Аэродинамика легковых автомобилей

Процесс развития аэродинамики легковых автомобилей, начавшийся в начале XX века продолжается и сейчас. Радикальных изменений формы кузова не делается, основное внимание сосредоточено на элементах поверхности, производится их оптимизация при сохранении общей формы, которая определяется дизайнерской концепцией. Ниже будет показано влияние элементов кузова на его аэродинамические показатели.

За прошедшую вековую историю развития аэродинамики автомобиля удалось существенно снизить коэффициент аэродинамического сопротивления Сх, что иллюстрируется рис. 2.5.

Исследованию аэродинамики автомобилей всегда уделяли большое внимание, особенно исследованию лобового сопротивления - наиболее важного из аэродинамических факторов, влияющих на тяговодинамические и эксплуатационные качества автомобиля.

Например, в таблице 2.2 приведены величины коэффициента лобового сопротивления воздуха Сх легковых автомобилей, выпущенных серийно в 1945-1979 гг. В этой таблице автомобили разделены на группы в зависимости от их размеров и массы.

_1-1-1_1_І_І_

1920 1930 1940 1950 1960 1970 1960

Год разработки

Рис. 2.5. Изменения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх

для европейских автомобилей по годам

Таблица 2.2

Изменение аэродинамики автомобилей_

Группа

Полная

масса, т

Длина,

мм

База,

мм

сх

Среднее значение СЛ

1

  • 0,580-
  • 0,675
  • 2950-
  • 3300
  • 1850-
  • 2050
  • 0,435-
  • 0,379

0,406

2

  • 0,676-
  • 0,800,
  • 3500-
  • 4000
  • 2050-
  • 2450
  • 0,530-
  • 0,350

0,416

3

  • 0,801-
  • 0,950
  • 3850-
  • 4250
  • 2300-
  • 2550
  • 0,520-
  • 0,300

0,408

4

  • 0,951-
  • 1,250
  • 4200-
  • 4650
  • 2500-
  • 2750
  • 0,490-
  • 0,347

0,417

5

  • 1,251-
  • 1,450
  • 4600-
  • 4850
  • 2600-
  • 2800
  • 0,460-
  • 0,390

0,429

6

  • 1,451-
  • 1,700
  • 4750-
  • 5150
  • 2700-
  • 2900
  • 0,480-
  • 0,300

0,399

7

  • 1,701-
  • 2,000
  • 4800-
  • 5700
  • 2800-
  • 3100
  • 0,480-
  • 0,240

0,384

8

  • 2,001-
  • 2,400
  • 5200-
  • 6000
  • 2900-
  • 3200
  • 0,430-
  • 0,310

0,373

Первая группа автомобилей немногочисленна. Ко второй группе относится большее число моделей автомобилей, поэтому диапазон изменения коэффициента Сх уже заметнее.

Наиболее массовыми являются третья и четвертая группы. В связи с этим между фирмами возникает острая конкуренция, что влечет за собой частую смену моделей. У автомобилей этих групп диапазон изменения Сх большой, хотя среднее значение Сх остается примерно таким же, как и автомобилей предыдущих групп. Выделяется только один случай, когда диапазон этот был очень узким: у лучшей в аэродинамическом отношении модели Форд Эскорт коэффициент Сх был равен 0,414, а у худшей, но новой по форме модели Форд Эскорт 1100/1300, составил 0,454.

На величину среднего значения аэродинамического коэффициента Сх автомобилей пятой группы отрицательно повлияли американские модели выпуска конца 60-х годов.

В остальные три группы входят «представительские» и «престижные» автомобили значительных линейных размеров и лучших конструктивных решений, поэтому у них среднее значение коэффициента Сх ниже, чем у автомобилей других групп. Это объясняется еще и тем, что на величину коэффициента Сх оказывает влияние длина автомобиля, а точнее соотношение длины и площади поперечного сечения автомобиля. Так как площадь поперечного сечения автомобилей разных классов различается в меньшей степени по сравнению с длиной, получается, что длинный автомобиль по форме ближе к идеально обтекаемому телу — капле. Наименьшие значения коэффициента Сх среди автомобилей своей группы у следующих моделей: НСУ Сридер (0,379); Сааб вТ Сонетт II (0,350); Лотос Элита (0,30); Остин Мартин ДВ-5 (0,347); Ягуар ХЩ1 (0,395); НСУ РО 80 (0,33); Ситроен БМ (0,24); Ситроен ОБ 19/21 (0,31).

