Аеродинамічні сили. Коефіцієнт Cx

Для багатьох з нас поняття "тюнінг" обов'язково включає в себе навішування спойлерів та антикрил. Притому не меншій кількості людей відомо, що ідеальна обтічна форма нагадує краплину. Та й у конструкторських бюро зарплатню платять не просто так. Що ж заважає конструкторам з самого початку або зробити автомобіль краплеподібним, або навішати на нього всі ці спойлери, якщо ж вони такі хороші?

Вам ніколи не доводилося літати на машині? Не у розумінні "дуже швидко їздити", а саме літати. Якщо доводилося - вітаємо з тим, що ви це пережили. Якщо ні, то можете сказати дякую аеродинаміці. І тому, що вашу машину вирішили зробити дещо менш економічною, але зате більш стійкою.


Аеродинамічні сили

Описувати дію повітря на автомобіль прийнято трьома складовими, які направлені поздовжньою віссю машини (X), перпендикулярно до неї по горизонталі (Y) та вертикалі (Z). За руху особливо важливі опір повітря та піднімальна чи притискна сили. Помітна дія бічної складової може з'явитися тільки у випадку дуже несиметричного кузова, що є рідкістю, або за бокового вітру - а це доволі складно передбачити.

Критичну дію на автомобіль боковий вітер може вчинити, якщо створить момент розвороту чи нахилу. Для машин великої площі, як мінівени, це неминуче.

Головна проблема, яку вирішують за відпрацьовування аеродинаміки, - зниження лобового аеродинамічного опору. Вам напевно доводилося йти проти вітру, і ви помічали, що зі зростанням швидкості збільшується й опір повітря. Те саме відбувається і з автомобілем, причому значно відчутніше через великі розміри та швидкість. Опір повітря розраховується за формулою:

F=0,5*Cx*S*p*v2

S - площа проекції автомобіля на вертикальну площину. p - густина повітря. V - швидкість. Вона у цій формулі у квадраті - тобто коли машина розганяється з 60 до 120 км/год аеродинамічний опір зростає у чотири рази. Audi A8 за руху на максимальній швидкості в 250 км/год тільки на подолання опору повітря потрібно 191 к.с., а на 300 км/год ця машина витрачала би тільки на це 331 к.с.

Коефіцієнт Cx (англійською його позначають Cd, а німецькою - Cw) визначається експериментально, і він і є головною величиною, котра описує аеродинамічну довершеність кузова. Колись його умовно прирівнювали до 1,0 для круглої пластини, однак, як виявилося на практиці, через турбулентність за пластиною насправді її Cx рівний приблизно 1,2. Найнижчий Cx у краплини - приблизно 0,05.

 


За нормального експлуатування автомобіля важливіше за все його опір: саме він чинить суттєвий вплив на витрату палива. Знизити його можна двома способами: або покращити форму (що виявиться у зниженні Cx), або зменшити поперечний переріз машини. Вертикальні сили можуть бути корисними, якщо діють униз, та шкідливими, якщо сприяють підйому машини. Із боковими все ще складніше. Їх складно передбачити, а їх причини різноманітні: поворот, подув вітру, зміна профіля місцевості. Зате вплив вони чинять невеликий.

Про важливість аеродинаміки замислювалися ще на початку XX століття, і вже тоді з'явилися перші моделі з покращеною аеродинамікою. Декотрі з них були зроблені у формі краплини - вона і набула своєї форми саме заради проникнення крізь повітря. Однак вже тоді стало зрозуміло, що їздити у такій машині незручно. Тому в серійних автомобілях стали використовувати окремі елементи краплеподібної форми: робити пологий задок і округлювати передню частину. Паливна криза сімдесятих зробила питання аеродинаміки особливо актуальним. Приблизно у цей самий час практично усі автовиробники завели спеціальні лабораторії для вивчення аеродинаміки. Найскладніший та дороговартісний елемент таких лабораторій - аеродинамічна труба. У ній макети та реальні автомобілі обдуваються дуже сильними потоками повітря. Це дозволяє вивчити усі особливості форми кузова будь-якого автомобіля. Так вдалося досягнути багато чого: у більшості сучасних серійних автомобілів цей коефіцієнт зазвичай дорівнює 0,30-0,35, найдосконаліші досягають значень 0,26-0,27. Хоча насправді він залежить від швидкості, напряму руху відносно повітря чи від стану поверхні кузова, і наведені значення - можна сказати, ідеал, якого може досягнути ця модель.


