В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели.
При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.
Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.
Лобовое сопротивление и коэффициент Сх
По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.
Движение потоков воздуха
За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.
Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.
Если вам, в данный момент, требуется максимальная экономия топлива, необходимо придерживаться постоянной скорости около 60 км/ч. В этом режиме движения расход будет минимальным даже у авто с большим Cx.
Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.
Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.
Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.
Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.
Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.
Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.
Аэродинамическая труба
Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.
Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:
- Формой кузова;
- Трением потока о поверхности при обтекании;
- Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.
Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.
Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.
Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19
Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.
Citroën GS
Вот еще один автомобиль, который при первом взгляде также не внушает доверия в аэродинамическое чудо, – это Citroën GS. На его премьере в 1970 году производитель объявил, что машина имеет коэффициент сопротивления воздуха всего 0,31 cd.
Семейный седан имел много места в комфортном салоне и оснащался гидропневматической подвеской. Было выпущено более 2,5 миллиона автомобилей. Выпуск продолжался до 1986 года.
Подъемная и прижимная сила
В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.
Действующие подъемная и прижимная силы
Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.
Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.
Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.
Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.
При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.
Уменьшение завихрений при установке спойлера
Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.
Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.
Зачем это нужно
Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:
- рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
- обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
- продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
- стремятся понизить уровень шумов в салоне,
- оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.
Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.
Что ещё влияет на аэродинамику?
Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.
Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости
К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.
Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.
Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.
Citroën DS
Впервые представленный на Парижском автосалоне в 1955 году, Citroën DS выглядел для многих посетителей как космический корабль пришельцев, приземлившийся на Землю.
Чтобы подтвердить уникальность автомобиля, в дополнение к инновационной технологии (машина имела гидропневматическую подвеску!) дизайнеры создали модели футуристический аэродинамический дизайн, коэффициент сопротивления воздуха которого составлял 0,37. Это выдающийся результат по сравнению с конкурентами того времени.
EV1 General Motors
Хотя компания General Motors официально и не продавала свою модель EV1, а только сдавала в аренду, этот автомобиль написал в автопромышленности свою историю. Этот автомобиль вместил в себя как и разочарования (проект был сырой, и машина была ненадежна), так и позитив. Этот автомобиль, начиная с 1996 года, стал первым электромобилем в автопромышленности. Всего было произведено 1000 автомобилей.
Смотрите также: 11 GIF фото которые демонстрируют как работает аэродинамика в автомобилях
Машина оснащалась простыми свинцовыми или никель-металлогидридными батареями. Но, несмотря на это, запас хода у электрического транспортного средства был потрясающим – 230 км. И все это благодаря конструкции кузова, который имел невероятный коэффициент сопротивления воздуха, составляющий всего 0,19 cd.
Mercedes-Benz А-Класс седан
К концу нынешнего десятилетия (на данный момент) самым аэродинамическим автомобилем на рынке является седан Mercedes A-класса (модельный ряд 2022 года) с исключительной аэродинамикой (коэффициент 0,22 cd).
Это стало возможным благодаря комплексной герметизации кузова автомобиля (включая герметизацию фар), включая полную герметизацию днища автомобиля. В том числе полностью изолирован моторный отсек, детали задней подвески и многое другое. Спойлеры колес сзади и спереди были специально оптимизированы, чтобы колеса могли вращаться с минимальными потерями.
ALFA 40-60 HP Aerodinamica Castagna
Первым в истории шоу-каром и первой попыткой применить принципы аэродинамики к автомобилям был аэродинамический автомобиль ALFA, выпущенный в 1914 году (в те годы марка еще не называлась Alfa Romeo).
Смотрите также: Необычные автомобили, которые приехали на техосмотр
Автомобиль был создан итальянской компанией Carrozzeria Castagna для графа Марио Рикотти. Кузов машины был выполнен в виде капли и опирался на классическую раму.
Благодаря алюминиевому кузову и отсутствию капота максимальная скорость этого концепта составляла 120 км/ч. Когда машина пошла в серийный выпуск, скорость уже составляла 139 км/ч. К сожалению, точное значение аэродинамического сопротивления воздуха этого автомобиля неизвестно.
Соперник ветра
Вот с каким противником автомобиль имеет дело. Приопустим стекло, подставим ладонь ветру — ощутимо давит? Если менять угол, под которым ладонь атакует ветер, можно обнаружить и вертикальную силу — как на крыле самолета.
Силы вертикального и поперечного направлений, дестабилизирующие машину, важны не меньше сопротивления. Кому понравится автомобиль, на 250 км/ч выходящий из-под контроля! Он должен быть устойчивым, не рыскать, не «соскальзывать» в поворотах, при порывах бокового ветра, разъезде со встречной машиной, въезде в тоннель и т. п. Да еще иметь просторный салон при небольших габаритах и при этом отвечать эстетическим требованиям дизайнеров! Полностью рассчитать его обтекаемость, заранее все увязать, увы, невозможно. Машину доводят в аэродинамической трубе, затрачивая огромные деньги.
