Довідник з аеродинаміки

Найбільш важливі фактори, що впливають на повітряне опір автомобіля

Низький опір повітря допомагає знизити витрату палива. Однак в цьому відношенні є величезні можливості для розвитку. Якщо, звичайно, фахівці з аеродинаміки згодні з думкою конструкторів.

«Аеродинаміка для тих, хто не вміє робити мотоцикли». Ці слова були вимовлені Енцо Феррарі в шістдесятих роках і наочно демонструють ставлення багатьох тодішніх дизайнерів до цієї технологічної стороні автомобіля. Однак тільки десять років потому трапився перша нафтова криза, який докорінно змінив всю їх систему цінностей. Часи, коли всі сили опору при русі автомобіля, і особливо ті, які виникають при його проходженні через повітряні прошарки, долаються великими технічними рішеннями, такими як збільшення робочого об'єму і потужності двигунів, незалежно від кількості споживаного палива, вони йдуть, і інженери починають шукати більш ефективні способи досягнення своїх цілей.

На даний момент технологічний фактор аеродинаміки покритий товстим шаром пилу забуття, але для конструкторів це не новина. Історія технологій показує, що навіть в 77-і роки просунуті і винахідливі уми, такі як у німця Едмунда Румплера і угорця Пауля спека (який створив культову Tatra TXNUMX), формували обтічні поверхні і закладали основи аеродинамічного підходу до дизайну кузовів автомобілів. За ними пішла друга хвиля фахівців з аеродинаміки, таких як барон Рейнхард фон Кеніх-Факсенфельд і Вунібальдом Кам, які розвинули свої ідеї в XNUMX-х роках.

Всім ясно, що зі збільшенням швидкості приходить межа, вище за який опір повітря стає критичним фактором для водіння автомобіля. Створення аеродинамічно оптимізованих форм може значно змістити цю межу вгору і виражається так званим коефіцієнтом витрати Cx, оскільки значення 1,05 має куб, перевернутий перпендикулярно повітряному потоку (якщо він повертається на 45 градусів уздовж своєї осі, так що край у напрямку проти потоку зменшується до 0,80). Однак цей коефіцієнт – лише одна частина рівняння опору повітря – необхідно додати розмір лобової ділянки автомобіля (A) як важливий елемент. Першим із завдань фахівців з аеродинаміки є створення чистих, аеродинамічно ефективних поверхонь (факторів, яких, як ми побачимо, багато в автомобілі), що зрештою призводить до нижчого коефіцієнта потоку. Для вимірювання останніх потрібна аеродинамічна труба, яка є дорогою та надзвичайно складною спорудою – прикладом цього є тунель, введений в експлуатацію у 2009 році. BMW, що обійшлося компанії у 170 млн євро. Найважливішим компонентом у ньому є не гігантський вентилятор, який споживає стільки електроенергії, що йому потрібна окрема трансформаторна підстанція, а точна роликова стійка, яка вимірює всі сили та моменти, які струмінь повітря надає на автомобіль. Його завдання – оцінити всю взаємодію автомобіля з повітряними потоками та допомогти фахівцям вивчити кожну деталь та змінити її так, щоб не лише ефективно у повітряному потоці, а й відповідно до побажань конструкторів. . В принципі, основні компоненти опору, з якими стикається автомобіль, виникають, коли повітря перед ним стискається і зміщується, і що дуже важливо через сильну турбулентність позаду його задньої частини. Там утворюється зона низького тиску, яка має тенденцію тягнути машину, що у свою чергу поєднується з сильним впливом вихору, який фахівці з аеродинаміки також називають «мертвим збудженням». З логічних причин за моделями універсал вищий за рівень розрідження, внаслідок чого погіршується коефіцієнт витрати.

