Наша сеть партнеров Banwar
Зниження витрати палива, мабуть, найбільш актуальна проблема в сучасному автомобілебудуванні. Витрата цей залежить перш за все від об'єктивного фактора - різних сил опору руху, на подолання яких витрачається енергія згоряння палива. Зменшення їх - один із шляхів його економії. Наша стаття присвячена резервів, укладеними в поліпшенні аеродинамічних властивостей автомобіля.
Загалом опорі руху автомобіля аеродинамічні сили можуть становити суттєву частину. Якщо при їзді по міському циклу (середня швидкість 40-50 км / ч) вони досягають 8%, при русі в приміській зоні (середня швидкість 80-90 км / ч) - 29%, то на автострадах - 53%. Відзначимо, що чим вище швидкість, тим швидше ростуть втрати «на вітер»: вже при 60 км / год вони забирають більше енергії, ніж будь-яка інша складова. Справа в тому, що потужність, що витрачається на подолання аеродинамічного опору, пропорційна кубу швидкості; значить, якщо швидкість подвоюється, то потужність повинна збільшитися у вісім разів.
Щоб усвідомити, як виникає і впливає на автомобіль опір повітря, розглянемо, з чого воно складається. Взаємодія повітря і автомобіля можна уявити як суму опорів: профільного, індуктивного, внутрішнього, а також опорів тертя і виступів. Найбільший «внесок» (близько 58%) припадає на профільне. Вона зумовлена самою формою кузова. Повітря, що обтікає автомобіль, як би стискається попереду нього, створюючи значний позитивний тиск. Потік, що йде по верхній частині кузова, неодноразово відривається від його поверхні, що створює в цих місцях області зниженого тиску. У задній же частині потік остаточно відривається від кузова. Там утворюється потужний вихровий слід і область великих негативних тисків. Позитивний тиск попереду автомобіля і негативне ззаду перешкоджають руху, створюючи опір тиску, або профільне опір повітря.
Індуктивний опір (8% в загальному балансі) викликається різницею тисків на верхню і нижню частини кузова. В результаті їх взаємодії виникає сила, що віджимає автомобіль від землі, - підйомна. Хоча вона і скорочує опір коченню, її вплив на ходові якості машини в цілому негативно - це зменшення сили зчеплення коліс з дорогою, яке тягне за собою погіршення керованості.
Опір виступів (13% всіх втрат). Очевидно, що свій внесок в повне аеродинамічний опір вносить будь-яка виступає деталь автомобіля (дзеркало, антена, ручки дверей і т. Д.). Так, багажник на даху при швидкості 60 км / год збільшує його на 10-12%, через що на 2-3% зростає витрата палива. Фахівці ряду фірм вважають, що тільки зміна подібних деталей може поліпшити паливну економічність на 3-4%.
Залежність витрати палива (л / 100 км) від швидкості (км / ч) при різних коефіцієнтах лобового опору для легкового автомобіля спорядженої масою 1000 кг і потужністю 75 к.с. / 55 кВт.
Опір тертя (11% всіх втрат) обумовлено «прилипання» до поверхні кузова шарів повітря, внаслідок чого потік поблизу неї втрачає швидкість. Втрати енергії на поверхневе тертя залежать головним чином від якості обробки кузова. У всякому разі, експерименти показали, що якщо у нового полірованого автомобіля воно становить близько 8% загального опору повітря, то у погано пофарбованого, з грубою поверхнею зростає в 2-2,5 рази. Зокрема, поверхневе тертя помітно збільшується в разі, коли дах обтягнута модним гранульованим вініловим шкірзамінником.
Внутрішній опір (10% всіх втрат) виникає при проходженні повітря через системи охолодження і вентиляції. Природа цих втрат така, що можливість знизити їх в даний час вельми проблематична.
Кількісною характеристикою сумарного аеродинамічного опору служить так званий коефіцієнт лобового опору - Сх, який, як правило, визначають експериментальним шляхом. Для цього автомобіль або його зменшений макет встановлюють в аеродинамічну трубу і моделюють його обтікання повітряним потоком. Меншу точність дають деякі методи дорожніх випробувань.
