Полная версия

Главная arrow Техника arrow Аэродинамика автомобиля. Методы испытаний

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ АВТОМОБИЛЯ

Начиная с 20-х годов XX столетия во всем мире наблюдается повышенный интерес к вопросам, связанным с аэродинамикой автомобиля. Появляются автомобили с кузовами обтекаемой формы, проводятся исследования в этой области с использованием различных методик и оборудования. Ниже рассмотрено развитие и использование аэродинамических труб для продувок автомобилей, другого оборудования для испытаний, отмечен вклад основных исследователей, работающих в этой области в промышленно развитых странах, а также показаны автомобили, сыгравшие важную роль в процессе уменьшения значения коэффициента сопротивления воздуха.

Уже в древности люди использовали то, что заложено в живой природе, обтекаемость тел, быстро перемещающихся в воздушной и водной среде, проводили исследования. Эти вопросы изучали Леонардо да Винчи, Галилей, Ньютон и другие и получили определенные результаты. В дальнейшем получила развитие аэродинамика летательных аппаратов, как более близкая к природе, да и появились летательные аппараты раньше автомобиля в силу извечного желания человека летать.

В самом начале зарождения аэродинамики как дисциплины, главным образом в интересах воздухоплавания, исследователи пришли к заключению, что для получения экспериментальных данных движение тела в воздухе необходимо заменить движением воздуха относительно тела. Этот принцип был реализован при создании аэродинамической трубы. Аэродинамические трубы, первоначально построенные для исследования аэродинамики самолетов, со временем во всем мире стали также использоваться для продувки моделей автомобилей. Потом появились трубы специально для исследования аэродинамики колесных транспортных средств.

Первым наземным транспортным средством, которое продули в 1899 г. в аэродинамической трубе, стал железнодорожный поезд. Автомобили начали испытывать в аэродинамических трубах только после первой мировой войны. В настоящее время комплексами для проведения аэродинамических испытаний обладают все крупнейшие автопроизводители мира. Однако появились они не сразу.

Наряду с испытаниями в аэродинамической трубе существуют и другие методики. Имеющиеся способы аэродинамических испытаний автомобилей в естественных условиях являются очень неудобными и негибкими. Например, в 1927 г. во Франции Вольфард (Wolfard) проводил испытания, устанавливая автомобили на железнодорожной платформе, оборудованной специальными весами. Платформа разгонялась паровозом и затем определялось аэродинамическое сопротивление автомобилей. При таком способе испытаний ветер и погода оставались неконтролируемыми факторами. Тот же недостаток присущ и способу определения аэродинамического сопротивления при движении по инерции, предложенному Хоернером (Hoemer) в 1950 г.

Основное преимущество натурных испытаний в дорожных условиях заключается в том, что при таких испытаниях естественным образом учитывается влияние поверхности дороги. В аэродинамической трубе правильно смоделировать дорогу трудно, поскольку движется воздух, а не автомобиль.

Одна из первых аэродинамических труб была построена в 1871 г. в Англии Уэнхамом (Wenham) и Браунингом (Browning). Они использовали ее для экспериментов с крыльями различных форм. Во Франции в 90-х годах XIX столетия Марей (Магеу) при исследовании обтекания тел различных форм в простой трубе использовал дымовой поток. В 1899 г. аэродинамическая труба была применена для изучения обтекания воздушным потоком железнодорожного поезда, который в то время был самым быстрым транспортным средством. В 1901 г. братья Райт (Wright) проводили испытания профилей крыла в аэродинамической трубе, которую сами спроектировали и построили в г. Дейтоне штата Огайо. Со временем экспериментальные аэродинамические исследования становились более общими. Исходя из возможностей конкретных аэродинамических труб и существующего оборудования исследования приобретали местные особенности и традиции. Поэтому исследования по аэродинамике автомобиля в разных странах развивались по своему.

Повышенный интерес к аэродинамике легковых автомобилей проявился в начале XX столетия с ростом скоростей движения, совершенствованием дорог, и непосредственно проявился в эволюции форм кузовов. При этом можно выделить три этапа, хотя четких границ по времени между этими этапами провести невозможно. На рис. 1.1 схематически показано развитие аэродинамических форм кузовов легковых автомобилей в разные годы.

На первом этапе конструкторы автомобильных кузовов, не имея достаточного опыта аэродинамических исследований, заимствовали формы из других областей техники - из судостроения, авиации. Однако для автомобилей эти формы оказались непригодными. Если сделать легковой кузов с задней частью, подобной корме корабля, то на его верхней части и в области шасси остается большое количество выступающих деталей, и общий результат улучшения аэродинамики оказывается ничтожным. Характерные для авиации формы с сильно вытянутой хвостовой частью, также, мало пригодны для эксплуатации автомобиля в обычных условиях, они целесообразны для гоночных автомобилей. К автомобилям 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.

Развитие аэродинамических форм легковых автомобилей

Рис. 1.1. Развитие аэродинамических форм легковых автомобилей:

1 - торпеда; 2 - корпус корабля; 3 - дирижабль; 4 - форма Румплера; 5 - форма Бугатти; 6 - форма Джерея; 7 - форма Камма; 8 - форма Шлера; 9 - автомобиль Ситроен DS19; 10 - автомобиль NSU; 11, 72 - типичные европейские автомобили 80-х годов

В Германии после первой мировой войны осталось мало самолетов, но было много бездействующего оборудования для их испытаний. В связи с этим немецкие исследователи переключились на исследования аэродинамики автомобилей и в этой области опередили других почти на десятилетие.

Первым в этом, вне сомнения, был Румплер (Rumpler). Этот известный авиаконструктор в 1921 г. представил автомобиль «Тропфенваген» (Tropfenwagen) с кузовом в форме капли и с двигателем, расположенным в задней части, т. е. в форме выпуклого крылового профиля, установленного на колесах (рис. 1.2). Основная идея, заложенная в конструкцию автомобиля Румплера, была основана на интуиции и на опыте самолетостроения.

Румплер провел испытания этого автомобиля в Исследовательском бюро Эйффеля (Eiffel) во Франции.

Оригинальный автомобиль «Тропфенваген», построенный Румплером в 1921 г. и

Рис. 1.2. Оригинальный автомобиль «Тропфенваген», построенный Румплером в 1921 г. и

испытанный Клемперером

Он также сравнил свой автомобиль с другими автомобилями того времени (рис. 1.3).

Схемы обтекания обычного автомобиля 20-х годов и автомобиля «Тропфенваген» Румплера

Рис. 1.3. Схемы обтекания обычного автомобиля 20-х годов и автомобиля «Тропфенваген» Румплера

В 1922 г. Клемперер (Klemperer) испытал модель туристического автомобиля Румплера, выполненного с открытым верхом, в аэродинамической трубе самолетостроительного завода «Цеппелин»

(Zeppelin). Коэффициент аэродинамического сопротивления модели был равен 0,54, т. е. почти такой же как у современного автомобиля с открытыми колесами или как у автомобиля «Форд файерлэин» (Ford Fairlune) выпуска 1963 г. Румплер также способствовал разработке предложенного Прандтлем (Prandtl) метода учета влияния дороги с помощью зеркального отображения. Прандтль, один из крупнейших ученых в области аэродинамики, работал в Геттингенском университете, который впоследствии присвоил его имя аэродинамической трубе общего типа, наиболее широко используемой в Германии. Эта замкнутая труба с открытой, легко переоборудуемой рабочей частью, схематично показана на рис. 1.4, а на рис. 1.5; 1.6 показаны трубы других типов других стран.

Типичная конструкция немецкой аэродинамической трубы, часто называемой трубой «геттингенгского» типа

Рис. 1.4. Типичная конструкция немецкой аэродинамической трубы, часто называемой трубой «геттингенгского» типа

Конструкция аэродинамической трубы, известной под названием «французская

Рис. 1.5. Конструкция аэродинамической трубы, известной под названием «французская

труба»

Аэродинамическая труба, часто называемой «английская труба»

Рис. 1.6. Аэродинамическая труба, часто называемой «английская труба»

Имя Джерея (Jaray) неразрывно связано с исследованиями по аэродинамике автомобилей. Предложенные им основные конструктивные идеи используются и в настоящее время. Родившийся в Венгрии Джерей в период 1914-1923 гг. занимал пост руководителя отдела по проектированию и доводке на авиастроительном заводе «Цеппелин». В 1920 г. на этом заводе было закончено строительство аэродинамической трубы с уменьшенной степенью турбулентности потока, и руководство завода начало думать о проектировании, строительстве и испытаниях аэродинамически обтекаемых автомобилей.

