Аэродинамика автомобиля. Как это работает?
С какими законами аэродинамики ежедневно приходиться сталкиваться автомобилю
Ни одна машина не пройдет сквозь кирпичную стену, но ежедневно проходит через стены из воздуха у которого тоже есть плотность.
Никто не воспринимает воздух или ветер как стену. На низких скоростях, в безветренную погоду, сложно заметить, как поток воздуха взаимодействует с транспортным средством. Но на высокой скорости, при сильном ветре, сопротивление воздуха (сила, воздействующая на движущийся по воздуху объект – также определяемая как сопротивление) сильно влияет на то, как машина ускоряется, насколько управляема, как расходует топливо.
Здесь в игру вступает наука аэродинамика, изучающая силы, образующиеся в результате движения объектов в воздухе. Современные автомобили разрабатываются с учетом аэродинамики. Автомобиль с хорошей аэродинамикой проходит сквозь стену воздуха как нож по маслу.
За счет низкого сопротивления воздушному потоку, такой автомобиль лучше ускоряется и лучше расходует топливо, так как двигателю не приходится тратить лишние силы на то, чтобы «протолкнуть» машину сквозь воздушную стену.
Чтобы улучшить аэродинамику автомобиля, форму кузова закругляют, чтобы воздушный канал обтекал авто с наименьшим сопротивлением. У спорткаров форма кузова спроектирована так, чтобы направлять поток воздуха преимущественно по нижней части, далее поймете почему. Еще на багажник машины ставят антикрыло или спойлер. Антикрыло прижимает заднюю часть автомобиля предотвращая подъем задних колес, из-за сильного потока воздуха, когда тот движется на большой скорости, что делает машину устойчивей. Не все антикрылья одинаковы и не все применяют по назначению, некоторые служат только элементом автомобильного декора не выполняющей прямую функцию аэродинамики.
Наука аэродинамика
Прежде чем говорить об автомобильной аэродинамике, пройдемся по основам физики.
При движении объекта через атмосферу, он вытесняет окружающий воздух. Объект также подвержен силе притяжения и сопротивлению. Сопротивление генерируется, когда твердый объект движется в жидкой среде — воде или воздуху. Сопротивление увеличивается вместе со скоростью объекта – чем быстрее он перемещается в пространстве, тем большее сопротивление испытывает.
Мы измеряем движение объекта факторами, описанными в законах Ньютона — масса, скорость, вес, внешняя сила, и ускорение.
Сопротивление прямо влияет на ускорение. Ускорение (а) объекта = его вес (W) минус сопротивление (D), деленное на массу (m). Напомним, что вес – это произведение массы тела на ускорение свободного падения. Например, на Луне вес человека изменится из-за отсутствия силы притяжения, но масса останется прежней. Проще говоря:
a = (W — D) / m
Когда объект ускоряется, скорость и сопротивление растут до конечной точки, в которой сопротивление становится равным весу – больше объект не ускориться. Давайте представим, что наш объект в уравнении — автомобиль. Когда автомобиль движется все быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха сопротивляется его движению, ограничивая машину предельным ускорением при определенной скорости.
Подходим к самому важному числу – коэффициенту аэродинамического сопротивления. Это один из основных факторов, который определяет, как легко объект движется сквозь воздух. Коэффициент лобового сопротивления (Cd) рассчитывается по следующей формуле:
Cd = D / (A * r * V/2)
Где D – это сопротивление, A – площадь, r – плотность, V – скорость.
Коэффициент аэродинамического сопротивления в автомобиле
Разобрались в том, что коэффициент лобового сопротивления (Cd) это величина, которая измеряет силу сопротивления воздуха, примененную к объекту, например, к автомобилю. Теперь представьте, что сила воздуха давит на автомобиль по мере его передвижения по дороге. На скорости в 110 км/ч на него воздействует сила в четыре раза большая, чем на скорости в 55 км/ч.
Аэродинамические способности автомобиля измеряются коэффициентом аэродинамического сопротивления. Чем меньше показатель Cd, тем лучше аэродинамика автомобиля, и тем легче он пройдет сквозь стену воздуха, которая давит на него с разных сторон.
Рассмотрим показатели Cd. Помните угловатые квадратные Volvo из 1970-х, 80-х годов? У старого седана Volvo 960 коэффициент лобового сопротивления 0.36. У новых Volvo кузова плавные и гладкие, благодаря этому коэффициент седана S80 достигает 0.28. Более плавные и обтекаемые формы показывают лучшую аэродинамику, чем угловатые и квадратные.
Причины, по которым аэродинамика любит гладкие формы
Вспомним самую аэродинамическую вещь в природе – слезу. Слеза круглая и гладкая со всех сторон, а в верхней части сужается. Когда слеза капает вниз, воздух легко и плавно ее обтекает. Также с автомобилями – по гладкой, округлой поверхности воздух течет свободно, сокращая сопротивление воздуха движению объекта.
Сегодня у большинства моделей средний коэффициент сопротивления 0.30. У внедорожников коэффициент лобового сопротивления от 0.30 до 0.40 и более. Причина высокого коэффициента в габаритах. Ленд Крузеры и Гелендвагены вмещают больше пассажиров, у них больше грузового места, большие радиаторные решетки, чтобы охладить двигатель, отсюда и квадратно-подобный дизайн. У пикапов, дизайн которых целенаправленно квадратный Cd больше, чем 0.40.
Дизайн кузова Toyota Prius спорный, но у машины показательно аэродинамическая форма. Коэффициент лобового сопротивления Toyota Prius 0.24, поэтому показатель расхода топлива у машины низкий не только из-за гибридной силовой установки. Запомните, каждые минус 0,01 в коэффициенте сокращают расход топлива на 0,1 л на 100 км пути.
Модели с плохим показателем аэродинамического сопротивления:
Модель | Коэффициент Сх |
Lada 4×4 / ВАЗ-21213 «Нива» | 0,536 |
Mercedes-Benz G-класса | 0,54 |
ВАЗ 2101,2103,2106,2107 | 0,56-0,53 |
Hummer h3 | 0,57 |
Jeep Wrangler (поколение TJ) | 0,58 |
УАЗ «Хантер» / УАЗ-469 | 0,6 |
Caterham Seven | 0,7 |
Модели с хорошим показателем аэродинамического сопротивления:
Модель | Коэффициент Сх |
BMW 3-й серии (E90), BMW i8, Jaguar XE, Lexus LS, Mazda 3, Mercedes B-класса, Mercedes C-класса Coupe, Mercedes E-класса, Infiniti Q50, Nissan GT-R | 0,26 |
Alfa Romeo Giulia, Honda Insight, Audi A2, Peugeot 508 | 0,25 |
Tesla Model S, Tesla Model X, Hyundai Sonata Hybrid, Mercedes C-класса, Toyota Prius | 0,24 |
Audi A4, Mercedes CLA, Mercedes S 300 h | 0,23 |
Tesla Model 3 | 0,21 |
General Motors EV1 | 0,195 |
Volkswagen XL1 | 0,189 |
Методы улучшения аэродинамики известны давно, но потребовалось много времени, чтобы автопроизводители начали пользоваться ими при создании новых транспортных средств.
У моделей первых появившихся автомобилей нет ничего общего с понятием аэродинамики. Взгляните на Модель T компании Ford – машина больше похожа на лошадиную повозку без лошади – победитель в конкурсе квадратного дизайна. Правду сказать, большинство моделей — первопроходцев и не нуждались в аэродинамическом дизайне, так как ездили медленно, с такой скоростью нечему было сопротивляться. Однако гоночные машины начала 1900-х годов начали понемногу сужаться, чтобы за счет аэродинамики побеждать в соревнованиях.
Rumpler-Tropfen Auto
В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfen Auto, что в переводе с немецкого означает «автомобиль — слеза». Созданный по образу самой аэродинамической формы в природе, формы слезы, у этой модели коэффициент лобового сопротивления был 0.27. Дизайн Rumpler-Tropfenauto так и не нашел признания. Румплер успел создать только 100 единиц Rumpler-Tropfenauto.
В Америке скачок в аэродинамическом дизайне совершили в 1930 году, когда вышла модель Chrysler Airflow. Вдохновленные полетом птиц, инженеры сделали Airflow с учетом аэродинамики. Для улучшения управляемости вес машины равномерно распределили между передней и задней осями — 50/50. Уставшее от Великой депрессии общество так и не приняло нетрадиционную внешность Chrysler Airflow. Модель посчитали провальной, хотя обтекаемый дизайн Chrysler Airflow был далеко впереди своего времени.
Chrysler Airflow
В 1950-х и 60-х годах произошли самые большие достижения в области автомобильной аэродинамики, которые пришли из гоночного мира. Инженеры начали экспериментировать с разными формами кузова, зная, что обтекаемая форма ускорит автомобили. Так родилась форма гоночного болида, сохранившаяся по сей день. Передние и задние спойлеры, носы в форме лопаты, и аэрокомплекты служили одной цели, направить поток воздуха через крышу и создать необходимую прижимную силу на передние и задние колеса.
Успеху экспериментов поспособствовала аэродинамическая труба. В следующей части нашей статьи расскажем зачем она нужна и почему важна в проектировании дизайна автомобиля.
Измерение сопротивления в аэродинамической трубе
Для измерения аэродинамической эффективности автомобиля, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности – аэродинамическую трубу.
Аэродинамическая труба — это туннель с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Автомобиль, самолет, или что-то еще, чье сопротивление воздуху измеряют инженеры. Из помещения за туннелем, научные сотрудники наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом и как ведут себя воздушные потоки на разных поверхностях.
Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы не двигается, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные авто даже не загоняют в трубу – дизайнеры часто полагаются на точные модели, создаваемые из глины или другого сырья. Ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, а компьютеры рассчитывают коэффициент аэродинамического сопротивления.
Аэродинамические трубы используют еще с конца 1800-х годов, когда пытались создать самолет и измеряли в трубах воздействие воздушного потока. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей, в поисках преимущества над конкурентами, стали применять аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамических элементов разрабатываемых моделей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских авто и грузовиков.
За последние 10 лет, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США применяют все реже и реже. Компьютерное моделирование понемногу вытесняет этот способ тестирования аэродинамики автомобиля (подробнее здесь). Аэродинамические трубы запускают только, чтобы убедиться, что в компьютерном моделировании нет никаких просчетов.
В аэродинамике больше понятий, чем одно только сопротивление воздуха – есть еще факторы подъемной и прижимной силы. Подъемная сила (или лифт) – это сила, работающая против веса объекта, поднимающая и удерживающая объект в воздухе. Прижимная сила противоположность лифта – это сила, которая прижимает объект к земле.
Тот, кто думает, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей Формулы 1, развивающих 320 км/ч, низкий, заблуждается. У типичного гоночного болида Формулы 1 коэффициент аэродинамического сопротивления около 0.70.
Причина завышенного коэффициента сопротивления воздуху гоночных болидов Формулы 1 в том, что эти машины спроектированы так, чтобы создавать как можно больше прижимной силы. С той скоростью, с которой болиды передвигаются, с их чрезвычайно легким весом, они начинают испытывать лифт на больших скоростях – физика заставляет их подниматься в воздух как самолет. Автомобили не созданы, чтобы летать (хотя статья Transition Terrafugia – летающий автомобиль-трансформер утверждает обратное), и если транспортное средство начинает подниматься в воздух, то ожидать можно только одного – разрушительной аварии. Поэтому, прижимная сила должна быть максимальной, чтобы удержать автомобиль на земле при высоких скоростях, а значит коэффициент аэродинамического сопротивления должен быть большим.
Высокой прижимной силы болиды Формулы 1 добиваются при помощи крыльев или спойлеров на передней и задней частях транспортного средства. Эти крылья направляют потоки воздуха так, что прижимают автомобиль к земле – та самая прижимная сила. Теперь можно спокойно увеличивать скорость и не терять ее на поворотах. При этом, прижимная сила должна быть тщательно сбалансирована с лифтом, чтобы автомобиль набирал нужную прямолинейную скорость.
Многие серийные автомобили имеют аэродинамические дополнения для создания прижимной силы. Суперкар Nissan GT-R пресса раскритиковала за внешность. Спорный дизайн. А все потому, что весь кузов GT-R спроектирован так, чтобы направить поток воздуха над автомобилем и обратно через овальный задний спойлер, создавая большую прижимную силу. О красоте машины никто не подумал.
Вне трассы Формулы 1, антикрылья часто встречаются на серийных автомобилях, например, на седанах компаний Toyota и Honda. Иногда эти элементы дизайна добавляют немного устойчивости на высоких скоростях. Например, на первом Audi TT изначально не было спойлера, но компании Audi пришлось его добавить, когда выяснилось, что округлые формы TT и легкий вес, создавали слишком много подъемной силы, что делало машину неустойчивой на скорости выше 150 км/ч.
Но если машина не Audi TT, не спортивный болид, не спорткар, а обычный семейный седан или хетчбек, установка спойлера не к чему. Управляемости на таком автомобиле спойлер не улучшит, так как у «семейника» итак высокая прижимная сила из-за высокого Cx, а скорости выше 180 на нем не выжмешь. Спойлер на обычном авто может стать причиной избыточной поворачиваемости или наоборот, нежелания входить в повороты. Однако если вам тоже кажется, что гигантский спойлер Honda Civic стоит на своем месте, не позволяйте никому переубедить вас в этом.
Аэродинамика автомобиля — что такое коэффициент Cx и как определяется
Первые модели с улучшенной аэродинамикой сделаны в форме капли — она обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Поговорим об аэродинамике автомобиля и узнаем что такое коэффициент Сх и на что влияет.
Основные факты аэродинамики
Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, — снижение лобового аэродинамического сопротивления. C ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха. Когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Для примера, автомобилю массой 2 тонны при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 180 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы — 310 л.с.Коэффициент Cx
Определяется экспериментально и описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины. Как потом выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной её Cx равен примерно 1,2. Самый низкий Cx у капли — примерно 0,05.Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент — аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные машины обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова авто.
У большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,24-0,27. Он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова. Приведенные значения — идеал, которого может достичь данная модель.
Прижимная и подъемная силы
Подъемная сила — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. Частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, т.е. более выпуклую поверхность. Согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.Низкое лобовое сопротивление иногда не важно. Болиды «Формулы-1» имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колёса. Для них важнее другие параметры и прежде всего — прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колёс с дорогой и устойчивость в повороте.
