Полная версия

Главная arrow Техника

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Аэродинамика грузовых автомобилей и автопоездов

В современных условиях значительная часть грузооборота между городами и странами обеспечивается автопоездами, и если грузовые автомобили в городах передвигаются относительно медленно, то на магистралях их скорость соизмерима со скоростью легковых автомобилей. Поэтому снижение аэродинамического сопротивления - весьма важная задача. По сравнению с легковыми автомобилями грузовые имеют значительно большее поперечное сечение (мидель) и более угловатые очертания. Это вызвано особенностями их назначения и использования. При создании универсального грузового автомобиля стараются получить возможно больший объем для размещения груза при минимальной площади, занимаемой автомобилем на дороге, а поскольку часть этой площади приходится на двигатель и кабину, то естественно, что кузов получается высоким (имеется в виду именно грузовой кузов, закрытый тентом или ограниченный жесткими стенками). Таким образом, если одним из путей снижения аэродинамического сопротивления легкового автомобиля является уменьшение его поперечного сечения, прежде всего высоты, то для магистрального грузового автомобиля или автопоезда этот путь отпадает. Возможности улучшения аэродинамики грузового автомобиля и автопоезда, предназначенного для движения с большой скоростью, ограничены оптимизацией деталей и применением различных накладных элементов.

Тягачи магистральных автопоездов чаще всего имеют бескапотную компоновку, т.е. передняя стенка кабины в нижней части расположена почти вертикально, а в верхней - с некоторым наклоном назад. Передняя стенка кузова-фургона вертикальная, плоская, существенно выступающая вверх над крышей кабины. Ширина этой стенки больше ширины кабины.

Видно, что поток воздуха поднимается лобовой частью кабины, образует завихрения и зону пониженного давления над ее крышей, затем наталкивается на переднюю стенку кузова, на которой создается повышенное давление, поднимается над крышей кузова, где так же, как над крышей кабины, образуются вихри и зона разрежения. Большое влияние на формирование процесса обтекания воздухом автопоезда имеет величина зазоров между кабиной и кузовом и между автомобилем-тягачем и прицепом, если автопоезд многозвенный. Картина усложняется, если движение происходит при боковом ветре, когда поток воздуха набегает под некоторым углом к продольной оси автопоезда. Схема обтекания воздухом седельного и прицепного автопоездов показана на рис. 2.22.

Схема обтекания встречным потоком воздуха магистральных автопоездов

Рис. 2.22. Схема обтекания встречным потоком воздуха магистральных автопоездов: а - седельного; б - прицепного

Распределение давлений по кузову грузового автомобиля с кузовом- фургоном при симметричном обтекании поясняется рис. 2.23. Видно, что передняя стенка грузового кузова в значительной степени формирует и сопротивление формы, и индуктивное сопротивление автомобиля.

Распределение давления по поверхности грузового автомобиля при симметричном обтекании

Рис. 2.23. Распределение давления по поверхности грузового автомобиля при симметричном обтекании:

а- в продольной плоскости симметрии; б- в плоскости поясной линии

Ситуацию можно улучшить, например, установкой над крышей кабины наклонного козырька, который «поднимает» поток воздуха и направляет его поверх кузова, как показано на рис. 2.24. Это уменьшает избыточное давление на переднюю стенку кузова и разрежение на его крыше. Разумеется, это снижает общее аэродинамическое сопротивление автомобиля, и применение подобного простейшего аэродинамического устройства может улучшить общую картину обтекания.

Влияние направляющего щитка на распределение давления воздуха на поверхности грузового кузова

Рис. 2.24. Влияние направляющего щитка на распределение давления воздуха на поверхности грузового кузова

а- в продольной плоскости симметрии; б- в плоскости поясной линии

Если автомобильный завод или фирма выпускает грузовые автомобили одного типа, то целесообразно разработать такие формы кабины и грузового кузова, которые обеспечили бы относительно низкое аэродинамическое сопротивление. К сожалению, на практике это сложно, потому что, в зависимости от рыночного спроса, фирма вынуждена производить автомобили с разными кузовами, которые требуют, конечно, кабины разной формы. Иметь на производстве одновременно несколько вариантов кабин нецелесообразно по экономическим соображениям, поэтому особое значение приобретает иной путь совершенствования аэродинамики - применение различных накладных устройств, которые монтировались бы на серийную кабину в зависимости от того, с каким кузовом эта кабина будет сочетаться.

На рис. 2.25 показано влияние установки дополнительных накладных элементов на уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления (ЛСХ).

Уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления ЛС установкой дополнительных накладных элементов

Рис. 2.25. Уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления ЛСХ установкой дополнительных накладных элементов

В верхнем ряду изображений на рисунке показаны накладные элементы, установленные на крыше кабины, а в нижнем - на передней стенке грузового кузова (на правой позиции - кузов надвинут на кабину).

Для улучшения аэродинамических характеристик автопоездов могут применяться различные внешние аэродинамические устройства. Для седельных автопоездов это верхний и нижний обтекатели на кабине; задние закрылки на кабине, перекрывающие зазор между кабиной и грузовым кузовом; боковые щитки, закрывающие шасси тягача и полуприцепа. Для прицепных автопоездов используются, также, как и на седельных, щитки и обтекатели на кабине и боковые щитки на тягаче и прицепе, закрывающие шасси, и, кроме того, дефлектор на задней оконечности кузова тягача. Заднюю стенку кузова полуприцепа и прицепа целесообразно делать скругленной.

На рис. 2.26 показано, на какую величину может быть снижен коэффициент аэродинамического сопротивления автопоезда Сх за счет установки дополнительных аэродинамических устройств при нулевом угле натекания потока воздуха. Применение полного комплекта таких устройств позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление седельного автопоезда на 41%, а прицепного - на 45%.

Снижение аэродинамического сопротивления (ЛС) за счет установки внешних аэродинамических устройств на седельном и прицепном автопоезде

Рис. 2.26. Снижение аэродинамического сопротивления (ЛСХ) за счет установки внешних аэродинамических устройств на седельном и прицепном автопоезде

В таблице 2.2 показано влияние некоторых элементов большегрузного автопоезда на уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления.

Из данных таблицы 2.2 следует, что для теоретической модели автопоезда минимальный коэффициент аэродинамического сопротивления Сх=0,4. Однако существует магистральный седельный автопоезд, спроектированный итальянским конструктором Колани, у которого коэффициент аэродинамического сопротивления Сх=0,38, т.е. такой же как у легкового автомобиля ВАЗ-2108 ( полученный в аэродинамической трубе ЦАГИ). Характерной особенностью автопоезда Колани (рис. 2.27) является кабина обтекаемой формы со сферическим лобовым стеклом с центральным круговым стеклоочистителем.

Таблица 2.2

Влияние некоторых элементов большегрузного автопоезда на уменьшение коэффициента _аэродинамического сопротивления.__

Форма передней части автопоезда

Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх

Уменьшение

сх, %

Серийная кабина

0,86

-

Серийная кабина с установленным на крыше обтекателем

0,65

-24,4

Серийная кабина с обтекателем и боковой обтекатель шасси

0,63

-27

Кабина улучшенной формы, закрытое обтекателем пространство между кабиной и фургоном- полуприцепом

0,48

-44

Теоретическая модель

0,4

-53

Автопоезд Колани 59

Рис. 2.27. Автопоезд Колани 59

Схема обтекания воздухом седельного и прицепного автопоездов, оснащенных комплектом внешних аэродинамических устройств, при симметричном и несимметричном обтекании показана на рис. 2.28.

Схема обтекания седельного (а) и прицепного (6) автопоездов с внешними аэродинамическими устройствами

Рис. 2.28. Схема обтекания седельного (а) и прицепного (6) автопоездов с внешними аэродинамическими устройствами

Грузовые автомобили малой и средней грузоподъемности обычно используются для перевозки грузов на относительно небольшие расстояния, часто в условиях городов, и поэтому для них характерны меньшие скорости движения, чем для магистральных автопоездов. На шасси этих автомобилей устанавливаются самые разнообразные кузова, иногда различное специальное оборудование - подъемные краны, устройства для уборки городских улиц, компрессоры и много другое. Аэродинамика для этих автомобилей имеет меньшее значение, чем для магистральных автопоездов. Такие автомобили часто имеют капотную или полукапотную компоновку. Разумеется, это не означает, что дизайнеры и конструкторы игнорируют требования аэродинамики, но зачастую более важное значение приобретают эстетические факторы. Примером удачного сочетания утилитарности и эстетики может служить автомобиль с капотной компоновкой Татра-137, показанный на рис. 2.29.

Автомобиль капотной компоновки с хорошей обтекаемостью

Рис. 2.29. Автомобиль капотной компоновки с хорошей обтекаемостью

Большое значение для грузовых автомобилей, в особенности для автопоездов, движущихся с большой скоростью, имеет фактор загрязнения. Это объясняется не столько эстетическими соображениями, сколько безопасностью движения. Речь идет не о забрызгивании, к примеру, пешехода, если автомобиль проехал по луже рядом с ним, а о других явлениях, непосредственно связанных с аэродинамикой.