Аеродинамічні елементи

Однак низький лобовий опір іноді не дуже важливий. Боліди "Формули-1", як не дивно, мають Cx від 0,75 до 1,0! Більшу частину опору створюють відкриті колеса. Але справа навіть не у цьому. Для них важливіші інші параметри і перш за все - притискна сила. Для реалізації величезного обертального моменту двигуна необхідно хороше зчеплення коліс із дорогою, а також стійкість у повороті. Тому для F1, та і для інших гоночних та спортивних автомобілів хороша аеродинаміка означає відсутність піднімальної сили та наявність притискної. Забезпечити це самою лише формою кузова складно, тому у застосування йдуть додаткові аеродинамічні елементи: спойлери та антикрила. Перші просто відбивають чи перенаправляють потік повітря. А ось якщо елемент обтікається повітрям зі всіх боків, то це антикрило.

Частіше за все для зниження піднімальної сили використовують спойлери під переднім бампером і на кришці багажника. Відсікаючи частину потоку, що йде під машину, передній спойлер знижує тиск у цій зоні, так що машина, грубо кажучи, присмоктується до дороги. Колись на гоночних автомобілях Chaparral Джим Холл навіть ставив вентилятори для відсмоктування повітря з-під днища, але потім таке рішення було заборонено правилами. Спойлер на кришці багажника ставлять не тільки заради створення притискної сили, але і для організування зриву повітряного потоку до того, як він почне утворювати вихори за машиною, котрі збільшують опір повітря. А ось антикрило працює на створення притискної сили у чистому вигляді. Воно має схожий зі звичайним крилом профіль, але перевернутий. До речі, розташовуватися воно може де завгодно, навіть під днищем. Як на BMW Z1, де його роль виконував... глушник. Він розташований поперечно та має аеродинамічний профіль.

Від цих елементів мало користі у заторі, та й за звичайного руху у місті. Помітний ефект вони створюють тільки за швидкостей порядку 120 км/год та вище. При цьому потрібно мати на увазі, що виграючи в одному, ми можемо втратити в іншому. Працююче на створення притискної сили повітря створює більш помітний опір, тому максимальна швидкість машини з аеродинамічним обважуванням скорше за все буде нижча, а витрата палива - більша. Правда, якщо автомобілем займалися серйозно, то скоріше за все і мотор у нього буде потужніший, і передатні числа трансмісії інші, так що програш буде компенсований.

Але це все на той випадок, коли аеродинамічні елементи дійсно хоч якось перевіряли та налаштовували. Зараз доведенням автомобілів займається хто завгодно, можна знайти варіанти на будь-який смак та гаманець. І багато хто з них робить у буквальному значенні "на око". Вони добрі у тих випадках, якщо вам просто потрібно змінити зовнішність машини. Якщо ставитися до справи серйозно, то потрібно вибирати комплекти, які вже були випробувані -- продуті в аеродинамічній трубі, що взагалі-то коштує недешево, чи випробувані на полігоні. І кращими будуть саме комплекти, деталі яких розраховані на спільну роботу.


Паралельні потоки

Доведення кузова з точки зору аеродинаміки часто має ціль не тільки знизити витрати палива чи покращити стійкість. Набагато помітніше типовому автовласникові інші аспекти обтікання кузова повітрям. Наприклад, наскільки це відбивається на забрудненні кузова. Це стосується зони, де розташовуються ручки дверцят, і, звичайно, заднього скла. Іноді питання вирішується саме по собі. На "Москвичі-2141" були підібрані такий кут нахилу дверцят багажника і довжина даху, що бруд туди просто не потрапляє. Не потрапляв він і на заднє скло "Таврії" - тільки там його захищав маленький щиток під бампером. А ось на "самарах" 2108 і 2109 це питання довелося вирішувати за допомогою "двірника". Заради покращення притискної сили на даху відформовано ребро. На ньому повітряний потік зривається, та утворюється зона пониженого тиску, в неї засмоктуються бризки з-під машини. Можна перенаправити потік козирком, але... тоді зникає корисний ефект від ребра на даху. Вирішуйте самі, що для вас важливіше: керованість та обмеження видимості назад або чисте скло і помітно зростаючий ризик занесення на високій швидкості. До речі, частково питання можна вирішити за допомогою бокових дефлекторів.

