Аэродинамическое сопротивление авто. На что влияет?

Большая доля полезной мощности мотора зачастую уходит на преодоление сопротивления «воздушных масс». В данной статье рассмотрим аэродинамическое сопротивление автомобиля, а также влияние груза, аксессуаров и состояния машины на расход топлива.

Воздух обладает ощутимой плотностью: более килограмма на кубометр. Ощущает ее автовладелец – сила аэродинамического сопротивления увеличивается по квадрату скорости, соответственно растет и расход топлива.

На авто с двигателем 1300–1500 см³при снижении скорости со 130 до 120 км/ч расход топлива падает на 15%. А разница во времени на 100 км – менее четырех минут. Так что, если топливо на исходе – снижайте скорость до 50–60 км/ч. В этом режиме даже ‘классика’ с квадратным кузовом потребляют менее 6 л/100 км.

Влияние груза, аксессуаров и состояния авто на аэродинамическое сопротивление. Зеленый цвет – сопротивление ниже, красный – выше: 1 – бокс, багажник с вещами, 2 – люк в крыше, 3 – открытые окна, 4 – спойлер, 5 – антикрыло, 6 – длинномеры в открытом багажнике, 7 – увеличенный клиренс, 8 – отсутствие колпаков колес, 9 – накладки порогов, 10 – нарушение расположения элементов под днищем, 11 – уменьшенный клиренс, 12 – гладкие колпаки колес, 13, 14 – передний аэродинамический обвес, 15 – «кенгурятник», 16 – дополнительные фары, 17 – «мухобойка», 18 – закрытые окна.

Скорость – далеко не единственное, что влияет на «аэродинамический» расход. Последний зависит и от коэффициента лобового сопротивления – коэффициента Сх, и от площади проекции автомобиля. Изменить оба этих фактора под силу владельцу, причем как в лучшую, так и в худшую сторону. Быстрее всего опустошает бак верхний багажник или пластиковый бокс, несмотря даже на его «аэродинамическую» форму. Велосипед или лыжи на крыше тоже потребуют свой «литр на сотню».

Увеличить расход помогают шины пошире (увеличивают площадь сопротивления), а также «люстра», «кенгурятник» и антикрыло. Сжигают лишний бензин открытые окна, люк на крыше, «мухобойки» на капоте.

Если часто приходится возить груз на крыше, подумайте о прицепе: по сравнению с загруженным багажником он почти не увеличивает аэродинамическое сопротивление. А если без багажника не обойтись, помните, что расход на трассе будет как у «Газели»! Велосипеды также лучше перевозить сзади. Длинномеры постарайтесь разместить в салоне, сложив заднее сиденье, а не возить в приоткрытом багажнике.

Немалый резерв экономии скрыт под днищем автомобиля. Обратите внимание, что многие неоригинальные глушители – нередко и провисают чуть ниже. «Чуть» к расходу топлива добавляют и оторванные пластиковые кожухи на днище, еще немного – потерянные колпаки колес. А вот любителям задирать кузов – отдельный счет, готовьтесь к увеличенному расходу топлива.

В малом коэффициенте Сх немалая заслуга именно низкой посадки, да и уменьшают клиренс не только для лучшей устойчивости, но и для лучшей аэродинамики.

Снижению расхода топлива способствует грамотный аэродинамический «обвес». Низкий передний бампер и его юбка отсекает поток под днищем, накладки порогов сглаживают выступание колес, а спойлер организует поток – не позволяет возникать мощным тормозящим вихрям. Впрочем, заметного эффекта можно добиться подгонкой кузовных деталей: щели и выступы могут съесть на скорости 100 км/ч до 0,5 л на 100 км.

Также стоит учитывать причины повышенного расхода топлива и как сэкономить.

TOP-12 самых аэродинамически совершенных авто

Уже все в курсе, какое свойство кузова влияет на почти каждый аспект автомобиля? Заметно улучшает экономию топлива, особенно на больших скоростях. Уменьшает разгон до сотни (пусть хоть и всего на доли секунды). Даже влияет на устойчивость на прямой и в скоростных поворотах? Это рожденная в недрах аэродинамической трубы аэродинамика.