Коефіцієнт лобового опору у легкових автомобілів, випущених різними фірмами в 70-х і 80-х роках, коливається (див. Таблицю) від 0,30 до 0,60. В середньому він складає в даний час 0,43. Для порівняння: середнє значення Сх у машин випуску 1938 року - 0,58. Найменшим коефіцієнтом відрізняються автомобілі, призначені для встановлення рекордів швидкості - 0,2 ( «Зірка-6» , СРСР) і 0,15 ( «Фольксваген-АРФВ», ФРН).
Формування вихорів при обтіканні повітрям передньої частини кузова.
Повернемося до питання про витрати потужності і палива на подолання опору повітря. Наведений на вкладці графік показує, як впливає на них зміна коефіцієнта лобового опору при різних швидкостях. У сучасних моделях явно помітна тенденція до його зниження, що досягається конструктивними заходами (див. Вкладку). Відповідно до проведених за кордоном розрахунками, при зменшенні Сх лише на 0,01 економія палива в перерахунку на весь парк легкових автомобілів Англії (близько 10 мільйонів) складе майже 70 мільйонів літрів на рік (робочий об'єм двигуна прийнятий дорівнює 1200 см3, а середній річний пробіг кожної машини - 16 тисяч кілометрів). Тепер, коли ми уявляємо, що означає Сх для економії палива, цікавими виявляться і такі дані: додаткові фари перед облицюванням радіатора збільшують його на 0,04, брудозахисні фартухи у всіх коліс - на 0,03, висунута антена - на 0,02, зовнішнє дзеркало заднього виду - на 0,01, неприбрані склоочисники - на 0,007. Все це додаткове обладнання плюс багажник на даху можуть підняти сумарну величину Сх, скажімо, для ВАЗ-2105 з 0,43 до 0,58, і це означає витрата зайвих 1-1,5 л бензину на 100 кілометрів. Цифра досить переконлива для того, щоб враховувати аеродинамічні характеристики автомобіля як в експлуатації, так і, перш за все, на стадії проектування. Не випадково увагу до досліджень в цій області за останній час значно зросла.
Аеродинамічні дослідження ведуть не тільки з метою знизити витрату палива. Вони допомагають домагатися прогресу в області активної безпеки автомобіля, позитивно впливати і на такі складові комфортабельності, як ефективність вентиляції, шум у салоні, забруднення стекол і ліхтарів.
Схема утворення вихорів в задній частині кузова.
Результати перспективних розробок говорять про великі резерви, прихованих в поліпшенні аеродинаміки автомобіля. Так, відомі італійські кузовні фірми «Пінінфаріна» і «Італ Дизайн» створили кілька експериментальних моделей, що мають Сх 0,23-0,26. Правда, через технологічні складнощі і, відповідно, високу вартість виробництва такі машини поки не випускаються серійно.
Важливу роль в поліпшенні аеродинамічних якостей відіграють різні обтічники, дефлектори ( «За кермом», 1982, № 8), спойлери, антикрила, спідниці ( «За кермом», 1981, № 4). Найбільш широко на легкових автомобілях останнім часом застосовується передній спойлер (див. Вкладку).
Це профільований щиток - найчастіше продовження передньої панелі кузова вниз, під бампер, або елемент самого бампера. Він служить для зменшення небажаної розвантаження коліс, спричиненої підвищеним тиском, яке утворюється в зоні між днищем автомобіля і полотном дороги під час руху. На швидкості близько 100 км / ч негативна (спрямована вгору) навантаження на передні колеса може перевищити 100 кгс. В результаті погіршуються характеристики прямолінійного руху ( «тримання» дороги), а також знижується бічна стійкість при поворотах з великими швидкостями.
Крім того, протікання повітря під автомобілем супроводжується значним зростанням опору виступаючих деталей підвіски, системи випуску і інших - до 20% загального профільного опору. Очевидно, ідеальним було б рівне або закрите щитом днище, але практично досягти цього неможливо, хоча частково подібні небажані ефекти можна усунути установкою переднього спойлера. Змінюючи напрямок потоків, що обтікають нижню частину машини, він створює під кузовом розрідження. Мінімум же повного опору досягається тоді, коли допустима максимальна висота спойлера забезпечує зменшення аеродинамічного опору розташованих знизу деталей настільки, наскільки збільшиться опір кузова. Випробування показали, однак, що установка спойлера може погіршити охолодження двигуна, системи випуску, агрегатів трансмісії. Ось чому його підбір - складне завдання, яке вирішується на основі численних експериментів для кожної конкретної моделі автомобіля. Добре підібраний спойлер може знизити Сх на 6-7%.
Задній спойлер і обтічник перед заднім колесом. Допомагають упорядкувати потоки повітря на автомобілі «Форд-ескорт-XR3».
Конструктори шукають можливості використовувати аеродинамічні пристрої на серійних машинах. Так, на особливо швидкісних моделях ( «Порше», «Альфа-ромео» і ін.) Ставлять антикрила. На чому заснований їх ефект? Якщо крило літака може бути підйомну силу, то, перевернувши його (звідси і приставка «анти»), отримаємо силу притискуючу, якої зазвичай так бракує автомобілю. Аж до 80-х років антикрило було приналежністю лише гоночних машин, де створює вертикальне зусилля до 3000 кгс. Тепер його встановлюють і на серійних моделях. Крім збільшення притискної сили антикрило на кришці багажника так організовує потік повітря за автомобілем, що знижує лобовий опір приблизно на 6%.
Поряд з пошуками наівигоднеішего (щодо зниження аеродинамічних втрат) поєднання елементів кузова конструктори приділяють серйозну увагу зниження втрат навколо окремих виступаючих деталей.
Висувні фари ( «Порше-928» , «Мазда-Рікс-7» , «Матра-багира»), що вбираються в «пазуху» між задньою кромкою капота і лобовим склом «двірники» ( ГАЗ-14 , «Мерседес-Бенц-С», «Ровер-3500», «Додж-магнум-78»), відмова від виступаючих дверних ручок ( «Рено-5», «ФІАТ-панда» , «Рено-Фуего») допомагають згладити обводи кузова. Чимале значення для зниження загального аеродинамічного опору має заміна виступаючих ринв над дверними отворами водосгоннимі ребрами на даху, як зроблено у «Рено-18», «Міцубісі-Кольт», «Хонді-акорд».
На закінчення можна сказати, що зовнішній вигляд автомобіля зазнав останнім часом серйозні зміни, зумовлені перш за все прагненням повніше врахувати особливості обтікання його повітрям. Поліпшення аеродинаміки автомобіля сприяє підвищенню динамічних якостей і при мінімумі конструктивних змін дає помітну економію палива. А тому можна з упевненістю передбачити прогрес в області аеродинаміки. За прогнозами, до 1990 року аеродинамічний опір автомобіля знизиться в середньому на 10%, що дасть зменшення витрат на бензин на 3,5%, а дизельного палива - на 4,5%. У перспективі вважають за можливе скоротити таким шляхом витрата палива на 15%.
Ф. узбеків, інженер ( «За кермом» №4, 1983)
література
Михайлівський Є. Аеродинаміка автомобіля. М., Машинобудування, 1973.
Павловський Я. Автомобільні кузова. М., Машинобудування, 1977.
«За кермом», 1978, № 1, № 7; 1981, № 4, № 8.
«Автомобільна промисловість», 1979, № 11.
Коефіцієнт лобового опору Сх
«Ауді-100» 0,30
ВАЗ-2101
0,46
ВАЗ-2103
0,45
ВАЗ-2105
0,43
ГАЗ-20
0,46
ГАЗ-24
0,45
ГАЗ-24-02
0,41
ЗАЗ-968
0,48
«Москвич-2140»
0,41
Симко-1307
0,38
«Сітроен-ЖСА-Ікс-3»
0,32
«Сітроен-ЦІкс»
0,35
«Фольксваген-жук»
0,60
«Фольксваген-гольф»
0,42
«Фольксваген-пасат»
0,38
«Форд-фієста»
0,42