Для гоночных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья.Для снижения подъемной силы
Используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление, и машина присасывается к дороге. Спойлер на крышке багажника ставят для организации срыва воздушного потока до того, как начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А антикрыло работает на создание прижимной силы. Заметный эффект они создают при скорости 120 км/ч и выше. Работающий на создание прижимной силы воздух создает заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом будет ниже, а расход топлива — больше.Для уменьшения прижимной силы
В автоспорте используют диффузоры – они способны присосать автомобиль к трассе. Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила.Аэродинамика автомобиля
Содержание статьи
Зачем это нужно
Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:
- рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
- обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
- продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
- стремятся понизить уровень шумов в салоне,
- оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.
Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.
Снижение лобового сопротивления
От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient – коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».
Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:
- внутреннего сопротивления при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
- сопротивления трения воздушных потоков о внешние поверхности кузова и
- сопротивления формы.
Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.
Передняя часть и боковые поверхности автомобиля особых хлопот конструкторам в плане аэродинамики не доставляют. Здесь главное – избегать резких переходов и выступов, предотвращая тем самым отрыв воздушного потока от поверхности кузова.
А вот с задней частью кузова все гораздо сложнее. Как нетрудно догадаться, наименее аэродинамичными являются универсалы – их форма меньше всего напоминает идеальную «каплю». За их обширным «задком» образуется внушительная зона разряжения, которая не только снижает Сх, но и «засасывает» пыль и грязь, оседающую на заднем стекле. Немного уменьшить ее вредное воздействие можно с помощью установки дефлектора на верху пятой двери. Он направляет часть воздушного потока вниз, снижая разряжение и уменьшая загрязнение.
Не все просто и с хэтчбеками, хотя, на первый взгляд, их форма кажется наиболее обтекаемой. Впечатление обманчиво – яркий пример непредсказуемости аэродинамики. Сх хэтчбеков зависит от угла наклона задней части. При большом угле наклона (а таких моделей большинство) процесс обтекания практически не отличается от универсалов – воздушный поток отрывается от верхней кромки крыши и создает значительную зону разряжения.
С уменьшением угла наклона до 30-35 градусов точка отрыва потока перемещается на нижнюю кромку задней части. Казалось бы, зона разряжения и, соответственно, Сх должны уменьшиться. Но, как это на первый взгляд ни парадоксально, происходит все наоборот. Дело в том, что в этом случае воздушные потоки с боков кузова, попадая на наклонную поверхность, образуют кромочные вихри, которые, закручиваясь по спирали, создают за автомобилем еще большую зону разряжения. Борются с этим явлением с помощью спойлера, устанавливаемого на кромке крыши. При этом точка отрыва потока перемещается с нижней кромки задней части на верхнюю, что предотвращает образование кромочных вихрей и несколько улучшает общую аэродинамику.
А вот если уменьшить наклон «задка» до 20-23 градусов, воздушный поток с крыши почти идеально обтекает автомобиль, отрываясь от нижней кромки. При этом кромочные вихри уже не образуются, и зона разряжения получается минимальной. Но такие автомобили теряют в практичности и поэтому среди серийных моделей их совсем немного.
Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.
Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.
Прижимная сила
При движении автомобиля поток воздуха под его днищем идет по прямой, а верхняя часть потока огибает кузов, то есть, проходит больший путь. Поэтому скорость верхнего потока выше, чем нижнего. А согласно законам физики, чем выше скорость воздуха, тем ниже давление. Следовательно, под днищем создается область повышенного давления, а сверху – пониженного. Таким образом создается подъемная сила. И хотя ее величина невелика, неприятность состоит в том, что она неравномерно распределяется по осям. Если переднюю ось подгружает поток, давящий на капот и лобовое стекло, то заднюю дополнительно разгружает зона разряжения, образующаяся за автомобилем. Поэтому с ростом скорости снижается устойчивость и автомобиль становится склонен к заносу.
Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.
Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.
Практическая аэродинамика
Выполнение нескольких несложных правил позволит вам получить экономию из воздуха, снизив расход топлива. Однако эти советы будут полезны только тем, кто часто и много ездит по трассе.
При движении значительная часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления воздуха. Чем выше скорость, тем выше и сопротивление (а значит и расход топлива). Поэтому если вы снизите скорость даже на 10 км/ч, сэкономите до 1 л на 100 км. При этом потеря времени будет несущественной. Впрочем, эта истина известна большинству водителей. А вот другие «аэродинамические» тонкости известны далеко не всем.
Расход топлива зависит от коэффициента лобового сопротивления и площади поперечного сечения автомобиля. Если вы думаете, что эти параметры заложены на заводе, и автовладельцу изменить их не под силу, то вы ошибаетесь! Изменить их совсем несложно, причем можно добиться как положительного, так и отрицательного эффекта.
Что увеличивает расход? Непомерно «съедает» топливо груз на крыше. И даже бокс обтекаемой формы будет отнимать не менее литра на сотню. Нерационально сжигают топливо открытые во время движения окна и люк. Если перевозите длинномерный груз с приоткрытым багажником — тоже получите перерасход. Различные декоративные элементы типа обтекателя на капоте («мухобойки»), «кенгурятника», антикрыла и других элементов доморощенного тюнинга хоть и принесут эстетическое наслаждение, но заставят вас дополнительно раскошелиться. Загляните под днище — за все, что провисает и выглядывает ниже линии порога, придется доплачивать. Даже такая мелочь, как отсутствие пластиковых колпаков на стальных дисках, повышает расход. Каждый перечисленный фактор или деталь по отдельности увеличивают расход не на много — от 50 до 500 г на 100 км. Но если все суммировать, «набежит» опять же около литра на сотню. Эти расчеты справедливы для малолитражных автомобилей при скорости 90 км/ч. Владельцы больших автомобилей и любители блльших скоростей делайте поправку в сторону увеличения расхода.
Если выполнить все вышеперечисленные условия, мы сможем избежать излишних трат. А можно ли еще снизить потери? Можно! Но это потребует проведения небольшого внешнего тюнинга (речь идет, конечно, о профессионально выполненных элементах). Передний аэродинамический обвес не дает воздушному потоку «врываться» под днище автомобиля, накладки порогов прикрывают выступающую часть колес, спойлер препятствует образованию завихрений за «кормой» автомобиля. Хотя спойлер, как правило, уже включен в конструкцию кузова современного автомобиля.
Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.
| Совет | Экономия при 90 км\ч | Экономия при 120км\ч |
|---|---|---|
| Демонтировать верхний бокс | 0,98 | 1,61 |
| Демонтировать крепления для лыж | 0,61 | 1,01 |
| Закрыть окна | 0,27 | 0,44 |
| Установка переднего обтекателя | 0,24 | 0,40 |
| Закрыть люк в крыше | 0,05 | 0,08 |
| Установить колпаки на штампованные колеса | 0,05 | 0,08 |
Аэродинамика автомобиля
Автор admin На чтение 4 мин. Просмотров 373
В соответствии с законами физики движение любого механизма является результатом взаимодействия нескольких сил. Причем при различных внешних условиях, вклад тех или иных воздействий будет отличаться. В применении к ТС часто приходится пользоваться таким понятием как аэродинамика автомобиля. Что это такое – ясно интуитивно, а вот коснуться некоторых подробностей будет, как минимум, просто интересно.
Несколько слов о самом движении
Хотим мы этого или нет, но машине при движении требуется преодолевать противодействие внешней среды. На нее действуют силы тяжести, инерции, сцепления с дорожным полотном, трения сопротивления качения, но для нас сейчас более интересны те из них, которые имеют отношение к аэродинамике. Для автомобиля с этой точки зрения актуальны:
- сила сопротивления среды;
- подъемная сила, образованная воздушным потоком;
- прижимная сила.
Именно их соотношение (равнодействующая) определяет устойчивость, маневренность и экономичность автомобиля на дороге. Величина отмеченных сил во многом зависит от параметров движения. Сопротивление, оказываемое встречным потоком, определяется квадратом скорости и соответствующими коэффициентами. Но характер поведения других сил, обусловленных аэродинамикой, более сложный.
При разгоне и движении ТС, препятствующий этому воздух делится на несколько потоков. Один из них обтекает машину сверху и прижимает ее к дороге. Другой проходит под днищем, по закону Бернулли он является более плотным и приподнимает машину, а остальные обтекают ее с боков.
Это самое краткое и минимальное описание сил аэродинамики. Как пример можно привести их распределение, действующих на автомобиль при определенной скорости в зависимости от формы машины и наличия внешних элементов.
Простое сравнение результатов показывает, что даже минимальное улучшение, такое как изменение формы кузова и использование внешних элементов (спойлеров), приводит к тому, что аэродинамика автомобиля может поменяться самым кардинальным образом. Но относиться к этому надо достаточно осторожно, и вряд ли целесообразно экспериментировать самому.
Немного теории
Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля указывается в величине Cx, обычно она меньше 1. Чем он будет меньше, тем меньше мощностей он будет затрачивать для движения. Так показатель Cx у AUDI A8 — 0.37, Lexus LS 460 — 0.26. Весьма странным может показаться тот факт, что у спорткаров этот показатель значительно выше (Porsche 911 Turbo 997 — 0.31, Bugatti Veyron — 0.42). На самом же деле все довольно просто. Мощные двигатели требуют охлаждения, в том числе и воздушными потоками. Добиться этого можно увеличив площадь радиатора, а значит и поперечное сечение машины.
Улучшение аэродинамики автомобиля
Машина движется в воздушной среде, преодолевая ее сопротивление. Оно во многом определяется формой автомобиля, наличием и конструкцией внешних устройств. Для первых представителей авто, например «жестянка Лиззи», это не имело никакого значения, скорости движения были невелики, и время думать о том, что надо улучшать аэродинамику автомобиля, еще не пришло.
Однако по мере взросления автопрома росли скорости и мощности моторов, так что для дальнейшего развития и совершенствования автомобиля, вопросы, затрагивающие улучшение его аэродинамики, становились все более и более актуальными. Главные цели улучшения аэродинамических показателей — увеличение скоростей и экономия топлива. В таблице показано как меняется сопротивление воздуха в зависимости от скорости.
Первыми с этим столкнулись спортивные машины, именно там стали появляться обтекаемые формы, позволившие снизить сопротивление внешней среды, благодаря чему повысились скорости движения. Надо сразу отметить, что в тот момент именно скоростные характеристики стояли на первом месте, об экономичности речи еще не шло.
Но со временем именно топливная экономичность, вопросы безопасности и управляемости стали решающими. За счет оптимальных форм кузова, а также обтекаемости внешних элементов отделки и дизайна (фар, ручек, решеток и т.д.) удалось поднять скорость движения и повысить топливную эффективность автомобиля.
Как пример – в таблице приведены некоторые данные о влиянии внешних элементов на расход топлива.
Так что со временем улучшение эксплуатационных характеристик автомобиля, стало просто невозможно без учета влияния на них его аэродинамики. И достигается это кропотливым трудом многочисленных специалистов на специальных стендах.
Аэродинамика автомобиля имеет отношение практически ко всему спектру вопросов существования современного ТС. Дело не только в наличии внешних атрибутов, таких как спойлеры, колесные диски или зеркала специальной формы. Во многих случаях аэродинамика играет едва ли не решающую роль в управляемости и безопасности движения. И собираясь улучшать аэродинамику автомобиля самостоятельно, стоит понимать, что этим занимался производитель еще на этапе производства.
Что еще стоит почитать
Аэродинамика автомобиля — RacePortal.ru
Современная автомобильная аэродинамика решает множество задач. Специалисты должны не только добиться минимального сопротивления воздуха, но и отследить величину и распределение по осям подъемной силы, ведь нынешние автомобили достигают тех скоростей, на которых самолеты уже отрываются от земли. Необходимо предусмотреть и доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных дисков, продумать вентиляцию салона, расположив в нужных местах отверстия для забора и вытяжки воздуха. Аэродинамика определяет уровень шумов в салоне, заботится о том, чтобы захватывающие грязь воздушные потоки не попадали на стекла, зеркала, фонари и ручки дверей. С ростом скорости не должно меняться и качество очистки лобового стекла.
В общем, круг задач необычайно широк, а решение одной проблемы тесно связано с другой: например, необходимость делать воздухозабрники для охлаждения тормозов или борьба с подъемной силой ведет к увеличению лобового сопротивления. И разобраться в этой головоломке, найти оптимум под силу лишь настоящим мастерам своего дела. Мы же рассмотрим только два главных аспекта автомобильной аэродинамики: проблему сопротивления воздуха и прижимной силы.
Аэродинамическое сопротивление
Наверное, каждый слышал о том, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости – столь быстро нарастает противодействие движению в процессе разгона. Впечатляет, но как это соотнести с параметрами автомобиля? Для этого нужно лишь перейти в термины механической работы, и тогда получится, что отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! Только представьте, с каким трудом даются автомобилю последние десятки километров в час. В таких условиях даже значительная прибавка мощности мотора не в состоянии существенно увеличить максимальную скорость.
Таким образом, задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом.
Сила сопротивления — так рассчитывается сила аэродинамического сопротивления. S – площадь поперечного сечения (м2), V – скорость воздушного потока (м/c), p – плотность воздуха (1,23 кг/м3), Cx — коэффициент аэродинамического сопротивления. То есть повлиять на величину силы при заданной скорости можно только двумя путями: изменив либо Cx, либо площадь S.
Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки.
А значит остается второй и единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе).
Величина Cx определяется опытным путем. Например, у так называемого обтекаемого тела, похожего на вытянутую каплю воды, Cx равен 0,04, у сферы – 0,47, у куба, грань которого перпендикулярна потоку, — 1,05, а если его повернуть, так чтобы угол между воздушным потоком и гранями составлял 45 градусов, то Сх снизится до 0,8. Примерно в том же диапазоне находится и Сх практически всех автомобилей, разве что нижняя граница поднимается примерно до 0,25.
Факторов, влияющих на Cx автомобиля, несколько: во-первых, это внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон, во-вторых, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, и, в-третьих, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Внутреннее сопротивление составляет около 12% от общей величины, и пока особых успехов в этой области не наблюдается: напротив, все более и более мощные моторы современных автомобилей требуют все больше воздуха для охлаждения. Например, в пределе 300-сильный бензиновый двигатель выделяет в виде тепла около 450кВт – этого хватило бы для отопления нескольких особняков! Соответственно, растут размеры радиаторов, уплотняются моторные отсеки, увеличивается сопротивление воздуха… Существенные же улучшения здесь возможны лишь при переходе на более эффективные электродвигатели, но пока они так и остаются технологией будущего.