Фактори аеродинамічного опору

Останнє залежить не тільки від таких факторів, як загальна форма автомобіля, а й від конкретних деталей та поверхонь. На практиці загальна форма та пропорції сучасних автомобілів становлять 40 відсотків від загального опору повітря, чверть якого визначається структурою поверхні об'єкта та такими елементами, як дзеркала, ліхтарі, номерний знак та антена. 10% опору повітря пов'язане з потоком, що проходить через вентиляційні отвори до гальм, двигуна та трансмісії. 20% - це результат вихору в різних конструкціях підлоги та підвіски, тобто всього, що відбувається під автомобілем. І що найцікавіше – 30% опору повітря обумовлено вихорами, що створюються навколо коліс та крил. Практична демонстрація цього явища ясно показує це коефіцієнт потоку з 0,28 на автомобіль знижується до 0,18, коли колеса зняті, а отвори в крилах закриті. Невипадково всі автомобілі з напрочуд низькою витратою – наприклад, перший Insight of Honda та електромобіль GM EV1 – із прихованими задніми крилами. Загальна аеродинамічна форма і закрита передня частина через те, що електродвигун не вимагає великої кількості повітря, що охолоджує, дозволили конструкторам GM розробити модель EV1 з коефіцієнтом витрати всього 0,195. У Tesla Model 3 Сх 0,21. Для зменшення завихренності коліс у автомобілях із двигунами внутрішнього згоряння використовуються т.зв. «Повітряні завіси» у вигляді тонкого вертикального потоку повітря, що спрямовується з отвору в передньому бампері, колеса, що обдуває, і стабілізує вихори, потік до двигуна обмежується аеродинамічними жалюзі, а днище повністю закрите.

Чим нижче значення сил, що вимірюються роликовою стійкою, тим менше Cx. Стандартно вона вимірюється при швидкості 140 км/год - значення 0,30, наприклад, означає, що 30 відсотків повітря, яким проходить автомобіль, прискорюється до швидкості його руху. Що стосується передньої частини, то її зчитування вимагає набагато простішої процедури – для цього за допомогою лазера окреслюються зовнішні контури автомобіля при погляді спереду та обчислюється замкнута площа квадратних метрів. Потім його множать на коефіцієнт витрати, щоб отримати загальний опір повітря автомобіля у квадратних метрах.

Повертаючись до історичного плану нашого аеродинамічного оповідання, ми виявляємо, що створення стандартизованого циклу вимірювання витрати палива (NEFZ) в 1996 фактично відіграло негативну роль в аеродинамічній еволюції автомобілів (яка значно просунулася в 7-х роках). ), тому що аеродинамічний фактор має незначний вплив через короткий період високошвидкісного руху. Незважаючи на зниження коефіцієнта витрати з роками, збільшення габаритів автомобілів кожного класу призводить до збільшення площі лобової частини і, отже, збільшення опору повітря. Такі автомобілі, як VW Golf, Opel Astra і BMW 90 серії мали більш високий опір повітря, ніж у їх попередників у 90-х роках. Цій тенденції сприяють вражаючі моделі позашляховиків з їх великою передньою площею та обтічністю, що погіршується. Цей тип автомобілів критикували в основному за велику вагу, але на практиці цей фактор набуває меншого відносного значення зі збільшенням швидкості - при русі за містом зі швидкістю близько 50 км/год частка опору повітря становить близько 80 відсотків, на швидкостях шосе воно збільшується до XNUMX відсотків від загального спротиву, з яким стикається автомобіль.

Аеродинамічна труба

Інший приклад ролі опору повітря в характеристиках автомобіля – типова модель «Розумного міста». Двомісний автомобіль може бути маневреним і маневреним на міських вулицях, але його короткий і пропорційний кузов вкрай неефективний з аеродинамічної точки зору. На тлі невеликої ваги опір повітря стає все більш важливим елементом, і зі Smart починає сильно впливати на швидкості 50 км/год. Не дивно, що незважаючи на легку конструкцію, він не виправдав очікувань щодо низької вартості.

