Введение
За последние 40 лет в автоспорте аэродинамика являлась и до сих пор остается главной темой научных исследований и разработок.
Основная цель аэродинамики в автоспорте – уменьшение нагрузки на шины и улучшение сцепных свойств покрышек с дорожным полотном без увеличения массы. Новые разработки в этой области позволяли автомобилю преодолевать повороты с большей скоростью, чем это было раньше, болид становился стабильнее на трассе и более отзывчивым в управлении. В автоспорте известны случаи, когда из-за плохой и непродуманной аэродинамики автомобиль не просто резко терял управляемость в повороте, а даже взлетал при разгоне на прямой и переворачивался (рис.1).
На сегодня, в автомобильной промышленности очень популярны разработки в области повышения экономичности автомобиля и экологичности. В борьбе за меньшее количество вредных выбросов и увеличение пройденного пути на одном литре топлива выяснилось, что транспортное средство с просчитанной аэродинамической формой потреблял меньше топлива, а, следовательно, обладал лучшими экологическими показателями.
В последние годы особый интерес к аэродинамике стали проявлять компании специализирующиеся на коммерческом транспорте. Одними из первых были компании MAN, Mercedes и немецкая дизайнерская фирма под руководством Луиджи Колани (рис.2). По данным автомобильного гиганта Mercedes новый кузов и прицеп позволяют уменьшить аэродинамическое сопротивление на 18% и сократить расход топлива на 5%. При среднегодовом пробеге 150 000 км это позволяет экономить более 2000 литров топлива в год, а количество вредных выбросов CO2 в атмосферу за этот же промежуток времени сокращается на 5000 кг.
Для меня, как для профессионального гонщика, важно не только снижение выбросов СО2 и хорошая экономичность, но и безопасное управление автомобилем. В этой работе я хочу рассмотреть поведение потоков воздуха, проходящих через антикрыло, а также распределение потоков в задней части автомобиля. Антикрыло - это элемент аэродинамического пакета транспортного средства позволяет качественно повысить уровень управляемости автомобиля на высокой скорости, следовательно, улучшить безопасность. Ярким примером необходимости использования антикрыла служит доступная в сегменте спорткаров - Audi TT. Старые модели этой марки имели очень опасную болезнь – в момент прохождения поворота из-за недостатка сцепных свойств задняя ось автомобиля стремилась обогнать переднюю. Эту проблему удалось решить, оснастив автомобиль задним спойлером (рис.3).
1. Аэродинамика в автомобиле строении
Сегодня специалисты по аэродинамике решают множество задач: они добиваются минимального сопротивления воздуха, отслеживают величину и распределение по автомобилю подъемной силы, так как современные автомобили достигают такой скорости, на которой взлетают самолеты. Инженеры продумывают расположения диффузоров для увеличения прижимной силы, положения воздухозаборников для охлаждения тормозных дисков, определяют уровень шума в салоне и направляют воздушные потоки определенным образом, решая необходимые задачи.
Уже ни для кого не секрет, что самая успешная форма кузова, с точки зрения аэродинамики, это «капля». Силуэты одних из первых машин очень напоминали дирижабли и различные летательные аппараты, поэтому их аэродинамическая форма была хорошо обтекаема, и коэффициент лобового сопротивления был крайне мал (рис.4).
Коэффициент лобового сопротивления современного автомобиля в среднем составляет . Силу аэродинамического сопротивления можно вычислить по формуле:
,
где ρ – плотность воздуха (ρ=1.25 кг/м3)
V – скорость автомобиля
F – лобовая площадь автомобиля и вычисляется:
,
где В и Н – высота и ширина автомобиля соответственно, а коэффициент 0.85 учитывает отличие лобовой проекции автомобиля от прямоугольника.
Исходя из формулы для силы аэродинамического сопротивления, можно сделать вывод, что повлиять на эту силу при заданной скорости можно только изменением коэффициента лобового сопротивления и лобовой площади транспорта F.