Развитие формы кузова и изменение его обтекаемости показаны на рис. 2.6.

Первые две формы автомобиля были обусловлены низкой степенью развития технологии автомобилестроения, в частности листовой штамповки.

В период с 1956 по 1959 гг. появились большие автомобили со стабилизаторами («дрим-кары»). Вычурные формы автомобилей вызвали повышение коэффициента Сх. Однако наличие стабилизаторов впоследствии оправдалось повышением аэродинамической устойчивости автомобилей.

Изменение коэффициента лобового сопротивления воздуха С

Рис. 2.6. Изменение коэффициента лобового сопротивления воздуха СЛ

Создание в 1960-1966 гг. «коробчатых» кузовов автомобилей спокойных форм не привело, как можно было того ожидать, к ухудшению показателей лобовой обтекаемости.

Для автомобилей последнего периода характерны в основном клиновидные формы, к которым перешли почти все автомобильные фирмы мира. Эти формы оказались очень удобными для обтекания автомобиля воздушными потоками.

Переход к той или иной последующей форме кузова конкретного автомобиля не обеспечивает автоматически улучшения аэродинамических качеств, в сравнении с предыдущей моделью.

Если, например, за 100% принят коэффициент Сх наиболее массового кузова - седана, то получается следующая картина.

Преобразование кузова седан в фургон или универсал обычно улучшает обтекаемость автомобиля за счет увеличения линейных размеров крыши, позволяющей воздушному потоку двигаться в направлении, параллельном земле, т.е. с меньшими энергетическими потерями.

Двухобъемный кузов (фастбек), правильно спроектированный по сравнению с кузовом седан, имеет меньшие значения Сх, но может иметь и равные (например, у автомобилей Моррис Марина, Ланчиа Гамма) или даже большие.

Преобразование кузова седан в фаэтон вызывает ухудшение обтекаемости примерно на 20%. Однако таких кузовов мало, и с учетом жестких норм по безопасности они, видимо, будут скорее исключением на массовых автомобилях. Кузова с полностью или частично сдвигаемой крышей (ландо) устанавливают обычно на дорожноспортивных автомобилях или типа люкс. У автомобиля со сдвинутой крышей коэффициент Сх увеличивается на 9%, а с опущенными стеклами - незначительно. Наличие в автомобиле кондиционера, требующее движения с поднятыми стеклами, улучшает обтекаемость.

Эффективным, средством, снижающим коэффициент Сх, является установка на автомобиле гладкого днища. Такими днищами оборудуют чаще всего легковые автомобили с приводом на передние колеса (например, Олдсмобил Торонадо, Ауди 50).

Кузова автомобилей оборудуют различными спойлерами. Основное назначение спойлеров - уменьшать величину аэродинамической подъемной силы автомобиля и, тем самым, улучшать его устойчивость и управляемость, а также более полно использовать сцепной вес, т.е. увеличивать вертикальную нагрузку на ведущие колеса. Правильно спроектированные геометрические параметры спойлера, рационально подобранные углы и место его установки могут снизить коэффициент Сх.

Так, например, у автомобиля Моррис Марина (Великобритания) благодаря установке переднего спойлера коэффициент Сх с 0,44 снизился до 0,41, а у Форд Капри - с 0,40 до 0,374.

Таким образом, при решении задачи улучшения обтекаемости следует принимать во внимание целесообразность изменения формы автомобиля при той же величине снижения коэффициента лобового сопротивления воздуха Сх, достигнутой с помощью установки спойлеров.

Общая картина обтекания легкового автомобиля поясняется рис. 2.7. Над передней кромкой капота возможен срыв потока (это зависит от угла наклона поверхности). В подднищевой зоне давление несколько повышено, а на боковых поверхностях, напротив, понижено, и в них устремляется воздух, выходящий через пороги с боков кузова. Это способствует образованию в спутной струе позади автомобиля продольных вихрей. Взвихренная спутная струя может быть довольно длинной, обычно она значительно превышает длину кузова. В обычных условиях вихри, образующиеся позади автомобиля, можно видеть, наблюдая за дымком из непрогретой выпускной системы в холодную погоду.

Схема обтекания движущегося легкового автомобиля, в задней

Рис. 2.7. Схема обтекания движущегося легкового автомобиля, в задней

части образуются вихри и спутная струя

Для снижения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх без радикального изменения формы кузова необходимо оптимизировать отдельные элементы поверхности.