Между тем, мода заставляет людей покупать сомнительные «прибамбасы», влияющие на аэродинамику. Сечение псевдокрыла часто совсем не похоже на крыльевой профиль: нарисовавший его дизайнер думал только об изяществе линий! К счастью, большинство «жертв рекламы» быстрее 160–180 км/ч не ездит — и действие какого-нибудь безграмотного «антикрыла» мало ощутимо. Если же автомобиль быстроходнее, неосторожные игры с аэродинамическими предметами чреваты печальными последствиями.
Даже серьезные фирмы не застрахованы от ошибок. Помните первые шаги » Ауди ТТ»? Не сразу его «научили» крепко держаться за дорогу. Но у такой фирмы побольше возможностей устранять промахи, чем у частного владельца — у него в списке «расходных материалов» может оказаться жизнь.
Вычислить прижимающую силу крыла не просто: не владея основами этой науки, автомобилисты, случается, спорят до третьих петухов. Поэтому приведем простой пример из параллельной области техники. У бомбардировщика В-1В площадь крыла 181 м2. Взлетный вес — 216 тонн. Самолет сверхзвуковой, но взлетает-то при скорости меньше 300 км/ч. Значит, каждый квадратный метр крыла несет груз в 1,2 тонны. Но некоторые спортивные автомобили ездят и быстрее, — так что их обтекатели, спойлеры, антикрылья инженеры «доводят» весьма дотошно. Хорошее антикрыло площадью всего треть квадратного метра способно создать прижимающую силу в четыре центнера, а то и больше.
Но иной «гонщик» может купить высокоэффективное антикрыло, а поставить его неправильно — например чрезмерно вынесет назад. На высоких скоростях передняя ось машины разгружается, автомобиль может стать неуправляемым. Утешает, что зачастую «крыло» помещают в зону срыва («аэродинамическую тень» кузова), где оно практически не работает.
К счастью для загадочной русской души автомобилей, делающих 300 км/ч, у нас мало. Зато хватает тех, которым по плечу 180–200. А мысль о том, что «обвешанный» автомобиль на такой скорости может не послушаться руля, иные головы никогда не посещает. Зря что ли деньги уплачены на зависть соседям!
«Проколы» обтекаемости заявляют о себе громко лишь на высоких скоростях. Силы сопротивления воздуха растут пропорционально квадрату скорости потока — V2. Ведь затормаживая поток (например, плоским щитом, как на рис. 2), мы переводим его кинетическую энергию в дополнительное статическое давление. При плотности воздуха 1,3 кг/мз повышение давления от торможения потока («скоростной напор») составит 1,3.V2/2=0,65V2 Н/м2.
Чтобы определить силу давления потока на щит (то есть аэродинамическое сопротивление), остается лишь умножить полученное давление на площадь щита S.
Допустим, S=1,8 м2 (лобовая площадь сопротивления «Жигулей»). Тогда скоростям 50, 100, 150 и 200 км/ч соответствуют силы сопротивления 226, 903, 2031 и 3611 Н — закон «квадрата». Удвоив скорость,учетверяем силу.
Кстати, определение величины S (рис. 1) — не самая простая задача. Делают это с очень высокой точностью на лазерном стенде.
Квадратичная зависимость аэродинамической силы от скорости потока порой вводит нас в заблуждение. Например, проехав по маршруту туда и обратно со скоростью 90 км/ч, вы забыли о слабом (20 км/ч) ветре, дующем вдоль трассы. Но в одном случае поток бьет в лоб машине со скоростью 70 км/ч, а в другом — 110 км/ч! Силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости, а мощность на ведущих колесах — кубу. В итоге средний расход топлива больше, чем при скорости 90 км/ч в штиль. Ни дать ни взять — бензин, унесенный ветром!
Управляя автомобилем, объективно оценить силу и направление ветра, дующего над дорогой, трудно. Общее правило: встречный ветер отнимает больше, чем «дает» попутный той же силы.
НЕ ТОЛЬКО «ЦЕ-ИКС»
Только ли скоростным напором определяется аэродинамическая сила? Оказывается, нет! Огромную роль играет форма тела, подставленного потоку (рис. 2). Встретив щит, воздух не станет бесконечно скапливаться перед ним (а) — он пойдет в обход препятствия, образуя за ним вихри (б). Дополнительные движения струй требуют затрат энергии, и аэродинамическое сопротивление плоского щита намного (примерно на 17%) больше того, что дало полное торможение потока! Значит, для получения истинных сил сопротивления следует умножить полученные раньше значения на 1,17. Вот этот коэффициент, учитывающий форму тела, называют коэффициентом аэродинамического сопротивления — Сх. Одно из наиболее удобообтекаемых тел — удлиненная «капля», для которой Сх=0,04.
Каков же Сх реального автомобиля? Даже у самых непритязательных начала ХХ века — около 0,8. У символа советской эпохи — «Жигулей» — получше: 0,52–0,53. Для сегодняшнего дня многовато.
А вот результаты продувок в аэродинамической трубе НТЦ ВАЗа автомобилей «десятого» семейства: 2110 — 0,33, 2111 — 0,36, 2112 — 0,34. Это на уровне очень приличных зарубежных машин данного класса. Правда, «обмылки» некоторым не нравятся. Но законы движения воздуха-то всюду одни и те же! Считаясь с ними, непросто создать внешне оригинальную машину. А если не очень считаться?
В России до сих пор популярны автомобили «самарского» семейства. После «классических» ВАЗов показалось, что стремительные «восьмерка» и «девятка» — огромный шаг вперед. На деле революции не получилось. Хотя Сх=0,47 все же меньше, чем 0,52, он гораздо выше, чем сегодня имеют небольшие машины «гольф-класса». Даже самая «навороченная» из «самар» — VAZ 2115 аэродинамически продвинулась недалеко: Сх=0,435. Впрочем, техника развивается: все больше появляется автомобилей, у которых отличная аэродинамика сочетается с броской внешностью.
Если кому-то любопытно, для чего мы вспомнили о Сх, заметим: фактическое сопротивление «десятки» (даже с учетом большей, чем у «классики», лобовой площади) при одинаковых скоростях на 33–34% ниже, чем у «Жигулей». Отсюда улучшение скоростных и динамических показателей.
А из чего складывается величина Сх?
Первое — сопротивление давления или формы. Иногда это до 60% общих аэродинамических потерь. Поток, бьющий «в лоб» автомобиля, несколько уплотняется, затем струи расходятся. Позади «сольются» не сразу — здесь видна зона общего срыва с мелкими завихрениями воздуха. Движению машины препятствует повышенное давление воздуха спереди и пониженное сзади.
В некоторых случаях по краям скоса задней части кузова индуцируются мощные вихревые «трубки» (рис. 3): они еще больше понижают статическое давление и существенно увеличивают потери. Сделать плавно спускающуюся (в подражание крыльевому профилю) «корму» — нереально, особенно для автомобилей малых классов. Один из способов борьбы с вредными вихрями — преднамеренный срыв потока, например небольшим спойлером (как на фото 1, 2 и рис. 4). Шлейф срыва (темный «мешок» на фото) отнимает меньше энергии, чем мощные вихри. На небольших автомобилях такой прием используют особенно часто.
К сопротивлению формы можно отнести потери при обтекании выступающих деталей — зеркал, брызговиков, приоткрытого люка и т. д. Навешивая на машину модные прибамбасы, обув ее в широкие шины и т. п., Сх недолго увеличить процентов на 15.
Обладая некоторой вязкостью, воздух «прилипает» ко всем поверхностям машины — а этот тонкий слой частично притормаживает соседние и т. д. В результате потери от трения воздуха могут достигать 20% общих. Это справедливо, по крайней мере, для автомобилей с малым Сх — особенно немытых. Но владельцы УАЗа, КамАЗа, или «Хаммера» могут быть спокойны: эта техника к грязи индифферентна.
Наконец, есть внутренние потери, вызванные необходимостью охлаждать двигатель, тормоза, вентилировать и отапливать кузов.
Специалисты-аэродинамики изучают и множество других вопросов. Например, как ведет себя машина в условиях косого обдува (при боковом ветре): насколько устойчива, управляема и т. д. Важно также, какие силы действуют на кузов в вертикальном направлении, какие моменты относительно осей они создают. Ни на каких скоростях подъемная сила кузова не должна разгружать колеса — автомобиль не самолет, его задача надежно двигаться по дороге. Поэтому стремятся упорядочить воздушные потоки снизу автомобиля (от них зависит до 15% общего сопротивления). Не обойтись без аэродинамики при доводке машины с точки зрения экономичности, при выборе передаточных чисел трансмиссии и так далее. Не гнушается наука и мелкими вопросами вроде правильной работы «дворников», рационального отвода дождевой воды, уменьшения шума от стоек, уплотнителей и т. п. Перечень задач можно продолжать.
Рис. 1. Площадь лобового сопротивления S — то же, что площадь проекции машины на поперечную плоскость.