Весной 1921 г. сотрудник Джерея Клемперер получил задание: провести серию испытаний автомобильных форм на моделях, выполненных в масштабе 1:10, для определения аэродинамического сопротивления вблизи поверхности дороги. Некоторые результаты этих исследований приведены на рис. 1.7. Клемперер также исследовал устойчивость, кроме того, изучил распределение давления на поверхности модели, чтобы выбрать наиболее подходящие места для забора и выпуска охлаждающего воздуха.

Примеры форм моделей, исследованных в аэродинамической трубе Джереем и

Рис. 1.7. Примеры форм моделей, исследованных в аэродинамической трубе Джереем и

его сотрудниками

Работы Джерея и Клемперера сразу показали преимущества гладкой формы с замкнутыми обводами, для получения которой требовалось, чтобы двигатель, шасси и пассажирский салон были покрыты профилированными обтекаемыми панелями. В сентябре 1921 г была подана первая немецкая заявка на патент на новую форму кузова, а уже в 1922 г. завод «Цеппелин» построил первый кузов Джерея на шасси автомобиля «Лэй» (Ley) с рабочим объемом двигателя 2 л.

В 1923 г. Конрад (Conrad) провел испытания по методу движения по инерции как кузова Джерея, так и обычного кузова автомобиля «Лэй», установленных на шасси этого автомобиля. Не удивительно, что полученные результаты были в пользу новой аэродинамической формы, так как коэффициент аэродинамического сопротивления у нее был равен 0,3, а у обычного кузова 0,6. Тем не менее, признание формы Джерея задерживалось и закрытые автомобили в 20-х годах встречались вообще редко, не упоминая об автомобилях необычной формы, каким был автомобиль «Джерея-Лэя».

После 1923 г. Джерей переехал в Цюрих (Швейцария), где он основал компанию «Стрим-лайн кэридж боди» (Stream-Line Carriage Body), чтобы развить свое быстрорастущее запатентованное дело.

В США была образована корпорация «Джерей Стримлайн» (Jaray Streamline), вице-президентом которой стал Браун (Brown). Главным достижением корпорации был первый американский патент Джерея, признанный в 1927 г. после пяти лет проволочек. Ссылаясь на этот патент, а также на более поздние патенты корпорация «Джерей стримлаин» обвинила корпорацию «Крайслер» в нарушении авторских прав при создании автомобиля «Эарфлоу» (Airflow). По совету юриста, нанятого для расследования обвинения, корпорация «Крайслер» в июле 1927 г. купила у Джерея лицензию на «Эарфлоу».

Адлер (Adler), один из наиболее последовательных и горячих поклонников обтекаемых форм Джерея, построил в 1935 г. двухместный автомобиль с формой кузова Джерея и с передними ведущими колесами (рис. 1.8). Всего было построено пять таких спортивных автомобилей. Они успешно участвовали в гонках в Ле-Мане в 1937 и 1938 гг. Одновременно с этим Адлер начал производство нескольких кузовов в форме кузова Джерея вместо обычных кузовов седан.

Автомобиль «Адлер-Триумпф»

Рис. 1.8. Автомобиль «Адлер-Триумпф»

Формы кузовов Джерея, коэффициент аэродинамического сопротивления которых у серийных моделей равнялся 0,23, стали вершиной мастерства школы нового стиля. Все элементы кузова, независимо от того, горизонтальные или вертикальные это участки поверхности или их комбинации, сужались в задней части, образуя острые кромки. В 30-х годах в Германии разработкой новых форм занимались и другие исследователи. Среди них Кёниг-Фахзенфельд (Konig-Fachsenfeld), который также оставил свой след в исследованиях аэродинамики автомобиля. Имея опыт

11

самолетостроения, Кёниг-Фахзенфельд спроектировал специальный кузов для автомобиля, созданного на базе автомобиля «Мерседес SSK». Этот автомобиль был построен фирмой «Веттер» в 1932 г. Прозванный берлинцами за свою форму «сигарой» (рис. 1.9), автомобиль имел полное превосходство на трековых гонках AVUS в 1932г.

а - оригинальная форма обтекаемого кузова для автомобиля «Мерседес-Бенц SSK»

Рис. 1.9. а - оригинальная форма обтекаемого кузова для автомобиля «Мерседес-Бенц SSK», спроектированного Кениг-Фахзенфельдом; б - улучшенный вариант обтекаемого кузова автомобиля «Мерседес-Бенц SSK», участвовавшего в гонках в 1932 г

Исследования Кёниг-Фахзенфельда были тесно связаны с Аэротехническим институтом при Штутгартской высшей технической школе, возглавляемой профессором Маделунгом (Madelung). Следуя совету Кёниг-Фахзенфельда, Маделунг использовал имевшуюся в его распоряжении аэродинамическую трубу для проведения серии испытаний на устойчивость моделей легковых автомобилей в 1934 г.

Согласно программе исследований в ноябре 1935 г в этой трубе продувались модели с разными взаимозаменяемыми хвостовыми секциями. При скругленной хвостовой части коэффициент аэродинамического сопротивления модели составил 0,29, что оказалось выше предполагавшегося значения. Тогда Маделунг продул модель без хвостовой секции, коэффициент аэродинамического сопротивления уменьшился до 0,23. В результате стало понятно, что можно обойтись без длинной заостренной хвостовой части, характерной для форм кузовов Джерея.

Тем временем к такому же заключению пришли исследователи Штутгартского научно-исследовательского института автомобилей, который был филиалом Штутгартской высшей технической школы. Этот институт был основан в 1930 г. его первым директором Каммом (Капни), который к тому времени уже обладал большим опытом проектирования автомобилей и самолетов. К концу 1930 г. в Штутгартском научно-исследовательском институте автомобилей работало более 300 сотрудников и они имели самое современное оборудование для проведения научных исследований в области автомобилестроения.

Институт имел две аэродинамические трубы, специально спроектированные для продувки автомобилей. Небольшая труба с круглой рабочей частью, оборудованная бегущей лентой, служила для продувок моделей (рис. 1.10). Большая труба с D-образным сечением рабочей части, плоское основание которой моделировало дорогу, была построена для испытания автомобилей в натуральную величину. В поперечном сечении эта труба имела размер 5,2x7,3 м. Вентилятор мощностью 4100 кВт обеспечивал скорость потока воздуха до 80 м/с. Модели автомобилей, выполненные в натуральную величину, для удобства измерений часто подвешивались на проволоке. При испытаниях в обеих трубах большое внимание уделялось моделированию влияния дороги, для чего под колесами автомобилей устанавливалась бегущая лента, скорость которой уравнивалась со скоростью потока воздуха с помощью стробоскопа.

Малая аэродинамическая труба Штутгартского научно-исследовательского института автомобилей, оборудованная основанием в виде бегущей ленты

Рис. 1.10. Малая аэродинамическая труба Штутгартского научно-исследовательского института автомобилей, оборудованная основанием в виде бегущей ленты

В 1935 г. Камм и его сотрудники доказали теоретически и экспериментально, что можно создавать формы автомобилей с малым аэродинамическим сопротивлением, если обеспечивать наилучшую схему обтекания поверхности автомобиля вплоть до его задней части, которая может быть круто, почти вертикально, обрезанной. Заднюю часть кузова вовсе не обязательно сужать до острого окончания, достаточно лишь наметить сужение, а затем резко оборвать. Аэродинамическое сопротивление при этом получается достаточно малым.

Созданные на основе этой концепции автомобили были построены и испытаны. Эта форма кузова, получившая название К-формы, оказалась настолько удачной, что используется и в современной практике

13

кузовостроения, в этом можно убедиться, просматривая автомобильные журналы с информацией о новых легковых автомобилях. Автомобиль Камма 1938-1939 гг. показан на рис. 1.11. Продуманная передняя часть кузова обеспечивает плавное обтекание крыши, задняя часть которой несколько опускается, а затем поток срывается при переходе к почти вертикальной задней стенке, площадь которой существенно меньше миделевого сечения кузова. Этим сочетанием рациональной передней части кузова и резко «обрезанной» задней и достигается низкое значение аэродинамического сопротивления.

