Аэродинамика автомобиля

Аэродинамика автомобиля

 

Одной из важных характеристик современного автомобиля, является его аэродинамика. Если сказать точнее, коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля. Этот показатель влияет на динамические характеристики и экономичность машины. Вот о том, что же такое аэродинамика автомобиля, как она влияет на его скорость и экономичность, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Аэродинамические параметры

 

Основные параметры, т.е. силы моменты и коэффициенты, относящиеся к аэродинами­ческим характеристикам автомобиля приве­дены в табл «Аэродинамические силы и моменты».

Аэродинамические силы и моменты

 

Аэродинамическое сопротивление

 

Коэффициент аэродинамического сопро­тивления cw описывает аэродинамическое поведение кузова автомобиля в воздушном потоке. Умножая cw на динамическое давле­ние воздушного потока:

q = 0,5 ρ v2

и на площадь поперечного сечения автомо­биля Afx получаем аэродинамическое сопро­тивление W. В отличие от важного значения W момент L относительно оси х не столь важен.

Подъемная сила

 

Вследствие криволинейной формы крыши ав­томобиля скорость воздушного потока, обтека­ющего эту поверхность, выше скорости потока в области днища. Это приводит к возникновению нежелательных подъемных сил, снижающих силы сцепления колес с дорогой и, следова­тельно, курсовую устойчивость автомобиля.

Коэффициент подъемной силы сА равен сумме коэффициентов подъемной силы передней оси cAV и задней оси сАн. Разность между коэффициентами подъемной силы передней и задней осей называется «балан­сом подъемных сил» и является переменной, влияющей на курсовую устойчивость.

Вместо подъемной силы в конструировании часто используется момент продольной качки M, действующий относительно оси у. Положи­тельный момент продольной качки требует недо­статочной поворачиваемости, а отрицательный- избыточной поворачиваемости автомобиля.

 

 

Боковая сила

 

При взгляде спереди автомобиль имеет прак­тически симметричную форму. Это означает, что боковые силы, генерируемые воздушными потоками, невелики. Когда направление обте­кающего кузов воздушного потока не совпа­дает с осью х (например, при боковом ветре), воздушный поток генерирует поперечные силы, которые могут оказывать значительное влияние на поведение автомобиля.

В качестве показателя влияния бокового ветра также используется момент рыскания N, действующий относительно оси z. Это зна­чение берется, чтобы получить скорость из­менения угла рыскания и углового ускорения рыскания, которые являются показателями силы бокового ветра.

 

 

Автомобильные аэродинамические трубы

 

Автомобильные аэродинамические трубы ис­пользуются для как можно более реалистич­ного и воспроизводимого моделирования воздушного потока, воздействующего на авто­мобиль во время движения по дороге. Однако, по своей природе реальные условия движения весьма изменчивы. Так, направление и сила ветра постоянно изменяются вследствие та­ких факторов, как естественные изменения, застройка и дорожное движение.

Преимущества использования аэродина­мических труб в качестве инструмента экспериментальных разработок, по сравнению с дорожными испытаниями, заключаются в воссоздании условий испытаний, срав­нительно несложной, надежной и быстродей­ствующей технике измерений и возможности изолировать те или иные эффекты, которые в реальных условиях изолированно не воз­никают (например, шум во время движения). В аэродинамической трубе конструкторские прототипы, которые не могут быть выпущены на дорогу, могут быть опти­мизированы с точки зрения аэродинамики с гарантированной секретностью.

Типы аэродинамических труб

 

При помощи аэродинамических труб опреде­ляются аэродинамические параметры авто­мобиля. Трубы различаются по способу на­правления воздушного потока, конструкции испытательной секции и способу моделиро­вания дорожной поверхности (см. табл. «Автомобильные аэродинамические трубы в германии» ).

 

Автомобильные аэродинамические трубы в германии

 

Замкнутые аэродинамические трубы с за­крытой рабочей частью называются «Геттин­генскими трубами», а системы с возвратом потока — «трубами Эйфеля» (рис. «Конструкция аэродинамических труб» ).

 

Конструкция аэродинамических труб

 

Стандартное оборудование аэродинамических труб

 

Испытательная секция может быть открытого типа, закрытого типа или с перфорированными стенками. Она характеризуется сечением на выходе диффузора, сечением коллектора и длиной (см. табл. Автомобильные аэродинамические трубы в германии).

