Аеродинаміка автомобіля

Аеродинаміка автомобіля

Аеродинаміка — розділ аеромеханіки про рух газоподібних середовищ (головним чином повітря) та взаємодію між ними і твердими тілами при їхньому відносному русі.

Аеродинаміка автомобіля - це якісний показник, що характеризує ступінь опору рухомого автомобіля зустрічному повітряному потоку. Аеродинамічні властивості машини визначають максимальну швидкість її руху, витрата палива, рівень шуму в салоні і рівень діючої на неї притискної сили.

Завдання аеродинаміки автомобіля

Для чого потрібна аеродинаміка автомобілю, знають усі. Чим гнучкіший його кузов, тим менший опір руху і витрата палива. Такий автомобіль не тільки збереже ваші гроші, але і в довкілля викине менше всякої гидоти. Відповідь проста, але далеко не повна. Фахівці з аеродинаміки, доводячи кузов нової моделі, ще й:

  • розраховують розподіл по осях підйомної сили, що дуже важливо з урахуванням чималих швидкостей сучасних автомобілів;
  • забезпечують доступ повітря для охолодження двигуна і гальмівних механізмів;
  • продумують місця забору і виходу повітря для системи вентиляції салону;
  • прагнуть знизити рівень шумів у салоні;
  • оптимізують форму деталей кузова для зменшення забруднення стекол, дзеркал і світлотехніки.

Причому рішення однієї задачі часто суперечить виконання іншої. Наприклад, зниження коефіцієнта лобового опору покращує обтічність, але одночасно погіршує стійкість автомобіля до поривів бічного вітру. Тому фахівці повинні шукати розумний компроміс.

Аеродинамічні сили

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

Aerodinamika.gif

Лобовий опір

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

[math]F={1 \over 2}\cdot C_x \cdot \rho\ \cdot S \cdot V^2\\ \ \[/math]

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

Audi a8

Коефіцієнт [math]C_x[/math] (англійською його позначають [math]C_d[/math], а німецькою - [math]C_w[/math]) визначається експериментально, і він і є головною величиною, котра описує аеродинамічну довершеність кузова. Колись його умовно прирівнювали до 1,0 для круглої пластини, однак, як виявилося на практиці, через турбулентність за пластиною насправді її Cx рівний приблизно 1,2. Найнижчий Cx у краплини - приблизно 0,05. у більшості сучасних серійних автомобілів цей коефіцієнт зазвичай дорівнює 0,30-0,35, найдосконаліші досягають значень 0,26-0,27. Хоча насправді він залежить від швидкості, напряму руху відносно повітря чи від стану поверхні кузова, і наведені значення - можна сказати, ідеал, якого може досягнути ця модель.

Притискна або підйомна сила

При русі автомобіля потік повітря під його дном йде по прямій, а верхня частина потоку огинає кузов, тобто, проходить більший шлях. Тому швидкість верхнього потоку вище, ніж нижнього. А згідно із законами фізики, чим вище швидкість повітря, тим нижче тиск. Отже, під днищем створюється область підвищеного тиску, а зверху - зниженого. Таким чином створюється підйомна сила. І хоча її величина невелика, неприємність полягає в тому, що вона нерівномірно розподіляється по осях. Якщо передню вісь підвантажує потік, що давить на капот і лобове скло, то задню додатково розвантажує зона розрядження, що утворюється за автомобілем. Тому із зростанням швидкості знижується стійкість і автомобіль стає схильний до заносу. Будь-яких спеціальних заходів для боротьби з цим явищем конструкторам звичайних серійних автомобілів вигадувати не доводиться, оскільки те, що робиться для поліпшення обтічності, одночасно збільшує притискну силу. Наприклад, оптимізація задньої частини зменшує зону розрядження за автомобілем, а значить і знижує підйомну силу. Вирівнювання дниа не тільки зменшує опір руху повітря, але і підвищує швидкість потоку і, отже, знижує тиск під автомобілем. А це, в свою чергу, призводить до зменшення підйомної сили. Точно так само два завдання виконує і задній спойлер. Він не тільки зменшує вихорозароджуваність, покращуючи [math]Сх[/math], але й водночас притискає автомобіль до дороги за рахунок відштовхуючого від нього потоку повітря. Іноді задній спойлер предназначают виключно для збільшення притискної сили. У цьому випадку він має великі розміри і нахил або робиться висувним, вступаючи в роботу тільки на високих швидкостях.

