Нас не догонят!
Многие из нас не задумываясь считают обтекаемым тот автомобиль, который таковым выглядит. И ошибаются. У весьма динамичного внешне ВАЗ-2109 коэффициент аэродинамического сопротивления чуть меньше, чем у «Жигулей», и больше, чем у коротенькой угловатой «Оки». У древней «Победы» такой же, как у ВАЗ-2106. Даже у стремительного на вид «Святогора» с точки зрения аэродинамики весьма неудачный задок. Срыв потока происходит как раз по нижней кромке двери, наклоненной на 27°. В итоге заднее стекло чистое, но коэффициент сопротивления наихудший из возможных.
Первый отечественный автомобиль, к которому инженеры подошли со всей серьезностью еще на этапе разработки макета — ВАЗ 2110. В результате на высоких скоростях «десятка» разгоняется гораздо охотнее «девятки» с таким же двигателем, а экономия топлива очевидна даже на глаз.
Чтобы снизить сопротивление воздуха, надо свести к минимуму лобовую площадь или коэффициент обтекаемости. Лобовая площадь уже устоялась и меняется в зависимости от класса машины примерно от 1,5 до 2,5 м2. Уменьшить ее можно, разве что усадив пассажиров в затылок друг другу. Хорошо, если их будет два. А пятерых гуськом? Как ни крути, остается обтекаемость. Существует несколько разновидностей, разбитых по осям координат. Поскольку автомобиль обычно движется вперед, конструкторов интересует прежде всего та, что идет вдоль оси машины, по координате «х». Потому коэффициент обтекаемости так и называется — Сх.
Чтобы уяснить, что это такое, разберемся, из чего складывается воздействие воздуха на автомобиль. До 13% всех потерь вносит сопротивление выступов. Это любая выступающая часть машины (зеркало, антенна, брызговики, дверные ручки и т.д.). Именно поэтому на современных машинах нет ни форточек, ни водосточных желобков. Внутреннее сопротивление съедает до 10% всех потерь. Создается при прохождении воздуха через систему охлаждения и вентиляцию. Снизить его без ущерба для двигателя и комфорта невозможно.
«Прилипанию» струй воздуха к поверхности кузова (сопротивление трения) принято отводить до 11% потерь. Действует только в очень тонкой, прилежащей к стенкам зоне, называемой пограничным слоем, и потому зависит от качества покраски автомобиля. Сопротивление трения грязной машины может быть в 2-4 раза больше, чем свежевымытой.
Разность давлений на верхнюю и нижнюю части кузова называют индуктивным сопротивлением. Это сила, которая стремится оторвать машину от дороги. Ее доля — около 8%.
Самый большой вклад (до 58% всех потерь) приходится на профильное сопротивление, задаваемое самой формой кузова. Поскольку автомобиль движется, воздух перед ним уплотнен. Поток, идущий по верхней части кузова, многократно отрывается от него, создавая области пониженного давления. В задней части поток окончательно отрывается. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Именно совершенствованием формы кузова и достигают наибольшего снижения Сх.
К сожалению, обтекаемость формы кузова расчету не поддается. Все знания о воздушном сопротивлении получены экспериментально, обдувом в аэродинамических трубах.
Передняя часть автомобиля должна быть низкая и широкая, без острых углов, чтобы не было отрыва потоков воздуха. Оптимальный наклон ветрового стекла 48-55°. Больший угол улучшает аэродинамику незначительно.
Наибольшее влияние на коэффициент обтекаемости оказывает задняя часть автомобиля по той простой причине, что там поток обрывается и — главное — образуются завихрения. Эти самые завихрения и приносят основные потери, причем наибольшее влияние на Сх оказывает угол наклона задней части. На графике показано влияние этого угла на коэффициент сопротивления воздуха и положение линии отрыва. На автомобилях с круто срезанной задней частью, с углом от 40 до 90 градусов, линия отрыва идет по задней кромке крыши, и вихри не возникают.
Если наклон уменьшать, то можно получить граничное значение угла, при котором линия отрыва переходит с кромки крыши на нижнюю кромку наклонной поверхности задка. Образуются два вращающихся вовнутрь продольных вихря, которые порождают сильное разрежение.
Дальнейшее уменьшение наклона задка вновь снижает аэродинамическое сопротивление, поскольку продольные вихри ослабляются. При угле в 23° получается значение Cв=0,40, такое же, как у автомобиля с круто срезанной задней частью. Наилучший угол с точки зрения аэродинамики близок к 10°, однако по соображениям компоновки и безопасности так сильно наклонить стекло невозможно.
Противотуманки, фартуки, длинная антенна, намордники с кокетливыми ушками и багажник на крыше могут поднять Сх обычной «шестерки» с 0,46 до 0,58, а то и больше.
Несведущий в аэродинамике может поверить, что пластиковые дефлекторы на передней кромке капота сдувают комаров с ветрового стекла. На самом деле эта «мухобойка» своими острыми краями лишь завихряет воздух, и больше ничего. Другая модная безделушка — дефлектор на вентиляционные отверстия — будет работать лучше, если. его перевернуть задом наперед. Антикрыло почему-то чаще всего устанавливают в зоне аэродинамической тени. Возможно, так красивее, но толку никакого. За редким исключением, любой обвес несет лишь одну функцию: кроме расходов за покупку и установку, он заставит раскошелиться за лишние литры бензина.
Предлагаем сравнить разные Сх:
Расчет мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобиля
Мощноть NE двигателя, необходимую для движения нагруженного автомобиля с установившейся максимальной скоростью VA.MAX в заданных дорожных условиях, определим по формуле:
где: VA.MAX — максимальная скорость движения автомобиля (по заданию), км/ч;
G — сила тяжести автомобиля с грузом, Н;
Ш — приведенный коэффициент дорожного сопротивления;
к — коэффициент сопротивления воздуха, кг/м 3 ;
F — площадь лобового сопротивления автомобиля, м 2 ;
зТР — механический КПД трансмиссии для режима максимальной скорости.
Площадь лобового сопротивления для автомобилей:
где: В — колея задних колес, м;
Н — габаритная высота автомобиля, м.
Рассчитаем площадь лобового сопротивления автомобиля:
Значения коэффициента сопротивления воздуха к эмпирические и принимаются из характеристики прототипа. В случае отсутствия этого коэффициента (устаревшая модель, некоторые грузовые автомобили) он принимается в следующих пределах:
к=0,20. 0,30 — легковые автомобили с закрытым кузовом;
к= 0,35. 0,60 — легковые автомобили с необтекаемой формой кузова;
к= 0,60. 0,70 — грузовые автомобили;
Примем k=0,5 как для легковых автомобилей с необтекаемой формой кузова
Сила тяжести автомобиля определяется как:
где: т0 — собственная (снаряженная) масса автомобиля (принимается по прототипу), кг;
тГ — масса перевозимого груза (по заданию), кг;
g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2 .
Исходя из расчетных значений рассчитаем мощность прототипа УАЗ-452:
При проектировании для обеспечения необходимого динамического фактора в области средних эксплуатационных скоростей движения определяют максимальную мощность двигателя по формуле:
Частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной мощности, определяется коэффициентом оборотности двигателя зп , равным отношению частоты вращения коленчатого вала двигателя к соответствующей скорости движения автомобиля.
Коэффициент оборотности принимают равным в пределах 35. 50 в соответствии с прототипом автомобиля и расчетной максимальной мощностью двигателя.
Коэффициенты обтекаемости и площади лобового сопротивления
крыша, боковые стекла, боковые стенки, багажник. Сопротивление формы составляет» 50-60% лобовой аэродинамической силы.
Сопротивление выступающих частей (15 – 17% Pwx) создаваемое различными выступающими частями: фарами, указателями поворота, подфарники, зеркала заднего вида, ручками и т.д.
Сопротивление поверхностного трения (5 — 10% Pwx) вызываемое силами вязкости пограничного слоя воздуха, движущегося у поверхности автомобиля, и зависящее от размера и шероховатости этой поверхности.
Сопротивление внутренних потоков (8 — 10% Pwx), создаваемое потоками воздуха, проходящими внутри автомобиля для вентиляции или обогрева кузова, а также охлаждения двигателя.
Индуктируемое сопротивление (5 — 10% Pwx) вызываемое взаимодеиствием сил, действующих в направлении продольной оси автомобиля (подъемной) и перпендикулярно этой оси (боковой).
2.3.3. Подъемная аэродинамическая сила
Образование подъемной аэродинамической силы Pwz обусловлено перепадом давлений воздуха на автомобиль снизу и сверху. Преобладание давления воздуха снизу над давлением сверху объясняется тем, что скорость движения воздушного потока, омывающего автомобиль снизу, гораздо меньше скорости потока, омывающего его сверху. Значение подъемной аэродинамической силы Pwz относительно мало и не превышает 1,5% от веса самого автомобиля. Например, спортивным автомобилям, движущимся с большими скоростями, придают такую форму. Чтобы сила Pwz была направлена не вверх, а вниз, т. е. прижимала его к дороге.
2.3.4. Боковая аэродинамическая сила
Боковая аэродинамическая сила возникает при обтекании автомобиля воздушным потоком под некоторым углом к его продольной оси. Наличие указанного угла в подавляющем большинстве случаев объясняется наличием бокового ветра, дующего под углом а к продольной оси автомобиля (рис. 8).
Рис. 8. Обтекание автомобиля воздухом при боковом ветре
λ — угол натекания; α – угол атаки ветра.
Если боковой ветер дует со скоростью Vв под углом α к продольной оси автомобиля, то результирующая скорость движения воздушного потока Vw будет равна:
Из данной формулы следует, что при угле атаки α = 0 (встречный ветер) скорость воздушного потока равна сумме скоростей автомобиля и ветра (Vw = Va + VВ), а при угле 180° (попутный ветер) разнице указанных скоростей (Vw = Va — VВ).
Изменение скорости и направления бокового ветра приводит не только к изменению скорости воздушного потока, но и к изменению угла натекания воздушного потока (λ), тангенс которого можно определить по формуле:
Как показывают испытания, действие бокового ветра особенно ощутимо для автотранспортных средств большой длины и высоты, т.е. автобусов и автопоездов.