Идеальное аэродинамическое тело – капля воды, летящая к земле. Вот почему многие футуристические концепт-кары, которые подчеркивают важность аэродинамики, похожи на кусок желе, шлепнутого о стену. В них пытаются натянуть форму капли на узлы и агрегаты автомобиля и придать ей привлекательный вид. Но в серию такие машины не идут. Производители считают, что средний потребитель не заинтересован проводить дорогу на работу в потусторонней колеснице. На данный момент, чтобы продать автомобиль, по-прежнему необходимо, чтобы он выглядел как старый привычный автомобиль.

Конструкторы идут на компромисс, и он дается им с большим трудом. Они не слишком меняют форму автомобиля, но делают все возможное, чтобы снизить сопротивление кузова воздуху. 15 лет назад Opel Calibra установил непостижимый для того времени результат – коэффициент сопротивления (Cd) равный 0,26. И сегодня Cd равный 0,26 годится только для 10-го результата. Вот 12 самых аэродинамических транспортных средств, которые вы можете купить прямо сейчас:

12. Audi A6: 2011 (Cd 0.26)

Вы можете утверждать, что A6 ничуть не отличается от других Audi. Ан нет! Именно у седана A6 лучший коэффициент лобового сопротивления 0,26. Даже у A7 Sportback хуже. В R8 потоки воздуха организуют дополнительную прижимную силу, и Cd далек от значения 0,26

11. BMW i8: 2014 (Cd 0.26)

С нуля до 100 км/ч i8 разгоняется менее чем за 4,5 секунды. Он легкий, с низкой посадкой – несомненно, автомобиль для водителя. Но кроме того, он гибрид, и расход топлива для него – критически важное значение. Отличная аэродинамика – необходимая составляющая для достижения вышеуказанных целей. Для воздуха на кузове и днище организованы специальные протоки, щели и бороздки. Круть!

10. Mazda3 Sedan: 2012 (Cd 0.26)

Главный трюк маленькой Mazda – активные жалюзи решетки, установленные в переднем бампере. Они автоматически закрываются, когда двигатель не требует охлаждения, и отправляют воздушные потоки вдоль кузова. Система не уникальна, но чаще используется на очень крутых тачках. Так вот, на поле аэродинамики Mazda 3 играет с ними на равных.

9. Mercedes-Benz B-Class: 2012 (Cd 0. 26)

Мы не ожидали, что в этом списке окажется минивэн. Но вот, пожалуйста, пухлый B-Class имеет прекрасный Cd. Инженеры Mercedes провели около 1100 часов в аэродинамической трубе за оптимизацией каждой поверхности и каждой линии B-Class, даровав ему удивительную способность разрезать воздух.

8. Nissan GT-R, 2011 (Cd 0.26)

Очень удивительный результат, учитывая, сколько прижимной силы нужно GT-R, чтобы оставаться в контакте с асфальтом. “Аэролезвия” по краям крыльев обеспечивают оптимальный воздушный поток вокруг шин и вдоль кузова, в то время как дизайн переднего бампера и заднего диффузора делает его еще более обтекаемым. Безусловно, самый быстрый автомобиль в этом списке.

7. Peugeot 508, 2011 (Cd 0.25)

Peugeot демонстрирует вполне обтекаемый силуэт и, как следствие, низкий Cd. Здесь нет никакой сверхъестественной магии – просто правильные формы (и гений инженеров).

6. Hyundai Sonata Hybrid, 2013 (Cd 0. 25)

Гибридная версия семейного седана Hyundai довольно сильно отличается от своих стандартных братьев и сестер. Передние и задние бамперы имеют глубокие направляющие для воздуха, на боковинах добавили аэродинамические юбки и даже специально спроектированные 17-дюймовые диски, которые помогают уменьшить лобовое сопротивление. Все очень важно, когда основной целью определено: как можно дальше уехать на одном баке.

5. Toyota Prius, 2010 (Cd 0.25)

А вы думаете, почему все поколения Toyota Prius, начиная с 90-х годов, такие странные? Можно любить или ненавидеть этот дизайн, но нет никаких сомнений в его аэродинамической эффективности. В современном Prius кузов венчает тоненький спойлер, который вместе с другими элементами задка уменьшает турбулентные завихрения до минимума. Самый известный в мире гибрид также имеет особенно крошечные зазоры между панелями кузова и особенно точную подгонку остекления. Мелочей нет.

