Справочник по аэродинамике

Наиболее важные факторы, влияющие на воздушное сопротивление автомобиля

Низкое сопротивление воздуха помогает снизить расход топлива. Однако в этом отношении есть огромные возможности для развития. Если, конечно, специалисты по аэродинамике согласны с мнением конструкторов.

«Аэродинамика для тех, кто не умеет делать мотоциклы». Эти слова были произнесены Энцо Феррари в шестидесятых годах и наглядно демонстрируют отношение многих тогдашних дизайнеров к этой технологической стороне автомобиля. Однако только десять лет спустя случился первый нефтяной кризис, который коренным образом изменил всю их систему ценностей. Времена, когда все силы сопротивления при движении автомобиля, и особенно те, которые возникают при его прохождении через воздушные слои, преодолеваются обширными техническими решениями, такими как увеличение рабочего объема и мощности двигателей, независимо от количества потребляемого топлива, они уходят, и инженеры начинают искать более эффективные способы достижения своих целей.

На данный момент технологический фактор аэродинамики покрыт толстым слоем пыли забвения, но для конструкторов это не новость. История технологий показывает, что даже в 77-е годы продвинутые и изобретательные умы, такие как у немца Эдмунда Румплера и венгра Пауля Жараи (создавшего культовую Tatra TXNUMX), формировали обтекаемые поверхности и закладывали основы аэродинамического подхода к дизайну кузовов автомобилей. За ними последовала вторая волна специалистов по аэродинамике, таких как барон Рейнхард фон Кених-Факсенфельд и Вунибальд Кам, которые развили свои идеи в XNUMX-х годах.

Всем ясно, что с увеличением скорости приходит предел, выше которого сопротивление воздуха становится критическим фактором для вождения автомобиля. Создание аэродинамически оптимизированных форм может значительно сместить этот предел вверх и выражается так называемым коэффициентом расхода Cx, поскольку значение 1,05 имеет куб, перевернутый перпендикулярно воздушному потоку (если он поворачивается на 45 градусов вдоль своей оси, так что край в направлении против потока уменьшается до 0,80). Однако этот коэффициент – только одна часть уравнения сопротивления воздуха – необходимо добавить размер лобовой области автомобиля (A) как важный элемент. Первой из задач специалистов по аэродинамике является создание чистых, аэродинамически эффективных поверхностей (факторов, которых, как мы увидим, много в автомобиле), что в конечном итоге приводит к более низкому коэффициенту потока. Для измерения последних требуется аэродинамическая труба, которая является дорогостоящим и чрезвычайно сложным сооружением – примером этого является туннель, введенный в эксплуатацию в 2009 году. BMW, что обошлось компании в 170 млн евро. Самым важным компонентом в нем является не гигантский вентилятор, который потребляет столько электроэнергии, что ему требуется отдельная трансформаторная подстанция, а точная роликовая стойка, измеряющая все силы и моменты, которые струя воздуха оказывает на автомобиль. Его задача – оценить все взаимодействие автомобиля с воздушными потоками и помочь специалистам изучить каждую деталь и изменить ее так, чтобы не только эффективно в воздушном потоке, но и в соответствии с пожеланиями конструкторов. . В принципе, основные компоненты сопротивления, с которыми сталкивается автомобиль, возникают, когда воздух перед ним сжимается и смещается, и – что очень важно – из-за сильной турбулентности позади его задней части. Там образуется зона низкого давления, которая имеет тенденцию тянуть машину, что в свою очередь смешивается с сильным влиянием вихря, которое специалисты по аэродинамике также называют «мертвым возбуждением». По логическим причинам за моделями универсал выше уровень разрежения, в результате чего ухудшается коэффициент расхода.