1.1 Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля
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.
Выделяют три основных фактора, которые влияют на Cx:
1. Внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
2. Сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова,
3. Сопротивление формы кузова, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него.
2. Исследование разряженности воздуха позади автомобиля трех разных кузовов
Принято считать, что кузов «универсал» является предпочтительней других форм кузова, с точки зрения аэродинамики, а кузов хэтчбек наименее предпочтительным, поскольку самая большая разряженность воздуха именно за автомобилем, обладающим этой формой кузова. Я решил провести собственное исследование и «продул» три разные формы в программе SolidWorks.
Исходные данные занесены в таблицу 1.
Табл. 1 – Исходные данные расчета
Очевидно, что непосредственно за кузовом хетчбека завихрений больше, а значит турбулентность выше. У универсала ниже всех турбулентность позади автомобиля.
Из рисунка 5 можно сделать вывод, что прижимная сила у кузова типа «Хэтчбек» меньше, чем у «Седан». Это говорит о низкой безопасности в управлении на высокой скорости.
Расчет прижимной силы в задней части автомобиля в кузове седан:
Багажник
Заднее стекло:
Крыша:
Суммарная прижимная сила на заднюю часть автомобиля:
Расчет прижимной силы в задней части автомобиля в кузове хэчбек:
Заднее стекло:
Крыша:
Суммарная прижимная сила на заднюю часть автомобиля:
Так как и в мире автоспорта, и повседневной жизни как правило выбирают автомобиль в кузове хэчбек из-за его габаритов, я решил улучшить управляемость автомобиля, путем добавления аэродинамического пакета двух разных типов: гражданский и спортивный, а также изучить поведение потоков воздуха за автомобилем и рассчитать прижимную силу.
3. Собственные разработки аэродинамического пакета
3.1. Аэродиномический пакет городского типа
Это простейший аэродинамический пакет с небольшим диффузором и маленьким выступом на крыше, который выполняет роль антикрыла. Из рисунка 6 наглядно видно, что давление в задней части автомобиля увеличилось, следовательно увеличилась прижимная сила и управляемость автомобиля стала лучше.
Однако, потоки воздуха позади автомобиля нестабильны и наблюдается сильная турбулентность. Это влияет на достижение максимальной скорости, которая в услових города не важна, а также на загрязнение заднего окна. Последняя проблема решается установкой заднего стеклоочистителя.
3.2 Аэродинамический пакет спортивного типа
Благодаря этому аэродинамическому пакету можно добиться гораздо большей прижимной силы, а также уменьшить срыв воздушных потоков и турбулентность. Этот аэродинмический пакет можно доработать, установив на крышку багажника дополнительно маленький спойлер.
Полнстью избежать турбулентности позади автомобиля с таким типом кузова не получится, поэтому я предлагаю вывести выхлопные трубы на верх к бамперу автомобиля. Турбулентность позади автомобиля создает разряжение, которое можно использовать с целью увеличения мощности двигателя. Благодаря более низкому давлению выхлопные газы будут высасываться из двигателя, не смотря на потери при повороте отработавших газов на 90 градусов.
4. Выводы
Аэродинамика всегда будет неотьемлемой частью автомобильного мира, поэтому эта наука имеет большие перспективы в развитии. Она решает множество задач связанных с экономичностью и экологичностью, а также оказывает непосредственное влияние на управление транспортным средством.
Литература
1. Тяговый расчет автомобиля/А.В.Бойков, Г.П.Поршнев, В.Б.Шеломов. – Учебное пособие, Издательство СПбГТУ. – Санкт-Петербург 2001 г.
2. «Карлайнс» Автомобильный интернет-журнал, http://carlines.ru
3. «Ф1Ньюс», Новости фомулы один, http://f1news.ru
4. Аэродинамика болида формулы студент/Г.Амберг. – НИРС, свободная библиотека научных работ Европы и Америки