Автомобиль Камма, 1938-1939 гг

Рис. 1.11. Автомобиль Камма, 1938-1939 гг.

Одним из первых автомобилей с кузовом К-формы, был небольшой двухместный автомобиль, построенный в Берлине, на базе шасси автомобиля «Мерседес-170» Эверлингом (Ewerling). В процессе исследовательской работы, проведенной в Штутгартском научно-исследовательском институте автомобилей, фирмами «Веттер» и «Вендлер» (Wendler) было построено пять четырехдверных седанов К-формы: два на базе шасси автомобиля БМВ-335 и три с двигателем автомобиля «Мерседес-170». Коэффициент

аэродинамического сопротивления этих автомобилей составлял всего 0,26. Большая часть результатов аэродинамических исследований, выполненных в институте, была опубликована в 1938 г. Шмидом (Schmid), одним из ближайших помощников Камма.

Параллельно с Каммом и его сотрудниками исследования автомобильных форм проводил Шлёр (Schtor) в Лаборатории

аэродинамических исследований Геттингенского университета, в которой когда-то работал знаменитый Прандтль. Шлёр пытался найти реальную аэродинамическую форму автомобиля. Он разработал обтекаемую форму с полностью закрытыми колесами (рис. 1.12) и построил автомобиль с задним расположением двигателя и с канавками в кузове для подвода воздуха к радиатору на базе шасси автомобиля «Мерседес». Этот автомобиль испытывался в 1938 г.

С начала войны большая часть рабочего времени аэродинамической трубы использовалась фирмой «Порше» (Porsche). Продувались модели автомобилей фирмы «Порше», выполненные в натуральную величину или в масштабе 1:5, как гоночных автомобилей, так и перспективных серийных образцов. На фирме быстро поняли, что значения коэффициента аэродинамического сопротивления, полученные при продувках моделей и при испытаниях реальных автомобилей, могут заметно расходиться. Например, для автомобиля этой фирмы «Спайдер» (Spyder) выпуска 1956 г. при продувке модели в трубе было получено значение коэффициента аэродинамического сопротивления 0,29, а для автомобиля в натуральную величину 0,45.

Идеальная форма автомобиля, разработанная Шлером в Геттингенском

Рис. 1.12. Идеальная форма автомобиля, разработанная Шлером в Геттингенском

университете

После войны фирма «Даймлер-Бенц», подобно фирме «Порше», продолжила аэродинамические испытания в трубах Штутгартского научно- исследовательского института автомобилей. Позднее в 1968г. фирма «Даймлер-Бенц» оборудовала свою собственную многоцелевую аэродинамическую трубу в Зиндельфингине, спроектированную и построенную фирмой «Динглерверке» (Dinglerwerke) под руководством Эккерета (Eckeret). Эта же фирма построила трубу для продувок автомобилей в натуральную величину, которая в настоящее время используется фирмой «Фольксваген» для погодных и аэродинамических испытаний.

Спроектированные с учетом достижений аэродинамики немецкие автомобили НСУ (NSU) РО-80 с роторно-поршневым двигателем и «Опель» продувались с целью аэродинамической доводки перед серийным производством в аэродинамической трубе Штутгартского научно-исследовательского института автомобилей.

Некоторые наиболее ранние немецкие исследования по аэродинамике проводились во Франции в Исследовательском бюро Эйффеля, имя которого присвоено французскому типу аэродинамической трубы (рис. 1.5). До настоящего времени фирма «Порше» применяет аэродинамическую трубу Эйффеля. В этой трубе помещение, используемое для испытаний, является полностью закрытым. Вентилятор втягивает воздух, поступающий в трубу с другого конца помещения, и создает поток воздуха в рабочей части, где устанавливается испытуемый объект.

Клаво (Claveau), опираясь на свой почти двадцатилетний опыт самолётостроения, провел испытания нескольких экспериментальных автомобилей, начав в 1926 г. с модели, имевшей открытый верх, заднее расположение двигателя и открытые колеса. Один из таких автомобилей показан на рис. 1.13. Это четырехместный седан выпуска 1927г., имеющий идеальный аэродинамический продольный профиль и квадратное поперечное сечение, незакрытые колеса и круглые крылья. На автомобиле выпуска 1931 г. Клаво разместил колеса внутри кузова в стиле автомобиля «Шернар- Уолкер».

Седан, построенный Клаво в 1927 г. с учетом аэродинамических требований

Рис. 1.13. Седан, построенный Клаво в 1927 г. с учетом аэродинамических требований

Одними из лучших во Франции были работы Андро (Andreau), практичного и глубокого исследователя, который в 30-е годы был директором Центра аэродинамических исследований в Шоассоне. Очень важными являются его исследования модели автомобиля «8-18 Делаж» (Delage), выполненной в масштабе 1:10, в целях сравнения стандартного кузова с незначительно измененным вариантом кузова и с кузовом в форме Джерея. Андро использовал метод зеркального отображения для моделирования дороги и изучал распределение давления по поверхности кузова, устойчивость, а также аэродинамическое сопротивление автомобиля.

Андро не был удовлетворен практическими результатами тех улучшений, которые он ввел в автомобиль «8-18 Делаж», и занялся разработкой своих форм автомобилей с характерной плавностью обводов кузова, с обтекателями колес и скругленным килем, примененным в задней части кузова для повышения устойчивости автомобиля.

Первые испытания кузова Андро, установленного на шасси автомобиля «Пежо», были проведены в 1937 г. Результаты продувок моделей в Шоассоне и испытаний автомобиля методом спуска по наклонной поверхности показали, что автомобиль с кузовом Андро имеет коэффициент аэродинамического сопротивления 0,28, который на 58% меньше, чем у стандартного автомобиля «Пежо». В отличие от многих ранее изученных обтекаемых форм, модель Андро была более устойчивой при боковом ветре,

16

в результате применения закругленной носовой части и киля. В конце 30-х годов Андро консультировал Истона при проектировании гоночного автомобиля «Тандерболт» (Thunderbolt), разрабатывавшегося для побития абсолютного рекорда скорости на земле. На этом автомобиле (рис. 1.14) в 1938 г. достигли скорости 575 км/ч.

Автомобиль «Тандерболт» построенный Истоном при консультации Андро

Рис. 1.14. Автомобиль «Тандерболт» построенный Истоном при консультации Андро

В 1939 г. Андро занимался аэродинамической доводкой небольшого экономичного трехколесного автомобиля выпуска 1934 г. В 1947 г. этот трехместный автомобиль демонстрировался под названием «Матис VL 333» (Mathis VL 333). Данный автомобиль имел лучшие аэродинамические качества среди автомобилей массового производства. Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля был равен 0,22 и, как считал Андро, значение коэффициента могло быть уменьшено до 0,18 путем удлинения хвостовой части, хотя это было бы практически нецелесообразным. К сожалению, практичный и, нельзя сказать, что непривлекательный автомобиль «Матис», так и не был запущен в производство.

После второй мировой войны центр исследований по аэродинамике автомобиля переместился в Ведомство научных и производственных исследований Романи (Romani). Это ведомство имело в своем распоряжении две аэродинамических трубы, одна из которых сооруженная в Шале-Медоне, была в то время самой крупной в Европе; поперечное сечение рабочей части было высотой 8 и шириной 16 м. Другая труба с размером сечения рабочей части 1,8x2,1 м была установлена в Аэротехническом институте в Сент-Сире.

Используя обе трубы, Романи в 1947-1949 гг. выполнил основополагающую работу о влиянии масштабных факторов в экспериментальной аэродинамике. В аэродинамической трубе Сент-Сира были испытаны модели, выполненные в 1/5 натуральной величины автомобилей «Фольксвагена», «Рено-4» и гоночного двухместного автомобиля БМВ. Результаты испытаний были сравнены с результатами продувок реальных автомобилей в аэродинамической трубе Шале-Медона. Натурные испытания оказались очень трудоемкими - деформировалась подвеска автомобилей, несмотря на то что она была жестко закрепленной. Романи отметил, что для этих испытаний потребовалось семь недель рабочего времени аэродинамической трубы, из которых только 30 ч ушло на продувки (это замечание свидетельствует о сложности проведения аэродинамических экспериментов).