Деякі аеродинамічні елементи стають деталями фірмового стилю. Протягом багатьох років задні ліхтарі на Mercedes-Benz мали ребристу поверхню. Бруд осідав на виступаючих ребрах, залишаючи чистими ділянки між ними, і світло стоп-сигналів та габаритів було видно краще. Ось до яких глибин може дійти допитлива думка конструкторів!

 

Що робити

Як вже зазначалося раніше, в основному, аеродинамічний опір автомобіля - це опір тиску. Чим більше поверхонь автомобіля знаходяться перпендикулярно до напрямку набіжного повітряного потоку - тим більше коефіцієнт лобового аеродинамічного опору - Cx.

Що роблять виробники автомобілів щоб зменшити Cx? Відповідь напрошується сама по собі - вони зменшують поперечний переріз автомобіля настільки, наскільки дозволяють затверджені для конкретного автомобіля розміри та/або покращують його форму. Середньостатистичний коефіцієнт лобового опору для автомобіля рівний 0.37-0.34. За відправну точку у розрахунку береться опір тиску для круглої пластини, звісно - перпендикулярної потоку, він рівний 1(пізніше з'ясувалося, що через турбулентність потоків за окрайкою і, відповідно, виникненням опору тертя він рівний 1.2).

Пророблювання аеродинаміки деяких моделей автомобілів настільки високе, що їх Cx може бути набагато меншим - наприклад, для нинішньої моделі Audi A8 він складає усього 0.27, а у Lexus LS 460 і зовсім рекордний для серійних чотиридверних седанів - 0.26.

Логічно припустити, що аеродинаміка суперкарів ще більш досконала. Однак це не зовсім так. У якості наочного прикладу можна взяти останній Porsche 911 Turbo серії 997. Його коефіцієнт рівний 0.31. Багато? Інженери компанії просто щасливі що їм вдалося досягти таких низьких показників та пишаються цим. Уся справа в тому, що на відміну від звичайних автомобілів двигун середньостатичного суперкара потрібно охолоджувати набагато більшими об'ємами повітря. Однак ці об'єми, як це не дивно не беруться через...так,  нього самого. Додаткові кубометри надходять до моторного відсіку з великих додаткових радіаторів, котрі (правильно!) досить суттєво збільшують поперечний переріз автомобіля і як результат - Cx. Той самий ефект чинять і широкі крила у поєднанні з величезними шинами та заднє антикрило. У кращих зразків суперкаробудівництва коефіцієнт Cx доходить до 0.40-0.42(!) Саме такі цифри демонструє відомий усім Bugatti Veyron.

Однак, бувають і виключення. Наприклад спеціалістам, які працювали над аеродинамікою нового Nissan GT-R вдалося досягти коефіцієнта 0.27 - і це при тому, що навіть на високій швидкості автомобіль притискається до дороги і передньою і задньою віссю, а інтеркулер турбіни достатньо охолоджується набіжним повітряним потоком. Саме завдяки оптимізації аеродинаміки, за оголошенням конструкторів, їм вдалося досягти тих вражаючих результатів на трасі Нюбургринг - всесвітньо відомому "бенчмарку" для спортивних машин.

А що дає маленький поперечний переріз та пророблена форма звичайним автомобілям, які не ставлять рекорди? Відповідь проста й очевидна - паливну економічність. Інженери провідних автомобільних фірм б'ються над створенням рекордно економічних автомобілів, котрі без проблем впишуться до все більш жорстких екологічних норм та привернуть сотні тисяч покупців, які не бажають викидати гроші на вітер. Наприклад, розроблений компанією Volkswagen для підкорення "літрової" межі витрати на 100 км прототип VW 1-L має Cx рівний 0.153. У майбутньому, такі автомобілі отримають широке розповсюдження, а поки що можна скористатися більш "народними" способами покращення аеродинаміки.