4. Mercedes-Benz S-Class, 2014 (Cd 0. 24)

S-Class всегда в авангарде инноваций, так что не удивительно, что флагман Mercedes-Benz один из самых аэродинамически совершенных автомобилей в мире. Совершенствуя аэродинамику, инженеры гнались за снижением шума. Великолепный, выверенный кузов плюс автоматическое опускание подвески на скоростях свыше 120 км/ч.

3. Tesla Model S: 2012 (Cd 0.24)

Полностью электрическая Tesla напичкана новыми технологиями. Это относится и к аэродинамике. У нее “активные” дверные ручки, которые прячутся в кузов при движении и тем самым не создают лишнего сопротивления набегающему потоку воздуха. Даже когда в крыше открыт панорамный люк, перед ним выставляется маленький экран, чтобы не только минимизировать звуковое давление в салоне, но и оптимизировать поток воздуха.

2. Mercedes-Benz CLA: 2013 (Cd 0.22)

CLA является самым убедительным доказательством того, что автомобиль может быть визуально привлекательным и очень обтекаемым одновременно. На CLA установлены специально спрофилированные по воздушному потоку передние стойки и боковые зеркала, улучшена аэродинамика дисков колес, и выштамповки на кузове специально выправляют воздушные потоки. Даже глушитель был разработан с учетом воздушных потоков. И так в каждой детали.

1. Volkswagen XL1: 2013 (Cd 0.19)

А вот эта модель не приемлет компромиссов – она была построена не в угоду консерваторам-покупателям, а согласно последним достижениям аэродинамики. XL1 мало похож на автомобиль, и то, что его пустили в серию (если можно назвать серией план на изготовление 250 штук), можно считать чудом. Здесь кузов сильно сужается к задку, чтобы имитировать обтекаемую форму дельфина. Задние колеса закрыты аэродинамическими щитами, а вместо больших боковых зеркал заднего вида стоят крохотные камеры. Все воздухозаборники могут закрываться, и шины почти такие же тощие, как у горного велосипеда. Все это помогает XL1 показать впечатляюще низкий коэффициент аэродинамического сопротивления 0,19. У нас есть победитель!

Источник: topgearrussia.ru

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Подобається контент? Підтримай Autogeek на Patreon!

Сопротивление транспортного средства (автомобиль)

Рабочие параметры

Для проведения эффективных расчетов эксплуатационных характеристик автомобилей должны быть разработаны методы, учитывающие ряд рабочих параметров. Мощность, выдаваемая двигателем, в конечном итоге передается на ведущие колеса в виде тяговой силы. Движению автомобиля по ровной дороге противодействуют сопротивление воздуха и качению. Когда тяговое усилие, сила, доступная при контакте ведущих колес с дорогой, больше, чем общее сопротивление на ровной дороге, избыточное тяговое усилие способствует ускорению, подъему на уклонах и тяговому усилию.
Расчет эквивалентного веса, эффективности трансмиссии, положения центра тяжести, устойчивости транспортного средства на уклоне и динамики транспортного средства, движущегося по неровной дороге, также одинаково важны для оценки характеристик транспортного средства. В этой главе обсуждаются и излагаются методы работы с этими темами.
31.1.

Сопротивление транспортного средства

Сопротивление транспортного средства – это сила, противодействующая движению и возникающая из-за деформации колеса и земли (последняя пренебрежимо мала для транспортных средств на обычной дороге) и аэродинамических эффектов воздушного потока над поверхностью транспортное средство. Рассмотрено движение транспортного средства для прямолинейного положения, для простоты игнорируя влияние прохождения поворотов.
31.1.1.