Романи пришел к заключению, что существуют серьезные ограничения для продувок моделей в 1/5 и, тем более, в 1/10 натуральной величины. Он считает характерной особенностью таких экспериментов то, что они ставят столько же новых вопросов, на сколько отвечают. И чтобы ответить на эти новые вопросы, Романи предлагал построить во Франции еще одну аэродинамическую трубу специально для испытаний автомобилей.

Законы аэродинамики применил Панхард (Panhard) при разработке серийного четырехдверного автомобиля «Дайна» (Dyna), запущенного в производство в 1953 г. В этом автомобиле прослеживаются черты экспериментальной модели «Дайнавиа» (Dynavia), созданной Панхардом, которая была испытана в 1/5 натуральной величины в Сент-Сире в 1947 г. Автомобиль, выполненный в форме «слезинки», имел значение коэффициента аэродинамического сопротивления, равное 0,17. После этого на основе модели «Дайнавиа» Панхард начал разрабатывать серийный автомобиль. Были проведены испытания моделей со скругленными задними частями в Сент-Сире, а также в лаборатории Эйффеля в Париже, где были получены коэффициенты аэродинамического сопротивления этих моделей, соответственно равные 0,26 и 0,24. В результате испытаний автомобиля «Дайна-Панхард» в натуральную величину получено значение коэффициента сопротивления 0,26, что подтвердило результаты модельных испытаний.

Французские спортивно-гоночные автомобили с малым рабочим объемом двигателя неоднократно попадали в число победителей гонок в Ле- Мане, и в последующее время уже с более мощными двигателями эти автомобили претендовали на более серьезные победы. Причина успеха этих автомобилей обусловлена, в первую очередь, тщательной аэродинамической доводкой. Например, двухместный автомобиль фирмы «Дойч-Бонне» (Deutsch-Bonnet) выпуска 1961 г., созданный на базе шасси автомобиля Панхарда с закрытыми задними колесами, имел значения коэффициента аэродинамического сопротивления 0,15 при модельных испытаниях и 0,18 при натурных испытаниях. В 1962 г. Дойч после отделения от Бонне стал сотрудничать с Романи в разработке еще более «чистого» кузова для своей модели «Панхард-CD». Установка обтекателей за колесами уменьшила коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля до 0,15, что позволило достигнуть максимальной скорости 205 км/ч при мощности двигателя 45 кВт. Сотрудник Романи Хьюберт (Hubert), также участвовавший в разработке автомобиля «Панхард-CD», впоследствии стал специалистом по аэродинамике автомобиля. В конце 1962 г. он приступил к разработке формы кузова для спортивного автомобиля «Альпин» (Alpine) и в течение одного месяца спроектировал автомобиль и испытал его модель в трубе. Автомобиль «Альпин М63» выпуска 1963 г. имел коэффициент аэродинамического сопротивления 0,15, который можно считать вполне удовлетворительным.

Итальянских конструкторов больше всего волновали вопросы механики и эстетики автомобиля, и в первой половине XX века в отличие от немецких и французских конструкторов они не уделяли много внимания вопросам аэродинамики. Однако затем они наверстали упущенное.

В середине 30-х годов в Италии с участием Гил еры (Gil era) была выполнена основополагающая работа по закрытию мотоцикла обтекателями для установления рекорда скорости. В 1935-1937 гг. в этой работе принимал непосредственное участие знаменитый гонщик Таруффи (Taruffi), который 10 лет спустя решил использовать свой опыт в автомобилестроении. Он спроектировал автомобиль «Тарф» с корпусом, состоящим из двух сигарообразных оболочек, в одной из которых помещался водитель, а в другой - двигатель и, кроме того, в каждой оболочке размещалось по паре боковых колес.

В 1948 г. Таруффи проверил свою идею, продув модели в трубе и проанализировав влияние диаметра и длины оболочек корпуса, расстояния между оболочками, размеров соединительной балки и стабилизирующего киля. Модельные испытания показали, что такая конфигурация корпуса имеет очень малый коэффициент аэродинамического сопротивления, равный 0,1. Было построено два автомобиля «Тарф», в конструкции которых Таруффи применил такие передовые достижения своего времени, как воздушный тормоз и поворотные щитки для создания дополнительной тяги.

В Туринском политехническом институте испытания в

аэродинамической трубе проводила фирма ФИАТ, занимавшаяся выпуском самолетов. С помощью трубы осуществлялась аэродинамическая доводка кузова двухместного спортивного автомобиля V8 выпуска 1952 г. с рабочим объемом двигателя 2 л. Испытания проводились на тщательно детализированных моделях больших размеров методом зеркального отображения. Для наблюдения схемы обтекания поверхности использовались красящие жидкости.

В Италии положения аэродинамики нашли практическое применение при проектировании автобусов. Это относится к разработке Бертоне (Bertone) серии кузовов ВАТ для шасси автомобиля «Альфа ромео» (Alfa Romeo).

Проектирование кузовов осуществлял Скальоне (Scaglione), который придал им форму кузова Джерея с сужающейся назад крышей, со сходящимися килями, имеющими щели, и с воздухозаборниками для системы охлаждения двигателя. Первый образец автомобиля ВАТ демонстрировался в Турине в 1953 г. Дорожные испытания показали, что коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля лежит в пределах диапазона 0,19-0,21; однако наличие килей, оказывающих большое влияние на аэродинамические характеристики, приводило к ухудшению управляемости автомобиля при высоких скоростях.

Большое влияние на аэродинамические исследования в 50-х годах оказал Гиа (Ghia), благодаря его сотрудничеству с Савонуцци (Savonuzzi), который в то время временно занимался проектированием аэродинамической трубы в Туринском политехническом институте. В 1955 г. Гиа и Савонуцци провели обширные экспериментальные исследования полей давления и схем обтекания модели в 1/5 натуральной величины автомобиля, демонстрировавшегося в Турине под названием «Тильда». После этого последовал контракт с фирмой «Крайслер» на разработку аналогичного кузова, но большего размера. Испытания проводились на моделях в 1/5 натуральной величины. Гиа поставил окончательный вариант кузова на шасси автомобиля «Империал» (Imperial), в результате чего был создан автомобиль «Дарт» (Dart) для фирмы «Крайслер».

В 50-х годах научный сотрудник Туринского политехнического института Морелли (Morelli) построил аэродинамический прототип М 1000 автомобиля «Фиат» с задним расположением двигателя. Затем Морелли объединился с Фарина (Farina) и Карл и (СагК), работавшими на фирме «Пининфарина» (Pininfarina), чтобы построить оригинальный с аэродинамической точки зрения седан с ромбовидным расположением колес. Этот автомобиль демонстрировался в Турине в конце 1960 г. под обозначением PFX.

Трубные и дорожные испытания автомобиля PFX показали, что его коэффициент аэродинамического сопротивления равен 0,20, однако ромбовидная схема расположения колес была расценена слишком радикальной и на последующей модели (рис. 1.15), построенной на базе автомобиля «Фиат-600», не использовалась. Этот автомобиль имел более высокий коэффициент аэродинамического сопротивления (0,27), однако был более подходящим для практических целей. Первоначально автомобиль имел кили квадратной формы, к которым тяготел Морелли, но затем они были удалены и задняя часть автомобиля приобрела общепринятую форму.

Экспериментальный автомобиль «Модель У», разработанный Морелли на базе шасси автомобиля «Фиат-600» и построенный фирмой «Пининфарина»

Рис. 1.15. Экспериментальный автомобиль «Модель У», разработанный Морелли на базе шасси автомобиля «Фиат-600» и построенный фирмой «Пининфарина»

Фирма «Пининфарина» и Морелли при обоюдном участии спроектировали кузова автомобилей «Феррари» (Ferrari). Первым общим достижением для них был двухместный автомобиль «Суперамерика» (Superamerika) выпуска 1960 г. с закрытыми задними колесами и встроенным аэродинамическим щитком, использовавшимся для уменьшения подъемной силы при высокой скорости движения автомобиля. В 1961 г. были продуты в аэродинамической трубе модели, выполненные в 1/5 натуральной величины, нового четырехместного кузова для шасси автомобиля 250 GT. Для модели было получено значение коэффициента аэродинамического сопротивления, равное 0,31, в то время как в действительности значение коэффициента было равно 0,37. Проведенные улучшения кузова автомобиля 250 GT привели к увеличению максимальной скорости на 10 км/ч и к заметному снижению аэродинамического шума. Распределение давления по поверхности кузова автомобиля показано на рис. 1.16.

Распределение давления на кузове автомобиля «Феррари 250 GT», разработанного Морелли и фирмой «Пининфарина» в 1961 г

Рис. 1.16. Распределение давления на кузове автомобиля «Феррари 250 GT», разработанного Морелли и фирмой «Пининфарина» в 1961 г. [скорость автомобиля 52 м/с, давление измерено в миллиметрах спиртового столба (1 мм спиртового столба примерно

равен 8 Па)]

Большая часть данных об аэродинамике автомобилей была получена в Великобритании в связи с разработками автомобилей, предназначавшихся для побития рекордов скорости как в классе автомобилей с малым рабочим объемом двигателя, так и в классе автомобилей-претендентов на абсолютный рекорд скорости на суше. Первым английским автомобилем-претендентом на абсолютный рекорд скорости, прошедшим полные аэродинамические испытания в трубе в 1929 г., был автомобиль «Санбим голден ароу» (Sunbeam Golden Arrow), спроектированный Ирвином (Irving). Модель автомобиля, выполненная в 1/10 натуральной величины, была испытана в Национальной физической лаборатории. Исследования были проведены при углах рыскания до 12°. Для обеспечения необходимой устойчивости автомобиля такого типа на него был впервые установлен большой хвостовой киль.

Рекорд скорости 372 км/ч, установленный на автомобиле «Сан- бим голден ароу», позже был побит на автомобиле «Блюбед» (Bluebird), созданном Кэмпбеллом (Campbell) в 1933 г. Новый рекорд скорости составлял 439 км/ч.

Более 30 лет отделение «Морис гараж» (Moris Garage) фирмы «Бритиш лейланд» использует подготовку к побитию рекордов скорости для уменьшения коэффициентов аэродинамического сопротивления различных автомобильных форм. Первой аэродинамической работой, выполненной в этом отделении на высоком профессиональном уровне, был кузов, спроектированный Рейльтоном (Railton) в 1937 г. для автомобиля ЕХ-135. На этом автомобиле было побито много второстепенных рекордов. Автомобиль послужил примером для разработки после Второй мировой войны американских гоночных автомобилей.

В 1957 г. фирма «Моррис гараж» построила совершенно новый автомобиль ЕХ-181, чтобы поднять рекорд скорости в классе автомобилей с рабочим объемом двигателя 1,5 л до 400 км/ч. При создании этого автомобиля были испытаны в аэродинамическое трубе различные формы кузовов, включая кузов в виде половины капли, плоская сторона которой почти касается дороги. Эта форма оказалась очень удачной, но при ее использовании необходимо было бы кузов окружать податливой юбкой, подобно тому, как у аппарата на воздушной подушке. В качестве окончательной формы кузова была выбрана форма в виде тыквенной семечки (рис. 1.17), колеса были прикрыты обтекателями спереди и сзади. Все это позволило получить достаточно малое значение коэффициента аэродинамического сопротивления, равное 0,12, и успешно достигнуть намеченной скорости.

Гоночный автомобиль «ЕХ-181», построенный в 1957 г. английской фирмой «Моррис гараж» (коэффициент аэродинамического сопротивления 0,12)

Рис. 1.17. Гоночный автомобиль «ЕХ-181», построенный в 1957 г. английской фирмой «Моррис гараж» (коэффициент аэродинамического сопротивления 0,12)

Опыт самолетостроения и имевшееся для испытаний оборудование способствовали появлению в 1953 г. первого, спроектированного с учетом аэродинамики автомобиля «Лотос-8 (Lotus). Костин (Costin), работавший в то время на фирме «Де Хавилланд эакрафт» (De Havilland Aircraft), испытал свою модель в аэродинамической трубе фирмы, а позднее исследовал течение воздуха в нишах колес окончательного варианта автомобиля, пристегнувшись ремнями к капоту. Дальнейшие аэродинамические улучшения были сделаны на автомобилях «Лотос-9» и «Лотос-11». Последний из серии автомобилей «Лотос» - двухместный автомобиль «Европа» испытывался в аэродинамической трубе уже на стадии проектирования. Боковые окна, омываемые потоком воздуха с малым сопротивлением, наряду с другими элементами позволили получить сравнительно низкое значение коэффициента аэродинамического сопротивления, равное 0,29.

Для окончательной отделки формы кузова автомобиля «Европа» автомобиль продували в одной из аэродинамических труб Научно- исследовательской ассоциации автомобилестроения (Motor Industry Research Association-MIRA). Ассоциация имеет две аэродинамические трубы. Одна труба, предназначенная для испытаний автомобилей в натуральную величину, имеет в поперечном сечении рабочей части размер 8x4,5 м и максимальную скорость потока воздуха 36 м/с; другая труба, используемая для испытания моделей, выполненных в 1/4 натуральной величины, имеет в поперечном сечении размер 2x1 м и максимальную скорость потока воздуха 45 м/с.

Обширные эксперименты, проведенные для согласования результатов, позволили получить данные, с помощью которых результаты продувок в трубах ассоциации корректируются с учетом различий, существующих между условиями в аэродинамической трубе и при движении по дороге. Кроме того, в ассоциации интенсивно изучались вопросы согласования результатов продувок масштабных моделей и образцов, выполненных в натуральную величину. Были получены точные данные для автомобилей обычных форм с обычным дорожным просветом. При аккуратном и детализированном выполнении моделей наблюдается полное соответствие результатов по коэффициенту аэродинамического сопротивления, подъемной силе и моменту тангажа, а расхождения до 10% - по коэффициенту боковой силы, моментам рыскания и крена.

С момента пуска аэродинамических труб ассоциации в 1960 г. их интенсивно используют автомобилестроители при проектировании и аэродинамической доводке автомобилей, а также сотрудники ассоциации для научных исследований, в частности, исследований аэродинамических характеристик основных автомобильных форм (как тупых, так и обтекаемых) и характеристик упрощенных автомобильных кузовов. В свое время проводились эксперименты с выпускавшимися автомобилями в целях уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления до минимального значения путем изменения кузова. Например, было достигнуто такое низкое значение коэффициента аэродинамического сопротивления, как 0,25 одновременно с улучшением устойчивости автомобиля без внесения каких- либо существенных изменений в общий вид автомобиля. Обширный экспериментальный материал, накопленный ассоциацией, позволил впервые создать метод оценки аэродинамического сопротивления автомобиля по параметрам его общей формы.

В 1950 г. английский исследователь Линд Уолкер (Lind Waker) отметил, что высокая аэродинамическая устойчивость повышает способность автомобиля проходить повороты на большой скорости. В 1958 г. Линд

Уолкер опубликовал результаты испытаний моделей, выполненных в 1/8 натуральной величины, в аэродинамической трубе с рабочей частью размером 77x61 см в Ауклендском университете в Андроме (Новая Зеландия). В качестве объекта испытаний Линд Уолкер выбрал автомобиль «Коннат» (Connanght) с полностью закрытым кузовом, занявшим призовое место в соревнованиях «Гран при» (Grand Prix). Однако модель была недостаточно детализирована, вследствие чего данные продувок не совпадали с результатами испытаний реального автомобиля.

В Швеции фирма «Сааб» (Saab), как и фирма ФИАТ в Италии, является самолетостроительной компанией, производящей, кроме того, автомобили. Поэтому первый автомобиль фирмы «Сааб» выпуска 1947 г. был выполнен с учетом аэродинамики. Автомобиль имел полностью закрытые передние колеса и заглубленные фары, коэффициент аэродинамического сопротивления, равный 0,32, который увеличился до 0,35 у моделей серийного производства. Модель «Сааб 99» имеет коэффициент аэродинамического сопротивления 0,37. В результате проведения обширной программы исследований на моделях, выполненных в 1/5 натуральной величины, в аэродинамической трубе Стокгольмского технического университета, автомобили этой фирмы имеют такие низкие значения коэффициента аэродинамического сопротивления. Рыскание автомобиля в пределах 40° исследовалось на тщательно детализированных моделях при продувках на бегущей ленте.

В Голландии до появления первого автомобиля в 1958 г. инженеры фирмы «Ван дорн» (Van Doome) исследовали курсовую устойчивость небольшого автомобиля ДАФ (DAF). Модели автомобиля были испытаны в аэродинамической трубе Голландской национальной аэродинамической лаборатории в Амстердаме, при этом для моделирования дороги использовался метод зеркального отображения. Кроме того, проводились испытания моделей других форм, таких, как со скругленной передней частью и крутой задней частью, результаты которых подтвердили аэродинамическую устойчивость нормальной прямоугольной формы автомобиля ДАФ.

В Чехословакии автомобили «Татра» с задним расположением двигателя со времени своего появления в начале 30-х годов имели характерную аэродинамическую форму, хотя продувки моделей в то время еще не проводились. Аэродинамическую трубу начали использовать только в конце 30-х годов, когда велось проектирование автомобиля «Татра 87V8» (рис. 1.18). С тех пор все модели автомобилей «Татра» подвергали тщательным аэродинамическим исследованиям.

Спроектированный с учетом аэродинамических требований чехословацкий автомобиль «Татра 87 V8» выпуска 1938 г

Рис. 1.18. Спроектированный с учетом аэродинамических требований чехословацкий автомобиль «Татра 87 V8» выпуска 1938 г

В США до 1926 г. не было базы для проведения научных исследований в области аэродинамики автомобиля. Поворотным днем можно считать 16 января 1926 г., когда был организован фонд Гуггенхейма (Guggenheim) для финансирования исследований в области аэродинамики. Этот фонд позволил нескольким американским университетам построить экспериментальные аэродинамические трубы, которые стали затем использоваться для продувок моделей автомобилей и самолетов.

Одна из наиболее значительных ранних американских работ была выполнена в штате Мичиган. В этом штате в трубе Детройтского университета в 1931 г. были проведены фундаментальные аэродинамические исследования на модели, выполненной в 1/4 натуральной величины, при скорости потока 36 м/с. Во время испытаний использовались как неподвижная платформа, так и бегущая лента, а также метод зеркального отображения, который применялся для испытаний в условиях рыскания. Схема обтекания модели потоком воздуха визуализировалась способом нанесения керосиновой сажи на белую поверхность модели. Схема обтекания, пригодная для фотографирования, устанавливалась по степени смытия сажи воздушным потоком.

В 1933 г. в Аннарборском университете штата Мичиган были проведены эксперименты, которые оказали большое влияние на другие исследования во всем мире. Л эй (Lay) установил в аэродинамической трубе модель автомобиля упрощенной формы с взаимозаменяемыми передними и задними секциями и определил коэффициенты аэродинамического сопротивления различных комбинаций, часть из которых показана на рис. 1.19.

Результаты испытаний показали, что правильно аэродинамически оформленная хвостовая часть играет несущественную роль, если передняя часть недостаточно тщательно очищена и скруглена. Этот факт игнорировался многими создателями псевдообтекаемых автомобилей 30-х годов.

Модификации автомобильных форм, описанные в основополагающей работе

Рис. 1.19. Модификации автомобильных форм, описанные в основополагающей работе

Лэя

В другой серии экспериментов, также сыгравших важную роль, Лэй как бы пошутил над законодателями аэродинамических форм автомобилей. Он продул прямоугольную коробку на колесах и получил для нее коэффициент аэродинамического сопротивления, равный 0,86. Постепенно скругляя углы этой коробки, Лэй довел значение коэффициента до 0,46 - это очень большое снижение при таких незначительных изменениях формы. Заинтригованный коробкой со скругленными краями, имеющей значения коэффициента аэродинамического сопротивления меньшие, чем у седанов выпуска 1933 г., Лэй построил образец из дерева (рис. 1.20) для испытаний в натуральную величину на шасси автомобиля «Шевроле» (Chevrolet).

Экспериментальная «коробка» Лэя для шасси легкового автомобиля выпуска

Рис. 1.20. Экспериментальная «коробка» Лэя для шасси легкового автомобиля выпуска

  • 1933 г.:
  • 1 - съемный край; 2 - покрытая аэролаком ткань; 3 - проволочная сетка; 4 - секции из фанеры; 5 - деревянный съемный угол; 6 - целлулоидное окно; 7 - вентиляционной дверь

радиатора

Немецкие исследователи на основании измерений, выполненных Меллером из Брауншвейгского политехнического института отмечают, что коробка Лэя имеет почти такое же значение коэффициента аэродинамического сопротивления, как микроавтобус «Фольксваген» (в действительности их формы почти не различаются между собой).

1934 г. был «урожайным» на аэродинамические исследования в США. В Стэнфордском университете двое дипломников под руководством Рейда (Reid) испытали четыре модели седанов, выполненные в 1/5 натуральной величины. Они искали «идеальную» форму кузова. Для этого была выбрана форма автомобиля с задним расположением двигателя и сдвинутым вперед пассажирским салоном (рис. 1.21). Исследователи пришли к выводу, что при оптимальной форме автомобиля такого типа значение коэффициента аэродинамического сопротивления снизится до 0,15.

Идеальная форма автомобиля, разработанная в 1934 г. Рейдом и его коллегами

Рис. 1.21. Идеальная форма автомобиля, разработанная в 1934 г. Рейдом и его коллегами

В университете штата Огайо в 1934 г. проводились продувки нескольких основных автомобильных форм при скорости потока воздуха, равной 16-25 м/с. Результаты испытаний еще раз указали на решающую роль передней части автомобиля в уменьшении сопротивления. В этом же году Хилд (Heald) в Национальном бюро стандартов провел исследования различных методов моделирования дорог под автомобилем.

Позднее, в 1937 г. Хилд исследовал в аэродинамической трубе влияние бокового ветра и размеров хвостовых килей, применяемых на автомобилях.

В 1949 г. Нэш (Nash) представил модель автомобиля «Эарфлит» (Airflyte) нового стиля с обтекаемой задней частью и с закрытыми передними колесами. Проведенные Нэшом испытания показали, что модель имела аэродинамическое сопротивление меньшее, чем у модели прототипа. Это показалось подозрительным и поэтому было решено провести новые испытания в другой аэродинамической трубе. Была выбрана труба университета в Уичито (штат Канзас), которая была спроектирована специально для испытаний автомобилей. Эта труба показана на рис. 1.22. Продувки в целях определения аэродинамического сопротивления были сделаны для пяти различных моделей Нэша и для 10 спортивных и гоночных автомобилей.

Аэродинамическая труба университета г. Уичито, спроектированная по типу

Рис. 1.22. Аэродинамическая труба университета г. Уичито, спроектированная по типу

немецких труб:

1 - рабочее помещение; 2 - погрузочная платформа; 3 - комната управления; 4 - приемная; 5 - комната для обработки результатов

Полученные результаты для аэродинамического сопротивления имели определенный смысл, но они не совпадали с результатами дорожных испытаний. Причиной этого были малые размеры трубы, поперечное сечение рабочей части которой составляло 2,1*3,0 м. Это означало, что автомобиль в натуральную величину занимал до 35% площади этого сечения, в то время как в экспериментальной аэродинамике принято, чтобы загромождение трубы моделью не превышало 3-5%.

В последующие годы некоторые другие университеты США также использовали аэродинамические трубы для испытаний автомобилей. В Технологическом институте Стивенса (штат Нью-Джерси) после второй мировой войны некоторое время работал Камм, в последующее время там активно трудился его сын и проводил некоторые исследования автомобильных форм в гидробассейне. В 50-х годах XX в Аэронавтической лаборатории университета штата Северная Дакота аэродинамикой легковых автомобилей занимался Хелтемес (Heltemes).

Корпорация «Крайслер» рано занялась исследованиями по аэродинамике автомобиля и оставила в ней глубокий след. Примерно в 1930 г. аэродинамикой заинтересовался сотрудник этой корпорации Брир (Вгеег). Он начал испытывать различные интересующие его формы, моделируя дороги простой пластинкой. В 1932 г. Бри создал форму, которая в 1934 г. была реализована в автомобиле «Эарфлоу».