Формой передней кромки капота можно повлиять на характер обтекания передней части кузова. При этом желательно, чтобы поток воздуха над капотом, по крайней мере, в его передней части, не создавал зон ни повышенного, ни пониженного давления. На рис. 2.8 показано, как можно влиять на распределение давлений формой передней кромки капота.

Оптимизация формы передней кромки капота

Рис. 2.8. Оптимизация формы передней кромки капота:

А - полный отрыв потока; Б - частичный отрыв потока; В - отрыв потока

отсутствует

На позиции А рисунка изображен исходный профиль кромки и характер потока воздуха. Над всем капотом образуется обширная зона

разрежения, т.е. возникает подъемная сила, а это несколько разгружает передние колеса и увеличивает индуктивное сопротивление. Давление у нижней части ветрового стекла, откуда обычно забирается воздух для вентиляции салона, понижено. На позиции Б показано, что установка накладки на кромку капота улучшает картину обтекания. Позиция В показывает оптимизированный профиль этого элемента. Поток воздуха не отрывается от поверхности капота, давление в зоне сопряжения капота с ветровым стеклом достаточно для питания системы вентиляции салона.

Рассмотрим влияние угла наклона ветрового стекла на обтекание передней части автомобиля (рис. 2.9). На графике показано увеличение коэффициента Сх (АСХ) с увеличением угла наклона стекла А(р по отношению к исходному углу <р.

Влияние наклона ветрового стекла на коэффициент аэродинамического сопротивления легкового автомобиля с низким

Рис. 2.9. Влияние наклона ветрового стекла на коэффициент аэродинамического сопротивления легкового автомобиля с низким

аэродинамическим сопротивлением

Очень большое влияние на общее аэродинамическое сопротивление легкового автомобиля и действующую на него подъемную силу (которая определяет индуктивное сопротивление) имеет задняя часть кузова. На рис. 2.10 показана зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления Сх от угла наклона ф задней панели кузова. При малом угле ф поток воздуха плавно переходит с крыши на заднюю наклонную панель и срывается на вертикальной панели. При значительном увеличении угла ф поток срывается у задней кромки крыши, поперечная площадь спутной струи увеличивается, и возрастает аэродинамическое сопротивление. В интервале углов ф примерно от 20° до 35° поток становится неустойчивым («хлопающим»), что приводит к существенному увеличению сопротивления движению. Надо иметь в виду, что конкретные числовые значения величин, приведенные на рисунке, относятся к определенному кузову, для другого кузова они будут иными, хотя характер их изменения сохранится.

Если найдено оптимальное положение задней наклонной панели кузова, то отклонение от этого положения приводит к увеличению коэффициента аэродинамического сопротивления, как это показано на рис. 2.11.

Иногда задняя часть кузова образована поверхностью с «переломом» и состоит из наклонной части и приблизительно горизонтальной. Характер изменения аэродинамического сопротивления от конфигурации этой части кузова показан на рис. 2.12.

5)

Рис. 2.10. Режим обтекания задней части кузова с наклонной панелью: а - пологая задняя часть кузова; 6 - круто срезанная задняя часть

Изменение коэффициента аэродинамического сопротивления при отклонении формы задней части кузова от оптимальной

Рис. 2.11. Изменение коэффициента аэродинамического сопротивления при отклонении формы задней части кузова от оптимальной

Зависимость аэродинамического сопротивления от формы задней

Рис. 2.12. Зависимость аэродинамического сопротивления от формы задней

панели кузова:

1 - наклонная панель; 2 - панель с «переломом»; 3 - приблизительно горизонтальная панель - продолжение крыши

При наклонной задней панели кузова часто бывает целесообразно устраивать на задней кромке ребро, которое часто называют спойлером. Оно направляет поток воздуха немного вверх и уменьшает подъемную силу, а, стало быть, и индуктивное сопротивление.

Подбор расположения и формы этого элемента - сложный и трудоемкий процесс, который проводится в аэродинамической трубе. Рис. 2.13 иллюстрирует этот этап оптимизации кузова.

Оптимизация формы задней части кузова подбором формы и

Рис. 2.13. Оптимизация формы задней части кузова подбором формы и

расположения спойлера:

СЛ - коэффициент аэродинамического сопротивления; С: - коэффициент

подъемной силы

Иногда при наклонной задней панели целесообразно организовать срыв потока в задней части крыши, тогда там также делается небольшое ребро.