Красные стрелки – вектора, показывающие направление и скорость движения отдельных частиц. В данном случае они параллельны друг другу, а потому поток находится в ламинарном состоянии.
Сопротивление поверхностного трения так же вносит свой 10-процентный вклад в величину Cx. Вообще, наличие столь ощутимого трения между воздухом и кузовом может показаться странным, но оно действительно имеет место: прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с микронеровностями покрытия и тормозиться — образуется так называемый пограничный слой. Пока это течение находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое. Но с переходом в турбулентное состояние, когда поток «спотыкается» о более крупное препятствие, и траектории его частиц становятся хаотичными, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение – воздух словно становится более вязким. Таким образом, от разработчиков в данном случае требуется обеспечение гладкости кузова, дабы пограничный слой дольше оставался ламинарым. А для этого нужно уменьшать зазоры кузовных элементов, закрывать уплотнителями щели между деталями. Помогает и придание поверхностям небольшой кривизны – прилегающий поток ускоряется, давление в нем падает, и траектории частиц упорядочиваются. К сожалению, в целях экономии этими мерами в последнее время частично пренебрегают, например, уплотнители по периметру лобового стекла или вокруг фар сейчас встретишь нечасто.
Рсопротивление давления Распределение давления воздуха на движущийся автомобиль. Красному соответствуют зоны высокого давления, синему – низкого. Обратите внимание на возникающее разряжение позади заднего стекла и, в особенности, за крышкой багажника и бампером – именно эта область главным образом и определяет аэродинамику кузова. И чем меньше она, тем лучше.
И, наконец, сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx. Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя. Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно. Так что задача перед инженерами стояла непростая…
Ретроспектива
Первый автомобиль, преодолевший отметку в 100 км/ч (1899 г.). Приводился в движение двумя электромоторами суммарной мощностью 67 л.с. Масса – 1000 кг. Максимальная скорость 105 км/ч.
В начале прошлого века, когда автомобили только зарождались, их скорость едва превышала 40км/ч, а форма походила на карету, об аэродинамике, естественно, не задумывались – при величине Cx около единицы те модели едва ли могли поспорить по обтекаемости даже с пресловутым кирпичом. Однако все же находились энтузиасты, уделявшие этому внимание. Главным образом, то были разработчики рекордных автомобилей и тех, что мы бы сейчас назвали «концепт-карами».
Над формой долго не думали – её перенимали из других областей техники, таких как мореплавание или авиация. Соответственно, автомобили напоминали корабли, дирижабли, торпеды и другие тела вращения. Самым же первым представителем этой плеяды была машина Камилла Дженатци, на которой сам создатель впервые в истории преодолел рубеж в 100км/ч – произошло это аж в 1899 году. Cx того автомобиля, конечно, не известен, но, учитывая немалую мощность в 67 л.с., можно предположить, что его аэродинамика все же была далека от совершенства – сопротивление увеличивал водитель, возвышавшийся над кузовом, и совершенно неприкрытые элементы подвески и шасси.
Более удачной попыткой создать обтекаемый автомобиль стала Alfa Romeo 40-60 HP – спортивная машина 1913 года, на шасси которой был установлен кузов в форме дирижабля. Полностью укрывающий пассажиров корпус, интегрированное шасси и компактные узлы подвески позволили при мощности 70 л.с. достигать уже 139 км/ч, что свидетельствует о весьма неплохой, а по тем временам и вовсе выдающейся, аэродинамике.
Уникальность автомобиля Tropfenwagen (1921 г.) состояла не только в потрясающе низком Сх (0,28), но и необычной компоновке с W-образным 6-цилиндровым двигателем в хвостовой части. Всего было выпущено около 100 таких моделей.
Но постепенно подход к проектированию обтекаемых кузовов менялся. Опыт в самолетостроении, накопленный за время Первой мировой войны, помог разработчикам взглянуть на проблему шире — они уже не стремились просто перенять удачные с точки аэродинамики формы, а начали их комбинировать, совмещать, пытаясь получить приемлемое для автомобиля решение. И быстро преуспели в этом деле.
В 1921 году инженером Эдмундом Румплером был создан Tropfenwagen – «машина-капля». Необычный автомобиль имел сильно зауженную в горизонтальной проекции переднюю и заднюю части, плавный изгиб крыши и овальную, вытянутую кабину – набегающий воздух он направлял не вверх и вниз, а в стороны. Проведенные в последствии, в 1979 году, компанией Volkwagen испытания показали, что Cx Tropfenwagen равнялся 0,28! И это при том, что выступающие за габариты колеса увеличивали сопротивление примерно на 50%. К сожалению, спросом экстравагантный автомобиль не пользовался – не помогал ни низкий расход топлива, ни появление удлиненной версии. идеальная форма — Сх =0,16
Одна из идеальных аэродинамических форм автомобиля – Cx равен 0,14-0,16. Возможны и другие, но их Cх будет так же находится в окрестности 0,15.
Сравнение форм задка. 1 – укороченная форма, характерная для серийных автомобилей 20-40-годов; 2 – «оптимальная» форма предложенная в 1934 г; 3 – идеальная форма. В последнем случае имеет место безотрывное обтекание кузова, а в 1-ом и 2-ом – точка отрыва располагается в месте расхождения с оптимальной формой. Таким образом, 2-ой вариант с крутым срезом задка оказывается предпочтительнее наклонной формы 1, ибо поток отрывается от кузова заметно позже.
Тем временем Институтом аэродинамических исследований в Геттингене (Германия) была выведена «идеальная» форма, Сх которой равнялся 0,16. В профиль такой кузов походил на современные Porsche 911, но имел более заостренную и узкую переднюю и заднюю часть. Однако если для спортивных двухместных автомобилей эта форма еще подходила — можно вспомнить великолепный Adler Triumph 1934 года – то для «гражданских» она казалась почти бесполезной – слишком нерационально использовался внутренний объем длинного «хвоста».
И все же попытки приблизиться к такому идеалу в серийном производстве предпринимались долго, а одной из самых успешных стала Tatra-87 1940 года. Угол наклона задка у неё был больше, но сильно зауженная сзади кабина и плавно спадающая подоконная линия позволили снизить Сх до 0,38.
Впрочем, к тому времени смысла в подобных хитростях уже не было – в 1934-ом исследователи пришли к выводу, что выгоды от покатой, вытянутой задней части кузова нет, если она не повторяет идеальную форму – как только наклон задка превышает определенное значение, поток срывается, и продолжающаяся часть хвоста оказывается в зоне разряжения. Следовательно, её можно просто отбросить без ущерба для аэродинамики, а в некоторых случаях даже на этом и выиграть, ведь в зоне разряжения оказывается меньшая площадь поверхности. Что, собственно, чуть позже и продемонстрировал автомобиль конструктора Камма под индексом К5 – его Сх равнялся 0,37. А это означало, что впервые аэродинамика и практичность нашли точку пересечения, но началась война…
Первым автомобилем с оптимизированной формой укороченного задка был опытный К5 конструктора Камма, построенный на шасси Mercedes-Benz 170V в 1938 году. Его Сх равнялся 0,37 (в отличие от донора 170V, у которого Cx был 0,55)
Надо отметить, что все упомянутые наработки почти не коснулись серийных автомобилей 20-40-ых годов. Конечно, за этот период Сх в среднем снизилися с 0,8 до 0,55, но в основе этого лежали лишь компоновочные и стилистические изменения – сохраняя выступающие крылья и фары, автомобили становились более вытянутыми и округлыми. Те же модели, что внешне казались обтекаемыми, только подражали реально эффективным кузовам.
Не сильно изменилась ситуация и послевоенные годы. Целенаправленные работы по созданию обтекаемых автомобилей почти остановились, а Cx серийных моделей снижался в основном за счет объединения отдельно выступающих фар и крыльев в единую форму кузова. И все же к 60-ому году некоторые автопроизводители обратили внимание на аэродинамику. Так, в 1955-ом вышел Citroen DS, потрясший мир не только множеством неординарных конструктивных решений, но и великолепной обтекаемостью – Cx составлял всего 0,38. Отличился и Porsche со своей моделью 356, второе поколение которой в 1959 году достигло Cx равного 0,39. И это в то время, когда для большинства автомобилей была характерна величина около 0,5.
Постепенно стали подтягиваться и остальные автопроизводители – росла мощность моторов, увеличивались скорости, и к 70-ому году вместе с модой на угловатые кузова окончательно утвердилась и роль аэродинамики, как одной из приоритетных областей совершенствования автомобилей.
Оптимизация
Однако задача перед инженерами стояла уже другая: если раньше они трудились над созданием оптимальной аэродинамической формы, то отныне их работа заключалась в оптимизации предложенного дизайнерами проекта. То есть в последовательном изменении отдельных частей кузова, таких, как переходы, выступы, спойлеры, с целью снижения сопротивления воздуха при минимальном вмешательстве в дизайн. И хотя это означало гораздо меньшую свободу действий, тем не менее, на практике такой подход оказался весьма эффективным. В частности, в 70-ых он помог удержать Cx на уровне 0,45, несмотря на переход к более угловатым формам кузова, а в дальнейшем, особенно с появлением мощных суперкомпьютеров, позволил неизменно совершенствовать аэродинамику автомобилей вплоть до наших дней.
Но как же при столь ограниченном вмешательстве удалось достичь почти такой же обтекаемости, что и у кузовов, изначально спроектированных с учетом аэродинамики? Оказывается, факторов, принципиально влияющих на обтекаемость, не так уж и много. Их мы сейчас и рассмотрим.
Передний спойлер Передний спойлер уменьшает воздушный поток под днищем автомобиля, а вместе с ним и общее аэродинамическое сопротивление. Правда, справедливо это лишь для маленького спойлера – большой уже увеличивает Cx и работает на создание прижимной силы, создавая существенную зону разряжения под передком.
К носовой части автомобиля (оформлению бампера, фар и решетки радиатора) требований предъявляется немного, и различные формы могут обеспечивать почти одинаковое сопротивление – все же «разрезать» воздушный поток не составляет больших проблем. Однако в этом месте важно придать воздуху правильно направление, ведь от этого зависит характер обтекания остальной поверхности кузова. В частности, нужно избегать отрыва потока от передней кромки капота – образующая за ней зона разряжения может протянуться аж до лобового стекла и увеличить Cx примерно на 0,05 единиц. Для этого, особенно при сильном наклоне передка, необходимо сглаживать переход к капоту, избегая резких граней.
Дополнительно можно отыграть несколько сотых, установив небольшой передний спойлер. Сам по себе он, конечно, увеличивает Cx, частично препятствуя затеканию воздуха под автомобиль, но это компенсируется падением сопротивления днища, где уже гораздо меньший поток сталкивается с полосой препятствий в виде рычагов подвески, картеров агрегатов и выхлопной системой. Нередко подобного эффекта добиваются и за счет небольшого наклона автомобиля вперед – достаточно даже 2 градусов, чтобы понизить Cx на пару-тройку процентов.
А вот наклон лобового стекла, как ни странно, однозначного влияния не оказывает – в пределах стандартых 30-40 градусов четкая связь с величиной Cx не прослеживается. Зато положительную роль играет небольшая выпуклость крыши – снижение Cx может составить две-три сотых. Правда, это верно лишь при условии сохранения высоты кузова – кривизна должна достигаться вследствие увеличения наклона лобового и заднего стекла, ибо в противном случае уменьшение Cx нивелируется увеличением площади поперечного сечения.
Главный же элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова. Здесь счет идет уже не на сотые, а на десятые доли Cx!
Хэтчбеки и универсалы Характер обтекания универсалов и хэтчбеков с большим наклоном пятой двери (коих подавляющее большинство) одинаков – поток отрывается от задней кромки крыши.
Автомобили с углом наклона задка около 30 градусов Уменьшение угла наклона задней части до 30 градусов приводит к образованию кромочных вихрей, создающих дополнительное разряжение позади автомобиля. При дальнейшем же уменьшении наклона вихри ослабевают, и примерно на 23 градусов достигается плавное и безотрывное течение потока по наклонной поверхности.
Наименее эффективной оказывается форма с крутым срезом, то есть кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. Сопутствующей неприятностью является и быстрое загрязнение заднего стекла, ибо в «пустующее» позади пространство активно устремляется поднятая пыль и грязь. И поправить положение никак нельзя, разве что установить дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – так и стекло будет медленнее пачкаться и разряжение слегка упадет. Подобное решение часто встречается на современных универсалах.
Кузова со скошенной задней частью (как правило, хэтчбеки) выглядят, на первый взгляд, предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Среди современных гражданских автомобилей такой формой обладают, пожалуй, только Audi A5 Sportback да Porsche Panamera. Большинство же остальных хэтчбеков и близко не подбираются к этой цифре, а потому по обтекаемости они эквивалентны универсалам и точно так же оснащаются задним стеклоочистителем. Попытки же приблизиться к оптимальному углу чреваты еще большими проблемами. А дело в том, что при уменьшении наклона до 28-32 градусов воздушный поток оказывается в неком переходном состоянии – точка отрыва уже перемещается на нижнюю кромку задка, но плавного обтекания еще наблюдается. При этом на наклонной поверхности возникают так называемые кромочные вихри – потоки с боков кузова начинают попадать на наклонный задок и, закручиваясь по спирали, создают значительное разряжение позади автомобиля. И хотя заднее стекло уже не пачкается, ибо вихри направлены вниз, Cx получается наихудшим. В свое время именно с такой проблемой столкнулся Москвич 2141, который при всей своей визуальной обтекаемости, имел Cx около 0,47.
А что же делать инженерам, если им на стол лег такой неудачный дизайнерский проект с наклоном близким к 30 градусам? Если поменять угол никак не нельзя, то можно пойти на крайние меры и установить на торце крыши спойлер — он сорвет поток, предотвратив образование кромочных вихрей, и по обтекаемости такой автомобиль хотя бы приблизится к универсалам. Впрочем, при небольшом наклоне (< 28 градусов) есть и менее радикальный способ – разместить в том же месте спойлер чуть поменьше, который не сорвет поток, а лишь переведет в турбулентное состояние, что поможет ему лучше удерживаться на наклонной поверхности.
Современные седаны и купе, как правило, демонстрируют наилучшие показатели обтекаемости среди остальных типов кузовов. А в некоторых случаях даже удается добиться безотрывного течения потока по заднему стеклу.