Перед лобовой частью кабины грузового автомобиля при движении образуется зона повышенного давления воздуха, а у боковых стенок кабины, напротив, зона разрежения. В зону разрежения «подсасывается» воздух из других мест, а рядом как раз находится переднее колесо, которое при движении по мокрой дороге окружено брызгами воды с грязью, и воздух из колесной ниши вместе с содержимым устремляется вверх, «прилипая» к боковой стенке кабины. Грязь оседает на двери, боковом стекле и зеркале заднего вида с задней стороны, делая его непригодным для нормального использования. Картина загрязнения показана на рис. 2.30. Если не принимается специальных мер против загрязнения этой части автомобиля, то на стенке кабины можно видеть направление струек грязной воды, которые движутся вперед-вверх по двери и стеклу, попадая и на зеркало заднего вида.

Типичная картина отложений брызг с грязью на кабине грузового автомобиля

Рис. 2.30. Типичная картина отложений брызг с грязью на кабине грузового автомобиля:

1 и 2 - соответственно тонкий и толстый слой грязи (пунктирные стрелки показывают направление движения грязевых струек)

Бороться с загрязнением кабины можно, оптимизируя форму брызговика переднего колеса, а также применяя специальные дефлекторы, как это показано на рис. 2.31.

Применение дефлекторов на передних «углах» кабины для уменьшения загрязнения боковых стенок

Рис. 2.31. Применение дефлекторов на передних «углах» кабины для уменьшения загрязнения боковых стенок: а - без дефлекторов: б- с дефлекторами

В верхней части рисунка показана (при виде сверху) схема обтекания передней части кабины и эпюра распределения давлений по передней и боковым стенкам. В нижней части рисунка - то же, но с установленными дефлекторами. Эти дефлекторы (закрылки) устанавливаются в нижней части кабины, на ее передних «углах». Их задача - направить воздух из зоны высокого давления - с передней стенки кабины - на нижнюю часть боковых стенок. Тогда, во-первых, снижается разрежение на боковых стенках и, во- вторых, образуется струя незагрязненного воздуха, направленная назад вдоль боковых стенок, которая мешает брызгам подниматься по поверхности кабины. Применение дефлекторов позволяет также снизить аэродинамическое сопротивление.

Боковые стенки грузовых кузовов автопоезда загрязняются по тем же причинам, что и стенки кабины, но это явление может иметь гораздо более неприятные последствия, чем просто ухудшение внешнего вида машины.

Выше говорилось об образовании вихрей позади движущегося легкового автомобиля. Подобное явление происходит и при движении большого грузового автомобиля или автопоезда, однако из-за большой длины транспортного средства вихри образуются не позади него, а немного позади передних колес и распространяются по всей его длине, продолжаясь в спутной струе. Схема их образования показана на рис. 2.32.

Под днищем грузового автомобиля существует зона несколько повышенного давления, а на его боковых поверхностях - разрежение. Воздух из-под автомобиля, вместе с водой и грязью, поднимается в зону пониженного давления и одновременно перемещается назад относительно автомобиля, поскольку автомобиль движется. Так и образуются вихри. Их сечение соизмеримо с поперечными размерами автомобиля, и они, таким образом, загрязняют брызгами широкие зоны с боков машины. При обгоне такого автомобиля или автопоезда другим автомобилем обгоняющий автомобиль движется в густой грязной пелене, его стеклоочиститель работает с максимальной частотой и не всегда справляется со своей задачей. Ситуация улучшается, если применяются боковые щитки, закрывающие пространство между передними и задними колесами грузовика.

Схема образования вихрей у боковых поверхностей грузового автомобиля

Рис. 2.32. Схема образования вихрей у боковых поверхностей грузового автомобиля

Задняя поверхность кузова, конечно, также загрязняется, поскольку она находится в зоне разрежения, и брызги грязной воды поднимаются от дороги и оставляют на ней грязь. С точки зрения безопасности это явление имеет меньшее значение, чем боковые вихри, но и оно неприятно. На магистральных автопоездах большой грузоподъемности, к сожалению, специальные аэродинамические устройства, уменьшающие загрязнение задней поверхности кузова, применяются редко, а на небольших фургонах используются довольно успешно. Схема обтекания воздухом задней поверхности фургона показана на рис. 2.33, и поясняется действие дефлектора при его установке в задней части крыши. Характер потоков воздуха такой же, как и у задней стенки легкового автомобиля с кузовом «универсал», о чем сказано выше.

Схема обтекания воздухом задней части фургона; применение верхнего дефлектора уменьшает отложение грязи

Рис. 2.33. Схема обтекания воздухом задней части фургона; применение верхнего дефлектора уменьшает отложение грязи

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>