Столкновение с воздухом: аэродинамика автомобиля

Существует масса разных способов заставить автомобиль ехать быстрее - поднять мощность мотора, залить бензин с более высоким октановым числом, включить "овердрайв" на автомате или, наконец, научится переключать передачи на механике в "спортивном" режиме. Кто бы мог подумать, что установка качественного аэродинамического обвеса, удаление с кузова всевозможных дополнительных фар, зеркал, "мухобойников", и даже банальное закрытие окон может оказать не меньший эффект.

Для начала, давайте разберемся с тем, каким образом действует набегающий воздушный поток на автомобиль во время его движения. Всего существуют два типа аэродинамического сопротивления - сопротивление трения воздуха и сопротивление давления. В общем случае, на автомобиль действует в основном сила трения давления - именно она оказывает львинную долю влияния на результирующий коэффициент аэродинамики автомобиля.

 

Не один супекомпьютер в мире не сможет посчитать вам точный коэффицент аэродинамики автомобиля. Дело в том, что область в которой возникает интересующее нас сопротивление давления - это зона отрыва набегающего потока от плоскости и следующий за этим отрывом вихревой след. Посчитать сопротивление давления в таком турбулентном потоке на данный момент невозможно.

Так как аэродинамическое сопротивление не поддается расчету, то были предприняты попытки каталогизировать его в зависимости от основных параметров формы. Можно сказать, что эти усилия до сегодняшнего дня безуспешны.

Именно поэтому уважающие себя производители вынуждены проводить дорогостоящие испытания автомобилей в аэродинамических трубах, причем только в натуральную величину. Воздушный поток обтекающий автомобиль неизбежно сталкивается с провалами, неровностями и стыками поверхностей. В том случае, если вслед за отрывом поток снова прилегает к поверхности, в промежутке возникают вихри.

 

Такие вихри могут возникать в следующих местах: на передней кромке капота; сбоку на крыльях; в зоне, образованной пересечением капота и ветрового стекла; на переднем спойлере и, возможно, в зоне излома при ступенчатой форме задней части автомобиля. Вихревой след за задней кромкой кузова является основным. Возникающая циркуляция воздуха в общем случае носит двухмерный характер, другими словами, вихри не хаотично "бурлят", а движутся вокруг оси параллельной задней кромке автомобиля или перпендикулярно набегающему потоку.Нижний вихрь вращается в направлении против часовой стрелки; именно он переносит частицы грязи на обратную сторону автомобиля. Верхний вихрь вращается в противоположную сторону, т.е. по часовой стрелке.

 

По этой причине, задняя дверь хэтчбека или универсала загрязняется гораздо больше задней части седана или купе - большая равномерная площадь за линией отрыва создает гораздо более сильные вихревые потоки, которые поднимают грязь с поверхности. Величина вихревых потоков результирует на общую аэродинамику автомобиля. Так как набегающему воздуху приходится проходить прямо над вихрями, образованными нижним слоем, это увеличивает силу трения и, соответственно, коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля.

Английское слово спойлер можно было бы дословно перевести как "портитель". Будучи установленным на верхнюю кромку пятой двери, он разделяет набегающий поток на две части - большая часть уходит в пространство не инициируя вихрей, а меньшая "подныривает" под спойлер, создавая минимальный уровень турбулентности и улучшая аэродинамику автомобиля.

 

Как уже говорилось ранее, в основном, аэродинамическое сопротивление автомобиля - это сопротивление давления. Чем больше поверхностей автомобиля находятся перпендикулярно к направлению набегающего воздушного потока - тем больше коэффициент лобового аэродинамического сопротивления - Cx.

Что делают производители автомобилей чтобы уменьшить Cx? Ответ напрашивается сам собой - они уменьшают поперечное сечение автомобиля настолько, насколько позволяют утвержденные для конкретного автомобиля размеры и/или улучшают его форму. Среднестатистический коэффициент лобового сопротивления для автомобиля равен 0.37-0.34. За отправную точку в расчете берется сопротивление давления для круглой пластины, естественно - перпендикулярной потоку, он равен 1(позднее выяснилось, что из-за турбулентности потоков за кромкой и, соотвественно, возникновением сопротивления трения он равен 1.2).

Проработка аэродинамики некоторых моделей автомобилей настолько высока, что их Cx может быть намного меньше - к примеру, для нынешней модели Audi A8 он составляет всего 0.27, а у Lexus LS 460 и вовсе рекордный для серийных четырехдверных седанов - 0.26.