Описанные проблемы встречаются и на автомобилях со ступенчатым задком, например, седанах и купе, но последствия уже не столь страшны – отовравшийся с крыши поток или закрутившийся на стекле кромочных вихрь «приземляется» на крышку багажника, успокаивается, а затем вновь и уже окончательно отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx на несколько сотых – чем раньше поток коснется поверхности, и чем дольше он будет пребывать в стационарном состоянии, тем лучше. Почти так же эффективно и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации в данном случае предостаточно, а потому на практике именно седаны или купе, особенно больших размеров, и демонстрируют наилучшую обтекаемость.
А дальше?
Возможность достижения значений Сх ниже 0,2 для рядовых автомобилей была доказана еще в 1977 году дизайн-студией Pininfarina. Представленный ими макет седана имел Cx 0,18!
Читая пресс-релизы и отслеживая презентации новых моделей, трудно усомниться в прогрессе автомобильной аэродинамики – столь восторженно автопроизводители докладывают о своих достижениях. Однако если посмотреть на такие дорогие машины как BMW и Mercedes, то с удивлением можно обнаружить, что за последние 15-20 лет улучшений практически нет. Например, Cx «семерки» BMW образца 1986 года равнялся 0,34, а последней модели – только 0,31. Более того, новый Mercedes E-класса с его Сх равным 0,27, кстати, весьма неплохой величиной по нынешним меркам, оказывается на одном уровне с E-классом 1995-го модельного года! Аналогичная картина и c «пятеркой» BMW.
Таким образом, нижняя граница Сх нащупана уже давно, а наблюдаемый прогресс объясняется лишь снижением стоимости исследований, что позволило менее именитым брендам подтянуться к компаниям, изначально не жалевшим денег на проработку аэродинамики.
А как же двигаться дальше? Об этом уже давно говорят многие специалисты – необходимо вновь пересматривать роль аэродинамики в процессе создания автомобиля. Нужны новые формы, новые пропорции, главенство инженерной мысли над фантазией дизайнера. И потенциал здесь скрыт немалый – речь не только о выведенной еще в 20-ых годах идеальной форме с Сх 0,16, но и о более поздних исследованиях, подтвердивших, что обтекаемость и рациональная компоновка – понятия не взаимоисключающие.
Прижимная сила
Благодаря несимметричному профилю поток над плоскостью крыла течет быстрее, что, согласно закону Бернулли, создает над крылом зону разрежения а, в конечном итоге, и подъемную силу.
Почему крыло самолета создает подъемную силу? Отнюдь не из-за угла между ним и набегающим потоком, как кажется на первый взгляд – угол этот может быть и нулевым (хотя при его увеличении подъемная сила и возрастает). Секрет крыла кроется в его особом профиле. Оказывается, будучи несимметричным, оно разрезает набегающий воздух таким образом, что верхний поток проходит больший путь, чем нижний. С учетом несжимаемости воздуха (на малых скоростях) это означает, что над крылом скорость потока выше, а статическое давление, соответственно, ниже. Эта разность давлений и создает подъемную силу.
При чем же здесь автомобиль? А притом, что характер его обтекания воздухом практически тот же: нижний поток, ныряя под днище, обходит кузов по прямой, а верхний вынужден ускоряться, дабы успеть обогнуть автомобиль сверху. Отсюда все та же разница в давлении и подъемная сила. Правда, во многом она компенсируется динамическим давлением воздуха на капот и лобовое стекло — отталкивая поток вверх, автомобиль, согласно закону сохранения импульса, сам дополнительно прижимается к земле.
В итоге подъемная сила получается невелика – как правило, даже на предельной скорости автомобиль разгружается не более чем на 100 кг.
Характер обтекания автомобиля во многом повторяет ситуацию с крылом — все так же воздух сверху ускоряется, а его давление падает.
В общем-то, этой величиной можно и пренебречь, но беда в том, что по осям она распределяется неравномерно – если передок автомобиля, как уже было сказано, догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова нередко оказывается еще и в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса. С этой неприятностью в основном и борются производители массовых автомобилей, тем более что до некоторого момента снижение подъемной силы не противоречит уменьшению лобового сопротивления.
Например, стремление к безотрывному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает локальных зон резко пониженного давления. Аналогично две цели преследует и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает. То, что нужно!
Задний спойлер
В отличие заднего спойлера, «работающего» на улучшение Cx, спойлер, увеличивающий прижимную силу, имеет большие размеры и заметный наклон по отношению к воздушному потоку.
С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, здесь уже важно знать меру – слишком большой спойлер негативно скажется на обтекаемости, увеличив и без того обширную зону разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он даже делается выдвижным, чтобы вступать в работу лишь при необходимости.
Таков инструментарий инженеров при разработке «гражданского» автомобиля. А как же быть со спортивными или тем более гоночными моделями? Чтобы удержать болид в повороте нужен уже гораздо более серьезный арсенал, превращающий подъемную силу в прижимную. Причем подчас такую, что автомобиль смог бы ездить и по потолку!
Передний спойлер
Чтобы добиться заметного эффекта, передний спойлер должен быть очень большим,что неизбежно увеличивает лобовое сопротивление.
Одним из подобных радикальных средств является передний спойлер. Идея проста – не пустить воздух по днище, создав тем самым область пониженного давления, присасывающую автомобиль к дороге. Для большего эффекта и равномерного распределения прижимной силы одновременно может применяться и специальный обвес вдоль порогов, «герметизирующий» днище по бокам. Простое и эффективное это решение почти повсеместно применяется на гоночных автомобилях, однако на суперкарах, предназначенных все же для дорог общего пользования, массивный спойлер встретишь нечасто. Причин тому две: первая – снижение геометрической проходимости, ведь спойлер должен едва ли не касаться земли, вторая – увеличение лобового сопротивления. А, разумеется, для большинства покупателей суперкаров важнее круглая цифра максимальной скорости, нежели цепкость в повороте на 200км/ч.
К тому же есть и другие решения, почти не портящие обтекаемость. Правда, без серьезного вмешательства в конструкцию автомобиля тут уже не обойтись…
Форма кузова
Помимо низкого центра тяжести такая форма кузова дает и выигрыш в прижимной силе при минимальном лобовом сопротивлении.
Речь, прежде всего, об особой форме кузова, примером которой могут послужить суперкары Lamborghini. Минимальная высота, смещенная вперед кабина, сильно наклоненное лобовое стекло и почти горизонтальная задняя часть – автомобиль словно приплюснут сверху. А, как мы помним, чем меньше кривизна верхней части кузова, тем ниже скорость воздушного потока над ней, и тем больше прижимная сила. И все это при низком лобовом сопротивлении, ведь с такими линиями отрыв потока почти исключен, а площадь поперечного сечения минимальна.
К сожалению, воспользоваться всеми перечисленными преимуществами дано лишь избранным – среднемоторным суперкарам с очень низкой крышей. В остальных случаях придание задней части автомобиля столь малого наклона приведет к увеличению лобового сопротивления, ибо кромка задка, с которой отрывается поток, окажется слишком высоко. Предельный случай – кузова типа универсал: в сравнении с седанами или хэтчбеками их Cx максимален, хотя, с точки зрения прижимной силы, они по-прежнему впереди всех!
Граунд-эффект
Даже столь быстрые суперкары, как Ferrari Enzo, не ограничивают доступ воздуха под днище спойлером. Наоборот, они «подминают» поток под себя…
…чтобы ускорить и понизить давление, а затем выпустить его через диффузор позади.
Более хитрым способом прижать автомобиль к земле является так называемый граунд-эффект. В его основе лежит все та же обратная зависимость между скоростью потока и давлением: если под днищем автомобиля разогнать воздух, то его статическое давление упадет, а прижимающая сила, соответственно, вырастет. Но как ускорить воздух? Для этого необходимо так спрофилировать днище, чтобы оно вместе с поверхностью дороги представляло собой сужающийся канал – в простейшем случае дно можно сделать не плоским, а немного выгнутым. Кроме того, нужно обеспечить более-менее свободный доступ воздуха под автомобиль, то есть, как минимум, не преграждать ему путь спойлером, а так же правильно организовать его выход позади автомобиля, применив диффузор. Задача последнего – помочь «вытягиванию» воздуха из-под днища, используя область низкого давления, образующуюся за автомобилем, а параллельно и уменьшить саму область разряжения, направив в неё воздух. Собранные же воедино все эти элементы могут дать совершенно поразительный результат, выражающийся в большой прижимной силе при низком лобовом сопротивлении. Например, в болидах Формулы-1, даже несмотря на строгий регламент, ограничивающий форму днища, на долю граунд-эффекта приходится около 40% от общей величины создаваемой прижимающей силы.
А откуда берутся оставшиеся 60? Их обеспечивают антикрылья.
Антикрылья
Составное антикрыло помогает сильнее прижать автомобиль к дороге, избежав сильного вихреобразования позади себя – поток проникает в щели между планками, уменьшая образующуюся зону разряжения.
Впервые появившиеся в 60-ых годах в Формуле-1 антикрылья стали неотъемлемым атрибутом гоночных автомобилей всех мастей. Конструктивно это те же крылья, о которых шла речь в начале статьи, только перевернутые. Соответственно, область пониженного статического давления образуется не сверху, а снизу, и крыло уже не стремиться взлететь, а тянет вниз. Правда, при установке параллельно воздушному потоку, как того требуют соображения о минимизации лобового сопротивления, заметный эффект достигается лишь на очень большой скорости, в то время как прижимная сила нужна в поворотах, где темп, наоборот, невысок. В связи с этим антикрылья обычно устанавливаются под некоторым углом к потоку (углом атаки), дабы прижимать автомобиль и за счет динамического давления встречного воздуха. Но опять незадача – при этом возрастает лобовое сопротивление! И чем выше нужна прижимная сила, тем больше угол атаки, и тем хуже обтекаемость.
С этого момента и начинается инженерное искусство. Например, вместо антикрыла с одним профилем применяются двойные или даже тройные конструкции – так при заданных габаритах удается увеличить общую поверхность антикрыла и получить бОльшую прижимную силу, не прибегая к повышению угла атаки. Если же без наклона пластин все-таки не обойтись, то дополнительно изгибают и сам профиль – теперь, разместив пластины многоярусного антикрыла с небольшим смещением, можно развернуть поток так, чтобы уменьшить разряжение позади них. Отдельное внимание уделяется торцам антикрыльев – в этом месте происходит смешивание попавшего и не попавшего на крыло потоков, а потому велик риск образования вихрей. Во избежание этого устанавливаются специальные торцевые пластины, разделяющие эти потоки. Казалось бы, простой элемент, но взгляните, сколь сложна форма этих пластин на болидах Формулы-1 – описанию она просто не поддается, но именно в этом – вся красота аэродинамики.
Аэродинамика – Автомобили – Коммерсантъ
 АэродинамикаБольше хорошей аэродинамики
Аэродинамика авиационная и автомобильная
Аэродинамические исследования — важнейшая часть проектирования летательных аппаратов тяжелее воздуха. Эта сравнительно молодая наука накопила обширную теоретическую базу, и математические модели обтекания реального самолета весьма совершенны. Машину рассматривают поэлементно — крылья, фюзеляж, хвостовое оперение, а потом сводят результаты воедино.
Аэродинамические исследования в разработке автомобиля играют не столь важную роль, хотя заниматься ими стали почти одновременно с авиационными. Теория в данном случае не так важна, как эксперимент. Попытки использовать авиационные выкладки очень часто проваливались. Например, внутреннее обтекание объекта в авиации почти не рассматривается (корпус самолета герметичен), а в автомобиле постоянно циркулируют воздушные потоки. В авиации не нужно бороться с забрызгиванием окон и стекол фар. И наконец, никто в авиастроении не будет настаивать на сохранении габаритов и дизайна опытного образца, если его аэродинамические характеристики не устраивает конструкторов. Когда речь идет об автомобиле, маркетинговые соображения часто берут верх над другими.
Исторический аспект, дизайн
До начала 20-х годов лишь немногие, преимущественно рекордные автомобили получали обтекаемые кузовы. Наиболее известные примеры — электромобиль Камилла Женатци (Camille Jenatzy) 1899 и Alfa Romeo с кузовом Рикотти 1913 года. Их дизайн был позаимствован не у самолетов, а, скорее, у кораблей и дирижаблей. Появлялось и множество псевдоаэродинамических кузовов, разработчики которых добивались скорее эстетических преимуществ, нежели лучшей обтекаемости. После первой мировой войны положение изменилось: Германии запретили разработку военных самолетов, и немецкие авиаконструкторы решили попробовать себя в автоконструировании.
Представления о том, какой должна быть конструкция автомобиля (узкая рама, вынесенные за кузов колеса) не только ограничивали художников-кузовщиков, но и сбивали с толку аэродинамиков. Немецкие авиационные специалисты Клемперер (Klemperer), Нойманн-Неандер (Neumann-Neander) и Ярай (Jaray), комбинировали кузов из знакомых им самолетных элементов — профилей крыльев, тел вращения. Они совершенствовали форму, не трогая компоновку. Поток воздуха пускали по бокам кузова, как будто это был самолетный фюзеляж. Кузовы получались неимоверно высокими, узкими, у них была длинная заостренная задняя часть. В небольшой автомобиль Ярая, например, с трудом помещались пассажиры.
Первым догадался изменить компоновку известный немецкий авиаконструктор Эдмунд Румплер (E. Rumpler). Его автомобиль 1924 года с несущим основанием и задним расположением двигателя имел сравнительно небольшие размеры. Румплер получил замечательный даже по сегодняшним меркам результат — Cx равнялся 0,28 (аэродинамические испытания закрытого автомобиля его конструкции 1924 года в 1979 году провел Volkswagen). Но автомобиль этот не пользовался успехом — конструкция была слишком непривычной.
В 30-е годы сотрудник Мичиганского университета Лей (Lay) озаглавил одну из своих статей вопросом, который сегодня кажется наивным: «Можно ли проехать 50 миль на одном галлоне горючего, улучшив аэродинамику?». Экономичность автомобиля за прошедшие полвека улучшилась в большей степени благодаря совершенствованию двигателя и трансмиссии, а не аэродинамических показателей.
Последовательно изменяя форму, Лей пришел к сенсационному выводу — заостренную заднюю часть, которая досталась первым обтекаемым автомобилям в наследство от самолета, можно обрезать, а основной поток направить не по бокам, а поверх кузова. Обтекаемость практически не ухудшится.
Еще один немецкий исследователь, Кам (Kamm) создал на материале исследований Лея обтекаемый автомобиль «К-формы». В 1938 году был построен ходовой образец на базе шасси BMW. Он был вместительным и относительно компактным. С этого изделия и началась современная автомобильная аэродинамика. Конструкторы наконец поняли, что в результате аэродинамической проработки можно избежать шума, забрызгивания окон и стекол фар или попадания пыли в салон.
В 70-е годы сделали еще одно важное открытие: улучшать аэродинамические показатели можно не только уменьшая сопротивление потоку, но и увеличивая — принудительно направляя его по нужному пути. Появились спойлеры (от to spoil — портить) и антикрылья.
«Зализанные» кузовы, которые воздушный поток обтекает плавно, без завихрений, сегодня почти не применяются на серийных машинах, поскольку редко отвечают современным эксплуатационным и эстетическим требованиям. Вольный полет дизайнеров в клетке безотрывного обтекания, как метко охарактеризовал увлечение «зализанными» формами московский дизайнер Сергей Ивакин, автор формы концепткара АЗЛК «Истра», завершился.
Суть дела
Существует несколько формул расчета силы сопротивления воздуха. Различаются они, главным образом, методикой оценки обтекаемости — учетом тех или иных факторов. Например, немецкая, ее приводит в книге «Аэродинамика автомобиля» Вольф-Хейнрих Гухо (Wolf-Heinrich Hucho). Выглядит она так: W=Cw•A•(p/2)•V2. Сопротивление воздуха W возрастает в квадратичной зависимости от скорости V: скорость увеличивается в 2 раза, а сопротивление — в четыре. С увеличением сопротивления воздуха растет расход топлива. На скорости 100 км/ч автомобиль затрачивает 75% мощности и около 75% горючего именно на преодоление сопротивления воздуха.
Скорость — показатель, который в данном случае можно только учитывать. В обычных расчетах за постоянную величину принимается и плотность воздуха p. То есть специалист по аэродинамике может работать лишь с двумя составляющими формулы: A — наибольшей площадью поперечного сечения автомобиля, и Cw — коэффициентом аэродинамического сопротивления, который обозначают и как Ca, K, Cl или Cx.
Как только ни боролись за уменьшение площади поперечного сечения компоновщики, дизайнеры и специалисты по аэродинамике! Сокращали ширину и высоту автомобилей, уточняли профиль поперечного сечения. В результате появились гнутые боковые стекла, узкие продольные поручни на крыше для крепления багажника, скрытые водосточные желоба в полостях дверей и зеркала заднего вида на тонких кронштейнах. Все это, так сказать, разумные изобретения. Но были и другие. Например, в 60-80-х годах появлялись машины, по крышам которых между голов пассажиров проходил широкий продольный желоб. В этом случае площадь поперечного сечения уменьшалась приблизительно на 150 см кв. А пассажиры чувствовали себя, как в кабине истребителя. Самые смелые проекты предлагали делать автомобиль двухкорпусным — объединять 2 зализанные «сигары» наподобие катамарана.
Сокращением площади поперечного сечения увлекались до тех пор, пока стремление экономить топливо за счет аэродинамичной формы не вошло в противоречие с требованиями комфорта и безопасности. Новые нормативы по защищенности автомобилей от столкновений заставляют делать кузов с развитыми силовыми элементами, а они «съедают» внутреннее пространство. Поэтому, чтобы не создавать дискомфорта, площадь поперечного сечения современных автомобилей оставляют достаточно большой.
Другое дело — коэффициент аэродинамического сопротивления. Он — единственное свидетельство того, насколько компетентные специалисты в области аэродинамики работают в фирме. Рекордный коэффициент — у Opel Calibra: 0,20. Правда, машина эта создана в 1989 году, когда еще увлекались «безотрывным» обтеканием.
На обтекаемость влияет положение автомобиля относительно дороги в зависимости от дорожного просвета и угла продольного наклона (уместно вспомнить авиационный термин «угол атаки»). У машин с положительным углом атаки подъемная сила набегающего воздушного потока настолько разгружает передние колеса, что способна ухудшить управляемость. Особенно опасно это для переднеприводных машин. В зависимости от нагрузки коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля может возрасти на 4-6%
Иногда автоконструкторы все же используют авиационные теоретические выкладки. Например, чтобы уменьшить влияние бокового ветра, отклоняющего автомобиль от заданного курса. Меньше отклоняется каплевидное тело с сильно вытянутой задней частью. Вот тут-то, наверное, специалисты и вспомнили Румплера и его автомобиль-каплю.
В современной машине набегающий воздушный поток активно эксплуатируется. Профилированные решетки облицовки радиатора в зависимости от скорости дозируют объем воздуха, поступающего в подкапотное пространство; дефлекторы препятствуют попаданию пыли в салон; форма стекол фар и задних фонарей не дает оседать на них пыли и грязи. Даже щетки стеклоочистителя снабжаются аэродинамическими элементами, иначе на больших скоростях они отлипают от поверхности стекла. На быстроходные автомобили ставят антикрылья, спойлеры, воздухозаборники для охлаждения тормозов. Средние значения Сх за последние 20 лет улучшены приблизительно на 25% — причем при попутном увеличении объема салона, вместимости багажника и габаритов автомобиля.
Дело — труба
Когда-то прототипы ездили по шоссе, обклеенные множеством бумажных полосок. Рядом следовала машина с фотографом, который снимал поведение ленточек на разных скоростях. В 30-е годы немногим автомобилям довелось побывать в аэродинамической трубе. Она считалась привилегией самолетов. В СССР была построена одна из самых больших в мире труб в ЦАГИ, но автоконструкторы долго эксплуатировали прямой участок шоссе к северо-западу от Москвы.
Большинство фирм начали «дуть» машины лишь в 60-70-е годы. В настоящее время около 25 труб принадлежит крупным автомобильным фирмам и независимым исследовательским институтам. Неплохая труба есть на автополигоне в Дмитрове. Специальные автомобильные трубы компактнее авиационных, скорость воздушного потока в них меньше. Самая серьезная установка принадлежит Mercedes-Benz, ее огромный вентилятор разгоняет воздух до 270 км/ч. Мощность его привода — 3000 кВт.
Рабочую часть трубы делают достаточно длинной и широкой, чтобы воздушные вихри, возникающие возле ее стен, не нарушали картины обтекания автомобиля. Стены обшивают стальными пластинами толщиной 1 см, чтобы исключить любую вибрацию. Отклонение потока регистрируют с помощью специальных ленточек, наклеенных на поверхность кузова в определенном порядке, а так же — пуская «дымы». «Дымы» — это аэрозоли парфюмерного масла. Специалисты визуально оценивают характер обтекания и стараются уменьшить завихрения воздуха в зонах разрежения, чтобы снизить аэродинамические потери. Там, где дымовой след отклоняется от кузова, расположена зона низкого давления (разрежения). Где след прижимается — наоборот. В зоне разрежения на кузове имеет смысл размещать вытяжные вентиляционные отверстия, в зоне высокого давления — воздухозаборники. Ленточки, искривляясь под действием потока, подсказывают характер завихрений. Можно увидеть, куда из-под колес полетит грязь и будет ли она попадать на стекла и зеркала заднего обзора.
Учитывая, что законы обтекания тела в воде и воздухе схожи, фирма Mercedes-Benz стала обдувать пузырьками воздуха макеты в масштабе 1/5 в водном потоке. Установка для таких исследований компактнее аэродинамической трубы и потребляет меньше энергии (из-за большей плотности воды можно снизить скорость потока).
Процесс доводки автомобиля в аэродинамической трубе называется оптимизацией. Даже самые мощные компьютерные программы не в состоянии просчитать поведение потока в области дверной ручки или зеркала заднего обзора. Между тем именно отработкой таких нюансов сегодня и добиваются улучшения коэффициента сопротивления. А обдув подкапотного пространства можно оптимизировать только экспериментальным путем.
Труба «разрушила» многие дизайнерские проекты якобы обтекаемых автомобилей: интуиция в данном случае — плохой подсказчик. Поэтому сейчас фирмы стремятся подвести математическую базу под эксперименты. Так что сходство кузовов автомобилей разных фирм — следствие не стандартизации, а физических законов.
Денис Орлов
Аэродинамическое сопротивление автомобиля
В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.
При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.
Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.
Лобовое сопротивление и коэффициент Сх
По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.
Движение потоков воздуха
За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.
Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.
Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.
Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.
Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.
Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.
Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.
Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.
Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.
Аэродинамическая труба
Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.
Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:
- Формой кузова;
- Трением потока о поверхности при обтекании;
- Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.
Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.
Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.
Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19
Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.
Подъемная и прижимная сила
В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.
Действующие подъемная и прижимная силы
Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.
Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.
Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.
Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.
При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.
Уменьшение завихрений при установке спойлера
Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.
Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.
Что ещё влияет на аэродинамику?
Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.
Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости
К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.
Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.
Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.
Как работает аэродинамика | HowStuffWorks
Аэродинамика — это не только сопротивление, но и другие факторы, называемые подъемной силой и прижимной силой. Подъем — это сила, противодействующая весу объекта, поднимающая его в воздух и удерживающая его там. Прижимная сила — это противоположность подъемной силы — силы, которая прижимает объект в направлении земли [источник: НАСА].
Вы можете подумать, что коэффициент лобового сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, не так ли? Не в этом дело.Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.
Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не такими аэродинамическими, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы. На таких скоростях, с которыми они движутся, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили действительно начинают испытывать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолет. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если машина взлетит в воздух, это может означать разрушительную аварию.По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы автомобиль оставался на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокий Cd.
Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля. Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле — это более известное как прижимная сила. Это максимизирует скорость на поворотах, но необходимо тщательно уравновесить подъемную силу, чтобы автомобиль также мог двигаться по прямой [источник: Смит].
Многие серийные автомобили включают аэродинамические надстройки для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу. Ferrari 599 GTB Fiorano имеет центральные стойки-контрфорсы, предназначенные также для направления воздуха назад — это помогает уменьшить сопротивление [источник: Classic Driver].
Но вы видите много спойлеров и крыльев на обычных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota.Действительно ли они добавляют автомобилю аэродинамических преимуществ? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный корпус создает слишком большую подъемную силу и, возможно, стал причиной нескольких аварий [источник: Эдгар].
В большинстве случаев, однако, крепление большого спойлера к задней части обычного автомобиля не поможет в производительности, скорости или управляемости — если вообще не поможет. В некоторых случаях это могло даже вызвать недостаточную поворачиваемость или нежелание проходить повороты.Однако, если вы думаете, что этот гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.
Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других связанных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.
Как работает аэродинамика | HowStuffWorks
Аэродинамика — это не только сопротивление, но и другие факторы, называемые подъемной силой и прижимной силой. Подъем — это сила, противодействующая весу объекта, поднимающая его в воздух и удерживающая его там. Прижимная сила — это противоположность подъемной силы — силы, которая прижимает объект в направлении земли [источник: НАСА].
Вы можете подумать, что коэффициент лобового сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, не так ли? Не в этом дело. Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.
Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не такими аэродинамическими, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы.На таких скоростях, с которыми они движутся, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили действительно начинают испытывать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолет. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если машина взлетит в воздух, это может означать разрушительную аварию. По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы автомобиль оставался на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокий Cd.
Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля.Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле — это более известное как прижимная сила. Это максимизирует скорость на поворотах, но необходимо тщательно уравновесить подъемную силу, чтобы автомобиль также мог двигаться по прямой [источник: Смит].
Многие серийные автомобили включают аэродинамические надстройки для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу.Ferrari 599 GTB Fiorano имеет центральные стойки-контрфорсы, предназначенные также для направления воздуха назад — это помогает уменьшить сопротивление [источник: Classic Driver].
Но вы видите много спойлеров и крыльев на обычных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota. Действительно ли они добавляют автомобилю аэродинамических преимуществ? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный корпус создает слишком большую подъемную силу и, возможно, стал причиной нескольких аварий [источник: Эдгар].
В большинстве случаев, однако, крепление большого спойлера к задней части обычного автомобиля не поможет в производительности, скорости или управляемости — если вообще не поможет. В некоторых случаях это могло даже вызвать недостаточную поворачиваемость или нежелание проходить повороты. Однако, если вы думаете, что этот гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.
Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других связанных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.
Как работает аэродинамика | HowStuffWorks
Аэродинамика — это не только сопротивление, но и другие факторы, называемые подъемной силой и прижимной силой. Подъем — это сила, противодействующая весу объекта, поднимающая его в воздух и удерживающая его там. Прижимная сила — это противоположность подъемной силы — силы, которая прижимает объект в направлении земли [источник: НАСА].
Вы можете подумать, что коэффициент лобового сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, не так ли? Не в этом дело.Типичный автомобиль F1 имеет Cd около 0,70.
Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не такими аэродинамическими, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы. На таких скоростях, с которыми они движутся, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили действительно начинают испытывать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолет. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если машина взлетит в воздух, это может означать разрушительную аварию.По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы автомобиль оставался на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокий Cd.
Автомобили Формулы-1 достигают этого за счет использования крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля. Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле — это более известное как прижимная сила. Это максимизирует скорость на поворотах, но необходимо тщательно уравновесить подъемную силу, чтобы автомобиль также мог двигаться по прямой [источник: Смит].
Многие серийные автомобили включают аэродинамические надстройки для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу. Ferrari 599 GTB Fiorano имеет центральные стойки-контрфорсы, предназначенные также для направления воздуха назад — это помогает уменьшить сопротивление [источник: Classic Driver].
Но вы видите много спойлеров и крыльев на обычных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota.Действительно ли они добавляют автомобилю аэродинамических преимуществ? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный корпус создает слишком большую подъемную силу и, возможно, стал причиной нескольких аварий [источник: Эдгар].
В большинстве случаев, однако, крепление большого спойлера к задней части обычного автомобиля не поможет в производительности, скорости или управляемости — если вообще не поможет. В некоторых случаях это могло даже вызвать недостаточную поворачиваемость или нежелание проходить повороты.Однако, если вы думаете, что этот гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.
Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других связанных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.
Аэродинамика автомобилей | Как работает автомобиль
По мере роста стоимости бензина производители автомобилей проявляют все большую осторожность. в проектировании своих автомобилей, чтобы они были топливо эффективный.
Аэродинамические характеристики автомобиля
Современные автомобили имеют общие аспекты дизайна, потому что дизайнеры разных производителей пришли к одним и тем же выводам на основе независимых исследований.Сейчас принято считать, что определенные формы и особенности обеспечивают лучшую аэродинамику — это одна из причин, по которой многие современные автомобили имеют тенденцию выглядеть одинаково.Одним из аспектов конструкции автомобиля, который играет роль в экономии топлива, является аэродинамика. эффективность — другими словами, автомобиль должен как можно меньше соответствовать сопротивление в качестве возможно с воздуха, через который он проходит. Чем более аэродинамически он эффективнее тем меньше топлива он будет использовать для движения с любой заданной скоростью. Быстрее машина движется, тем важнее сохранить сопротивление воздуха — сопротивление — чтобы минимум.
Коэффициент сопротивления
Аэродинамическая эффективность формы автомобиля измеряется его коэффициентом сопротивления (обычно известный как его Cd-фигура). Например, квартира пластина состоится в под прямым углом к воздушному потоку имеет Cd 1,25, в то время как наиболее эффективный Формы серийных автомобилей в настоящее время имеют Cd около 0,28.
Однако это значение Cd не может использоваться само по себе для расчета автомобильной аэродинамическое сопротивление, поскольку при этом не учитывается лобовая площадь автомобиля.Фронтальная площадь — это общее поперечное сечение автомобиля или общий объем пространства. он занимает, если смотреть спереди.
Полноразмерный автомобиль и шкала модель одного и того же будет иметь одинаковую Цифра CD, но более крупной версии потребуется гораздо больше мощности, чтобы продвинуть ее в скорость, потому что его лобовая площадь больше.
Становится скользко
Делая упор на аэродинамику, производители автомобилей стараются сделать так, чтобы каждый следующая модель более «скользкая» — аэродинамически — чем предыдущая. один.Взяв, к примеру, Jaguar XJ6, КД новой модели составляет 0,38, по сравнению с .44 для старой серии 3. Однако новая модель имеет больший лобовая площадь по сравнению со старым — 22,17 кв.м, против 21,3 у старше. Таким образом, новый XJ6 имеет CdA 8,42 (0,38 x 22,17) по сравнению с 9,37 для серии 3. Это означает, что новый Jaguar потребляет меньше энергии, чтобы водите его на любой конкретной скорости, и на той же мощности достигнет более высокая максимальная скорость.По этой причине важным показателем является CdA (коэффициент лобового сопротивления). умноженное на площадь лобовой части), что дает общее сопротивление, действующее на тело.Таким образом, если вы сравниваете две машины, вы должны сравнить показатель CdA. а не компакт-диск.
Аэродинамические трубы
Производители автомобилей используют аэродинамические трубы, чтобы увидеть прототипы своих автомобилей. вести себя. В аэродинамической трубе автомобиль ставится на якорь и выдувается потоком воздуха. мимо него, чтобы смоделировать условия, которым будет соответствовать автомобиль во время движения. вперед.
Автомобиль подключен к приборам, которые регистрируют, сколько прижимной силы или как на каждом конце вагона создается большая подъемная сила.Поток воздуха мимо автомобиль становится видимым, если прикрепить к кузову небольшие пучки шерсти или выпуская струю дыма мимо него.
В обоих случаях путь, по которому ветер обтекает машину, может быть видно по тому, как ведет себя шерсть или дым. Дым также показывает поведение воздух перед автомобилем и за ним. Шерстяные пучки располагаются вдоль линии воздушного потока над телом, но не могут показать поведение воздуха спереди от или за автомобилем.
Модель или автомобиль в аэродинамической трубе можно поворачивать под разными углами, чтобы воздушный поток, чтобы инженеры могли видеть, как фигура тела ведет себя сбоку ветры.
Проектирование нестабильности
Центр давление эффективная точка на кузове автомобиля где действует ветер. Взаимное расположение центра давления в автомобиле и его центр тяжести (точка внутри автомобиля, через которую сила тяжести эффективно действует) имеют решающее значение для определения устойчивости автомобиля. Например, если центр давления находится значительно впереди центра силы тяжести боковой ветер может сбить машину с курса (справа).А автомобиль наиболее устойчив, когда центр давления находится немного впереди центр тяжести, как в случае с переднеприводным автомобилем, в котором большая часть веса направлена вперед. Относительная высота этих двух факторов также важна. Если центр давления и центр тяжести находятся высоко на автомобиле, тогда боковой ветер может заставить машину катиться и, в крайнем случае, перевернуть.Перетащите и скорость
Поскольку автомобили с годами стали быстрее, их аэродинамическая эффективность стал более важным, потому что количество энергии, необходимое для приведения в движение автомобиля на большой скорости поднимается с кубиком скорости.Чем быстрее ты идешь, тем больше мощности требуется, чтобы двигаться еще быстрее. Например, если двухлитровый Ford Sierra, развивающий 100 л.с., может достичь около 115 миль в час, вы можете определить, насколько быстро похожий автомобиль с вдвое большей мощностью должен ехать, игнорируя сопротивление качению. Кубический корень из 2 (от 200 л.с.) составляет 1,26, поэтому вторая машина должна достичь 115x 1,26 = 145 миль в час — примерно фактическая максимальная скорость 200-сильного Sierra. Cosworth.Уменьшение сопротивления
Поворотный стол позволяет подавать на машину воздушный поток под любым углом.Когда автомобиль установлен в аэродинамической трубе, его сопротивление измеряется количество сила что автомобиль воздействует на закрепленные вниз колеса, как ветер дует мимо него. По мере внесения изменений можно измерить влияние на сопротивление. и записал.
Обычно конструкторы автомобиля создают прототип, который выглядит так, как будто он будет легко скользить по воздуху, но однажды такие предметы, как воздухозаборники и добавляются дверные ручки, падает КПД.
Некоторые функции, которые помогают сгладить воздушный поток, можно увидеть на автомобилях. такие как Vauxhall Astra.У Astra низкий, плавно скошенный нос для стрижки. в воздухе, лобовое стекло, которое почти на одном уровне с окружающими кузов, чтобы не нарушался воздушный поток, боковые окна, которые также почти заподлицо с кузовом и накладками колес с минимумом контуров. Пристальное внимание к деталям, таким как углубление дверных ручек и обтекаемые наружные зеркала заднего вида помогают снизить аэродинамическое сопротивление, позволяя воздух течет более плавно и снижает склонность к образованию водоворотов.
Другие методы, используемые на современных аэродинамических автомобилях, включают в себя врезку дворники под обшивкой иллюминатора, когда они не используются, имеют всплывающее окно фары, которые соответствовать промыть нос автомобиля при выключении, и устранение выступов по краям крыши автомобиля.Осторожно внимание к деталям, воздушный поток можно даже сделать, чтобы удерживать линзы заднего фонаря чистый.
Использование аэродинамических труб для исследования хорошего воздушного потока
В аэродинамических трубах используется большой вентилятор с приводом от двигателя, который всасывает поток воздуха мимо автомобиля, имитируя движение по неподвижному воздуху на высокой скорости. Автомобиль стоит на чувствительных к давлению подкладках в центре туннеля, а смотровой экран сбоку от туннеля позволяет инженерам видеть, что происходит.Хороший воздушный поток означает, что автомобиль скользит по атмосфере с минимальными помехами, оставаясь стабильными. Определенное количество для устойчивости необходима прижимная сила на обоих концах тела, но любая турбулентность в идеале должно происходить за задней частью автомобиля — это тоже помогает содержать его в чистоте.
В аэродинамических трубах используется большой двигатель с приводом от двигателя. поклонник всосать поток воздуха мимо автомобиль для имитации движения по неподвижному воздуху на скорости. Машина сидит на чувствительный к давлению колодки посреди туннеля и обзорный экран в сторона туннеля позволяет инженерам видеть, что происходит.
Практичность
Когда автомобиль разрабатывается для производства, часть аэродинамической чистоты оригинального дизайна обычно теряется. Иногда изменения вносятся для причины стоимости. Например, установка гладкого поддона может улучшить эффективность формы автомобиля, но изготовление этой панели потребовало бы дополнительных денег. и может затруднить доступ к таким компонентам, как коробка передач.
В других случаях из практических соображений, таких как необходимость более широкого шины , может сделать автомобиль менее аэродинамичным, чем прототип с тонкими шинами.Если автомобиль будет выпускаться серийно, его продажи могут быть сдержаны, если он будет включать в себя функции это слишком незнакомо.
Примером этого являются обтекаемые передние колеса автомобиля Ford. концепт-кар Probe. Sierra, который очень похож на Probe, но без обтесанных передних колес, продавались медленно, пока публика не привыкла Это. Если бы у него были обтекаемые передние колеса, продажи могли бы продолжаться. назад.
Стабильность
Относительно легко сконструировать машину, которая будет скользить по воздуху в прямая линия, когда нет ветра, но ее труднее обеспечить что автомобиль будет устойчивым, когда на него дует боковой ветер, или при прохождении поворотов на высокой скорости, что создает силу со стороны автомобиль.
На боковой стороне автомобиля есть теоретическая точка, называемая центром давление, при котором эффективно действует давление ветра. Обращая внимание в центр давления и баланса сил, инженеры могут спроектировать больше стабильные автомобили.
Например, если центр давления был значительно выше центра тяжести автомобиля, боковой ветер заставил бы машину катиться, а также попытался бы ее толкнуть не в сети. Если центр давления находится перед центром автомобиля силы тяжести, сильный и порывистый боковой ветер заставит машину попытаться развернуться, чтобы центр тяжести ставим впереди.
Однако расположение центра давления смещается с изменением скорость автомобиля, а в некоторых случаях может даже сместиться так, чтобы он находился перед автомобилем сам. Решение состоит в том, чтобы сначала убедиться, что центр тяжести автомобиля хорошо вперед. Это одна из причин популярности переднеприводных автомобилей. компоновка привода, имеющая смещение веса вперед.
Центр давления также имеет тенденцию удерживаться дальше назад, если есть большая площадь кузова по направлению к задней части автомобиля.Некоторые гоночные автомобили у прошлого были хвостовые плавники, которые улучшили их стабильность на скорости за счет увеличения область в тыл. Низкая наклонная линия капота, обеспечивающая хорошее проникновение через воздух также помогает удерживать боковую часть в передней части автомобиль.
Drag Queens: аэродинамика по сравнению с
Из июньского выпуска номера Автомобиль и водитель
Подобно ночному вору, сопротивление ветра — это незаметный злоумышленник, который снижает вашу скорость и убивает ваш километраж, не оставляя отпечатков пальцев.Мягкое журчание воздуха, струящегося над вашей машиной, под ней и сквозь нее, противоречит отвратительным течениям ветра.
Даже если нет альтернативы движению в атмосфере Земли, мы, по крайней мере, можем бороться с сопротивлением ветру с помощью науки. Аэродинамика — изучение движения воздуха — может поднять нашу максимальную скорость, снизить расход топлива и, если мы будем в этом разбираться, удержать наши шины прилипшими к асфальту.
Задолго до того, как автомобильные инженеры начали беспокоиться об аэродинамике, пионеры авиации определили основные принципы сопротивления и подъемной силы.Вдохновленные птицами и дирижаблями, демоны ранней скорости также играли с обтекаемыми формами. Первым автомобилем, который разогнался до скорости 60 миль в час (в 1899 году), была электрическая торпеда на колесах, которую весело назвали «La Jamais Contente» («Неудовлетворенные»). Гонщики Гран-при взялись за дело в начале 1920-х годов; В следующем десятилетии Auto Union и Mercedes-Benz разогнались до 300 миль в час с помощью обтекаемых моделей, разработанных в немецких аэродинамических трубах. Спустя полвека после того, как Чак Йегер преодолел звуковой барьер в полете, Энди Грин на своем Thrust SSC проехал 763 миль в час по пустыне Блэк-Рок в Неваде.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Теперь наша очередь. Автомобиль и водитель собрал пять скользких автомобилей, чтобы изучить их характеристики сопротивления и подъемной силы в аэродинамической трубе, название и местонахождение которой мы поклялись не раскрывать. У нас были две цели: во-первых, изучить тонкости обдува автомобиля воздухом в испытательной камере; во-вторых, чтобы определить, какой бренд лучше всего справился с оптимизацией аэродинамических характеристик своего автомобиля.
Есть причины, по которым вы раньше не читали эту историю. Каждый крупный автопроизводитель владеет и эксплуатирует аэродинамическую трубу, но эти объекты работают круглосуточно, поскольку инженеры работают над тем, чтобы опережать быстро растущую тенденцию к увеличению пробега EPA. Другой проблемой, мешающей легкому доступу, является соперничество между компаниями. В то время как производители часто рекламируют скользкость своей продукции, сравнения с конкурирующими моделями случаются редко.
Ответственный эксперт на нашем подпольном испытательном полигоне объясняет: «Все аэродинамические трубы стремятся точно определить аэродинамику автомобиля в реальном мире.Транспортное средство и туннель составляют систему со сложными взаимодействиями. В результате измерения сопротивления и подъемной силы на конкретном транспортном средстве могут варьироваться от одного туннеля к другому ».
По его словам, группа транспортных средств может по-разному оцениваться в разных туннелях. Вот почему большинство производителей так мало верят в аэродинамические характеристики, измеряемые за пределами их собственных предприятий. Тестирование на выбеге, при котором регистрируется скорость автомобиля при его замедлении, часто рекламируется как лучший «реальный» способ измерения аэродинамических свойств автомобиля.«В принципе это может быть правдой, но на практике трудно получить точные результаты, потому что на результаты влияют колебания ветра, температуры трансмиссии и качества шин. Прелесть аэродинамических труб в том, что они жестко контролируют переменные ».
Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.
Нашим победителем здесь будет автомобиль с наименьшей площадью лобового сопротивления, которая является произведением площади лобовой части формы и ее коэффициента аэродинамического сопротивления и истинным показателем способности автомобиля противостоять ветру [см. «Немного многословный глоссарий» ниже] .На этом мы смиренно представляем наше первое в истории аэросравнение.
НЕКОТОРЫЙ ГЛОССАРИЙ С ДЛИННЫМ ОБРАТОМ
Аэродинамическая мощность в лошадиных силах: Мощность, необходимая для движения транспортного средства в атмосфере (не включая трансмиссию и потери при качении в шинах). Она увеличивается вместе с кубом скорости, так что аэродинамическая мощность на 100 миль в час в 2,9 раза превышает требуемую мощность на скорости 70 миль в час.
Площадь сопротивления: Произведение коэффициента лобового сопротивления и площади лобовой части является лучшим показателем аэродинамических характеристик любого автомобиля, поскольку оно прямо пропорционально горизонтальной силе, измеренной в аэродинамической трубе и испытанной на дороге.
Коэффициент сопротивления (CD): Безразмерный параметр, используемый для количественной оценки аэродинамической эффективности в горизонтальной плоскости (лобовое сопротивление).
Фронтальная область: Самый крупный горизонтальный вид автомобиля. Мы использовали 200-миллиметровый объектив камеры, расположенный в 150 футах от транспортного средства, чтобы сделать цифровую фотографию, которую мы проанализировали с помощью программного обеспечения Siemens Solid Edge CAD.
Лифт: Воздух, проходящий над автомобилем и под ним, а также через решетку, может уменьшить нагрузку на колеса и, в крайних случаях, ухудшить управляемость.Воздушные дамбы и интерцепторы — эффективные средства противодействия.
Сопротивление ветру (сопротивление): Сила, пропорциональная площади сопротивления, увеличивается пропорционально квадрату скорости автомобиля.
Линии обтекания: Операторы аэродинамической трубы добавляют небольшое количество дыма в воздушный поток, чтобы показать, как ветер движется вокруг, под или сквозь тестируемое транспортное средство.
Drag Area = 7,8 ft²
Leaf — самая квадратная форма, которую мы катили в аэродинамической трубе, и у нее вторая по величине лобовая площадь в этом тесте — 24.5 квадратных футов. В сочетании с коэффициентом лобового сопротивления 0,32 это дает площадь лобового сопротивления 7,8 квадратных футов. Это разумная цифра для пятиместного универсала и всего на 30 процентов больше, чем у двухместной пулевидной модели Honda Insight 2001 года, которую мы привезли с собой и проверили для справки.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Фары с «глазками» гордо возвышаются над V-образным носом Leaf, чтобы отводить воздух от наружных зеркал, которые часто являются источником турбулентности, сопротивления и шума.Чтобы максимально увеличить пространство в кабине, боковые окна приподняты, а крыша плоская, как лист фанеры. Хвост этого люка больше похож на защищающую от ветра телефонную будку, чем на гладкую каплю дождя.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Нижняя часть кузова Leaf плоская и скользкая (что становится все более распространенным явлением в новых автомобилях), а полосы диффузора встроены в его заднюю панель. В чистом электромобиле нет необходимости в большом радиаторе, поэтому единственный воздух, попадающий в нижнюю решетку, — это охлаждение электрооборудования и вентиляция аккумулятора и салона.Воздух, проходящий через внутренние полости автомобиля, является основным источником сопротивления и подъемной силы.
Nissan инвестировал 5 миллиардов долларов в разработку первого серийного электромобиля, продаваемого по всей Америке. Если повезет, у котенка осталось несколько иен, чтобы снизить сопротивление в следующем поколении.
Площадь сопротивления = 7,0 фут²
CLA 250 имеет наименьшую площадь лобовой части в этом тесте. Измеренный нами коэффициент лобового сопротивления — 0,30 — выше, чем ожидалось для того, что Mercedes называет эталоном аэродинамики для серийных автомобилей.Но стоит отметить, что Mercedes не поддерживает специальные функции, такие как автоматические жалюзи решетки радиатора, на американских моделях. И хотя у этого спортивного седана есть двигатель с турбонаддувом и автоматическая коробка передач, чтобы сохранять прохладу, его площадь сопротивления 7,0 квадратных футов конкурентоспособна с гибридами и электрикой.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Оба конца CLA сильно сужены для защиты от ветра.Фары заворачиваются назад, как глаза королевы ботокса, слишком туго затянутой в хвост. Мини-спойлеры под автомобилем направляют воздух вокруг передних шин, а обтекатели сглаживают поток воздуха под двигателем и задней подвеской.
Крыша CLA жертвует некоторой задней высотой, но стоит отдать должное Mercedes за то, что он придал своей модели начального уровня аэродинамический дизайн, обеспечивающий высокую топливную экономичность.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Область перетаскивания = 6.7 футов²
Коэффициент аэродинамического сопротивления среднего блока Volt (0,28) и площадь лобовой части (23,7 квадратных футов) дают ему оценку площади лобового сопротивления, которая, в общем, соответствует среднему уровню. Традиционно выглядящая решетка этого подключаемого гибрида почти полностью заблокирована, чтобы отводить воздух сверху и по бокам. Это дает увеличение нагрузки на переднюю ось на 15 фунтов на скорости 70 миль в час, что способствует устойчивости на шоссе.
Передние фонари Volt простираются до колес, а от верхней части решетки до задней кромки люка есть лыжный магнат красивой формы, обеспечивающий плавный ход для скольжения.Боковые зеркала заднего вида, установленные на стойках, пропускают ветер. GM создал Volt так, чтобы воздушный поток оставался на боковых поверхностях как можно дольше, чтобы уменьшить турбулентность. Плоский удлинитель люка помогает стабилизировать след автомобиля.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Но даже если хвосты Prius и Volt выглядят примерно одинаково, мы измерили на 50 процентов больше подъемной силы задней части Chevy. Снижение нагрузки на задние колеса Volt на 26 фунтов не вызывает беспокойства, но именно такая разница говорит вам, что вы должны доверять аэродинамической трубе, а не визуальной оценке формы любого автомобиля.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Площадь лобового сопротивления = 6,2 фута²
Многолетний представитель Toyota в области гибридных технологий занял второе место в нашем тестировании с аккуратной лобовой площадью 23,9 квадратных фута и чистым коэффициентом аэродинамического сопротивления 0,26. Подключаемые модули Prius, Prius C и Prius третьего поколения — самые эффективные гибриды на рынке, во многом потому, что они отдают ветру так мало энергии.Это приводит к 50 милям на галлон в комбинированных оценках экономии топлива EPA и только 42 лошадиным силам (по сравнению с уже низкими 45 у Volt), необходимыми для преодоления аэродинамического сопротивления на скорости 100 миль в час.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Верхняя поверхность этого автомобиля имитирует аэродинамический профиль — одну из самых эффективных форм для пробивания чистой дыры в атмосфере. Лобовое стекло сливается с крышей без дополнительных молдингов, препятствующих воздушному потоку.Зеркала в форме яйца хорошо отделены от почти плоских боковых поверхностей. Спицы колесных колпаков гладкие, чтобы свести к минимуму оттекание.
Круто наклоненный капот и контролируемый поток воздуха через двигатель / моторный отсек обеспечивают 4 фунта передней прижимной силы на скорости 70 миль в час. Задний подъемник составляет всего 17 фунтов.
Площадь сопротивления = 6,2 фута²
Предел победы Tesla над Prius кроется в погрешности, характерной для аэродинамических труб. S занимает наш верхний слот благодаря своим большим 25.2 квадратных фута и более низкий коэффициент лобового сопротивления 0,24, что дает такую же площадь лобового сопротивления 6,2 квадратных фута, как у Prius. Низкое лобовое сопротивление — более сложная задача с большей лобовой площадью, отсюда и общая победа Tesla. Будьте осторожны при проверке наших математических расчетов, потому что в конце вычислений измерения были округлены.
В Model S есть нечто большее, чем красивое лицо и гладкий внешний вид. Пневматическая подвеска снижает дорожный просвет на скоростях по шоссе (мы тестировали в нижнем положении). Контурный подбородок под решеткой помогает удерживать воздушный поток, проходящий под плоским днищем автомобиля.Внешние углы передней панели отклоняют воздух вокруг шин. Жалюзи закрывают три отверстия решетки до тех пор, пока внутренние теплообменники не потребуют воздушного потока. Спойлеры и ограждения направляют воздух от передних колесных арок, а выходящий воздух направляется под автомобиль, а не через колесные отверстия. Задний диффузор выравнивает поток, чтобы минимизировать подъемную силу и сопротивление, а сверху дополнительный спойлер из углеродного волокна уменьшает подъемную силу, не снижая сопротивления.
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Аэродинамика Model S стала результатом компьютерного моделирования, дополненного посещениями в аэродинамической трубе.Наши дорожные испытания Model S показали максимальную скорость 134 миль в час и реальный запас хода 211 миль. С более высокой передачей P85 Model S может разогнаться до 200 миль в час. Очевидно, что это аэродинамический электромобиль, заслуживающий пристального внимания мировых автопроизводителей. Это доказывает, что вы можете выглядеть гладко и одновременно.
| Автомобиль | 2014 Chevrolet Volt | 2014 Mercedes- Benz CLA250 | 2012 Nissan Leaf SL | 2012 Tesla Model S P85 | 2014 Toyota Prius | Цена $ 34995 | $ 30825 | $ 38100 | $ 93390 | $ 29245 |
| Цена протестировано | $ 35995 | $ 35855 | $ 38290 | $ 100520 | $ 33408 | |||||
| Размеры | ||||||||||
| Длина | 177.1 дюйм | 182,3 дюйма | 175,0 дюйма | 196,0 дюйма | 176,4 дюйма | |||||
| Ширина | 70,4 дюйма | 70,0 дюйма | 69,7 дюйма | 77,3 дюйма | 9030 56,6 дюйма | 56,6 дюйма | 61,0 дюйма | 56,5 дюйма | 58,7 дюйма | |
| Колесная база | 105,7 дюйма | 106.3 дюйма | 106,3 дюйма | 116,5 дюйма | 106,3 дюйма | |||||
| Вес | 3766 фунтов | 3374 фунта | 3353 фунта | 4785 фунтов | 3180 фунтов | |||||
| Трансмиссия | DOHC 1,4-литровый рядный 4 + электродвигатель переменного тока, вариатор | DOHC 2,0-литровый рядный 4-цилиндровый с турбонаддувом | , 7-ступенчатая автоматическая коробка передач с двойным сцеплением | Электродвигатель переменного тока, одинарный скоростной привод | Электродвигатель переменного тока, односкоростной привод | DOHC 1.8-литровый рядный 4 + электродвигатель переменного тока, вариатор | ||||
| Мощность л.с. при об / мин | 84 при 4800 (двигатель) | 208 при 5500 | 107 при 10000 | 416 при 8600 | 98 при 5200 (двигатель ) | |||||
| Крутящий момент LB-FT при об / мин | 271 при 0 (двигатель) | 258 при 1250 | 187 при 0 | 443 при 0 | 153 при 0 (двигатель) | |||||
| 9030 Ведущие колеса 9 передний | передний | передний | задний | передний | ||||||
| Производительность | ||||||||||
| Ускорение | 8 с | 6,3 с | 10,2 с | 4,6 с | 10,0 с | |||||
| -миля при MPH | 16,7 с при 85 | 14,9 с при 95 | 17,7 с при 78 | 13309 104 | 17,6 с при 79 | |||||
| Максимальная скорость | 101 миль / ч (ограничено регулятором ) | 133 миль / ч (ограничено регулятором) | 94 миль / ч (ограничено регулятором) | 134 миль / ч (ограничено красной линией) | 115 миль / ч (ограниченное сопротивление) | |||||
| Топливо | ||||||||||
| EPA City / Hwy | 35/40 миль на галлон Результаты производительности от C / D , ноябрь 2011 г. | 26/38 миль на галлон Результаты производительности для C / D , декабрь 2013 г. | 126/101 миль на галлон Результаты производительности для C / D , март 2014 г. | 88/90 миль на галлон Результаты производительности от C / D , январь 2013 г. | 51/48 миль на галлон Результаты производительности по C / D , июль 2009 г. | |||||
| C / D Результаты теста аэродинамической трубы | ||||||||||
| 0.28 | 0,30 | 0,32 | 0,24 | 0,26 | ||||||
| Фронтальная область | 23,7 квадратных футов | 23,2 квадратных футов | 24,5 квадратных футов | квадратных футов | 25,2 квадратных футов | 25,2 квадратных футов | ||||
| Площадь перетаскивания (фронтальная область CD X) | 6,7 квадратных футов | 7,0 квадратных футов | 7,8 квадратных футов | 6,2 квадратных футов | 6.2 квадратных фута | |||||
| Drag Force @ 70 миль в час | 84 фунта | 88 фунтов | 97 фунтов | 77 фунтов | 78 фунтов | |||||
| Aero Power 6 @ | 16 л.с. | 18 л.с. | 14 л.с. | 14 л.с. | ||||||
| Aero Power при 100 миль в час | 45 л.с. 42 л. миль / ч | 26 фунтов | 44 фунта | 11 фунтов | 17 фунтов | 17 фунтов | ||||
МАРК БРЭМЛИ, А.Дж. МЮЛЛЕР, РОЙ РИТЧИ, МАРК УРБАНО, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
аэродинамических вагонов
В наши дни каждый хочет машину, которая выглядит гладкой и экономичной. Вот почему так много производителей автомобилей сосредоточены на создании аэродинамических автомобилей.Чтобы автопроизводители могли достичь желаемой аэродинамики, к которой стремятся потребители, они должны уменьшить лобовое сопротивление и другие причины нестабильности на высоких скоростях.
Коэффициент лобового сопротивления автомобиля, или Cd, — это то, как автомобили оцениваются по их аэродинамике. Формула для определения площади лобового сопротивления автомобиля заключается в умножении площади лобовой части на Cd. Howstuffworks сообщает нам, что при разработке аэродинамики учитывается вся форма автомобиля. Это означает, что даже фары и колесные арки обтекаемы.
Самые аэродинамичные автомобили, которые вы можете купить
Вы обнаружите, что большинство автомобилей сделаны в некоторой степени аэродинамичными для современных потребителей. Однако некоторые из них построены более аэродинамически, чем другие. Если вы ищете один из самых аэродинамических автомобилей, которые вы можете купить сегодня, вам стоит обратить внимание на один из них:
- Mercedes-Benz A-Class
- Mercedes-Benz CLA
- Mercedes-Benz Салон S-Класса
- Toyota Prius
- Hyundai Ioniq
- BMW 7 series L
- Tesla Model X
- Kia Optima Hybrid
- Audi A6
- BMW i8
- Mazda 3 Saloon
Аэродинамические трубы используются для проверки аэродинамики автомобиля, потому что, согласно Popular Mechanics, многие изменения можно внести за короткое время. Аэродинамическая труба — это большая труба, в которой используются вентиляторы, которые нагнетают воздух над автомобилем для измерения сопротивления воздуха.Инженеры изучают это, чтобы выяснить, как воздух взаимодействует с различными формами транспортных средств и материалами.
Mercedes-Benz A-Class
Неудивительно, что этот автомобиль с его 0,22-дюймовым диском и значительно уменьшенной лобовой площадью занимает первое место в списке аэродинамических автомобилей. Вы найдете его слегка наклонную решетку и чистые линии интригующими. У него есть панели по всему кузову и фара на днище, которые улучшают конструктивные особенности и превосходный коэффициент аэродинамического сопротивления.