Также важным параметром является ко­эффициент препятствия ФN = Аfx/АN . Это отношение площади поперечного сечения автомобиля Afx к поперечному сечению диффузора АN. На дороге это отношение ФN = 0, поэтому в аэродинамической трубе оно должно быть как можно меньше. С уче­том конструкции и эксплуатационных затрат обычным значением на практике является ФN = 0,1. Это соответствует поперечному сечению диффузора приблизительно 20 м2.

Скорость и стабильность воздушного по­тока в аэродинамической трубе определяются сужением и формой диффузора. Большое значение коэффициента поджатия к, пред­ставляющего отношение площадей сечений форкамеры и выпускной части диффузора (к = АvD), дает равномерное распределение скорости, низкую турбулентность и высокое значение ускорения воздушного потока.

Контур диффузора может влиять на ста­бильность профиля скорости потока на вы­ходе диффузора в испытательной секции и параллельность потока геометрической оси трубы.

 

 

Форкамера

 

Форкамера располагается перед диффузо­ром, в области наибольшего сечения аэро­динамической трубы. Форкамера содержит выпрямители потока, фильтры и теплооб­менники, служащие для повышения качества воздушного потока в отношении стабильно­сти и направления и поддержания постоян­ной температуры в канале.

Для исследования аэродинамики автомо­билей в основном используются Геттинские аэродинамические трубы с открытыми испы­тательными секциями или с перфорирован­ными стенками.

Вентиляторы

 

Большинство аэродинамических труб могут создавать воздушные потоки со скоростью далеко за 200 км/ч. Однако такие скорости используются редко, например, для испытаний функциональной безопасности компонентов кузова и их стойкости к ветровым нагрузкам. Это связано с тем, что такие испытания требуют полной мощности вентилятора до 5000 кВт.

 

Вентиляторы аэродинамических труб

 

Обычно измерения выполняются при скорости воздушного потока 140 км/ч. При такой скорости аэродинамические коэффициенты могут быть определены достоверно и с низкими затратами. Скорость воздушного потока регулируется путем изменения скорости вращения вентилятора или положения лопастей вентилятора при постоянной скорости вращения (см. табл. «Вентиляторы аэродинамических труб» ).

Динамометр аэродинамической трубы

 

Динамометр аэродинамической трубы служит для регистрации аэродинамических сил, воздействующих на испытуемый автомобиль, и моментов относительно всех точек контакта шин с поверхностью, которые используются для вычисления аэродинамических параметров, действующих в направлении осей х, у и z.

Динамометр аэродинамической трубы обычно расположен под поворотной платформой, служащей для поворота автомобиля относительно направления воздушного потока, т. е. для моделирования таким образом бокового ветра.

 

Поворотная платформа на полу аэродинамической трубы с встроенной движущейся лентой

 

В отличие от реальной ситуации, автомобиль в аэродинамической трубе неподвижен и обте­кается воздушным потоком. Поэтому влияние перемещения автомобиля относительно до­роги не может быть учтено. Однако в послед­нее время было сооружено несколько аэро­динамических труб, на которых в пол встроены движущиеся ленты, служащие для модели­рования движения автомобиля по дороге и вращения колес (см. рис. «Поворотная платформа на полу аэродинамической трубы с встроенной движущейся лентой» ). Это позволяет повысить качество прохождения воздушного потока между автомобилем и дорогой и зна­чительно приблизить условия в трубе к реаль­ным условиям.

 

 

Вспомогательные системы аэродинамических труб

 

Система измерения площади поперечного сечения

 

Система измерения площади поперечного се­чения (лазерная или на приборах с зарядовой связью) измеряет площадь поперечного се­чения автомобиля оптическими средствами. Результаты измерений используются для вы­числения аэродинамических коэффициентов и значений сил, измеренных в аэродинами­ческой трубе.

 

Система определения распределения давления

 

Современные системы датчиков давле­ния в аэродинамических трубах (например, плоские датчики давления, крепящиеся к поверхности кузова) могут одновременно ре­гистрировать изменения давления как минимум в 100 точках. Миниатюрные (кварцевые) датчики давления во всех точках измерения выдают информацию в электронной форме с относительно высокой частотой (см. рис. «Система определения распределения давления» ).

Траверсная люлька 

 

Траверсная люлька позволяет выполнить измерения во всем поле обтекающего авто­мобиль воздушного потока. Каждая точка испытуемого образца может быть описана ко­ординатами и воспроизведена. По показаниям датчиков, установленных во всех точках, затем могут быть определены значения давления, скорости и уровня шума в каждой точке.