Эксперименты Брира указывали на важность гладкой передней части автомобиля, особенно заглубления фар. Относительно целесообразности использования цельного днища результаты экспериментов позволяли сделать вывод, к которому пришли и другие исследователи, что такой поддон не нужен и что он только увеличивает массу и создает неудобства. Реальные серийные автомобили не имели тех аэродинамических достоинств, которые предсказывались при продувках моделей, и по эстетическим соображениям автомобиль «Эарфлоу» был снят с производства в 1937 г.

Несмотря на неудачу исследователи корпорации «Крайслер» не сдались. В 1939 г. Зирер (Zierer) и Макаулей (Macaulay) показали, что они способны улучшать аэродинамику автомобиля добившись уменьшения аэродинамического сопротивления у экспериментальной модели на 40% по сравнению с сопротивлением серийного автомобиля, имеющего одинаковую с моделью фронтальную площадь. А при удлиненной, практически неудобной, хвостовой части аэродинамическое сопротивление уменьшалось на 50%. В корпорации «Крайслер» снова возник интерес к автомобилю «Эарфлоу» в 1957 г., когда потребовалось исследовать влияние большого киля. В аэродинамической трубе Детройтского университета была испытана модель, выполненная в 3/8 натуральной величины, одного из автомобилей выпуска 1957 г., которая была полностью детализирована, вращались даже колеса и маленький вентилятор, расположенный сзади смоделированного радиатора. Обработка результатов исследований распределения давления по поверхности модели и испытаний при максимальных углах рыскания подтвердила, киль стандартных размеров уменьшает усилия, необходимые для управления автомобилем при сильном боковом ветре, на 20%. Полученная при этих испытаниях информация позволила в дальнейшем снизить на 15% аэродинамическое сопротивление автомобиля «Де Сото» (De Soto) выпуска 1960 г. по сравнению с сопротивлением автомобиля выпуска 1957 г. путем изменения расположения фар и ветрового стекла.

Дальнейшие аэродинамические исследования корпорация «Крайслер» проводила в аэродинамической трубе длиной 3 м университета штата Канзас, в которой продувала модели, выполненные в 3/8 натуральной величины, автомобилей «Додж чаджер» (Dodge Charder) выпуска 1966 г. и «Додж дейтона» (Dodge Daytcna) выпуска 1969 г. в целях улучшения управляемости и увеличения скорости их в групповых гонках. Для согласования результатов эти модели и автомобили в натуральную величину были испытаны в новой аэродинамической трубе «Локхид-джорджиа» (Lockheed-Georgia), пущенной в строй в 1968 г. Новое оборудование позволило инженерам корпорации «Крайслер» также более эффективно проводить дорожные испытания.

Компания «Форд мотор» первые навыки в экспериментальной аэродинамике получила при разработке своего известного транспортного самолета «Тримотор» (Trimotor). В 1929 г. была построена аэродинамическая труба с рабочей частью размером 1,2 м для продувок моделей самолета. Затем в начале 1930 г. труба была использована для продувок моделей автомобилей, выполненных в масштабе 1:4. В 1936 г. фирма «Форд» построила аэродинамическую трубу для натурных испытаний с рабочей частью размером 2,5><3,4 м, поперечное сечение которой загромождалось на 25%, что немного лучше, чем у построенной позднее аэродинамической трубы в Уичито. Эта труба позволила измерить аэродинамическое сопротивление многих американских автомобилей при скорости потока до 130 км/ч. В 1958 г. компания «Форд мотор» соорудила в Диаборне новую аэродинамическую и погодную трубу с рабочей частью размером 3,7x1,6 м, загромождение поперечного сечения которой было уменьшено до приемлемых 10%. Хотя эта труба не была рассчитана на проведение аэродинамических исследований, тем не менее с ее помощью в 1959 г. удалось получить данные о подъемной силе и аэродинамическом сопротивлении 17 американских автомобилей. Эта труба, в которой скорость потока воздуха могла достигать 225 км/ч, использовалась для определения аэродинамического сопротивления специальных скоростных автомобилей, используемых для рекордных заездов на 1/4 мили (400 м), автомобилей фирмы «Индианаполис» (Indianapolis), автомобиля «Форд GT40», а также других серийных моделей.

Компания «Форд мотор» также интенсивно использовала аэродинамическую трубу Мэрилендского университета с рабочей частью размером 2,4x3,4 м для экспериментальной работы с моделями, выполненными в 3/8 натуральной величины. В этой трубе установлена приподнятая платформа, простирающаяся во всю ширину рабочей части, на задней кромке которой установлены отклоняющиеся щитки для выравнивания потока над платформой и под ней. В трубе Мэрилендского университета, как и в большинстве других современных аэродинамических труб, вместо старых многорядных, манометров используются

преобразователи давления с вычислительной системой обработки данных с целью считывания и накопления данных.

Эксперименты, проведенные в этой трубе, показали, что правильное моделирование днища кузова и охлаждающего потока является важным условием точного определения подъемной силы и аэродинамического сопротивления. На одной из моделей четырехдверного седана фирмы «Форд» коэффициент подъемной силы возрос с 0,32 до 0,59, а коэффициент аэродинамического сопротивления - с 0,5 до 0,54, когда эти факторы были учтены при моделировании. Совместно с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства, используя трубу

Исследовательского центра Ленгли размером 2,1 хЗД м и трубу Мерилендского университета, Биувейс из компании «Форд мотор» в 1965- 1967 гг. провел оценку различных способов моделирования дороги под автомобилем при разной степени детализации днища. Результаты этого исследования подтвердили необходимость тщательной детализации днища при моделировании кузова и показали, что при использовании способа моделирования дороги с помощью бегущей ленты появляются технические трудности, в связи с возникновением которых утрачивается теоретическое превосходство этого способа.

В настоящее время программы исследований значительно расширились. Исследователи компании «Форд мотор» разработали новые методики для изучения других аспектов аэродинамики автомобиля. В целях определения влияния порывов ветра модели, выполненные в 1/10 натуральной величины, катапультировались в бок рабочей части размером 2,1x3,0 м низкоскоростной аэродинамической трубы университета штата Мичиган. Испытания модели, выполненной в масштабе 1:10, автопоезда, состоящего из легкового автомобиля и прицепа были проведены в аэродинамически трубе Мэрилендского университета для определения аэродинамических характеристик.

Корпорация «Дженерал моторе» (General Motors) своей аэродинамической трубы не строила, она пользовалась точно калиброванной Аэродинамической трубой Гугенхеймской аэронавтической лаборатории Калифорнийского технологического института, известного под сокращенным названием ГАЛСИТ (GALCIT).

В конце 50-х годов XX века под руководством Кирополуса (Kytopolous) исследователи корпорации «Дженерал моторе» приступили к работе в ГАЛСИТ в соответствии с долгосрочной программой приобретения опыта экспериментальных аэродинамических исследований и согласования результатов модельных и натурных испытаний.

Первым испытуемым объектом корпорации «Дженерал моторе» в аэродинамической трубе ГАЛСИТ была модель оригинального автомобиля «Файрбед» (Firebird) с газотурбинным двигателем выпуска 1953 г. С тех пор корпорация испытала тщательно детализированные стеклопластиковые модели автомобилей «Корвэйр» (Corvair), «Корвет стинг рей» (Corvette Sting Ray), «Камаро» (Camaro), множество серийных седанов и экспериментальных конструкций, а также несколько разработанных корпорацией грузовых автомобилей с прицепами.

Кроме этого, экспериментальные исследования были проведены при создании щитков, устанавливаемых с 1966 г. внизу передней части автомобилей «Корвэйр», обладающих высокими стабилизирующими качествами, а также при создании проточных систем вентиляции последних выпусков автомобилей «Ривьера» (Riviera), «Торонадо» (Toronado) и «Эльдорадо» (Eldorado), на которых выпускные отверстия для вентиляционного воздуха располагались в местах наименьшего давления, найденных при продувках.