Задний спойлер или, так называемое антикрыло, создает аэродинамическую силу, направленную вниз. Это имеет особое значение для спортивных и тем более гоночных автомобилей. Средство это применяется довольно широко, однако в технической литературе до сих пор нет рекомендаций по оптимизации его расположения на автомобиле. Для примера ниже приводятся некоторые результаты исследования данного вопроса.

Исследованию в аэродинамической трубе подвергалась модель гоночного автомобиля в масштабе 1:5 с антикрылом, установленным над задней осью (рис. 2.14).

Исследуемая модель гоночного автомобиля в масштабе 1:5

Рис. 2.14. Исследуемая модель гоночного автомобиля в масштабе 1:5

Целью исследования было определение такого местоположения антикрыла и такого угла его наклона, при которых прижимающее усилие задних колес к дороге было бы наибольшим, а возрастание силы лобового сопротивления - умеренным.

Модель испытывали в несколько этапов.

Были изготовлены стойки разных размеров и конфигурации, позволяющие крепить антикрыло (рис. 2.15) в двух положениях относительно передней кромки автомобиля (х=679,4 и х=719,4 мм) и в трех положениях по высоте (г=70, 50, 30 мм от поверхности задней панели). Кроме того, в каждом из положений угол атаки а антикрыла можно было изменять в широких пределах.

Варианты установки антикрыла на исследуемой модели

Рис. 2.15. Варианты установки антикрыла на исследуемой модели

автомобиля

Исследования выявили влияние конструкции стоек антикрыла и места их расположения на величины всех трех аэродинамических коэффициентов Сх, Су, С:.

Например, при изменении координаты х от 679,4 до 719,4 мм Су изменяется в 2-3 раза, Сх - на 1 %; при уменьшении высоты стойки с 70 до 30 мм Су изменяется на 0-46%, а СЛ - на 1-0,4%; при увеличении угла атаки крыла от 0 до 15° Су изменяется в 2,5-5 раз, а Сх только на 8-13%.

Таким образом, испытания модели позволили установить оптимальный вариант расположения антикрыла: х=719,4 мм; г=30 мм; а=12°.

Для моделей другой формы эти параметры могут оказаться иными. Однако ценность данного исследования в том, что оно, во-первых, подтверждает возможность оценки аэродинамической эффективности антикрыла на модели, т.е. еще на стадии проектирования автомобиля; во-вторых, показывает, что эта эффективность зависит от сравнительно небольшого числа параметров, причем параметров, легко варьируемых; в-третьих, показывает, что установка антикрыла заметно сказывается на качестве сцепления задних колес автомобиля с дорогой, но практически не влияет на его аэродинамическое сопротивление.

Кроме доводки силуэта кузова, его боковой проекции, проводится оптимизация очертаний его задней части в плане, на горизонтальной проекции. Для уменьшения аэродинамического сопротивления надо зауживать заднюю часть кузова, но это целесообразно лишь до определенного предела, что иллюстрируется рис. 2.16.

Зависимость аэродинамического сопротивления от сужения

Рис. 2.16. Зависимость аэродинамического сопротивления от сужения

задней части кузова:

1 - исходная форма; 2,3,4- измененные в процессе оптимизации формы

Если автомобиль движется при боковом ветре, то характер его обтекания воздухом существенно изменяется, появляется боковая сила, которая может повлиять на его устойчивость. В большинстве случаев появляется необходимость корректировки траектории движения автомобиля рулем. Характер поведения автомобиля при несимметричном обтекании зависит от взаимного расположения центра масс автомобиля (центра тяжести) Цт и от положения его метацентра Цм, т.е. точки приложения равнодействующей боковых сил. Чем больше это несовпадение, характеризуемое плечом ам, тем больше поворачивающий момент от бокового ветра.

Для достижения удовлетворительного совпадения метацентра и центра масс приходится вносить коррективы в компоновку автомобиля и в формы кузова. Для изменения положения центра масс меняется расположение запасного колеса, аккумулятора, топливного бака и других элементов, если это возможно. Формы кузова также приходится корректировать до достижения необходимого компромисса. В этом отношении показательным является легковой автомобиль Татра-87, 1940 г. Этот автомобиль - заднеприводный, с задним расположением силового агрегата, и центр масс у него смещен к задним колесам. В то же время конструкторы постарались расположить пассажирский салон возможно ближе к передней оси, чтобы максимально уменьшить базу автомобиля. Это привело к значительному расхождению положения центра масс - он оказался смещенным назад относительно середины базы - и метацентра, который, напротив, переместился вперед. Конечно, были предприняты шаги для возможного перемещения тяжелых элементов автомобиля вперед, но это не решило проблемы полностью, и пришлось установить в задней части кузова вертикальный киль, стабилизатор, не лишенный определенной зрительной привлекательности. Автомобиль Татра-87 во время испытаний в аэродинамической трубе показан на рис. 2.17.

Автомобиль Татра-87 с вертикальным килем в задней части

Рис. 2.17. Автомобиль Татра-87 с вертикальным килем в задней части

Важным вопросом, который приходится решать при создании кузова легкового автомобиля, является обеспечение приточной и вытяжной вентиляции салона. Естественно, что для надежного притока воздуха в салон расположение воздухозаборных отверстий следует выбирать в тех местах кузова, где гарантированно имеется избыточное давление при любых разумных углах натекания встречного потока воздуха, а отверстия для вытяжной вентиляции - в местах с пониженным давлением. Распределение давлений по поверхности кузова типа седан при симметричном и несимметричном обтекании поясняется рисунками 2.18 и 2.19.

Изобары на поверхности кузова типа седан при симметричном

Рис. 2.18. Изобары на поверхности кузова типа седан при симметричном

обтекании

Изобары на поверхности кузова типа седан при набегании потока

Рис. 2.19. Изобары на поверхности кузова типа седан при набегании потока

под углом 30° (наветренная сторона)

Выше было показано, как влияет на давление в зоне сопряжения капота с ветровым стеклом форма капота. Это важно, потому что место забора воздуха должно быть расположено возможно выше (там меньше пыли), а делать его выше верхнего края ветрового стекла на легковом автомобиле вряд ли целесообразно. И если при симметричном обтекании картина как будто достаточно ясная, то при боковом ветре на поступление воздуха в салон может повлиять, например, зона перехода от поверхности переднего крыла к поверхности капота. При резкой грани в этой области поток поднимается вверх и может пройти мимо воздухозаборного отверстия, на эпюре давлений появляется зона пониженного давления, и тогда даже при движении с большой скоростью для обеспечения вентиляции салона приходится включать вентилятор.

Место для вывода воздуха из салона, для вытяжной вентиляции, должно быть расположено в той области кузова, где при движении образуется пониженное давление. На рис. 2.20 показаны возможные места расположения устройств для выхода воздуха.

Устройства для выпуска воздуха

Рис. 2.20. Устройства для выпуска воздуха: а - в задней стойке за дверным проемом; б - в задней стойке; в - через увеличенную щель у передней кромки крышки багажника

Вообще места расположения устройств для входа и выхода воздуха, используемого для вентиляции салона, должны выбираться с таким расчетом, чтобы при движении автомобиля внутри поддерживалось немного повышенное давление (разумеется, при закрытых окнах). Это препятствует попаданию пыли и выпускных газов в салон через неплотности кузова.

Вентиляция подкапотного пространства обеспечивает охлаждение двигателя, и для нее также надо обеспечить и вход, и выход воздуха. Если двигатель расположен в передней части автомобиля, то организация входа воздуха обычно не вызывает затруднений, а о том, чтобы обеспечить выход воздуха из подкапотного пространства, приходится заботиться особенно, тем более, что у конструктора часто появляется желание защитить силовой агрегат от брызг из-под передних

колес, и он перекрывает щитками пространство между двигателем и брызговиками. На рис. 2.21 показано, что проблему можно решить установкой щитка под передней панелью кузова. Это создает некоторое разрежение под днищем автомобиля, в результате чего происходит два полезных события: «высасывается» воздух из-под капота и уменьшается общее аэродинамическое сопротивление автомобиля за счет уменьшения подъемной силы, т.е. индуктивного сопротивления, и это несмотря на фактическое увеличение лобовой площади кузова. Разумеется, размеры и форму этого щитка, который часто называют передним спойлером, надо подбирать индивидуально для каждого автомобиля.

