Полная версия

Главная arrow Техника arrow Аэродинамика автомобиля. Методы испытаний

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЯ

Общие сведения

В понятие аэродинамика автомобиля входят две составляющие: внешняя и внутренняя аэродинамика.

Внешняя аэродинамика характеризует влияние формы кузова автомобиля на величину лобового сопротивления, а также определяет аэродинамическую устойчивость автомобиля.

Внутренняя аэродинамика изучает вопросы, связанные с прохождением воздушных потоков в кабинах, пассажирских салонах и подкапотном пространстве автомобиля с целью создания комфортных условий для водителя и пассажиров и оптимальных условий работы двигателя.

Аэродинамика автомобиля оказывает, также, большое влияние на шум, создаваемый автомобилем во время движения и его загрязнение.

Главные цели автомобильной аэродинамики:

  • - уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива;
  • - предотвращение появления подъемных сил (обеспечение прижимной силы) и других проявлений аэродинамической неустойчивости, стабилизация движения автомобиля в повороте;
  • - снижение уровня шума;
  • - снижение загрязняемости;
  • - оптимизация внутренних потоков воздуха в автомобиле.

При движении автомобиля происходят сложные процессы взаимодействия его с окружающим воздухом, что приводит к возникновению сил и моментов, действующих на автомобиль. Эти силы и моменты влияют на курсовую устойчивость автомобиля и потребляемую мощность.

При равномерном движении автомобиля с малой скоростью по горизонтальной дороге мощность двигателя расходуется в основном на преодоление потерь в трансмиссии, в подшипниках колес и в шинах (механические потери). Мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха, мала. С увеличением скорости движения механические потери растут, но значительно быстрее растут аэродинамические потери, связанные с преодолением сопротивления воздуха. Например, для легкового автомобиля среднего класса при скорости около 100 км/ч доля сопротивления воздуха в общем сопротивлении движению составляет уже 75...80%. Поэтому, уменьшая сопротивление воздуха, можно улучшить экономические показатели автомобиля и повысить его максимальную скорость.

При движении автомобиля в воздушной среде на него действуют силы и моменты относительно его продольной X, поперечной Y и вертикальной Z осей, как это показано на рис. 2.1.

Схема аэродинамических сил и моментов, действующих на движущийся в воздушной среде автомобиль

Рис. 2.1. Схема аэродинамических сил и моментов, действующих на движущийся в воздушной среде автомобиль:

Цт - центр масс автомобиля (точка О); Цм - метацентр; ам - плечо приложения аэродинамической силы; р - угол натекания воздушного потока; Рх - сила лобового сопротивления; Ру - боковая сила; Pz - подъемная сила; Мх - момент крена; Му - опрокидывающий момент (момент тангажа); Mz - поворачивающий момент (момент рысканья); Va - направление скорости автомобиля; - направление набегания

воздушного потока

Полная аэродинамическая сила, действующая на движущийся в воздушной среде автомобиль

а полный аэродинамический момент

где Cw и mw - коэффициенты соответственно полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента; F - площадь наибольшего сечения автомашины (мидель); р - плотность воздуха; V'*> - скорость натекания невозмущенного воздушного потока (в м/с); Б - характерный размер (база автомобиля).

Проекции полной аэродинамической силы на основные координатные

оси:

- сила лобового сопротивления

где Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления (обтекаемости);

- боковая сила

где Су - коэффициент боковой силы;

- подъемная сила

где С2 - коэффициент подъемной силы.

Момент крена

где тх - коэффициент момента крена; В - ширина автомашины. Опрокидывающий момент (момент тангажа)

где ту - коэффициент опрокидывающего момента; L -длина автомашины. Поворачивающий момент (момент рысканья)

где mz - коэффициент поворачивающего момента.