Скористаємося наведеними вище базовими принципами аеродинамічної інженерії. По-перше, можна спробувати зменшити поперечний переріз. Додаткові дзеркала, "мухобійники", корпусні протитуманки, численні антени, бризковики - забираємо все це і гарантовано отримаємо зайвий літр на 100 км/шляху за швидкості у 150 км/год. Не завадить і помірне відкриття вікон, бо повітряні потоки, які забігають до салону на великій швидкості, створюють зайві вихори, на які наштовхується наступна "порція" потоку.

 

Читайте також:
Значення значків на приладовій панелі автомобіля, про яких ви завжди соромилися запитати
09.09.2016
Значення значків на приладовій панелі автомобіля, про яких ви завжди соромилися запитати
Этапы развития полного привода
12.06.2014
Этапы развития полного привода
Розвиток системи ABS: з літака в автомобіль
16.12.2013
Розвиток системи ABS: з літака в автомобіль
Что значит цвет дыма из выхлопной трубы?
19.07.2013
Что значит цвет дыма из выхлопной трубы?
Audi - провідний бренд в технологіях освітлення
06.02.2013
Audi - провідний бренд в технологіях освітлення
Німці придумали кермо майбутнього
25.01.2013
Німці придумали кермо майбутнього
Toyota і Audi покажуть на CES 2013 самокеровані автомобілі
05.01.2013
Toyota і Audi покажуть на CES 2013 самокеровані автомобілі
Google Maps і Places з'являться в нових автомобілях Kia
04.01.2013
Google Maps і Places з'являться в нових автомобілях Kia
Автомобілі Hyundai можна буде відкривати смартфоном
27.12.2012
Автомобілі Hyundai можна буде відкривати смартфоном
більше новин »
Коментарі відвідувачів

Все про шини

Все про шини

Шини проектуються таким чином, щоб бути максимально безпечними навіть у екстремальній ситуації. Щоб вони завжди надійно виконували свою роботу потрібно вміти правильно вибирати та слідкувати за шинами. Знання особливостей шин стане запорукою спокою за кермом.

Мінімальний розмір протектора

Мінімальний розмір протектора

По всій Європі мінімальна глибина протектора для літніх та зимових шин складає 1,6 мм.

Варіатор: в чому він виграє у механіки і автомата?

Варіатор: в чому він виграє у механіки і автомата?

 Як правило, механічна коробка легкового автомобіля має п'ять швидкостей, автоматична – до вісьмох, а варіатор – нескінченну множину. Отже, що ж це таке – варіатор, і в чому його перевага перед механікою і автоматом? 

Сучасні коробки передач: короткий огляд

Сучасні коробки передач: короткий огляд

Класична автоматична коробка передач складається із декількох наборів планетарних редукторів. Наприклад, у 8-ступінчастій автоматичній коробці передач компанії ZF використовуються 4 планетарних редуктора і 5 елементів перемикання (три дискових зчеплення і два дискових гальма).

ASR – антипробуксувальна система

ASR – антипробуксувальна система

Залежна підвіска

Залежна підвіска

  Залежна підвіска - це конструкція, в якій обидва колеса однієї вісі автомобіля пов'язані між собою жорсткою балкою. При наїзді на нерівність дороги одного із коліс, друге відхиляється на той самий кут.  

Спортивний диференціал

Спортивний диференціал

Конструктивно спортивний диференціал являє собою стандартний  диференціал  з двома конічними шестернями і сателітами, який обертає ведена шестерня головної передачі.

Зимові шини: питання та відповіді

Зимові шини: питання та відповіді

Взимку на літніх шинах далеко не заїдеш, а всесезонні шини - це всього лише компроміс. Правильне рішення лише одне - автомобіль повинен бути "взутим" у зимові шини, незалежно від його класу, типу й ціни.

Гідротрансформатор

Гідротрансформатор

Гідротрансформатор використовується в автоматичній КПП для з'єднання колінчастого валу двигуна із вхідним валом КПП

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