Однак, незважаючи на недоліки Smart, ставлення материнської компанії Mercedes до аеродинаміки – приклад методичного, послідовного та активного підходу до процесу створення ефектних форм. Можна стверджувати, що результати інвестицій в аеродинамічні труби і наполегливу працю в цій галузі особливо помітні в цій компанії. Особливо яскравим прикладом ефекту цього процесу є той факт, що нинішній S-клас (Сх 0,24) має менший опір повітряним шарам, ніж Golf VII (0,28). У процесі пошуку більшого внутрішнього простору форма компактної моделі придбала досить велику фронтальну площу, а коефіцієнт витрати гірший, ніж у S-класу через меншу довжину, що не дозволяє створювати обтічні поверхні та багато іншого. - Вже за рахунок різкого переходу ззаду, що сприяє утворенню вихорів. Однак VW непохитний у тому, що наступне покоління Golf матиме значно менший опір повітря і матиме нижчу та обтічну форму. Найнижчий зареєстрований коефіцієнт витрати 0,22 на автомобіль із двигуном внутрішнього згоряння у Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

перевага електромобілів

Ще одним прикладом важливості аеродинамічної форми на тлі ваги є сучасні гібридні моделі і тим більше електромобілі. У разі Prius, наприклад, необхідність в конструкції з високою аеродинамікою також продиктована тим фактом, що зі збільшенням швидкості ефективність гібридної силової установки різко знижується. У випадку з електромобілями вкрай важливо все, що пов'язано зі збільшенням пробігу в електричному режимі. На думку експертів, зниження ваги на 100 кг збільшить пробіг автомобіля всього на кілька кілометрів, але, з іншого боку, першорядне значення для електромобіля має аеродинаміка.

По-перше, тому, що велика маса цих автомобілів дозволяє їм повертати частину енергії, витраченої на рекуперацію, а по-друге, тому що високий момент двигуна, що крутить, дозволяє компенсувати вплив ваги при запуску, а його ефективність знижується на високих швидкостях і високих швидкостях. Крім того, силова електроніка та електродвигун потребують меншої кількості охолоджуючого повітря, що дозволяє зменшити отвір у передній частині автомобіля, що, як ми вже зазначили, є основною причиною погіршення обтікання кузова. Ще одним елементом мотивації дизайнерів до створення більш аеродинамічно ефективних форм у сучасних гібридних моделях, що підключаються, є режим руху без прискорення тільки за допомогою електродвигуна, або так званий. вітрильний спорт. На відміну від вітрильних човнів, звідки прийшов цей термін і де вітер повинен рухати човен, в автомобілях пробіг з електрикою збільшиться, якщо у автомобіля буде менший опір повітря. Створення аеродинамічно оптимізованої форми – економічний спосіб знизити витрату палива.

Текст: Георгій Колев

Коефіцієнти витрати деяких відомих автомобілів:

Mercedes Simplex

Виробництво 1904 р Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Виробництво 1921 р Cx = 0,28

Модель Форд Т

Виробництво 1927 р Cx = 0,70

Експериментальна модель Кам

Виробництво 1938 р Cx = 0,36

Мерседес рекордний автомобіль

Виробництво 1938 р Cx = 0,12

Автобус VW

Виробництво 1950 р Cx = 0,44

VW "черепаха"

Виробництво 1951 р Cx = 0,40

Панхард Діна

Виробництво 1954 р Cx = 0,26

Porsche 356

Виробництво 1957 р Cx = 0,36

MG EX 181

Виробництво 1957 р Cx = 0,15

Citroen DS 19

Виробництво 1963 р Cx = 0,33

Принц спорту NSU

Виробництво 1966 р Cx = 0,38

Mercedes C 111

Виробництво 1970 р Cx = 0,29

Фургон Volvo 245

Виробництво 1975 р Cx = 0,47

Audi 100

Виробництво 1983 р Cx = 0,31

Мерседес W 124

Виробництво 1985 р Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Виробництво 1997 р Cx = 0,29