Факторы аэродинамического сопротивления

Последнее зависит не только от таких факторов, как общая форма автомобиля, но и от конкретных деталей и поверхностей. На практике общая форма и пропорции современных автомобилей составляют 40 процентов от общего сопротивления воздуха, четверть которого определяется структурой поверхности объекта и такими элементами, как зеркала, фонари, номерной знак и антенна. 10% сопротивления воздуха связано с потоком, проходящим через вентиляционные отверстия к тормозам, двигателю и трансмиссии. 20% – это результат вихря в различных конструкциях пола и подвески, то есть всего, что происходит под автомобилем. И что самое интересное – 30% сопротивления воздуха обусловлено вихрями, создаваемыми вокруг колес и крыльев. Практическая демонстрация этого явления ясно показывает это – коэффициент потока с 0,28 на автомобиль снижается до 0,18, когда колеса сняты, а отверстия в крыльях закрыты. Неслучайно все автомобили с удивительно низким расходом – например, первый Insight of Honda и электромобиль GM EV1 – со скрытыми задними крыльями. Общая аэродинамическая форма и закрытая передняя часть из-за того, что электродвигатель не требует большого количества охлаждающего воздуха, позволили конструкторам GM разработать модель EV1 с коэффициентом расхода всего 0,195. У Tesla Model 3 Сх 0,21. Для уменьшения завихренности колес в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания используются т.н. «Воздушные завесы» в виде тонкого вертикального потока воздуха, направляемого из отверстия в переднем бампере, обдувающего колеса и стабилизирующего вихри, поток к двигателю ограничивается аэродинамическими жалюзи, а днище полностью закрыто.

Чем ниже значения сил, измеряемых роликовой стойкой, тем меньше Cx. Стандартно она измеряется при скорости 140 км / ч – значение 0,30, например, означает, что 30 процентов воздуха, по которому проходит автомобиль, ускоряется до скорости его движения. Что касается передней части, то ее считывание требует гораздо более простой процедуры – для этого с помощью лазера очерчиваются внешние контуры автомобиля при взгляде спереди и вычисляется замкнутая площадь в квадратных метрах. Затем его умножают на коэффициент расхода, чтобы получить общее сопротивление воздуха автомобиля в квадратных метрах.

Возвращаясь к историческому плану нашего аэродинамического повествования, мы обнаруживаем, что создание стандартизированного цикла измерения расхода топлива (NEFZ) в 1996 году фактически сыграло отрицательную роль в аэродинамической эволюции автомобилей (которая значительно продвинулась в XNUMX-х годах). ), потому что аэродинамический фактор оказывает незначительное влияние из-за короткого периода высокоскоростного движения. Несмотря на снижение коэффициента расхода с годами, увеличение габаритов автомобилей каждого класса приводит к увеличению площади лобовой части и, следовательно, к увеличению сопротивления воздуха. Такие автомобили, как VW Golf, Opel У Astra и BMW 7 серии было более высокое сопротивление воздуха, чем у их предшественников в 90-х годах. Этой тенденции способствуют впечатляющие модели внедорожников с их большой передней площадью и ухудшающейся обтекаемостью. Этот тип автомобилей критиковали в основном за большой вес, но на практике этот фактор приобретает меньшее относительное значение с увеличением скорости – при движении за городом со скоростью около 90 км / ч доля сопротивления воздуха составляет около 50 процентов, на скоростях шоссе оно увеличивается до 80 процентов от общего сопротивления, с которым сталкивается автомобиль.

Аэродинамическая труба

Другой пример роли сопротивления воздуха в характеристиках автомобиля – типичная модель «Умного города». Двухместный автомобиль может быть маневренным и маневренным на городских улицах, но его короткий и пропорциональный кузов крайне неэффективен с аэродинамической точки зрения. На фоне небольшого веса сопротивление воздуха становится все более важным элементом, и со Smart начинает оказывать сильное влияние на скорости 50 км / ч. Неудивительно, что несмотря на легкую конструкцию, он не оправдал ожиданий относительно низкой стоимости.

Однако, несмотря на недостатки Smart, отношение материнской компании Mercedes в аэродинамике – пример методичного, последовательного и активного подхода к процессу создания эффектных форм. Можно утверждать, что результаты инвестиций в аэродинамические трубы и упорный труд в этой области особенно заметны в этой компании. Особенно ярким примером эффекта этого процесса является тот факт, что нынешний S-класс (Сх 0,24) имеет меньшее сопротивление воздушным слоям, чем Golf VII (0,28). В процессе поиска большего внутреннего пространства форма компактной модели приобрела довольно большую фронтальную площадь, а коэффициент расхода хуже, чем у S-класса из-за меньшей длины, что не позволяет создавать обтекаемые поверхности и многое другое. – уже за счет резкого перехода сзади, способствующего образованию вихрей. Однако VW непреклонен в том, что следующее поколение Golf будет иметь значительно меньшее сопротивление воздуха и будет иметь более низкую и обтекаемую форму. Самый низкий зарегистрированный коэффициент расхода 0,22 на автомобиль с двигателем внутреннего сгорания у Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Преимущество электромобилей

Еще одним примером важности аэродинамической формы на фоне веса являются современные гибридные модели и тем более электромобили. В случае Prius, например, необходимость в конструкции с высокой аэродинамикой также продиктована тем фактом, что с увеличением скорости эффективность гибридной силовой установки резко снижается. В случае с электромобилями крайне важно все, что связано с увеличением пробега в электрическом режиме. По мнению экспертов, снижение веса на 100 кг увеличит пробег автомобиля всего на несколько километров, но, с другой стороны, первостепенное значение для электромобиля имеет аэродинамика.

Во-первых, потому, что большая масса этих автомобилей позволяет им возвращать часть энергии, израсходованной на рекуперацию, а во-вторых, потому что высокий крутящий момент электродвигателя позволяет компенсировать влияние веса при запуске, а его эффективность снижается на высоких скоростях и высоких скоростях. Кроме того, силовая электроника и электродвигатель нуждаются в меньшем количестве охлаждающего воздуха, что позволяет уменьшить проем в передней части автомобиля, что, как мы уже отметили, является основной причиной ухудшения обтекания кузова. Еще одним элементом мотивации дизайнеров к созданию более аэродинамически эффективных форм в современных подключаемых гибридных моделях является режим движения без ускорения только с помощью электродвигателя, или так называемый. парусный спорт. В отличие от парусных лодок, откуда пришел этот термин и где ветер должен двигать лодку, в автомобилях пробег с электричеством увеличится, если у автомобиля будет меньшее сопротивление воздуха. Создание аэродинамически оптимизированной формы – самый экономичный способ снизить расход топлива.

Текст: Георгий Колев

Коэффициенты расхода некоторых известных автомобилей:

Мерседес Симплекс

Производство 1904 г., Cx = 1,05

Румплер Тропфенваген

Производство 1921 г., Cx = 0,28

Ford Модель T

Производство 1927 г., Cx = 0,70

Экспериментальная модель Кам

Производство 1938 г., Cx = 0,36

Мерседес рекордный автомобиль

Производство 1938 г., Cx = 0,12

VW Bus

Производство 1950 г., Cx = 0,44

VW “черепаха”

Производство 1951 г., Cx = 0,40

Панхард Дина

Производство 1954 г., Cx = 0,26

Porsche 356

Производство 1957 г., Cx = 0,36

MG EX 181

Производство 1957 г., Cx = 0,15

Citroën DS 19

Производство 1963 г., Cx = 0,33

НГУ Спорт Принц

Производство 1966 г., Cx = 0,38

Мерседес C 111

Производство 1970 г., Cx = 0,29

Volvo 245 Ван

Производство 1975 г., Cx = 0,47

Audi 100

Производство 1983 г., Cx = 0,31

Мерседес W 124

Производство 1985 г., Cx = 0,29

Toyota Приус 1

Производство 1997 г., Cx = 0,29