Для спортивних і гоночних моделей описані заходи будуть, природно, малоефективні. Щоб утримати їх на дорозі, потрібно створити велику притискну силу. Для цього застосовуються великий передній спойлер, обважування порогів і антикрила. А ось встановлені на серійних автомобілях, ці елементи будуть грати тільки лише декоративну роль, тішачи самолюбство власника. Ніякої практичної вигоди вони не дадуть, а навпаки, збільшать опір руху. Багато автолюбителів, до речі, плутають спойлер з антикрилом, хоча розрізнити їх досить просто. Спойлер завжди притиснутий до кузова, складаючи з ним єдине ціле.

Антикрило же встановлюється на деякій відстані від кузова. Вперше антикрило застосував 22-річний швейцарський інженер Майкл Мей (Michael May) на своєму «Porsche 550 Spyder» для участі у гонці «Нюрбургринг 1000 кілометрів» 27 травня 1956 року. Він ще був студентом, коли його двоюрідний брат П'єр купив йому гоночний автомобіль і він побачив перспективу у використанні перевернутого крила для створення притискного зусилля, що підвищувало зчеплення авто з дорогою у поворотах. Створена антикрилом додаткова притискна сила збільшує граничну силу тертя між ведучими колесами і покриттям і, як наслідок, дозволяє автомобілю розвивати більше прискорення без зриву в занос. Антикрило виконує свої функції лише коли воно має певну форму та кута розташування. Антикрило у своєму поперечному перерізі, має форму перевернутого крила (про це свідчить і назва). Воно зазвичай розташовується під кутом 10…15° до поздовжньої осі автомобіля

Повітрозабірник

Як було сказано, однією із задач аеродинаміки є забезпечення доступу повітря для охолодження двигуна і гальмівних механізмів. Повітрозабірник - елемент конструкції машини, який служить для забору навколишнього повітря і спрямованої подачі до різних внутрішніх систем, агрегатів і вузлів для різного застосування: в якості теплоносія, окислювача для палива, створення запасу стисненого повітря та ін. Забір повітря здійснюється за рахунок тиску, створюваного потоком набігаючого повітря, або розрідження, створюваного, наприклад, при ході поршня в циліндрі.

Urbee

Сучасні досягення

Urbee - найаеродинамічніший багатомісний автомобіль на планеті (за словами його розробників). Він здатний просочуватися крізь повітря завдяки своїй ромбічної формі, яка досягається тривимірної печаткою панелей корпусу. Така форма разом з маленьким електричним двигуном потужністю всього 7 кінських сил дозволяє Urbee розвивати швидкість до 110 кілометрів на годину.Творці автомобіля хочуть встановити світовий рекорд, проїхавши на ньому через всі Штати від Нью-Йорка до Сан-Франциско (а це близько 4700 кілометрів) на 45 літрах біопалива. Всі колишні спроби створення настільки ультраефективного транспортного засобу провалилися.

Способи вивчення аеродинаміки автомобіля

Аеродинаміка автомобілів вивчається двома основними методами - випробуваннями в аеродинамічній трубі і комп'ютерним моделюванням. Аеродинамічні труби для випробування автомобілів іноді оснащуються рухомою доріжкою, що імітує рухоме дорожнє полотно. Крім того, колеса випробовуваного автомобіля приводяться в обертання. Ці заходи вживаються для того, щоб врахувати вплив дорожнього полотна і обертових коліс на потоки повітря.

Посилання

Отримано з https://wiki.tntu.edu.ua/index.php?title=Аеродинаміка_автомобіля&oldid=20266