Деформация колеса

Пневматическая шина особенно подходит для использования в дорожных транспортных средствах из-за ее вклада в комфорт, ее превосходных свойств сцепления и потому, что она не разрушает дорожное покрытие до степени более жесткой колесо. Однако нагрузка на транспортное средство и тяговое усилие не переносятся без деформации. В случае пневматической шины на твердом покрытии современной дороги деформация шины составляет 90 – 95% сопротивления качению автомобиля. Под сопротивлением качению понимается сила сопротивления транспортного средства, за исключением силы, вызванной аэродинамическими эффектами. Потери на ветер и проскальзывание малы по сравнению с этим. Деформация протектора шины при прохождении через контактную зону приводит к гистерезисным потерям, которые проявляются в виде нагревания и повышения температуры шины.
Сопротивление качению из-за потерь на гистерезис из-за деформированной шины в первую очередь зависит от прогиба шины, вызванного нагрузкой, которую несет шина. Другими параметрами, влияющими на сопротивление качению пневматической шины на твердой поверхности, являются температура шины, давление в шине, скорость транспортного средства, толщина протектора, количество штабелей, состав резины и уровень передаваемого крутящего момента. Сопротивление качению увеличивается с ростом скорости автомобиля, если все остальные параметры поддерживаются постоянными. Однако на практике увеличение скорости автомобиля приводит к повышению температуры и давления в шинах. Конечным результатом для данной шины является почти постоянное сопротивление качению в зависимости от скорости транспортного средства до тех пор, пока не будет достигнута такая скорость (рис. 31.1), при которой в протекторе вслед за зоной контакта образуется заметная стоячая волна. Сопротивление движению шины в этом состоянии очень быстро возрастает, а энергия, рассеиваемая при деформации, вызванной стоячей волной, способна за очень короткое время разрушить протектор. Поэтому обычно указывается безопасная максимальная скорость для конкретной шины, которая значительно ниже скорости, при которой возникает стоячая волна.

Рис. 31.1. Скорость автомобиля и сопротивление качению.
Поскольку существует прямая зависимость между нагрузкой на шину, прогибом и потерями на гистерезис, а также поскольку вес транспортного средства равен нагрузке на все колеса, сопротивление качению Rr выражается через безразмерный коэффициент качения а, как ,
Rr = aW.
Поскольку сопротивление качению нельзя считать постоянным во всем диапазоне скоростей транспортного средства, обычно добавляют еще один коэффициент b, такой, что
Rr = (a + b V)W, где V — скорость транспортного средства, а W — вес транспортного средства.
Расчеты характеристик автомобиля обычно проводятся при полностью открытой дроссельной заслонке с высоким и довольно постоянным уровнем крутящего момента в нижнем диапазоне скоростей автомобиля, где важно сопротивление качению. Следовательно, используемые коэффициенты сопротивления качению должны соответствовать соответствующему уровню крутящего момента.
31.1.2.

Деформация грунта

Рассматриваются два случая, и оба касаются движения транспортного средства по поверхности, отличной от дороги с твердым покрытием. В первом случае грунт считается «упругим», так что колесо транспортного средства деформирует грунт, который затем возвращается в исходное состояние после проезда транспортного средства. Во втором случае «пластичным» считается грунт, на котором остается постоянная колея после проезда транспортного средства.
На рис. 31.2 изображен случай жесткого колеса на упругой поверхности. Земля перед движущимся колесом скапливается и течет спереди, под колесом и вокруг него к задней части, что приводит к потере энергии и сопротивлению качению. Усилие этого на колесе состоит в том, чтобы расположить равнодействующую F нормальных сил в некоторой точке A. Вертикальная составляющая равнодействующей силы должна равняться нагрузке W на колесо (из соображений равновесия), а горизонтальная составляющая представляет собой силу сопротивления качению. Съемка моментов относительно центра «О» колеса,

Рис. 31.2. Колесо на упругом грунте.
Если грунт полностью пластичен, энергетический баланс дает
Сопротивление качению = xpz
где x — ширина колеи,
p — нормальное давление между колесом и землей, а
z — глубина возраст утопления.
Чтобы оценить вышеприведенное выражение, необходимо знать нормальное давление (p), которое может быть связано с глубиной погружения (z) как,

Эти три параметра являются свойствами грунта. Это выражение было разработано для случая, когда плоская пластина проникает в пластиковый грунт, но оно также используется для случая колеса транспортного средства.
Используя соотношение, вес транспортного средства = p x предполагаемая площадь контакта под колесами, как p, так и z, и, следовательно, можно найти сопротивление качению, поскольку предполагаемая площадь контакта под колесом является функцией времени погружения, z.
Взаимосвязь между сопротивлением качению и весом транспортного средства является более сложной и требует детальных знаний о грунте или материале грунта в виде трех параметров n, kc и &e-
31.1.3.

Поток воздуха над автомобилем

Движущееся транспортное средство, вытесняя окружающий воздух, имеет результирующую силу сопротивления, называемую аэродинамическим сопротивлением (просто сопротивление воздуха), и действует на него. Обычно это сопротивление безразмерно выражается с использованием коэффициента аэродинамического сопротивления Cd-

, где p — плотность воздуха, обычно принимаемая равной 1,23 кг/м3, и скорость транспортного средства Vis (м/с) относительно воздуха.
Для того, чтобы назначить подходящую характеристическую область, необходимо детальное изучение состава аэродинамического сопротивления, которое обусловлено тремя отдельными типами аэродинамических эффектов. (£) Поток воздуха в пограничном слое, приводящий к потере импульса основного
поток. Этот эффект создает сопротивление «трения кожи». (ii) Составляющая от нисходящих вихрей позади транспортного средства, приводящая к индуктивному сопротивлению.
(Hi) Сопротивление «нормального давления», которое можно найти путем интегрирования произведения (нормальное давление x площадь) вокруг транспортного средства. Это создает результирующую силу, противодействующую движению транспортного средства, поскольку разделение потока в задней части транспортного средства приводит к снижению давления на обращенные назад поверхности.
Сопротивление поверхностного трения и индуцированное сопротивление обычно малы по сравнению с сопротивлением нормального давления. Однако сопротивление поверхностного трения может достигать значительных размеров в случае длинного транспортного средства, такого как автобус. Поскольку основной вклад в аэродинамическое сопротивление вносит нормальное сопротивление давлению, соответствующей характеристической площадью является «проекционная лобовая площадь» транспортного средства А.
A = 0,8 (высота транспортного средства над уровнем земли x ширина кузова)
Однако такое приблизительное выражение не является реальной заменой точного измерения, и его следует избегать. Коэффициент аэродинамического сопротивления Cd для конкретного транспортного средства можно считать постоянным, если не учитывать влияние бокового ветра.

Как рассчитать силу аэродинамического сопротивления – x-engineer.org

Содержание

• Определение
• Формула
• Коэффициент аэродинамического сопротивления
• Фронтальная площадь
• Сила аэродинамического сопротивления
• Сила аэродинамического сопротивления
• Пример
• Калькулятор
• Ссылки

Определение

сила . Тот же принцип применим и к дорожным транспортным средствам: при движении из-за взаимодействия с окружающим воздухом возникает сила сопротивления, которая пытается остановить движение транспортного средства. Эта сила, называемая силой аэродинамического сопротивления, увеличивается по величине со скоростью автомобиля и зависит от формы и размера кузова автомобиля.

Изображение: BMW Vision — Эффективная динамика — Аэродинамика
Авторы и права: BMW

Аэродинамическое сопротивление является важным аспектом конструкции автомобиля, поскольку оно напрямую влияет на потребление энергии и характеристики автомобиля (особенно на высокой скорости).

Назад

Формула

Когда транспортное средство движется по воздуху, перед ним создается динамическое давление, которое в дальнейшем превращается в силу сопротивления. Сила аэродинамического сопротивления , действующая на транспортное средство при движении, аппроксимируется формулой [2]:

F _ad = 0. 5 · C _d · A · ρ _air · (v – v _wind ) ²

(1)

where:

F _ad [N] – сила аэродинамического сопротивления
C _d [-] – коэффициент аэродинамического сопротивления
A [м ² ] – максимальная площадь поперечного сечения автомобиля
ρ _воздух [кг/м ³ ] – плотность воздуха ( равно 1,202 кг/м ³ для сухого воздуха при 20 °C и 101,325 кПа)
v [м/с] – скорость автомобиля
v _ветер [м/с] – скорость ветра

Если предположить, что ветра нет, уравнение (1) принимает вид: · v ²

(2)

Из уравнения (2) видно, что сила аэродинамического сопротивления  увеличивается пропорционально квадрату скорости, поэтому она становится критически важной при более высоких скоростях автомобиля.