 

 

Дымовые струи

 

Дымовые струи используются для визуализа­ции воздушного потока, который в противном случае является невидимым. (см. рис. «Использование «дымового гребня» и дымовой струи для визуализации воздушного потока» ). Дымовые струи по­зволяют выявить те или иные неоднородности воздушного потока, которые могут стать при­чиной недостоверных результатов измерений вследствие снижающей энергию турбулентно­сти. Нетоксичный «дым» обычно производится посредством нагрева смеси этиленгликоля в паромасляном генераторе. Другие методы ви­зуализации воздушного потока включают:

  • ленты на поверхности кузова;
  • ленточные датчики;
  • фотографии потока с использованием быстросохнущей смеси парафина или талька;
  • генераторы пузырьков гелия;
  • лазерные системы.

 

Использование "дымового гребня" и дымовой струи для визуализации воздушного потока

 

Система дисперсии загрязняющих агентов

 

Система дисперсии загрязняющих агентов может использоваться для орошения автомо­биля в аэродинамической трубе водой с раз­личной интенсивностью — от легкого тумана до сильного дождя. Картины распределения потоков могут быть визуализированы и за­документированы путем добавки к воде мела или флуоресцирующего вещества.

Блок подачи горячей воды

 

Блок подачи горячей воды обеспечивает по­дачу горячей воды с постоянным расходом для определения охлаждающей способности радиаторов на прототипах, которые не могут быть выпущены на дорогу.

Варианты аэродинамических труб

 

Сооружение автомобильных аэродинамических труб требует крупных капиталовложений. Эти капиталовложения в сочетании с высокими эксплуатационными затратами делают трубы дорогостоящим оборудованием с высокой по­часовой ставкой стоимости использования. Только очень частое использование автомо­бильных аэродинамических труб для аэродина­мических, аэроакустических и температурных экспериментов может оправдать сооружение нескольких специализированных аэродинами­ческих труб для выполнения различных задач.

 

 

Аэродинамические трубы для испытаний на моделях

 

Аэродинамические трубы для испытаний на моделях значительно снижают эксплуатаци­онные затраты, благодаря менее строгим кон­структивным требованиям и меньшей техни­ческой сложности. В зависимости от масштаба (от 1:5 до 1:2), можно легко, быстро и эконо­мично изменять форму моделей автомобилей.

Испытания на моделях в основном прово­дятся на ранних этапах разработки для опти­мизации базовой аэродинамической формы кузова. При поддержке дизайнеров «пласти­линовые» модели используются для оптими­зации формы кузова или для формирования полного ряда вариантов перед испытаниями их аэродинамического потенциала.

Используя новые методы производства (бы­строе создание прототипов), модели можно создавать быстро, точно и во всех деталях. Это позволяет выполнять на моделях важные ис­следования с целью оптимизации деталей, даже по окончании этапа разработки формы кузова.

Акустические аэродинамические трубы

 

В акустических аэродинамических трубах, благодаря надежной звукоизоляции, уровень звукового давления приблизительно на 30 дБ (А) ниже, чем в стандартных трубах. Это обе­спечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум, составляющее более 10 дБ (А), что позволяет идентифицировать и оценить шумы, генерируемые в результате циркуля­ции и сквозного потока воздуха.

 

Автомобильная аэродинамическая труба

 

Аэродинамические трубы с системами климат-контроля

 

Аэродинамические трубы с системами климат-контроля используются для теплового анализа и разработки систем защиты автомо­биля в определенных температурных диапазо­нах при различных условиях нагрузки.

Для поддержания температуры в диапа­зоне от-40°С до +70°С с высокой точностью (±1 К) служат большие теплообменники.

Автомобиль устанавливается на динамо­метрических роликах и «приводится в движе­ние» при требуемых условиях нагрузки или в условиях циклического изменения нагрузки. Скорости воздушного потока и вращения роликов должны быть точно согласованы, даже при низких скоростях. При необходи­мости, с целью учета влияния действующих в реальной ситуации факторов, могут моде­лироваться условия движения на подъем или под уклон. Также может регулироваться влажность воздуха или при помощи ламп может имити­роваться солнечное излучение.

Тем не менее, не все проблемы, воз­никающие при проработке аэродинамики автомобилей, могут быть решены посред­ством описанных выше испытаний. В до­полнение к экспериментальным исследо­ваниям производители все более широко используют модели CFD (вычислительной гидродинамики). Они позволяют вырабо­тать предварительные решения с целью снижения нагрузки на испытательное обо­рудование.

В следующей статье я расскажу об акустике автомобиля.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *