Аэродинамика автомобиля

По мере роста стоимости бензина производители автомобилей все больше и больше заботятся о том, чтобы их автомобили были экономичными.

Аэродинамические характеристики автомобиля

Одним из аспектов конструкции автомобиля, который играет роль в экономии топлива, является аэродинамическая эффективность, другими словами, обеспечение того, чтобы автомобиль встречал как можно меньше сопротивления со стороны воздуха, через который он движется. Чем более он аэродинамически эффективен, тем меньше топлива он будет использовать для движения с любой заданной скоростью. Чем быстрее движется автомобиль, тем важнее свести к минимуму сопротивление воздуха — лобовое сопротивление.

Коэффициент лобового сопротивления

Аэродинамическая эффективность формы автомобиля измеряется его коэффициентом лобового сопротивления (обычно известным как показатель Cd). Например, плоская пластина, расположенная под прямым углом к ​​воздушному потоку, имеет Cd 1,25, в то время как наиболее эффективные формы серийных автомобилей на данный момент имеют Cd около 0,28.

Однако эта цифра Cd сама по себе не может быть использована для расчета аэродинамического сопротивления автомобиля, поскольку она не учитывает площадь лобовой части автомобиля. спереди.

Полноразмерный автомобиль и масштабная модель одного и того же объекта будут иметь одинаковую цифру Cd, но более крупной версии потребуется гораздо больше энергии, чтобы двигаться на высокой скорости, потому что ее лобовая площадь больше.

Становится скользко

Акцентируя внимание на аэродинамике, производители автомобилей стараются сделать каждую последующую модель более «скользкой» — аэродинамически — чем предыдущая. Взяв в качестве примера Jaguar XJ6, Cd новой модели составляет 0,38 по сравнению с 0,44 у предыдущей модели. старая серия 3. Однако лобовая площадь новой модели больше, чем у старой — 22,17 кв. м по сравнению с 21,3 у старшей. Таким образом, новый XJ6 имеет CdA 8,42 (0,38 x 22,17) по сравнению с 9,37 для серии 3. Это означает, что новому Jaguar требуется меньше энергии для движения на любой конкретной скорости, и при той же мощности он достигнет более высокого предела. скорость.

По этой причине важной величиной является CdA (коэффициент лобового сопротивления, умноженный на лобовую площадь), который дает общее значение сопротивления, действующего на тело. Таким образом, если вы сравниваете две машины, вы должны сравнивать показатель CdA, а не Cd.

Аэродинамические трубы

Производители автомобилей используют аэродинамические трубы, чтобы увидеть, как ведут себя прототипы своих автомобилей. В аэродинамической трубе автомобиль крепится вниз, и поток воздуха обдувает его, чтобы имитировать условия, в которых автомобиль будет двигаться вперед.

Автомобиль подключен к приборам, которые регистрируют, какая прижимная сила или подъемная сила создается на каждом конце автомобиля. Поток воздуха, проходящий мимо автомобиля, можно сделать видимым, если прикрепить к его кузову небольшие пучки шерсти или пустить мимо него струю дыма.

В обоих случаях путь ветра, обтекающего машину, можно определить по тому, как ведет себя шерсть или дым. Дым также показывает поведение воздуха перед автомобилем и позади него. Шерстяные пучки располагаются вдоль линий воздушного потока над телом, но не могут показать поведение воздуха спереди или сзади автомобиля.

Модель или автомобиль в аэродинамической трубе можно поворачивать под разными углами к потоку воздуха, чтобы инженеры могли видеть, как форма кузова ведет себя при боковом ветре.

Устранение нестабильности

Центр давления — это точка на корпусе автомобиля, где действует ветер. Относительное расположение центра давления автомобиля и его центра тяжести (точки внутри автомобиля, через которую эффективно действует гравитация) имеют решающее значение для определения устойчивости автомобиля. Например, если центр давления находится далеко впереди центр тяжести, боковой ветер может отклонить автомобиль от курса (справа). Автомобиль наиболее устойчив, когда центр давления находится немного впереди центра тяжести, как в случае с переднеприводным автомобилем, в котором большая часть веса приходится на переднюю часть. Относительная высота этих двух факторов также важна. Если центр давления и центр тяжести находятся высоко над автомобилем, то боковой ветер может склонить автомобиль к крену и, в крайних случаях, перевернуться.

Перетаскивание и скорость

Поскольку автомобили с годами стали быстрее, их аэродинамическая эффективность стала более важной, поскольку количество энергии, необходимой для движения автомобиля на высокой скорости, возрастает пропорционально кубу скорости. Чем быстрее вы едете, тем больше энергии требуется, чтобы двигаться еще быстрее. Например, если двухлитровый Ford Sierra мощностью 100 л. сопротивление качению. Кубический корень из 2 (из 200 л.с.) равен 1,26, поэтому второй автомобиль должен разогнаться до 115x 1,26 =145 миль в час — примерно фактическая максимальная скорость 200-сильного Sierra Cosworth.

Уменьшение сопротивления

После того, как автомобиль установлен в аэродинамической трубе, его сопротивление измеряется величиной силы, которую автомобиль оказывает на закрепленные на якоре колеса, когда ветер обдувает его. По мере внесения изменений можно измерять и записывать влияние на сопротивление.

Обычно дизайнеры автомобиля производят прототип, который выглядит так, будто легко скользит по воздуху, но как только добавляются такие элементы, как воздухозаборники и дверные ручки, эффективность падает.

Некоторые функции, помогающие сгладить воздушный поток, можно увидеть на таких автомобилях, как Vauxhall Astra. У Astra низкий, плавно покатый нос, чтобы прорезать воздух, ветровое стекло почти на одном уровне с окружающим кузовом, чтобы не нарушать поток воздуха, боковые окна также почти на одном уровне с кузовом и колёсные колпаки с минимумом контуров. внимание к таким деталям, как углубление дверных ручек и обтекаемая форма наружных зеркал, помогает уменьшить аэродинамическое сопротивление, позволяя воздуху течь более плавно и снижая тенденцию к образованию завихрений.

Другие методы, используемые в современных аэродинамических автомобилях, включают утопление стеклоочистителей под панелью люка, когда они не используются, наличие выдвижных фар, которые при выключении прилегают к носу автомобиля, и устранение выступающих желобов по краям автомобиля. крыша. При тщательном внимании к деталям воздушный поток можно даже настроить так, чтобы линзы задних фонарей оставались чистыми.

Использование аэродинамических труб для исследования хорошего воздушного потока

Хороший воздушный поток означает, что автомобиль скользит по атмосфере с минимальными помехами, оставаясь при этом стабильным. Для устойчивости необходима определенная прижимная сила на обоих концах кузова, но в идеале любая турбулентность должна происходить за задней частью автомобиля — это также помогает поддерживать чистоту.

В аэродинамических трубах используется большой вентилятор с приводом от двигателя, который всасывает поток воздуха мимо автомобиля, чтобы имитировать движение по неподвижному воздуху на скорости. Автомобиль стоит на чувствительных к давлению подушках в середине туннеля, а смотровой экран сбоку туннеля позволяет инженерам видеть, что происходит.

Практичность

Когда автомобиль разрабатывается для производства, часть аэродинамической чистоты оригинальной конструкции обычно теряется. Иногда изменения вносятся по соображениям стоимости. Например, установка гладкого днища может повысить эффективность формы автомобиля, но производство такой панели потребует дополнительных затрат и может затруднить доступ к таким компонентам, как коробка передач.

В других случаях практические соображения, такие как необходимость установки более широких шин, могут сделать автомобиль менее аэродинамическим, чем прототип с тонкими шинами. Если автомобиль будет производиться серийно, его продажи могут снизиться, если он включает в себя слишком незнакомые функции.

Примером этого являются обтекаемые (обтекаемые) передние колеса концепт-кара Ford Probe. Sierra, которая очень похожа на Probe, но без обтекаемых передних колес, продавалась медленно, пока публика не привыкла к ней. Если бы у него были обтекаемые передние колеса, продажи могли бы еще больше снизиться.

Стабильность

Относительно легко сконструировать автомобиль, который будет скользить по воздуху прямолинейно, когда нет ветра, но труднее обеспечить устойчивость автомобиля, когда на него дует ветер сбоку или когда он входит в поворот на высокой скорости, что создает боковую силу автомобиля.

На боку автомобиля есть теоретическая точка, называемая центром давления, где эффективно действует давление ветра. Уделяя внимание центру давления и балансу сил, инженеры могут проектировать более устойчивые автомобили.

Например, если бы центр давления находился значительно выше центра тяжести автомобиля, боковой ветер заставил бы автомобиль катиться, а также пытаться оттолкнуть его от линии. Если центр давления находится далеко впереди центра тяжести автомобиля, сильный и порывистый боковой ветер заставит автомобиль попытаться развернуться, чтобы центр тяжести оказался впереди.

Однако положение центра давления смещается при изменении скорости автомобиля, а в некоторых случаях может даже сместиться так, что он оказывается перед самим автомобилем. Решение состоит, во-первых, в том, чтобы центр тяжести автомобиля был смещен далеко вперед. Это одна из причин популярности переднеприводной компоновки со смещением веса вперед.

Центр давления также имеет тенденцию смещаться назад, если большая часть кузова находится ближе к задней части автомобиля. У некоторых гоночных автомобилей прошлого были хвостовые плавники, которые улучшали их устойчивость на скорости за счет увеличения площади сзади. Низкая наклонная линия капота, обеспечивающая хорошее проникновение воздуха, также помогает уменьшить боковую часть передней части автомобиля.