Вернуться назад

Коэффициент аэродинамического сопротивления

Коэффициент аэродинамического сопротивления оказывает большое влияние на силу аэродинамического сопротивления. В общем случае коэффициент лобового сопротивления можно определить как аэродинамическое качество формы тела в потоке. В зависимости от формы кузова коэффициент аэродинамического сопротивления может сильно различаться.

Изображение: Коэффициент аэродинамического сопротивления для различных форм

Чем ниже коэффициент аэродинамического сопротивления, чем ниже сила аэродинамического сопротивления автомобиля, тем выше энергоэффективность.

Оптимальная аэродинамическая форма с меньшим коэффициентом аэродинамического сопротивления — форма капли воды (Cd = 0,04). Из-за трения о воздух капля воды вынуждена принять форму, имеющую наименьшее сопротивление при контакте с воздухом, следовательно, она имеет наименьший коэффициент сопротивления.

Коэффициент аэродинамического сопротивления зависит от типа кузова автомобиля и от частей автомобиля, установленных на внешних поверхностях, таких как: багажник на крыше, брызговики, задний спойлер, боковые зеркала, радиоантенна и стеклоочистители. Эти детали нарушают обтекаемую форму автомобиля и увеличивают его коэффициент аэродинамического сопротивления.

Из [4] Мы можем перечислить коэффициент сопротивления для некоторых общих транспортных средств:

Транспортный	2005	0.400
Toyota Camry	1992	0.330
Smart Roadster Coupé	2003	0.380
Toyota Prius	2014	0,260
Chevrolet Volt	2014	0,281. [м 2 ]. Фронтальная площадь автомобиля часто указывается производителем или может быть аппроксимирована с помощью эталонной сетки, как показано на рисунке ниже. Изображение: приблизительная площадь лобовой части автомобиля Кредит.
Ford Escape Hybrid	2005	1.080
Toyota Camry	1992	0.703
Smart Roadster Coupé	2003	0. 596
Toyota Prius	2014	0.576
Chevrolet Volt	2014	0.622

Go back

Aerodynamic drag force

Using equation (2) and data from the tables above, we может отображать силу аэродинамического сопротивления для транспортных средств со скоростью от 0 до 250 км/ч.

Изображение: Сила аэродинамического сопротивления для нескольких автомобилей

Сила аэродинамического сопротивления увеличивается пропорционально квадрату скорости автомобиля. По этой причине, особенно при высокой скорости автомобиля (> 100 км/ч), аэродинамика имеет решающее значение с точки зрения производительности автомобиля и энергоэффективности.

Если сравнить силу аэродинамического сопротивления с силой сопротивления качению, то можно увидеть, что до 100 км/ч они имеют одинаковое значение. При более высоких скоростях автомобиля аэродинамические потери намного больше, и они потребляют большую тяговую силу от трансмиссии.

Вернуться назад

Сила аэродинамического сопротивления

Лучший способ понять величину аэродинамического сопротивления — посмотреть на потребляемую мощность для аэродинамических потерь. Сила аэродинамического сопротивления P _ad [Вт] рассчитывается путем умножения силы аэродинамического сопротивления F _ad [Н] на скорость транспортного средства v [м/с]:

P _ad = F _ad · v

( 3)

Используя уравнение (3), мы можем построить график зависимости мощности аэродинамического сопротивления от скорости транспортного средства, например, выше:

Изображение: Мощность аэродинамического сопротивления для нескольких транспортных средств

сопротивление воздуха значительное. Во многих случаях максимальная скорость автомобиля ограничивается аэродинамическим сопротивлением, так как оно потребляет большую часть мощности колеса и нет запаса мощности для разгона.

Назад

Пример

Рассчитайте силу и мощность аэродинамического сопротивления для автомобиля с коэффициентом сопротивления 0,4 и площадью лобового сечения 1,08 м ² , движущегося со скоростью 100 км/ч.