Улучшение вентиляции подкапотного пространства установкой

Рис. 2.21. Улучшение вентиляции подкапотного пространства установкой

щитка под передней панелью кузова: а - без щитка; б - со щитком

Еще одной проблемой, как указывалось выше, является защита кузова от загрязнения. При движении автомобиля по мокрой дороге колеса разбрызгивают грязь, которая потоком воздуха выносится из-под днища, потому что под днищем обычно создается насколько повышенное давление. Воздух устремляется в зоны пониженного давления - к боковинам кузова и к его задним панелям, там и оседает грязь. Немного облегчает ситуацию применение переднего спойлера, а защита боковин улучшается при установке выступающих молдингов на боковинах, что показано на рис. 2.22.

Защита от грязи верхней части боковины кузова установкой

Рис. 2.22. Защита от грязи верхней части боковины кузова установкой

выступающего молдинга

Задняя часть кузова загрязняется обязательно, потому что там создается зона пониженного давления. Защитить от загрязнения задние фонари иногда удается созданием на их поверхности крупных горизонтальных ребер, как это показано на рис. 2.23, позиция А. Грязь оседает в основном на выступающих частях ребер, впадины загрязняются меньше, и рассеиватели фонарей остаются достаточно прозрачными.

Предотвращение загрязнения задних фонарей путем оребрения их

Рис. 2.23. Предотвращение загрязнения задних фонарей путем оребрения их

поверхности

Особенно трудно защитить от загрязнения заднюю панель кузова типа «универсал», она имеет большую площадь, и у ее поверхности неизбежно создается значительное разрежение. Проблему загрязнения заднего стекла можно решить, установив у задней кромки крыши направляющий щиток (дефлектор). Он направляет поток чистого воздуха с крыши вниз, и образуется своеобразная воздушная завеса, «отгоняющая» грязный воздух, который подсасывается из-под днища автомобиля. К сожалению, такое решение имеет две отрицательные черты: во-первых, в некоторых случаях увеличивается общее

аэродинамическое сопротивление и, во-вторых, этой воздушной завесы хватает в лучшем случае до низа заднего окна, а панель кузова ниже стекла загрязняется быстрее и больше, а на ней расположены задние фонари, и их загрязнение влияет на активную безопасность автомобиля. Применение направляющего козырька показано на рис. 2.24. На графике по горизонтали отложено количество грязи в мг/см2, а по вертикали - расстояние от середины заднего стекла.

Влияние направляющего щитка на загрязнение заднего стекла

Рис. 2.24. Влияние направляющего щитка на загрязнение заднего стекла

кузова типа «универсал»:

1 - без направляющего козырька; 2-е направляющим козырьком (й?4 - количество грязи в мг/см2; 2В - расстояние от середины заднего стекла)

Направляющий

В настоящее время достаточно широкое распространение получили прицепы-дачи, буксируемые легковыми автомобилями. Аэродинамическое сопротивление такого автопоезда, в частности, из-за значительно большей высоты прицепа в сочетании с далеко несовершенными его аэродинамическими формами, существенно выше, чем одиночного автомобиля. Кроме того, при движении автопоезда в зоне между автомобилем и прицепом, а также на верхней, нижней и боковых кромках его передней стенки возникают сильные завихрения, на образование которых тратится энергия. Для снижения аэродинамического сопротивления легковых автопоездов используются лобовые обтекатели, устанавливаемые на крыше автомобилей рис. 2.25. Это позволяет направить идущий выше нее поток воздуха на крышу и боковые стенки прицепа.

Благодаря наличию обтекателя существенно (до 30%) сокращается расход топлива, увеличивается максимальная скорость движения, уменьшается время разгона автопоезда.

В)

Рис. 2.25. Влияние обтекателя на поток воздуха: а - обтекатель; б - без обтекателя; в - с обтекателем

Интересные работы по оценке возможностей снижения аэродинамического сопротивления легковых автопоездов в результате установки лобовых обтекателей выполнены в Германии.

Примером может служить зависимость (ЛСл) легкового автопоезда от высоты лобового обтекателя и места его расположения по длине крыши кабины автомобиля (рис. 2.26).

Влияние на АС лобового обтекателя

Рис.2.26. Влияние на АСХ лобового обтекателя:

  • 1 - расстояние между передними кромками крыши и обтекателя (Со);
  • 2 - высота обтекателя (Ио)

Рекомендуются следующие значения конструктивных параметров щитового обтекателя на крыше: высота щита 0,3 м; угол наклона около 70°; расстояние между передними кромками крыши автомобиля и обтекателя 0,94 м.

