Полная версия

Главная arrow Техника arrow Аэродинамика автомобиля. Методы испытаний

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

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.

Изменения коэффициента аэродинамического сопротивления С для европейских автомобилей по годам

Рис. 2.5. Изменения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх для европейских автомобилей по годам

Общая картина обтекания легкового автомобиля поясняется рис. 2.6. Над передней кромкой капота возможен срыв потока (это зависит от угла наклона поверхности). В подцнищевой 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.

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

Схема обтекания движущегося легкового автомобиля, в задней части образуются

Рис. 2.6. Схема обтекания движущегося легкового автомобиля, в задней части образуются

вихри и спутная струя

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. 2.7 показано, как можно влиять на распределение давлений формой передней кромки капота.

Оптимизация формы передней кромки капота

Рис. 2.7. Оптимизация формы передней кромки капота:

Л - 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. 2.8). На графике показано увеличение коэффициента СхСх) с увеличением угла наклона стекла Дф по отношению к исходному углу ф.

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

Рис. 2.8. 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. 2.9 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.

Режим обтекания задней части кузова с наклонной панелью

Рис. 2.9. Режим обтекания задней части кузова с наклонной панелью: а - пологая задняя часть кузова; б - круто срезанная задняя часть

Если найдено оптимальное положение задней наклонной панели кузова, то отклонение от этого положения приводит к увеличению коэффициента аэродинамического сопротивления, как это показано на рис. 2.10.

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

Рис. 2.10. Изменение коэффициента аэродинамического сопротивления при отклонении формы задней части кузова от оптимальной

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. 2.11.

Зависимость аэродинамического сопротивления от формы задней панели

Рис. 2.11. 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. 2.12 иллюстрирует этот этап оптимизации кузова.

Оптимизация формы задней части кузова подбором формы и расположения

Рис. 2.12. Оптимизация формы задней части кузова подбором формы и расположения

спойлера:

Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления; Cz - коэффициент подъемной силы

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

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. 2.13.

Зависимость аэродинамического сопротивления от сужения задней части

Рис. 2.13. 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 расположение 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. 2.14.

Автомобиль Татра-87 с вертикальным килем в задней части

Рис. 2.14. 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 2.15 и 2.16.

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.

Изобары на поверхности кузова типа седан при симметричном обтекании

Рис. 2.15. Изобары на поверхности кузова типа седан при симметричном обтекании

Изобары на поверхности кузова типа седан при набегании потока под углом 30°

Рис. 2.16. Изобары на поверхности кузова типа седан при набегании потока под углом 30°

(наветренная сторона)

Место для вывода воздуха из салона, для вытяжной вентиляции, должно быть расположено в той области кузова, где при движении образуется пониженное давление. На рис. 2.17 показаны возможные места расположения устройств для выхода воздуха.

Устройства для выпуска воздуха

Рис. 2.17. 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. 2.18 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 щитка под

Рис. 2.18. 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. 2.19.

Защита от грязи верхней части боковины кузова установкой выступающего

Рис. 2.19. 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. 2.20, 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 поверхности

Рис. 2.20. 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 машины. 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. 2.21. 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 кузова типа

Рис. 2.21. Влияние направляющего щитка на загрязнение заднего стекла кузова типа

«универсал»:

1 - без направляющего козырька; 2 - с направляющим козырьком (ds - количество грязи в мг/см2; Zs - расстояние от середины заднего стекла)

Таким образом, применять подобные направляющие щитки следует с осторожностью и лишь в тех случаях, когда преимущества превосходят недостатки. Иногда подобные щитки устанавливают и при наклонной задней панели в задней части крыши или в месте перехода боковины к задней наклонной панели. Часто это делают автолюбители, не представляющие себе особенностей аэродинамики автомобильного кузова.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>