 

Логично предположить, что аэродинамика суперкаров еще более совершенна. Однако это не совсем так. В качестве наглядного примера можно взять последний Porsche 911 Turbo серии 997. Его коэффициент равен 0.31. Много? Инженеры компании просто счастливы что им удалось добиться таких низких показателей и гордятся этим.Все дело в том, что в отличие от обычных автомобилей двигатель среднестатического суперкара нужно охлаждать гораздо большими объемами воздуха. Однако эти объемы, как это ни странно не берутся из...да, да его самого. Дополнительные кубометры поступают в моторный отсек из крупных дополнительных радиаторов, которые(правильно!) весьма существенно увеличивают поперечное сечение автомобиля и как результат - Cx. Тот же эффект оказывают и широкие крылья вкупе с огромными шинами и заднее антикрыло. У лучших образцов суперкаростроения коэффициент Cx доходит до 0.40-0.42(!) Именно такие цифры демонстрирует известный всем Bugatti Veyron.

Однако, бывают и исключения. К примеру специалистам, работавшим над аэродинамикой нового Nissan GT-R удалось добиться коэфициента 0.27 - и это при том, что даже на высокой скорости автомобиль прижимается к дороге и передней и задней осью, а интеркулер турбины достаточно охлаждается набегающим воздушным потоком. Именнл благодаря оптимизации аэродинамики, по заявлениям конструкторов, им удалось добится тех потрясающих результатов на трассе Нюбургринг - всемирно известном "бенчамарке" для спортивных машин.

А что дает маленькое поперечное сечение и проработанная форма обычным автомобилям, не ставящим рекорды? Ответ прост и очевиден - топливную экономичность. Инженеры ведущих автомобильных фирм бьются над созданием рекордно экономичных автомобилей, которые без труда вписаться в ужесточающиеся экологические нормы и привлечь сотни тысяч покупателей не желающих выбрасывать деньги в трубу. К примеру, разработанный компанией Volkswagen для покорения "литрового" рубежа расхода на 100 км прототип VW 1-L обладает Cx равным 0.153. В будущем, такие автомобили получат широкое распространение, а пока можно воспользоваться более "народными" способами улучшение аэродинамики.

Воспользуемся приведенными выши базовыми принципами аэродинамической инженерии. Во-первых, можно попробовать уменьшить поперечное сечение. Дополнительные зеркала, "мухобойники", корпусные противотуманки, многочисленные антены, брызговики - убираем все это и гарантированно получаем лишний литр на 100 км/пути при скорости в 150 км/ч. Не помешает и умеренное открытие окон, ведь забегающие в салон на большой скорости воздушные потоки создают лишние вихри, на которые наталкиваются последующая "порция" потока.

 

Разложить по полкам
Теперь необходимо рассмотреть форму автомобиля, что называется, «от бампера до бампера». Какие из деталей и элементов оказывают большее влияние на общую аэродинамику машины. Передняя часть кузова. Экспериментами в аэродинамической трубе было установлено, что для лучшей аэродинамики передняя часть кузова должна быть низкой, широкой и не иметь острых углов. В этом случае не происходит отрыва воздушного потока, что очень благотворно сказывается на обтекаемости автомобиля. Решетка радиатора – элемент зачастую не только функциональный, но и декоративный. Ведь радиатор и двигатель должны иметь эффективный обдув, поэтому этот элемент имеет очень большое значение. Некоторые автоконцерны изучают эргономику и распределение воздушных потоков в подкапотном пространстве столь же серьезно, как и общую аэродинамику автомобиля. Наклон ветрового стекла – очень яркий пример компромисса обтекаемости, эргономики и эксплуатационных качеств. Недостаточный его наклон создает излишнее сопротивление, а чрезмерный – увеличивает запыленность и массу самого стекла, в сумерках резко падает обзорность, требуется увеличить размеры стеклоочистителя и т. д. Переход от стекла к боковине должен осуществляться плавно. Но нельзя увлекаться излишней кривизной стекла – это может увеличить искажения и ухудшить видимость. Влияние стойки ветрового стекла на аэродинамическое сопротивление очень сильно зависит от положения и формы ветрового стекла, а также от формы передка. Но, работая над формой стойки, нельзя забывать о защите передних боковых стекол от попадания дождевой воды и грязи, сдуваемой с ветрового стекла, поддержании приемлемого уровня внешнего аэродинамического шума и др.
Крыша. Увеличение выпуклости крыши может привести к уменьшению коэффициента аэродинамического сопротивления. Но значительное увеличение выпуклости может конфликтовать с общим дизайном автомобиля. Кроме того, если увеличение выпуклости сопровождается одновременным увеличением площади лобового сопротивления, то сила сопротивления воздуха возрастает. А с другой стороны, если попытаться сохранить первоначальную высоту, то ветровое и заднее стекла должны будут внедряться в крыши, поскольку обзорность ухудшаться не должна. Это приведет к удорожанию стекол, уменьшение же силы сопротивления воздуха в этом случае не столь значительно.
Боковые поверхности. С точки зрения аэродинамики автомобиля боковые поверхности оказывают небольшое влияние на создание безвихревого потока. Но округлять их слишком нельзя. Иначе трудно будет забираться в такой автомобиль. Стекла должны по возможности составлять единое целое с боковой поверхностью и располагаться на одной линии с наружным контуром автомобиля. Любые ступеньки и перемычки создают дополнительные препятствия для прохождения воздуха, появляются нежелательные завихрения. Можно заметить, что водосточные желоба, которые ранее присутствовали практически на любом автомобиле, уже не используются. Появились иные конструктивные решения, не оказывающие столь большого влияния на аэродинамику автомобиля.

Задняя часть автомобиля оказывает, пожалуй, наибольшее влияние на коэффициент обтекаемости. Объясняется это просто. В задней части воздушный поток отрывается и образует завихрения. Заднюю часть автомобиля практически невозможно сделать такой же обтекаемой, как дирижабль (длина в 6 раз больше ширины). Поэтому над ее формой работают более тщательно. Один из основных параметров – угол наклона задней части автомобиля. Уже хрестоматийным стал пример российского автомобиля «Москвич-2141», где именно неудачное решение задней части значительно ухудшило общую аэродинамику автомобиля. Но, с другой стороны, заднее стекло «москвича» всегда оставалось чистым. Снова компромисс. Именно поэтому так много дополнительных навесных элементов делается именно на заднюю часть автомобиля: антикрылья, спойлеры и т. д. Наряду с углом наклона задней части на коэффициент аэродинамического сопротивления сильно влияет оформление и форма боковой кромки задней части автомобиля. Например, если посмотреть практически на любой современный автомобиль сверху, сразу видно, что кузов спереди шире, чем сзади. Это тоже аэродинамика.
Днище автомобиля. Как может показаться поначалу, эта часть кузова не может оказать влияния на аэродинамику. Но тут возникает такой аспект, как прижимная сила. От нее зависит устойчивость автомобиля и то, насколько правильно организован поток воздуха под днищем автомобиля, зависит в итоге сила его «прилипания» к дороге. То есть если воздух под автомобилем не задерживается, а протекает быстро, то возникающее там пониженное давление будет прижимать автомобиль к дорожному полотну. Особенно это важно для обычных автомобилей. Дело в том, что у гоночных машин, которые соревнуются на качественных, ровных покрытиях, можно установить настолько малый клиренс, что начнет проявляться эффект «земной подушки», при котором прижимная сила увеличивается, а лобовое сопротивление уменьшается. Для нормальных автомобилей низкий дорожный просвет неприемлем. Поэтому конструкторы в последнее время стараются как можно больше сгладить днище автомобиля, закрыть щитками такие неровные элементы, как выхлопные трубы, рычаги подвески и т. д. Кстати, колесные ниши оказывают очень большое влияние на аэродинамику автомобиля. Неправильно спроектированные ниши могут создавать дополнительную подъемную силу.