Уровень аэродинамического совершенства легковых автомобилей

Уровень аэродинамического совершенства современных легковых автомобилей во многом зависит от их класса. У автомобилей особо малого класса (класс А) основную долю объема занимает пассажирский салон. Короткие моторный и багажный отсеки не позволяют задать оптимальные углы наклона и радиусы сопряжений панелей кузова. Относительно низкая цена не позволяет применять сложные технологические процессы для формирования кузовных панелей или устанавливать дополнительные накладные элементы. Необходимо отметить, что эти автомобили эксплуатируются в основном в городах, где низкие средние скорости движения и, следовательно, аэродинамические показатели не являются определяющими.

Автомобили большого и представительского классов (классы Е, Е), имеющие большую массу и мощные двигатели, менее чувствительны к воздействию набегающего воздушного потока. Это относится как к лобовой и подъемной силам, так и к боковым, возникающим при боковом ветре и движении на повороте. Преобладающим у этих автомобилей является достаточно «строгий» дизайн.

Наиболее показательными с точки зрения совершенствования аэродинамических свойств являются автомобили малого и среднего классов (классы В, С и Э). Они обладают относительно низким лобовым сопротивлением благодаря проведению обширных аэродинамических исследований и совершенствованию технологий автомобилестроения, направленных, в первую очередь, на улучшение топливной экономичности и динамических свойств.

В настоящее время лучшие представители данного класса вплотную приблизились к значению С*=0,29...0,30, что является пределом для современного уровня технологий. Дальнейшие усилия исследователей направлены на снижение сопротивления подкапотного пространства, уменьшение загрязняемое™ и совершенствование акустических характеристик.

В таблице 2.3 приведены основные показатели аэродинамических свойств автомобилей малого класса при нулевом угле натекания воздушного потока, полученные при испытаниях в аэродинамической трубе ФГУП «НИЦИАМТ» в 1996-99 гг. при следующих условиях:

  • • нагрузка - два груза по 70 кг на передних сиденьях и один - в центре заднего;
  • • свободное подрессоривание;
  • • серийная комплектация (наружные зеркала, антенны, колпаки колес);
  • • система вентиляции салона закрыта;
  • • свободное поступление воздуха в систему охлаждения двигателя.

Таблица 2.3

Показатели аэродинамических характеристик автомобилей В, С и Р классов

Марка автомобиля

Тип кузова

F, м2

Сх

F- Сд, м2

BMW 320І

седан

2,04

0,307

0,626

Renault Megane 2.0 RXE

седан

2,00

0,326

0,652

ВАЗ-2112

хэтчбек

1,91

0,340

0,649

ВАЗ-2110

седан

1,96

0,341

0,668

FIAT Brava

седан

2,01

0,345

0,693

VW Golf IV 1.9 TDi

хэтчбек

2,10

0,356

0,748

Renault 19 Europa 1.4

седан

1,93

0,359

0,693

Citroen ZX

хэтчбек

1,96

0,359

0,704

Peugeot 306

хэтчбек

1,96

0,363

0,711

ВАЗ-2111

универсал

1,99

0,367

0,730

FIAT Bravo

хэтчбек

2,02

0,373

0,753

Daewoo Nexia 1.5 GLE

седан

1,89

0,376

0,711

Hyundai Sonata 2.0 GSL

седан

2,09

0,395

0,826

Skoda Felicia 1.3 LX

хэтчбек

1,92

0,400

0,768

ВАЗ-2115

седан

1,88

0,423

0,795

ВАЗ-2109

хэтчбек

1,89

0,451

0,852

АЗЛК-214145 «Святогор»

хэтчбек

1,96

0,461

0,904

Сравнительно низкий уровень аэродинамического совершенства автомобилей ВАЗ-2109, 2115 и АЗЛК-214145 связан с существовавшей в автомобилестроении начала 80-х годов дизайнерской концепцией проектирования внешней формы автомобиля. В то время аэродинамическая доводка проводилась на практически готовом к производству автомобиле и только по отдельным элементам его кузова, поэтому предельные значения Сд были близки к 0,4.

Автомобили 90-х годов (в том числе, автомобили семейства ВАЗ-2110) в отличие от своих предшественников подвергались большому объему аэродинамической доводки на всех этапах разработки, начиная с подбора наиболее совершенных элементов формы на пластилиновых моделях и заканчивая оценкой аэродинамических свойств их установочных серий. Предельные значения Сх (таблица 2.3) снизились до 0,34...0,36 (ВАЗ-2110, FIAT Brava, VW Golf TV).