Mercedes-Benz CLA
Mercedes-Benz CLA также имеет компакт-диск.22 и стал впечатляющим дополнением к семейству Mercedes с момента его представления в 2013 году. Такие особенности, как задний спойлер и выхлопной спойлер, помогают этому автомобилю хорошо выглядеть, а также придают ему аэродинамику, которую вы ищете от седана. Его плавные, гладкие линии и профиль ветро-срезки придают вам желаемый вид и помогают добиться желаемой эффективности.
Mercedes-Benz S-Class Saloon
Этот автомобиль не только надежен и аэродинамичен, но и экономичен.Он имеет компакт-диск. калибра .24, и вы обнаружите, что в его конструкцию встроено больше металла. С активными жалюзи решетки радиатора, улучшающими поток воздуха, он может эффективно использовать воздух для охлаждения двигателя. Это увеличивает эффективность седана S-Класса на дороге.
Toyota Prius
Toyota Prius четвертого поколения обладает очень высокими аэродинамическими характеристиками и обеспечивает КД 0,24. У этого автомобиля есть линии и углы, которые делают его более эффективным, чем у конкурентов. У него есть панели днища и продвинутая линия крыши, которая сдвинута вперед, что делает его еще более аэродинамичным.Его относительно небольшая передняя часть помогает отводить воздух вокруг кузова, а небольшое отверстие в верхней решетке предотвращает прохождение воздуха через автомобиль. Эта комбинация означает, что он может разрезать воздух с минимальными усилиями.
Hyundai Ioniq
Вы обнаружите, что Hyundai Ioniq вдохновлен каплевидной формой, которая помогает направлять ветер по кузову для максимальной аэродинамической устойчивости. Он имеет активную воздушную заслонку, которая в закрытом состоянии обеспечивает потрясающую аэродинамику на крейсерской скорости. Это самый аэродинамичный гибрид на дороге.Благодаря встроенному заднему спойлеру и воздушным завесам колес он потребляет меньше кВтч, чем его конкуренты.
BMW 7 Series L
Этот немецкий автомобиль отличается надежностью и аэродинамикой, его КД составляет 0,24. Благодаря расширенным функциям, таким как дополнительные воздушные завесы и ставни, вы действительно заметите, как они увеличивают функциональность дверей. Он имеет активную решетку радиатора и систему охлаждения двигателя с электронным управлением, чтобы улучшить управляемость и облегчить скольжение по улицам.
Tesla Model X
Оцените Tesla Model X, если вы хотите испытать самый аэродинамический внедорожник из когда-либо созданных. С его Cd 0,25 этот автомобиль способен разогнаться с нуля до 60 за 2,7 секунды, что очень впечатляет для внедорожника. Он имеет обтекаемый дизайн и спойлер, которые помогают легко прорезать воздух.
Kia Optima Hybrid
Тем, кто хочет экономичный гибрид, который также обладает аэродинамическими характеристиками, стоит обратить внимание на Kia Optima Hybrid.Он сочетает в себе двигатель внутреннего сгорания с высококачественной аккумуляторной батареей для достижения расширенных возможностей. Уникальный для данной модели задний бампер и передняя воздушная завеса также добавляют аэродинамики этому автомобилю.
Audi A6
Audi A6 зарекомендовал себя как аэродинамический автомобиль, сочетающий в себе экономичный мягкий гибрид и тихую езду. Его конструкция позволяет воздуху плавно обтекать кузов, сводя к минимуму дорожный шум. Этот автомобиль обеспечивает водителям Cd 0,26, что позволяет легко управлять автомобилем в большинстве дорожных условий.
BMW i8
Взгляните на BMW i8, и вы сразу заметите его аэродинамическую форму. Вырезы и воздушные завесы делают этот автомобиль более эффективным и дают ему возможность плавно рассекать воздух. У него Cd 0,26, так что вы знаете, что вас ждет захватывающая поездка. Это подключаемый гибрид, который действительно будет иметь значение благодаря своей гидродинамике и превосходным характеристикам.
Mazda 3 Saloon
Если вам нужна большая экономия топлива и меньше выбросов угарного газа, то обратите внимание на Mazda 3 Saloon.Его 0,27 Cd в сочетании с двигателем Mazda SkyActiv означает, что он экономит топливо как на шоссе, так и на городских улицах. Производитель этого автомобиля сосредоточился на том, чтобы даже днище и подвеска работали на улучшение аэродинамических качеств.
Это одни из лучших автомобилей на рынке на сегодняшний день, если вы ищете что-то аэродинамическое, которое привлекает внимание, когда вы проезжаете мимо. Вы будете впечатлены их элегантным дизайном и впечатляющими возможностями с первого взгляда.
Информация и исследования в этой статье проверены сертифицированным специалистом ASE Дуэйн Саялун из YourMechanic.ком . Для получения отзывов или запросов на исправление, пожалуйста, свяжитесь с нами по телефону [email protected] .
Источники:
https://allhoodsltd.com/most-aerodynamic-cars-to-buy-in-2019/
https://www.popularmechanics.com/cars/car-technology/a21272157/aerodynamics -car-science /
https://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/fuel-economy/aerodynamics2.htm
https://www.caranddriver.com/news/a15348961/no-prototypes-how- автопроизводители-максимизируют-эффективность-автомобиля-виртуально /
https: // www.caranddriver.com/mercedes-benz/cla-class
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
Преимущества аэродинамики
За последние годы искусство аэродинамики проделало большой путь. Десятилетия назад разработчики просто наклеивали крылья на заднюю часть и смотрели, что происходит.Сегодня процесс намного сложнее. аэродинамическая инженерия включает в себя бесчисленные часы испытаний в аэродинамической трубе и продвинутого компьютерного моделирования. Но если аэродинамика сейчас настолько продвинута, почему все еще существуют такие автомобили, как Honda Civic Type R, покрытые яркими украшениями, в то время как другие, такие как 488 GTB от Ferrari, не имеют ничего столь же очевидного?
Начало работы с силой
Чтобы понять, как работает аэро, взгляните в небо. Те же принципы, что и самолеты в воздухе, используются для приклеивания машин к земле.Изогнутый профиль крыла самолета отклоняет воздушный поток, заставляя часть воздуха подниматься вверх, а часть — под днище. Поскольку верхняя поверхность больше изгибается, воздух должен двигаться дальше и, следовательно, быстрее, чем воздух под ней. Согласно принципу Бернулли, приведенному в книге швейцарского физика и математика Даниэля Бернулли 1738 года «Гидродинамика», воздух, движущийся с высокой скоростью, имеет более низкое давление, чем воздух, движущийся медленно. Этот перепад давления означает, что крыло поднимается вверх, создавая подъемную силу и удерживая самолет в небе.
Просмотреть все 8 фотоПереверните крыло вверх ногами, и по тем же принципам автомобиль будет сильнее врезаться в асфальт, что повысит сцепление с дорогой. Самый распространенный пример этого — прижимная сила, создаваемая скромным неподвижным крылом. Используя те же инструменты моделирования, которые используют ведущие производители при проектировании своих автомобилей, мы можем проиллюстрировать, как крыло создает прижимную силу.
В этом двухмерном вычислительном гидродинамическом моделировании синяя область под крылом показывает принцип Бернулли в действии. Быстрее движущийся воздух создает зону низкого давления, заставляя крыло опускаться.Однако, прежде чем прикручивать крыло к машине, уделите минуту и обратите внимание на красную область на передней кромке крыла. К сожалению, вся эта прижимная сила связана с аэродинамическим сопротивлением.
Посмотреть все 8 фотоПроизводители часто указывают характеристики лобового сопротивления своих автомобилей, используя показатель, называемый коэффициентом лобового сопротивления, или сокращенно Cd. Чем меньше это число, тем легче автомобиль скользит по воздуху. Это важно, потому что существует взаимосвязь между скоростью и сопротивлением: чем быстрее вы едете, тем сильнее воздух давит на вашу машину в квадрате.Это одна из причин, почему новый Bugatti Chiron имеет на 300 л.с. больше, чем его предшественник, Veyron Grand Sport Vitesse, но при максимальной скорости он может разгоняться только на 6 миль в час.
Производители используют бесчисленные аэродинамические поверхности управления для создания прижимной силы, и нам нужно будет написать библию по аэродинамике, чтобы охватить их все, поэтому пока мы остановимся на самом известном: неподвижном крыле.
Первое автомобильное использование неподвижного крыла относится к 1920-м годам, когда был выпущен Fritz von Opel RAK 2.Этот рекордсмен скорости использовал 24 ракеты, чтобы разогнаться до 147,8 миль в час. Узнав непосредственно от людей из авиационной промышленности, Opel добавил два перевернутых профиля по бокам RAK 2, чтобы машина не отрывалась от земли.
Посмотреть все 8 фотографийТолько в конце 1960-х годов впервые появилось более традиционное фиксированное заднее крыло, любезно предоставленное Колином Чепменом, и его успешное шасси для Формулы-1, Lotus 49. В середине чемпионата Формулы-1 1968 года Чепмен скрепил болтами. широкое заднее крыло непосредственно к задней подвеске, над двигателем и водителем, чтобы достичь чистого воздуха — другими словами, чтобы вывести его из аэродинамического следа, производимого автомобилями, идущими впереди него по трассе.Первоначально это давало Lotus значительно более конкурентное преимущество, но вскоре было запрещено из-за ряда серьезных сбоев.
Согласно правилам, любая деталь, создающая прижимную силу, будет иметь некоторое сопротивление. Так как же достичь святого Грааля аэро — иметь прижимную силу в поворотах и не допустить дополнительного сопротивления на прямой? Здесь в игру вступает активный аэро.
Active aero — это любая аэродинамическая поверхность управления, сочетающая в себе лучшее из обоих миров. Для скорости по прямой крыло может либо уходить в кузов, что минимизирует сопротивление, либо расширяться, создавая прижимную силу в поворотах.Прекрасным примером этого является активное заднее антикрыло McLaren P1. Когда минимальное сопротивление является идеальным и на малых скоростях, крыло находится заподлицо с задней частью кузова; на более высоких скоростях он поднимается с помощью двух гидравлических стоек, создавая прижимную силу. В режиме Race, как и в случае с новым Ford GT, крыло достигает самого высокого положения и наиболее агрессивного угла атаки, заставляя P1 приземляться для экстремального бокового сцепления. Крыло также резко складывается вперед при резком торможении, обеспечивая эффект воздушного торможения.
Посмотреть все 8 фотоВероятно, первый экземпляр такого типа техники мы можем найти на Chaparral 2E 1966 года выпуска.В этом гоночном автомобиле использовалось большое заднее антикрыло, которое при необходимости можно было увеличить, чтобы обеспечить большую или меньшую прижимную силу. Два года спустя Nissan сделал еще один шаг вперед в этой технологии, выпустив шасси R381, получившее Гран-при. Nissan разделил заднее крыло слева направо, чтобы обеспечить разный уровень прижимной силы для внутреннего и внешнего колеса.
Однако не каждое устройство, прикрепленное к задней части автомобиля, является настоящим крылом. На современных дорожных автомобилях спойлеры встречаются чаще, чем крылья, но они совсем другие. Самая важная поверхность крыла — это нижняя сторона, где реализуется наибольшая разница давлений.У спойлеров нет обратной стороны; они просто отклоняют воздушный поток от его пути и используются в основном в качестве выдвижных устройств на дорожных автомобилях. Это помогает сохранять стабильность на высоких скоростях за счет разделения воздушного потока на выступе багажника. Хорошим примером этого является разделенный спойлер из трех частей, который можно увидеть на Porsche Panamera Turbo 2017 года.
Посмотреть все 8 фотографийЕсли учесть, что нижняя часть крыла является наиболее важной поверхностью для создания прижимной силы, мы сталкиваемся с проблемой обычных крыльев: большинство из них соединены с автомобилем через две стойки, расположенные под ними.Стойки фактически снижают эффективность крыла до трети, поскольку стойки препятствуют потоку воздуха через нижнюю часть. Вот почему мы видим верхние крылья или крылья типа «лебединая шея» на некоторых гоночных автомобилях и даже на гиперкарах, таких как Koenigsegg One: 1. Эти монтажные положения позволяют максимально использовать воздушный поток, протекающий по поверхности крыла.
Современный обвес настолько продвинут, что мы можем получить целую кучу прижимной силы, не прибегая к использованию больших придатков, вызывающих большое сопротивление. Возьмем, к примеру, Ferrari 488 GTB: он создает на 50 процентов больше прижимной силы, чем его предшественник, 458 Italia, без каких-либо нахальных надстроек.Это достигается с помощью умных аэродинамических трюков, таких как использование выдувного спойлера Ferrari.
Просмотреть все 8 фотографийВ случае модели 488 воздух, проходящий через линию крыши, направляется вниз, мимо кожуха двигателя, в отверстие в задней части кузова. Затем этот воздух проходит через внутренний спойлер, который может иметь гораздо больший угол, чем если бы он находился на поверхности. Не только это, но и продуваемый спойлер также использует то, что называется эффектом Вентури. Это происходит, когда воздух, сжатый в меньшую область, ускоряется.Задний спойлер 488 GTB, сочетающий в себе продуваемость спойлера и ускорение за счет эффекта Вентури, превосходит обычное неподвижное крыло.
Итак, мы наблюдали эволюцию неподвижных рулевых поверхностей, от стационарных задних крыльев до современных активных обвесов. Куда мы отправимся отсюда? Один ответ, казалось бы, прямо из научной фантастики, может быть путем вперед. Введение в управление потоком плазмы.
Активируйте контроллеры потока плазмы, когда требуется дополнительный захват, и отключайте их, когда это не так.
Контроль потока плазмы все еще находится на ранней стадии исследований и разработок, но показывает потенциал для использования в сверхмощных автомобилях. Электронные устройства, размещенные внутри кузова, чтобы не влиять на воздушный поток, могут управлять окружающим воздухом без каких-либо движущихся частей. Переменный ток высокого напряжения пропускается через два электрода, что создает низкотемпературную плазму. Эта плазма может ионизировать молекулы воздуха, проходящие над поверхностью, ускоряя воздушный поток.
Посмотреть все 8 фотоТехнология этого типа может значительно увеличить прижимную силу автомобиля, не создавая такого большого сопротивления воздуха и аэродинамического сопротивления, как современные активные крылья.