И снова ветер
Нет необходимости говорить о том, что от обтекаемости автомобиля зависит требуемая мощность двигателя, следовательно, и расход топлива (т. е. кошелек). Однако аэродинамика влияет не только на скорость и экономичность. Не последнее место занимают задачи по обеспечению хорошей курсовой устойчивости, управляемости автомобиля и снижения шумов при его движении. С шумами все ясно: чем лучше обтекаемость автомобиля, качество поверхностей, чем меньше величина зазоров и количество выступающих элементов и т. п., тем меньше шумы. Конструкторам приходится думать и о таком аспекте, как разворачивающий момент. Этот эффект хорошо известен большинству водителей. Кто хоть раз проезжал на большой скорости мимо «фуры» или просто ездил при сильном боковом ветре, должен был почувствовать появление крена или даже небольшое разворачивание автомобиля. Нет смысла объяснять этот эффект, но это именно проблема аэродинамики. Вот почему коэффициент Cx не единственный. Ведь воздух может воздействовать на автомобиль не только «в лоб», но и под разными углами и в разных направлениях. И все это оказывает влияние на управляемость и безопасность. Это лишь несколько основных аспектов, влияющих на общую силу сопротивления воздуха. Просчитать все параметры невозможно. Существующие формулы не дают полной картины. Поэтому конструкторы исследуют аэродинамику автомобиля и корректируют его форму при помощи такого дорогого инструмента, как аэродинамическая труба. Западные фирмы не жалеют денег на их строительство. Стоимость таких исследовательских центров может исчисляться миллионами долларов. К примеру: концерн Daimler-Chrysler вложил $37,5 млн. в создание специализированного комплекса по совершенствованию аэродинамики своих автомобилей. В настоящее время аэродинамическая труба – наиболее значимый инструмент исследования сил сопротивления воздуха, влияющих на автомобиль.

Читайте также:
Значения значков на приборной панели автомобиля, о которых вы всегда стеснялись спросить
09.09.2016
Значения значков на приборной панели автомобиля, о которых вы всегда стеснялись спросить
Этапы развития полного привода
12.06.2014
Этапы развития полного привода
Развитие системы ABS: из самолета в автомобиль
16.12.2013
Развитие системы ABS: из самолета в автомобиль
Что значит цвет дыма из выхлопной трубы?
19.07.2013
Что значит цвет дыма из выхлопной трубы?
Audi – ведущий бренд в технологиях освещения
06.02.2013
Audi – ведущий бренд в технологиях освещения
Немцы придумали руль будущего
25.01.2013
Немцы придумали руль будущего
Toyota и Audi покажут на CES 2013 самоуправляемые автомобили
05.01.2013
Toyota и Audi покажут на CES 2013 самоуправляемые автомобили
Google Maps и Places появятся в новых автомобилях Kia
04.01.2013
Google Maps и Places появятся в новых автомобилях Kia
Автомобили Hyundai можно будет открывать смартфоном
27.12.2012
Автомобили Hyundai можно будет открывать смартфоном
больше новостей »
Комментарии посетителей

=> что такое КПП?

=> что такое КПП?

КПП - коробка переключения передач в автомобиле - это редуктор, который адаптирует и передает обороты двигателя к колесам. Она необходима, чтобы эффективно исспользовать ограниченный диапазон оборотов двигателя на любой скорости автомобиля.

=> что такое подвеска?

=> что такое подвеска?

Подвеска обеспечивает упругую связь между кузовом и колесами. Ее основные задачи...

=> что такое активная безопасность?

=> что такое активная безопасность?

=> что такое привод колес?

=> что такое привод колес?

Движение автомобиля осуществляет двигатель, который передает вращение на колеса через ряд компонентов - сцепление, КПП, караданный вал, редуктор ведущего моста с дифференциалом и полуоси...

=> что такое пассивная безопасность?

=> что такое пассивная безопасность?

Пассивная безопасность объединяет элементы и системы автомобиля, которые включаются в работу непосредственно в момент аварии. Их главная задача...

=> гидравлическая тормозная система

=> гидравлическая тормозная система

Гидравлическая тормозная система легкового автомобиля или микроавтобуса состоит из следующих компонентов...

Bluetooth

Bluetooth

Технология Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как мобильные телефоны, ноутбуки, карманные и персональные компьютеры, принтеры, цифровые фотоаппараты и наушники на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте, которая используется для ближней связи.

Последовательный гибрид

Последовательный гибрид

Последовательный гибрид - это комбинация двигателя внутреннего сгорания и электрического мотора...

CDI [видео]

CDI [видео]

CDI – это сокращение для Common Rail Direct Injection и означает дизельный двигатель с прямым впрыском топлива на всех цилиндрах. 

Вас могут заинтересовать мотоспорт, автомобильный спорт на портале спортивные клубы, а также фитнес клубы Киева.
Использование материалов autoexpert.in.ua разрешается при условии ссылки (для интернет-изданий - гиперссылки) на www.autoexpert.in.ua. Материалы, отмеченные знаком "Реклама" публикуются на правах рекламы.
Разработка сайта