Инженер Корфф (Korff) фирмы «Локхид-Калифорния» был ответственным за разработку формы кузова и аэродинамические испытания построенного братьями Саммерс (Summers) автомобиля «Гольденрод» (Goldenrod) с четырьмя двигателями. На этом автомобиле установили абсолютный рекорд скорости для колесных автомобилей, равный 660 км/ч. Корфф использовал аэродинамическую трубу ГАЛСИТ, в которой провел 19 продувок модели этого автомобиля, выполненной в 1/5 натуральной величины, для определения характеристик аэродинамического сопротивления и аэродинамической устойчивости. Коэффициент сопротивления автомобиля оказался очень низким (0,11-0,12), кроме того, автомобиль имел небольшую фронтальную площадь. Корфф, много занимавшийся аэродинамическими исследованиями автомобилей, сконструировал обтекаемый экспериментальный автомобиль с ведущими передними колесами.

Представляет интерес разработанный концерном «Форд» (США) прототип высокообтекаемого легкового автомобиля с четырехместным кузовом типа «седан», имеющим каплеобразную форму кузова со срезанной задней частью; полностью закрытую для проникновения воздушных потоков переднюю часть автомобиля; забор воздуха к двигателю и системе вентиляции кузова на верхней панели капота перед ветровым стеклом. Радиатор и конденсатор кондиционера размещены сразу за задними колесами, воздух к ним засасывается сбоку и выбрасывается сзади, при этом упорядочиваются потоки воздуха по бокам автомобиля и уменьшается зона вихреобразований позади него, одновременно выбрасываемый сзади автомобиля воздух заполняет зону срыва потока, отклоняет поток за задним стеклом автомобиля и, как бы удлиняя его, улучшает обтекаемость. Днище автомобиля, включая выпускной трубопровод, перекрыто поддоном. Остекление установленных с большим углом наклона лобового и заднего стекол выполнено заподлицо с кузовом; боковые стекла жестко закреплены, опускается лишь их нижняя часть с образованием проема не более 100 мм. Перекрыты передние и задние колеса, при этом проемы передних колес перекрыты специальными эластичными мембранами, разработанными фирмой «Гудьир», позволяющими производить поворот колес без появления турбулентности при их обтекании, а сами колеса заключены в жесткие кожухи и снабжены гладкими накладными аэродинамическими дисками, спереди и сзади колес на кузове имеются обтекатели, рисунок протектора шин выбран с наименьшими аэродинамическими потерями. Передний и задний бамперы отсутствуют; места соединения и касания панелей капота и дверей с кузовом тщательно герметизированы; устранены все выступающие элементы конструкции с поверхности кузова, включая смонтированные заподлицо с передними крыльями выдвигающиеся фары. Все перечисленные мероприятия позволили снизить значение коэффициента аэродинамического сопротивления этого автомобиля до 0,15 (рис. 1.23).

Обтекаемый автомобиль «Ford Probe-IV», C^=0,15

Рис. 1.23. Обтекаемый автомобиль «Ford Probe-IV», C^=0,15

История развития аэродинамики в России начинается в 1871 г., когда капитан Российской армии В. Пашкевич, преподаватель Артиллерийской академии, построил первую в России аэродинамическую трубу для исследования сопротивления движению снарядов.

В 1897 г. К.Э. Циолковский при поддержке Н.Е. Жуковского построил аэродинамическую трубу в Калуге, где провел исследования моделей дирижаблей и самолетов в потоке, скорость которого достигала 5 м/с. Она представлена на рис. 1.24.

Первые аэродинамические трубы

Рис. 1.24. Первые аэродинамические трубы: а - труба Уинхема; б - воздуходувка Циолковского

Для создания воздуходувки, как ее называл К.Э. Циолковский, он использовал веялку, лопасти которой крутились вручную. К сожалению, в опытах К.Э. Циолковского скорости оказались недостаточно большими, чтобы результаты можно было применять для нужд авиации. Однако такая воздуходувка весьма пригодна для малых опытов по исследованию силы сопротивления.

В 1902 г. под руководством Н.Е. Жуковского в механической лаборатории Московского университета строится первая в России аэродинамическая труба закрытого типа, с рабочей частью квадратного сечения 0,75x0,75 м и скоростью воздушного потока 9 м/с.

В 1904 г. в городе Кучино под Москвой Н.Е. Жуковский основал Аэродинамический институт (ЦАГИ), в котором была сооружена аэродинамическая труба диаметром 1,2 м. В конце 1909 г. он построил новую трубу диаметром 1,6 м, позволявшую получать скорость потока 20 м/с.

В том же году была организована аэродинамическая лаборатория в МВТУ. В лаборатории было две аэродинамические трубы: прямоугольного сечения 1,5x0,3 ми круглая диаметром 1 м.

В первую очередь аэродинамические исследования в аэродинамических трубах проводились разработчиками авиационной техники. Также серьезно изучались вопросы баллистики, обтекаемости водных судов.

В России автомобильная промышленность в основном ориентировалась на зарубежные конструкции. Собственных разработок было мало вплоть до начала Второй мировой войны. В послевоенное время стали появляться новые модели автомобилей, но их конструкция разрабатывалась без проведения специальных аэродинамических исследований, многие решения принимались интуитивно и с учетом зарубежного опыта. Первым легковым автомобилем с кузовом понтонной бескрылой конструкции стал ГАЗ М-20 «Победа», показанный на рис. 1.25.

Автомобиль ГАЗ М 20 «Победа»

Рис. 1.25. Автомобиль ГАЗ М 20 «Победа»

Автомобиль имел аэродинамичные очертания кузова с коэффициентом аэродинамического сопротивления воздуха 0,44. Однако специальных исследований не проводилось.

Со временем были построены аэродинамические трубы на автозаводах ЗИЛ, АЗЛК, ВАЗ, Автополигоне НАМИ в городе Дмитрове, которые использовались для исследований моделей автомобилей. Аэродинамические исследования моделей проводились, также, в аэродинамических трубах Казанского авиационного института, Института механики МГУ.

В аэродинамической трубе ЦАГИ исследовались полноразмерные автомобили. Например, в этой трубе для автомобиля ВАЗ-2108 получено значение коэффициента аэродинамического сопротивления воздуха 0,38.

В середине 80-х годов XX века в Минске был создан магистральный автопоезд со многими концептуальными решениями и с громким на тот период названием «Перестройка», показанный на рис. 1.26. По некоторым оценкам его коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха составлял 0,4-0,45.

Магистральный автопоезд МАЗ «Перестройка»

Рис. 1.26. Магистральный автопоезд МАЗ «Перестройка»

На рис. 1.27 показан перспективный магистральный автопоезд НАМИ- 2000 «Тайфун», аэродинамическая доводка которого включала: применение высокой широкой кабины с улучшенной по результатам модельных испытаний обтекаемостью, использование на переднем бампере нижнего обтекателя с оптимизированным расстоянием от его нижней кромки до дороги, а также нижних боковых аэродинамических щитков и экранов, перекрывающих колеса. Кроме того, снижению аэродинамического сопротивления автопоезда способствовала разработанная и обоснованная в рекомендация по уменьшению зазора между тягачом и прицепом, а также изложенные выше предложения по использованию на магистральных автопоездах вместо сдвоенных колес одиночных, с широкопрофильными шинами.

Автопоезд улучшенной обтекаемости НАМИ-2000 «Тайфун»

Рис. 1.27. Автопоезд улучшенной обтекаемости НАМИ-2000 «Тайфун»

По настоящему полномасштабные исследования на натурных образцах автомобилей начались после строительства и проведения наладочных работ в полноразмерной аэродинамической трубе НИЦИАМТ в городе Дмитрове и на ВАЗе. Более подробно об этих трубах будет сказано ниже.

Кроме исследований аэродинамики автомобиля в аэродинамических трубах в России накоплен богатый опыт всесторонних испытаний автомобилей в дорожных и дорожно-стендовых условиях, создано уникальное оборудование для проведения исследований и разработаны методики испытаний, что, также, будет рассмотрено ниже.

В заключение на рис. 1.28 показана самая большая в мире аэродинамическая труба, которая вступила в строй 11 декабря 1987 г. в исследовательском центре Эймса, принадлежащем НАСА, в Маунтин-Выо, штат Калифорния, США. Ее размеры - 12x24 м, в ней установлено 6 моторов мощностью 16544 кВт (22500 л.с.) каждый, создающих поток воздуха, движущийся со скоростью 555 км/ч.

Исследовательский центр имени Эймса (Моффет-Филд, Калифорния)

Рис. 1.28. Исследовательский центр имени Эймса (Моффет-Филд, Калифорния)

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>