять, почему цифра, указанная в килограммах, лучше читается и делает концепцию более понятной для более широкой аудитории. Можно рассматривать его как распределенную массу (добавленную к весу автомобиля), которая действует, чтобы «толкать автомобиль на дорогу».

Однако в этом анализе мы указали ее только как силу «F» (из первого уравнения коэффициента подъемной силы). Итак, как же нам это вычислить в килограммах?

Просто, мы можем использовать второй закон Ньютона, который гласит, что сила равна массе, умноженной на ускорение . Наша сила в данном случае — это прижимная сила (данная обозначением «F»), а ускорение g — это постоянное ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2. Таким образом:

Где:

—* F = общая прижимная сила на заданной скорости (в ньютонах)

—* m = масса (в кг)

—* g = 9,81 м/с2

Отсюда можно прояснить распространенное утверждение типа «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 («m») даст нам аэродинамическую прижимную силу в килограммах следующим образом:

.

Как упоминалось ранее, прижимная сила увеличивается пропорционально квадрату скорости. Однако 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 переходить от одной единицы к другой, как показано).

В заключение, важно помнить, что прижимная сила не остается постоянной по мере увеличения скорости и что она улучшает скорость на поворотах, а также улучшает стабильность при резком торможении на высоких скоростях и помогает «подавить мощность» при ускорении за счет обеспечение шин с большей тягой, что приводит к большему продольному ускорению. Связь между скоростью и прижимной силой была определена в уравнениях. Наиболее важным аспектом является получение оптимального баланса передней и задней прижимной силы, обеспечивающего предсказуемое управление.

Часто задаваемые вопросы

В: Что такое аэродинамика?

Аэродинамика — это то, как воздух движется вокруг предметов, и на все, что движется в воздухе, влияет аэродинамика.