Сила лобового сопротивления Рх, при обычных в настоящее время эксплуатационных скоростях автомобилей, существенным образом влияет на затраты мощности на движение и, соответственно, на расход топлива и на достижимую максимальную скорость. Боковая сила Ру возникает при действии на автомобиль бокового ветра. Если автомобиль движется, то скорость бокового ветра Ve геометрически складывается со скоростью поступательного движения автомобиля Va и происходит кососимметричное обтекание автомобиля воздухом со скоростью набегающего потока V*,, и направление этой скорости составляет угол р с направлением движения. Результирующая скорость определяется в соответствии с выражением

Если автомобиль движется при попутном или встречном ветре (угол /?=0), то скорости VA и Vb складываются арифметически.

Таким образом, аэродинамическое сопротивление автомобиля определяется, помимо квадрата его скорости, двумя факторами: площадью фронтальной проекции (миделем) и коэффициентом аэродинамического сопротивления Сх. На рис. 2.2 показано определение площади F, величина которой входит в приведенные выше формулы.

Определение площади наибольшего поперечного сечения автомобиля (миделя)

Рис. 2.2. Определение площади наибольшего поперечного сечения автомобиля (миделя): 1 - параллельные лучи света; 2 - плоскость проецирования; 3 - миделевое сечение

Эту площадь можно определить и из чертежной конструкторской документации.

Размеры автомобиля задаются предъявляемыми к нему требованиями, и уменьшение сопротивления воздуха возможно за счет улучшения обтекаемости автомобиля.

Из приведенных выражений видно, что при определенной скорости движения автомобиля, имеющего заданные габаритные размеры (миделево сечение), сила лобового сопротивления непосредственно зависит от коэффициента его аэродинамического сопротивления Сх (обтекаемости), и для улучшения скоростных и экономических показателей автомобиля необходимо всемерно уменьшать эту величину.

В таблице 2.1 приведены значения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх для тел различной формы.

Рассмотрим поступательное движение длинного тела, имеющего прямоугольные очертания, в воздушной среде, или, что, то же самое, обтекание такого тела воздушным потоком, направление которого совпадает с продольной осью тела. Перед передней гранью тела образуется зона повышенного давления. Прямолинейное движение частиц воздуха, приближающихся к этой зоне, нарушается, и они отклоняются в сторону от продольной оси тела, приобретая, помимо продольной, поперечную скорость. В момент прохождения частицей воздуха передней грани тела эта поперечная скорость за счет инерции сохраняется, частица движется не параллельно боковой грани тела, а удаляясь от него, и у передней части боковой грани образуется зона разрежения. Испытывая давление воздушной среды, частица воздуха устремляется к боковой грани тела и приобретает поперечную скорость, направленную к телу, за счет чего у боковой грани создается зона повышенного давления. Такое волнообразное движение частицы воздуха вблизи боковой грани тела, постепенно затухая, продолжается на некотором расстоянии, и при достаточно большой длине тела зоны повышенного и пониженного давления образуются в нескольких местах. У задней грани тела создается зона значительно пониженного давления, и частица воздуха после прохождения задней кромки боковой грани энергично устремляется в эту зону. Поток воздуха срывается с боковых граней, образуются завихрения, формируется так называемая спутная струя. Эти возмущения в потоке воздуха сохраняются на довольно большом расстоянии от задней грани, длина спутной струи может в несколько раз превышать длину тела. Описанная картина соответствует обтеканию воздухом, например, кузова автобуса с вагонной компоновкой.

Поскольку воздух обладает определенной вязкостью, все возмущения воздушного потока требуют затрат энергии. При разработке внешней формы кузова конструкторы стремятся придать ему такие очертания, чтобы воздух обтекал его по возможности плавно, без завихрений и срывов потока, т.е. чтобы тело было обтекаемым.

Таблица 2.1

Значения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх для тел различной формы.

