3.3. Аэродинамическое сопротивление
На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле
где S — площадь фронтальной проекции автомобиля, м 2 ; v — скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ — плотность воздуха, кг/м 3 ; сх — коэффициент аэродинамического сопротивления (1).
Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:
где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.
Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из табл. 3, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.
Таблица 3. Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей
Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.
При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.
На рис. 4 показано КЩ изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv в зависимости от скорости v для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и аэродинамического сопротивления, равны, что характерно для данного вида автомобилей. По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важном значении аэродинамического сопротивления. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля.
Рис. 4. Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению. Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции автомобиля S = 2 м 2 , коэффициент сопротивления качению f = 0,015, коэффициент аэродинамического сопротивления сх = 0,456
При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:
где N2 — требуемая мощность, кВт; N1 — достигнутая максимальная мощность, кВт; v2 — требуемая скорость, км/ч; v1 — достигнутая максимальная скорость, км/ч.
Через точку X — максимальная мощность N1 при максимальной скорости v1 — проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.
Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.
Снижение расхода топлива, пожалуй, наиболее актуальная проблема в современном автомобилестроении. Расход этот зависит прежде всего от объективного фактора — различных сил сопротивления движению, на преодоление которых затрачивается энергия сгорания топлива. Уменьшение их — один из путей его экономии. Наша статья посвящена резервам, заключенным в улучшении аэродинамических свойств автомобиля.
В общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть. Если при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) они достигают 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая. Дело в том, что мощность, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления, пропорциональна кубу скорости; значит, если скорость удваивается, то мощность должна увеличиться в восемь раз.
Чтобы уяснить, как возникает и воздействует на автомобиль сопротивление воздуха, рассмотрим, из чего оно складывается. Взаимодействие воздуха и автомобиля можно представить как сумму сопротивлений: профильного, индуктивного, внутреннего, а также сопротивлений трения и выступов. Наибольший «вклад» (около 58%) приходится на профильное. Оно обусловлено самой формой кузова. Воздух, обтекающий автомобиль, как бы сжимается впереди него, создавая значительное положительное давление. Поток, идущий по верхней части кузова, неоднократно отрывается от его поверхности, что создает в этих местах области пониженного давления. В задней же части поток окончательно отрывается от кузова. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Положительное давление впереди автомобиля и отрицательное сзади препятствуют движению, создавая сопротивление давлений, или профильное сопротивление воздуха.
Индуктивное сопротивление (8% в общем балансе) вызывается разностью давлений на верхнюю и нижнюю части кузова. В результате их взаимодействия возникает сила, отжимающая автомобиль от земли, — подъемная. Хотя она и сокращает сопротивление качению, ее влияние на ходовые качества машины в целом отрицательно — это уменьшение силы сцепления колес с дорогой, которое влечет за собой ухудшение управляемости.
Сопротивление выступов (13% всех потерь). Очевидно, что свой вклад в полное аэродинамическое сопротивление вносит любая выступающая деталь автомобиля (зеркало, антенна, ручки дверей и т. д.). Так, багажник на крыше при скорости 60 км/ч увеличивает его на 10—12%, из-за чего на 2—3% растет расход топлива. Специалисты ряда фирм считают, что только изменение подобных деталей может улучшить топливную экономичность на 3—4%.
Сопротивление трения (11% всех потерь) обусловлено «прилипанием» к поверхности кузова слоев воздуха, вследствие чего поток вблизи нее теряет скорость. Потери энергии на поверхностное трение зависят главным образом от качества отделки кузова. Во всяком случае, эксперименты показали, что если у нового полированного автомобиля оно составляет около 8% общего сопротивления воздуха, то у плохо покрашенного, с грубой поверхностью возрастает в 2—2,5 раза. В частности, поверхностное трение заметно увеличивается в случае, когда крыша обтянута модным гранулированным виниловым кожзаменителем.
Внутреннее сопротивление (10% всех потерь) возникает при прохождении воздуха через системы охлаждения и вентиляции. Природа этих потерь такова, что возможность снизить их в настоящее время весьма проблематична.
Количественной характеристикой суммарного аэродинамического сопротивления служит так называемый коэффициент лобового сопротивления — Сх, который, как правило, определяют экспериментальным путем. Для этого автомобиль или его уменьшенный макет устанавливают в аэродинамическую трубу и моделируют его обтекание воздушным потоком. Меньшую точность дают некоторые методы дорожных испытаний.
Коэффициент лобового сопротивления у легковых автомобилей, выпущенных разными фирмами в 70-х и 80-х годах, колеблется (см. таблицу) от 0,30 до 0,60.
Вернемся к вопросу о затратах мощности и топлива на преодоление сопротивления воздуха. Приведенный на вкладке график показывает, как влияет на них изменение коэффициента лобового сопротивления при разных скоростях… Теперь, когда мы представляем, что значит Сх для экономии топлива, небезынтересными окажутся и такие данные: дополнительные фары перед облицовкой радиатора увеличивают его на 0,04, грязезащитные фартуки у всех колес — на 0,03, выдвинутая антенна — на 0,02, наружное зеркало заднего вида — на 0,01, неубранные стеклоочистители — на 0,007. Все это дополнительное оборудование плюс багажник на крыше могут поднять суммарную величину Сх, скажем, для ВАЗ—2105 с 0,43 до 0,58, и это означает расход лишних 1—1,5 л бензина на 100 километров. Цифра достаточно убедительная для того, чтобы учитывать аэродинамические характеристики автомобиля как в эксплуатации, так и, прежде всего, на стадии проектирования…
Коэффициент лобового сопротивления Сх:
«Ауди-100» (0,30), ВАЗ-2101 (0,46), ВАЗ-2103 (0,45), ВАЗ-2105 (0,43), ГАЗ-20 (0,46), ГАЗ-24 (0,45), ГАЗ-24 (0,41), ЗАЗ-968 (0,48), «Москвич-2140» (0,41), СИМКА-1307 (0,38), «Ситроен-ЖСА-Икс-3» (0,32), «Ситроеи-ЦИкс» (0,35), «Фольксваген-жук» (0,60), «Фольксваген-гольф» (0,42), «Фольксваген-пассат» (0,38), «Форд-фиеста» (0,42).
Ф. УЗБЕКОВ, инженер («За Рулем» №4, 1983)
Литература:
Михайловский Е. Аэродинамика автомобиля. М., Машиностроение, 1973.
Павловский Я. Автомобильные кузова. М., Машиностроение, 1977.
«За рулем», 1978, № 1, № 7; 1981, № 4, № 8.
«Автомобильная промышленность», 1979, № 11.
5.1. Аэродинамические свойства колесной машины
При натекании воздушного потока на колесную машину возникают, действующие на нее полная аэродинамическая сила и полный аэродинамический момент. Полная аэродинамическая сила Р W — это равнодействующая всех элементарных аэродинамических сил, действующих на поверхность колесной машины. Полный аэродинамический момент М W — это результирующий момент, создаваемый всеми действующими на колесную машину аэродинамическими силами.
Проекции полной аэродинамической силы на оси X , Y , Z , начало которых совмещено с центром масс Ц Т машины и полный аэродинамический
момент относительно этих осей в связанной системе координат показаны на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема аэродинамических сил и моментов, действующих на автомобиль:
Ц Т — центр масс автомобиля; Ц М — метацентр; а м — плечо приложения аэродинамической силы; β — угол натекания воздушного потока; Р x — сила лобового сопротивления; Р y — боковая сила; Р z — подъемная сила; М x — момент крена; М y —
опрокидывающий момент (момент тангажа); М z — поворачивающий момент (момент рыскания)
Полная аэродинамическая сила и полный аэродинамический момент определяются из выражений:
P w = 0,5 C w F ρ V ∞ 2 ;
где C W и m W — коэффициенты полной аэродинамической силы и момента, соответственно; ρ — плотность воздуха; F — лобовая площадь автомобиля;
V ∞ — скорость натекания невозмущенного воздушного потока; Б — характерный размер (база машины).
Проекции полной аэродинамической силы на связанные координатные оси определяются по следующим формулам.
Сила лобового сопротивления
P x = 0,5 C x ρ FV ∞ 2 ,
где C x — коэффициент аэродинамического сопротивления. Боковая сила
P y = 0,5 C y ρ FV ∞ 2 ,
где C y — коэффициент боковой силы. Подъемная сила
P z = 0,5 C z ρ FV ∞ 2 ,
где C z — коэффициент подъемной силы. Момент крена
M x = 0,5 m x ρ FV ∞ 2 B ,
где m x — коэффициент момента крена; B — поперечная база машины. Опрокидывающий момент (момент тангажа)
M y = 0,5 m y ρ FV ∞ 2 L ,
где m y — коэффициент опрокидывающего момента; L — продольная база
Поворачивающий момент (момент рысканья)
M z = 0,5 m z ρ FV ∞ 2 B ,
где m z — коэффициент поворачивающего момента.
Коэффициенты полной аэродинамической силы C W и момента m W определяются из следующих выражений:
C W = 
C x 2 + C y 2 + C z 2 ; m W = 
m x 2 + m y 2 + m z 2 .
Сила лобового аэродинамического сопротивления P x существенно влияет на затраты мощности при движении автомобиля с высокой скоростью. Боковая сила P y возникает при кососимметричном обтекании колес-
ной машины под действием бокового ветра. Подъемная сила P z является результатом действующего на днище машины большего давления, чем на крышу.
Точка Ц М (рис. 5.1) приложения равнодействующей аэродинамических сил называется метацентром. Расстояние от центра масс машины до
метацентра называется плечом а м приложения аэродинамической силы, создающей момент, стремящийся повернуть автомобиль. При этом под действием поворачивающего момента машина стремится встать перпендикулярно к направлению воздушного потока, если он не совпадает с ее продольной осью. Однако за счет сил трения в контакте шин с дорогой машина движется в заданном направлении.
У автомобиля обтекаемой формы этот поворачивающий момент будет больше, чем у не обтекаемого, из-за большей величины этого плеча. Величина плеча а м приложения аэродинамической силы наряду с высотой метацентра определяет аэродинамическую устойчивость машины при воздействии продольных и боковых ветров. В идеальном случае — при совпадении центра масс и метацентра аэродинамический момент равен нулю. Однако в реальных условиях центр масс машины и ее метацентр, как правило, не совпадают. При этом, если равнодействующая аэродинамических сил проходит впереди центра масс, то машина поворачивается по направлению ветра, то есть она аэродинамически неустойчива.
Сила аэродинамического сопротивления тела, перемещающегося в воздушной среде, определяется коэффициентом аэродинамического сопротивления, лобовой площадью, плотностью воздуха, скоростью натекания воздушного потока и рассчитывается по формуле, выведенной из основных положений гидромеханики:
где C x — коэффициент аэродинамического сопротивления (обтекаемости); F — площадь миделевого сечения, т.е. наибольшая площадь сечения тела в
плоскости, перпендикулярной направлению его
движения; q = 0,5 ρ V ∞ 2 —
скоростной или динамический напор.
В окончательном виде выражение (5.1) примет вид:
Р W = 0,5 ρ C x FV ∞ 2 .
В теории автомобиля величину 0,5 ρ C x F
принято обозначать как
фактор обтекаемости KF . Тогда выражение (5.2) можно представить в виде известной в теории автомобиля формулы:
Р W = KF ( V ∞ 
3,6 ) 2 .
Следует учитывать, что скорость V ∞ натекания потока может меняться в зависимости от скорости V B и угла натекания β бокового ветра. При отсутствии встречного ветра скорость натекания воздушного потока равна скорости движения автомобиля. Для оценки влияния скорости и направления ветра можно использовать следующую зависимость
V ∞ = 
V а 2 + V B 2 + 2 V а V B cos β .
При отсутствии ветра V ∞ = V a . Если ветер направлен против движения, то V ∞ = V а + V В . При совпадении направления ветра с направлением движения автомобиля V ∞ = V а − V В .
Аэродинамическое сопротивление колесной машины складывается из пяти основных составляющих:
— сопротивления формы Р W Ф ;
— внутренних потоков воздуха в системах охлаждения двигателя и
вентиляции кабины и кузова Р W В ;
— индуктивного Р W И и дополнительного (сопротивления мелких элементов на кабине и кузове) Р W Д .
Сопротивление формы Р W Ф является результирующей всех элемен-
тарных сил нормального давления, действующих на внешнюю поверхность кабины и кузова. Оно определяется обтекаемостью форм их продольного и поперечного сечений.
Сопротивление трения Р W Т — результирующая всех касательных сил,
действующих на внешнюю поверхность кабины и кузова, зависящая от величин касательных напряжений в зоне пограничного слоя. Для обеспечения минимального его значения необходимо, чтобы касательные напряжения были малы, тогда пограничный слой сохранит свою ламинарность. В противном случае — при больших касательных напряжениях он переходит в турбулентное состояние, что сопровождается отрывом потока и возникновением вихрей.
Сопротивление внутренних потоков Р W В возникает из-за торможе-
ния и потери энергии встречного воздуха, забираемого в системы охлаждения двигателя и вентиляции кабины и кузова, и зависит от их конструктивного исполнения и расхода воздуха.
Индуктивное сопротивление Р W И обусловлено возникновением дей-
ствующей на машину подъемной силы и перетеканием с вихреобразованиями воздушных потоков из подднищевой зоны вверх по боковым стенкам кабины и кузова (ввиду разности давлений на днище машины и ее крыше) и зависит от ее конструктивного исполнения, структуры и объема перемещающегося под ней воздушного потока.
Дополнительное сопротивление Р W Д связано с наличием на поверх-
ностях кабины и кузова мелких, выступающих за их габариты, конструктивных элементов (дверных ручек, наружных зеркал, антенн, габаритных фонарей и т. д). Оно определяется как количеством этих элементов, так и уровнем их обтекаемости.
Удельный вес составляющих аэродинамического сопротивления зависит от типа автотранспортного средства. По литературным данным, он составляет:
для пассажирских автомобилей : сопротивление формы Р W Ф — 65%,
сопротивление трения Р W Т — 5%, сопротивление внутренних потоков Р W В — 7%, индуктивное сопротивление Р W И — 12%, дополнительное сопротивле-
для грузовиков и магистральных автопоездов : сопротивление формы
Р W Ф — 70%, сопротивление трения Р W Т — 7%, сопротивление внутренних потоков Р W В — 8%, индуктивное сопротивление Р W И — 7%, дополнительное сопротивление Р W Д — 8%.
В табл. 5.1 приведены значения коэффициента аэродинамического сопротивления C x , лобовой площади F и фактора обтекаемости KF для ряда легковых автомобилей, автобусов и магистральных автопоездов.
Таблица5.1 Параметры аэродинамического сопротивления автотранспортных средств при осесимметричном натекании воздушного потока