Сразу хотелось бы отметить, что на сегодняшний день не существует методик теоретического расчета силы аэродинамического сопротивления, а поэтому ее величину, возможно, определить только эксп">
Сразу хотелось бы отметить, что на сегодняшний день не существует методик теоретического расчета силы аэродинамического сопротивления, а поэтому ее величину, возможно, определить только экспериментально. Конечно, неплохо было бы еще на стадии проектирования произвести количественную оценку аэродинамики автомобиля и, изменяя определенным образом форму кузовных деталей, оптимизировать ее. Но, увы, решить данную задачку оказалось не так просто. Найти выход из сложившейся ситуации, конечно же, пытались. В частности, путем создания каталогов, где значению аэродинамического сопротивления объекта ставились в соответствие основные параметры его формы. Такой подход оправдывает себя лишь в случаях его применения к относительно простым в аэродинамическом смысле телам. Число же параметров, описывающих геометрию легкового автомобиля, слишком велико, и отдельные поля потоков находятся в весьма сложном взаимодействии друг с другом, так что и в этом случае попытка приручить аэродинамику провалилась. Применительно к автомобильной технике аэродинамическое сопротивление можно представить как сумму нескольких его составляющих. К ним относятся: • сопротивление формы; • сопротивление трения о наружные поверхности; • сопротивление, вызываемое выступающими частями автомобиля; • внутреннее сопротивление. Сопротивление формы еще называют сопротивлением давления или лобовым сопротивлением. Сопротивление формы является основной составляющей сопротивления воздуха, оно достигает 60 % общего. Механизм возникновения этого вида сопротивления следующий. При движении транспортного средства в окружающей воздушной среде происходит сжатие набегающего потока воздуха в передней части автомобиля. В результате здесь создается область повышенного давления. Под его влиянием струйки воздуха устремляются к задней части автомобиля. Скользя по его поверхности, они обтекают контур транспортного средства. Однако в некоторый момент начинает проявляться явление отрыва элементарных струек от обтекаемой ими поверхности и образования в этих местах завихрений. В задней части автомобиля воздушный поток окончательно срывается с кузова транспортного средства. Это способствует образованию здесь области пониженного давления, куда постоянно осуществляется подсос воздуха из окружающего воздушного пространства. Классической иллюстрацией наличия зоны пониженного давления является пыль и грязь, оседающие на элементы конструкции задней части транспортного средства. За счет различия давлений воздуха впереди и сзади автомобиля создается сила лобового сопротивления. Чем позже происходит срыв воздушного потока с обтекаемой поверхности и соответственно меньше область пониженного давления, тем меньшей будет и сила лобового сопротивления. В этом аспекте интересен следующий факт. Известно, что при езде двух формульных болидов друг за другом, уменьшается не только сопротивление движению заднего автомобиля, идущего в воздушном мешке, но и переднего, по измерениям в аэродинамической трубе — на 27 %. Происходит это вследствие частичного заполнения зоны пониженного давления и уменьшения разряжения за ним. Из вышесказанного понятно, что форма кузова транспортного средства в данном случае играет существенную роль. Кузов автомобиля необходимо изваять таким образом, чтобы процесс перемещения воздуха из передней зоны автомобиля в заднюю происходил с наименьшими затратами энергии, а последние определяются главным образом характером вихреобразования. Чем меньше образуется локальных завихрений, мешающих нормальному перетеканию струек воздуха под действием разности давлений, тем меньше будет и сила лобового сопротивления. Сопротивление трения обусловлено "прилипанием" к поверхности кузова слоев перемещающегося воздуха, вследствие чего воздушный поток теряет скорость. В этом случае величина сопротивления трения зависит от свойств материала отделки поверхности кузова, а также от его состояния. Дело в том, что любая поверхность обладает различной поверхностной энергией, способной в различной степени повлиять на окружающую среду. Чем больше значение поверхностной энергии у материала покрытия автомобиля, тем сильнее его поверхность взаимодействует на молекулярном уровне с окружающей воздушной средой, и тем больше энергии необходимо затратить на разрушение сил Ван-дер-Ваальса (сил взаимного притяжения молекул), препятствующих взаимному перемещению объемов соприкасающихся веществ. На данный вид потерь приходится около 10 – 20 % всех аэродинамических потерь. Меньшие значения сопротивления трения относятся к автомобилям, обладающим новыми, хорошо отполированными покрытиями, большие к автомобилям с плохо окрашенными кузовами или покрытиями, которые с течением времени утратили большинство своих потребительских свойств. Сопротивление, вызываемое выступающими частями автомобиля, составляет 10 – 15 % общего. Хотя на некоторых экземплярах автомобильной техники оно может принимать и гораздо большее значение. На его величину влияют самые, казалось бы, безобидные конструктивные элементы автомобиля, как-то дверные ручки, рычаги стеклоочистителей, колесные колпаки и прочие детали. Оказывается, даже такие мелочи вносят свой вклад в общую силу аэродинамического сопротивления движению, причем их довесок весьма существенен. Судите сами: поднятые ночью, убирающиеся фары увеличивают силу сопротивления воздуха на 10 %, открытые окна — на 5 %, установленные предусмотрительным автовладельцем грязезащитные фартуки на всех колесах — на 3 %, багажник на крыше — на 10 – 12 %, наружные зеркала заднего вида — на 5 – 7 %, широкопрофильные шины — на 2 – 4 %, антенна — на 2 %, открытый люк в крыше — на 2 – 5 %. С другой стороны, есть ряд деталей, применение которых позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление. Так, установка на колеса гладких колпаков снижает его на 3 %, замена выступающих дверных ручек на оптимизированные в аэродинамическом смысле — утопленные также несколько снижает силу сопротивления воздуха. Чтобы исключить добавочное сопротивление, вызываемое щетками стеклоочистителей, когда последние находятся в нерабочем положении, конструкторы некоторых фирм прячут их в специальный отсек, расположенный между кромкой капота и лобовым стеклом. Также существенную роль играет качество сборки кузова автомобиля: малые зазоры в местах стыков кузовных деталей могут уменьшить сопротивление на 2 – 5 %. Внутреннее сопротивление обусловлено движением воздушных потоков через системы вентиляции и охлаждения. Обычно пути движения воздушных потоков в этом случае имеют достаточно сложную конфигурацию, обладающую множеством местных сопротивлений. К числу последних относятся резкие изменения направления движения воздуха, фильтры, радиаторы и т. п. Для количественной характеристики аэродинамического сопротивления используют следующую зависимость: FX =CX*P*V2 *FMID/2, где Р — плотность воздуха; V — скорость относительного движения воздуха и машины; FMID — площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля (лобовая площадь); CX — коэффициент лобового сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости). Обратите внимание на то, что скорость в формуле стоит в квадрате, а это значит: при увеличении скорости движения транспортного средства в два раза, сила сопротивления воздуха увеличивается в четыре раза, а затраты мощности вырастают в восемь раз. Поэтому при движении автомобиля в городском потоке аэродинамическое сопротивление автомобиля мало, на трассе же его значение достигает больших величин, не говоря уже о гоночных болидах, движущихся со скоростями 300 км/час. В таких условиях практически вся вырабатываемая двигателем мощность тратиться на преодоление сопротивления воздуха. Причем за каждый лишний км/ч прироста максимальной скорости автомобиля приходится платить существенным увеличением его мощности или снижением CX. Так, например, работая над увеличением скоростных возможностей болидов, участвующих в кольцевых гонках Nascar, инженеры выяснили, что для увеличения максимальной скорости на 8 км/ч потребуется прирост мощности двигателя в 62 кВт или уменьшение СX на 15 %. Коэффициент лобового сопротивления определяют экспериментальным методом путем продувки автомобиля или его модели в аэродинамических трубах. От величины CX вашего автомобиля в прямой зависимости находится количество расходуемого им топлива, а значит и денежная сумма оставляемая вами у бензоколонки. Поэтому конструкторы всех фирм-производителей автомобильной техники постоянно пытаются снизить коэффициент лобового сопротивления своих творений. CX для лучших образцов современных автомобилей составляет величину порядка 0,28 – 0,25. Для примера, величина коэффициента лобового сопротивления "седьмого вазовского классического кирпича" составляет 0,46. Комментарии излишни. Наименьшим же коэффициентом отличаются автомобили, предназначенные для установления рекордов скорости — CX порядка 0,2 – 0,15. Однако аэродинамика влияет не только на скоростные качества автомобиля и расход топлива. В ее компетенцию входят также задачи обеспечения должного уровня курсовой устойчивости, управляемости автомобиля, снижения шумов при его движении. Особое внимание заслуживает влияние аэродинамики на устойчивость и управляемость автомобилем. Это в первую очередь связано с возникновением подъемной силы, которая серьезно влияет на ходовые качества машины — уменьшает силу сцепление колес с дорогой, а в некоторых случаях может быть одной из причин опрокидывания автомобиля. Причина появления подъемной силы у автомобиля кроется в форме его профиля. Длины путей движения воздуха под автомобилем и над ним существенно разняться, следовательно, обтекаемому сверху воздушному потоку приходится проходить его с большей скоростью, нежели потоку движущемуся внизу автомобиля. Далее вступает в действие закон Бернулли, по которому, чем больше скорость, тем меньше давление и наоборот. Поэтому внизу автомобиля создается область повышенного давления, а сверху — пониженного. В результате получаем подъемную силу. Конструкторы стремятся всякими ухищрениями свести ее к нулю, и частенько это им удается. Так, например, у "десятки" — нулевая подъемная сила, а у "восьмерки" существует тенденция к подъему. Избавиться от подъемной силы можно установкой антикрыльев. Они создают дополнительную прижимную силу, хотя несколько и ухудшают общее аэродинамическое сопротивление. Следует заметить, что используются они в основном на гоночных болидах. Не следует путать между собой антикрыло и спойлер. Каждый из них выполняет свою задачу. Спойлеры, которые устанавливаются на серийные модели легковых автомобилей, предназначены в большей степени для лучшей организации движения потока воздуха. На устойчивость автомобиля влияет и характер обтекания кузова воздушными потоками, направленными под определенным углом к его продольной оси. В этом случае результирующая сила лобового сопротивления, приложенная к его центру парусности, который находится на некотором расстоянии от поверхности контакта автомобиля с дорогой, а также смещен от его центра масс, создает разворачивающий момент и крен автомобиля. Ощутить всю прелесть данного явления можно, например, на "Таврии" при движении на высокой скорости в момент прохождения рядом "фуры". Аэродинамические шумы, возникающие при движении автомобиля, свидетельствуют о плохой его аэродинамике или же о ее отсутствии вообще. Генерируются они за счет вибраций элементов кузова в моменты срыва воздушного потока с их поверхности. По наличию или отсутствию шумов на высоких скоростях движения можно определить степень проработки конструкции автомобиля в аэродинамическом смысле. Как Вы понимаете, просчитать такое огромное количество параметров аэродинамики автомобиля невозможно. Поэтому ее созданием и доводкой конструкторы занимаются путем многочисленных продувок в аэродинамических трубах, как моделей автомобилей, так и натурных образцов. Как оценить потери мощности на качение шин? Если дорога имеет твердое, ровное покрытие, а давление в шинах нормальное, то в широком диапазоне скоростей (примерно до 60 – 70% от максимальной) сила сопротивления качению шин почти постоянна и, по данным ряда исследований, составляет 0,013 – 0,015 полного веса машины. На скоростях 150 – 160 км/ч этот коэффициент может увеличиваться в зависимости от особенностей шины, давления в ней, температуры и т. д. до значений 0,019–0,020. Другая составляющая пространства — это воздух. Чем быстрее едешь, тем сильнее его сопротивление. На очень высоких скоростях воздух становится "железным": так, на некоторых боевых самолетах при энергичных маневрах один квадратный метр крыла испытывает нагрузку до нескольких тонн! Сопротивление воздуха — главный враг высоких скоростных показателей. Этот «враг» по-настоящему серьезен, так как резко увеличивается с ростом скорости: увеличили ее втрое – сила сопротивления подскочила в девять раз! Она пропорциональна квадрату скорости. Но чтобы вычислить аэродинамическое сопротивление автомобиля, достаточно знать два важных его показателя. Во-первых, коэффициент аэродинамического сопротивления Cx. Его называют коэффициентом формы – вполне справедливо, так как он указывает именно на совершенство формы. "Це-икс" грузовиков и мотоциклов может достигать 0,6 – 1,0, для легковых машин типа "Жигулей" составляет примерно 0,45, у лучших современных автомобилей — ниже 0,3. Во-вторых, максимальная площадь поперечного сечения машины S (лобовая площадь).