Тело

Форма тела

Коэффициент

сх

Плоский диск

U7

Полудиск, заделанный в основание

1,19

Шар

0,47

Полусфера

0,42

Конус с углом при вершине 60°

0,50

Куб

1,05

0,80

Цилиндр L/D = 2

0,82

Цилиндр L/D = 1

1,15

Тело обтекаемой формы, L/D = 2,5

0,04

Полутело обтекаемой формы на основании, L/D = 2,5

0,09

Полутело обтекаемой формы, установленное над основанием с зазором, L/D = 2,5

0,10

Диапазоны типичных значений коэффициентов сопротивления воздуха (коэффициентов обтекания) Сх для автомобилей различных типов представлены на рис. 2.3, а на рис. 2.4 показано влияние формы кузова на Сх модели легкового автомобиля.

Диапазоны типичных значений коэффициентов обтекания С для автомобилей

Рис. 2.3. Диапазоны типичных значений коэффициентов обтекания Сх для автомобилей

различных типов

Влияние формы кузова на С модели легкового автомобиля

Рис.2.4. Влияние формы кузова на Сх модели легкового автомобиля

Коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха Сх легковых автомобилей, особенно современных, может иметь значения меньшие 0,3 и даже меньшие 0,2. Однако по данным некоторых исследований для тел автомобильного типа с тупым задним концом, имеющим колеса, рядом с землей коэффициент сопротивления воздуха Сх = 0,15 является нижним пределом.

Объект исследований при испытаниях в аэродинамической трубе устанавливается на плите, которая может поворачиваться, чтобы поток воздуха набегал на объект под разными углами. Силы и моменты, действующие на испытуемый автомобиль или модель и показанные на рис.

2.1, измеряются с помощью специальных весовых устройств.

Каждую элементарную силу давления воздуха на кузов можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие. Если сложить все горизонтальные составляющие, то получится равнодействующая, направленная назад по отношению к вектору скорости автомобиля. Эту силу сопротивления движению принято называть сопротивлением формы.

Сумма всех вертикальных составляющих элементарных сил давления также приводится к равнодействующей, обычно она направлена вверх и создает подъемную силу, действующую на автомобиль. Поскольку на формирование этой силы расходуется мощность, она также создает сопротивление движению, и ее называют индуктивным сопротивлением.

Слой воздуха, обтекающего кузов и непосредственно прилегающий к поверхности, за счет шероховатости этой поверхности «останавливается», создает дополнительное сопротивление движению и образует поверхностное сопротивление, его называют также сопротивлением трения.

Реальный автомобильный кузов имеет на своей поверхности всевозможные углубления и выступы, которые вызывают искажения потока воздуха, обтекающего кузов. Это дверные ручки, детали стеклоочистителя, вентиляционные решетки, молдинги, щели между дверьми и дверными проемами, наружные зеркала заднего вида, детали шасси и многие другие части. Около них происходят срывы потока и местные завихрения, что увеличивает общее аэродинамическое сопротивление автомобиля. Суммарную величину потерь энергии из-за этих элементов называют интерференционным сопротивлением.

Салон автомобиля обязательно оснащается системой вентиляции и отопления, требует охлаждения двигатель, тормозные механизмы и многие другие агрегаты и системы. Охлаждаются и вентилируются они воздухом, воздух входит в подкапотное пространство, во всевозможные воздухозаборники, и затем выбрасывается наружу. На прохождение воздуха по этим внутренним путям кузова и шасси расходуется энергия и создается дополнительное сопротивление движению автомобиля, которое называется сопротивлением внутренних потоков.

Таким образом, общее аэродинамическое сопротивление автомобиля состоит из пяти составляющих:

  • • сопротивление формы;
  • • индуктивное сопротивление;
  • • поверхностное сопротивление;
  • • интерференционное сопротивление;
  • • сопротивление внутренних потоков.

Доля каждой из этих составляющих для разных типов автомобилей различна, но обычно на сопротивление формы приходится 60...70% общего аэродинамического сопротивления, на индуктивное - 7... 12% (большие значения характерны для легковых автомобилей), поверхностное сопротивление - около 5.. .8%, сопротивление внутренних потоков - 8... 11%.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>