Наименьшие значения коэффициента обтекаемости Сх среди испытанных автомобилей имели BMW 320i и Renault Mcgane. В их конструкцию заложены последние достижения современной аэродинамики автомобиля:

  • • большие наклон лобового и заднего стекол и радиус кривизны крыши в продольной плоскости наряду с более высокой задней частью (это позволило уменьшить зону отрыва потока воздуха от заднего стекла);
  • • массивные передние стойки, позволившие добиться максимально большого радиуса сопряжения между лобовым и боковыми стеклами (это уменьшило вихреобразование в указанных критических зонах, а также разрежение на боковых поверхностях кузова);
  • • сокращенные до минимума верхние и развитый нижний воздухозаборники моторного отсека (это уменьшило сопротивление подкапотного пространства), мощные спойлеры под передним и задним бамперами, а также практически плоское днище (это снизило общее динамическое сопротивление автомобиля);
  • • зеркала заднего вида, установленные на длинных и узких кронштейнах, обтекаемая форма которых вносит минимальную долю в общее сопротивление автомобиля воздушному потоку.

Кроме того, у автомобиля Renault Megane почти плоская в плане передняя часть и большой радиус ее сопряжения с капотом распределяют воздушный поток таким образом, что основная его масса обтекает верхнюю часть автомобиля, которая создает более низкое сопротивление по сравнению с днищем и боковыми поверхностями.

Внедрение указанных достижений аэродинамики стало возможным в результате прогресса в области технологии автомобилестроения, который коснулся не только совершенствования, но и удешевления технологических процессов производства.

В таблице 2.4 приведены марки автомобилей, имеющих наилучшие аэродинамические характеристики в 2010 г, а на рис. 2.27; 2.28 некоторые из них.

Таблица 2.4

Автомобили, имеющие наилучшие аэродинамические характеристики

Марка автомобиля

Тип

кузова

(число

мест)

Сх

Porsche 911 Carrera (оппозитный двигатель за задней осью, привод на задние колеса; L (габаритная длина) = 4427 мм, Lb (база) = 2350

мм)

Купе

(2+2)

0,290

Toyota RAV4

(5-й дверный кроссовер 4x4, двигатель -спереди поперек, задний мост подключается через вискомуфту; L=4395 мм, Lb=2560 мм)

Универсал

(5)

0,310

Maserati Gran Sport (классическая компоновка, МКП с электроприводом установлена перед задним мостом; L=4523 мм, Lb=2660 мм)

Купе

(2+2)

0,330

Alfa Romeo Mi.То

хэтчбек (4), кл.А

0,29

Alfa Romeo 159

седан (5)

0,325

Alfa Romeo Brera

купе(4)

0,34

Audi A3

хэтчбек

(5)

0,33

Кроссовер Toyota RAV4

Рис. 2.28. Кроссовер Toyota RAV4

В таблице 2.5 для сравнения приведены показатели аэродинамических характеристик некоторых отечественных автомобилей снятых с производства.

Таблица 2.5

Показатели аэродинамических характеристик снятых с производства

автомобилей

Марка автомобиля

Тип кузова

F, м2

Сх

F Cx, м2

ЗАЗ-968

седан

1,76

0,597

0,656

ВАЗ-2106

седан

1,86

0,502

0,934

ИЖ-2126 «Ода»

седан

1,87

0,400

0,748

ИЖ-2715 «Каблук»

фургон

2,25

0,581

1,307

ИЖ-2717 «Ода Версия»

фургон

2,66

0,564

1,500

ГАЗ-53А

грузовой

4,22

0,942

3,975

ЗИЛ-130

грузовой

4,80

1,240

5,952

МАЗ-500А

грузовой

5,30

1,099

5,825

Необходимо отметить, что при движении автомобиля в естественных условиях и наличии бокового ветра набегающий поток обтекает автомобиль с некоторым углом скоса в горизонтальной плоскости. Как показывает практика, для легковых автомобилей при скорости движения 80 км/ч и выше, действительный угол скоса потока составляет примерно 5°.

В связи с этим при разработке формы автомобиля основное внимание уделяется тому, чтобы значение коэффициента Сх, полученное при симметричном обтекании при нулевом угле натекания воздушного потока, по возможности не изменялось для случая обтекания несимметричным потоком в диапазоне малых (от -5° до +5°) углов скоса.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >