Понятие аэродинамики
Впечатление обманчиво. Наглядный пример непредсказуемости аэродинамики. CX хэтчбеки зависят от угла наклона сзади. При большом угле наклона и большинстве этих моделей обтекание процесса практически не отличается от универсала. Поток воздуха отделяется от верхнего края крыши и создает значительную площадь разгрузки. При уменьшении угла наклона до 30-35 градусов точка разделения потока перемещается к нижнему краю задней части. Похоже, что зона разряда и Cx соответственно должны уменьшаться. Но как это ни парадоксально, как кажется на первый взгляд, происходит обратное. Дело в том, что в этом случае воздух стекает с боков тела, падая на наклонную поверхность, образуя краевые вихри. Которые, скручиваясь по спирали, создают еще большую зону выпуска за автомобилем. Они борются с этим явлением с помощью спойлера, установленного на краю крыши.
Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Коэффицие́нт аэродинами́ческого сопротивле́ния — безразмерная величина, равная отношение силы лобового сопротивления автомобиля F{\displaystyle F} к произведению скоростного напора Q{\displaystyle Q} на площадь миделевого сечения автомобиля S{\displaystyle S}. Обычно обозначается как Cx{\displaystyle C_{x}}:
- Cx=FQ⋅S.{\displaystyle C_{x}={\frac {F}{Q\cdot S}}.}
Скоростной, или аэродинамический напор, имеет размерность давления (в СИ измеряется в паскалях) и определяется как:
- Q=ρv22,{\displaystyle Q={\frac {\rho v^{2}}{2}},}
- где v{\displaystyle v} — скорость, м/с;
- ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха, кг/м3.
Лобовое аэродинамическое сопротивление:
- F=Cxρv22S.{\displaystyle F=C_{x}{\frac {\rho v^{2}}{2}}S.}
Cx{\displaystyle C_{x}} зависит только от формы автомобиля и числа Рейнольдса, при равенстве всех критериев подобия, в данном случае существенно число Рейнольдса, одинаков для всех геометрически подобных тел, независимо от их конкретных размеров. Cx{\displaystyle C_{x}} в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Re), от ~1000 до ~105 приблизительно постоянно. При малых Re Cx{\displaystyle C_{x}} увеличивается из-за перехода обтекающего потока в ламинарное течение, для автомобиля такое Re соответствует скорости нескольким десяткам сантиметрам в секунду. При Re>105 наступает полное развитие турбулентности как на лобовой, так и на тыльной сторонах обтекаемого тела и Cx{\displaystyle C_{x}} снижается.
Чем меньше Cx{\displaystyle C_{x}}, тем меньше лобовое сопротивление движению автомобиля и меньше расход топлива при прочих равных условиях. Cx{\displaystyle C_{x}} современных легковых серийно выпускаемых автомобилей лежит в пределах от 0,2 до 0,35. У грузовых автомобилей и внедорожников, из-за плохо обтекаемого воздухом массивного кузова — до 0,5 и более.
Некоторые производители указывают в спецификациях эффективную площадь сопротивления автомобиля Seff{\displaystyle S_{eff}}:
- Seff=Cx⋅S.{\displaystyle S_{eff}=C_{x}\cdot S.}
Эта величина равна площади тонкой плоской пластины, ориентированной перпендикулярно набегающему потоку и испытывающей равную силу сопротивления с автомобилем, движущемся с той же скоростью, так как Cx{\displaystyle C_{x}} тонкой пластины близок к 1. Эффективная площадь зависит не только от формы, но и от размеров автомобиля, точнее, от площади его миделева сечения. Эффективная площадь современных серийных составляет от 0,5 м
2 для легковых до 2 и более квадратных метров у внедорожников и грузовиков.
Коэффициент сопротивления определяется экспериментальным путём продувкой макетов автомобилей в аэродинамической трубе, либо расчётным путём с помощью компьютерного моделирования.
Мощность, затрачиваемая на перемещение тела с силой F{\displaystyle F} равна произведению этой силы на скорость v{\displaystyle v}:
- Pa=F⋅v.{\displaystyle P_{a}=F\cdot v.}
Так ка сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости, то часть мощности двигателя, идущей на преодоление сопротивления воздуху пропорциональна кубу скорости, т. е увеличение скорости в два раза требует увеличения мощности на преодоление сопротивления в восемь раз:
- Pa=Cxρv32S=ρv32Seff.{\displaystyle P_{a}=C_{x}{\frac {\rho v^{3}}{2}}S={\frac {\rho v^{3}}{2}}S_{eff}.}
- Пример
У автомобиля в летний день (плотность воздуха ~1,2 кг/м3), с эффективной площадью 1 м2, движущегося со скоростью 10 м/с (36 км/час) двигатель затрачивает на преодоление сопротивления воздуха около 600 Вт, а при движении со скоростью 30 м/с (108 км/час) уже ~16 кВт (~22 л. с.).
Некоторые примеры коэффициентов аэродинамического сопротивления современных автомобилей:
Серийно выпускаемые автомобили
Cx=0,29{\displaystyle C_{x}=0,29} — Peugeot 308, 2007
Cx=0,28{\displaystyle C_{x}=0,28} — Porsche 997, 2004
Cx=0,27{\displaystyle C_{x}=0,27} — Infiniti G35, 2002 (Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} «aero package»)
Cx=0,26{\displaystyle C_{x}=0,26} — Lexus LS 430, 2001 (0,25 air suspension)
Cx=0,25{\displaystyle C_{x}=0,25} — Audi A2 1.2 TDI, 2001
Как меняют аэродинамику автомобиля?
Задача специалистов по аэродинамике состоит в уменьшении паразитных сил и моментов (Рх, Рz, Му, Мх и Мz). Добиться можно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, что ведет к увеличению площади миделя и как следствие – к увеличению силы лобового сопротивления. Тупик? Нет, оказывается, грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы позволяют уменьшить Сх! Что это за устройства? Обычно при слове обвес речь идет о бамперах, порогах, спойлерах и антикрыльях.
Антикрыло. Создано для борьбы с подъемной силой. Первостепенная задача – создать прижимную силу, чтобы колеса не теряли контакт с дорогой ни при каких условиях. Взгляните на болиды Ф1. Вот где антикрылья – усилия работы специалистов по аэродинамике! Но перебарщивать с размерами нельзя – резко растет аэродинамическое сопротивление, а значит – падает скорость, увеличивается расход топлива. Практически на всех спортивных автомобилях рабочая часть крыла выполнена регулируемой для возможности изменения угла атаки и возможности настройки.
Основы аэродинамики автомобиля. Что влияет на аэродинамику авто?
Спойлер (от spoil — портить). Аэродинамический элемент с одной рабочей поверхностью для изменения направления движения воздушного потока. Основная задача «правильного» спойлера – организация безотрывного и «плавного» обтекания воздушным потоком всей поверхности автомобиля, что повышает устойчивости при движении с высокими скоростями. Спойлер может бороться с подъемной силой, отсюда его сложные формы. Но эта деталь всегда примыкает к кузову автомобиля. По большому счету, бамперы и пороги это тоже большие спойлеры.
Спойлер и антикрыло – основные, но не единственные элементы, улучшающие аэродинамику. Если заглянуть под днище современного авто, то увидим большое количество специальных щитков. Их задача – уменьшить сопротивление, исключить завихрения и направление потока в нужном направлении. Иногда проработка днища дает потрясающие результаты.
Диффузор. Дальше всех пошли спортсмены – они решили присосать автомобиль к трассе! Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила. Плодами этого открытия норовит воспользоваться каждый автопроизводитель: диффузоры, обеспечивающие ускорение потока, появляются в задней части гражданских машин.
Проблема, что для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны по возможности плоское днище и минимальный дорожный просвет. Если строители спортивных машин могут это позволить, то, к примеру, на Evolution диффузор служит скорее украшением, чем полноценным аэродинамическим элементом.
Парктроник – главный помощник автовладельца. Устройство и монтаж
Как установить обвес из стеклопластика
Для правильной установки обвеса из данного материала, необходимо следовать следующим правилам:
1. Используйте промышленный фен, чтобы подогнать обвес под кузов и придать эластичности в зоне, которая требует корректировки.
Примерка переднего бампера
2. Для укрытия воздушных пузырей и набора толщины можно использовать стекловолокнистую шпатлевку. Сетку для обвеса следует вырезать заранее, также заранее нужно подготовить крепления. Можно крепить на герметик для автостекол, шпаклевку либо проволочку по всему периметру в целях многоразового использования.
Защитные сетки в бампере
3. В процессе покраски температура сушения не должна превышать 35 градусов Цельсия. При более высокой температуре, материал может принять форму того предмета, на который опирается.
4. Пороги крепят после соответствующей подгонки и покраски с помощью того же герметика для автостекол. Пока герметик не приклеил пороги намертво, нужно зафиксировать пороги на несколько часов. Можно также закрепить и на обычные саморезы, если это не покажется не эстетичным.
Крепление порогов
Если по каким-то причинам установка обвеса приостановилась, следует убедиться, что обвес находиться на ровной поверхности и желательно в прохладном месте, как если бы он был установлен на автомобиль. Это продиктовано тем, что детали обвеса могут поменять геометрию под собственным весом или какого-либо другого воздействия.
Основные понятия аэродинамики
Чтобы легче разобраться в аэродинамике, определимся с терминами, принятыми в этой науке.
Сила аэродинамического сопротивления (Рх) — сила, с которой поток воздуха «давит» на движущийся автомобиль. Всегда действует в сторону, противоположную движению. Чем больше, тем ниже максимальная скорость и динамика автомобиля при прочих равных условиях.
Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх). Безразмерная величина, обычно меньше единицы. Определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помочью расчетов. Физический смысл — отношение аэродинамической силы к скоростному напору и характерной площади. У современных автомобилей значение Сх в районе 0,30. Внедорожники имеют чуть больший коэффициент Сх из-за большей площади кузова.
Подробнее про коэффициент Сх в данной статье.
Подъемная сила (Рz) — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. При обтекании автомобиля частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, то есть более выпуклую поверхность. А согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.
Вискомуфта (вязкостная муфта). Принцип работы и устройство
Коэффициент подъемной силы (Су). Тоже безразмерный, определяется аналогично Сх. Зависит от форм автомобиля, его ориентации в пространстве, чисел Рейнольдса и Маха.
Мидель (от middel — средняя) – наибольшая площадь сечения автомобиля, перпендикулярная направлению движения.
Опрокидывающий момент (Му) — определяет перераспределение нагрузок между передними и задними осями автомобиля. Возникает из-за того, что Рх всегда действует под углом к продольной оси автомобиля. По Му можно судить о возможном изменении управляемости на высоких скоростях, а нулевое значение говорит о том, что независимо от скорости автомобиля тот будет управляться одинаково, а заложенный производителем баланс нагрузок на колеса не нарушится.
Момент крена (Мх) и разворачивающий момент (Мz) – характеризуют способность автомобиля противостоять порывам бокового ветра. Чем меньше абсолютные значения, тем меньше водитель чувствует влияние капризов природы.
Важность заводских настроек автомобиля
Пытаясь улучшить свой автомобиль, не стоит забывать, что ГИБДД весьма скептически относится к переделкам машины. Малейшее несоответствие характеристик авто с заявленными производителем влечет за собой штраф от 500 рублей, а в некоторых случаях – лишение прав и аннулирование регистрации за изменение конструкции.
В России тюнинг автомобилей получил широкое распространение, поэтому власти пошли на некоторые уступки. Появились просчитанные инженерами, проверенные и зарегистрированные решения. Поэтому, переделывая автомобиль, стоит обратиться именно к ним, а не вешать спойлер, собранный соседом в гараже. В лучшем случае, вы получите штраф, а в худшем – можете потерять управление и пострадать в ДТП. С физикой и аэродинамикой шутки плохи.
Какой существует коэффициент сопротивления
На практике оказалось, что воздух может быть сильно капризным и его сложно предсказать. Когда стоит приятная безветренная погода, о том, что он существует, многие люди просто забывают. Но ситуация в корне меняется, когда человек начинает движение. Если человек начнет постепенно ускоряться, он будет чувствовать, что воздух начинает превращаться в киселеобразную субстанцию. Машина постоянно встречает движущийся воздушный поток. Чтобы автомобилист имел хотя бы примерное представление о том, насколько быстро машина справляется с воздушным потоком, был введен новый показатель, называющийся коэффициентом лобового сопротивления.
Важно отметить, что данный показатель имеет относительное значение, поэтому требует постоянного сравнения с другими показателем. Чтобы облегчить расчеты, был также установлен эталон, в качестве которого выступает всем привычный цилиндр
Его диаметр должен совпадать с самой широкой частью авто. Тогда встречаемое при движении машины сопротивление будет равняться единице. Когда данный показатель становится известным, в подобные условия помещают авто. Если сопротивление воздуха в 2 раза меньше, соответственно показатель будет 0,5. Однако в современных условиях подобное значение никуда не годится.
Особенности
Есть отличия в аэродинамике автомобилей и аэродинамике воздушного транспорта. Во-первых, характерная форма дорожного транспорта намного менее обтекаемая в сравнении с воздушным транспортом. Во-вторых, для автомобилей необходимо учитывать влияние дорожного покрытия на потоки воздуха. В-третьих, скорости наземного транспорта намного меньше. В-четвертых, у наземного транспорта меньше степеней свободы чем у воздушного, и его движение меньше зависит от аэродинамических сил. В-пятых, Наземный транспорт имеет особые ограничения во внешнем виде, связанные с высокими требованиями безопасности. И, наконец, большинство водителей наземного транспорта менее обучены чем пилоты и обычно водят, не стремясь достичь максимальной экономичности.
Что такое аэродинамика автомобиля
Как бы странно это ни звучало, чем с большей скоростью автомобиль движется по дороге, тем сильнее он будет стремиться оторваться от земли. Причина в том, что поток воздуха, с которым сталкивается транспортное средство, разрезается кузовом авто на две части. Одна проходит между днищем и дорожным покрытием, а вторая – над крышей, и огибает контур машины.
Если посмотреть на кузов автомобиля сбоку, то визуально он будет отдаленно напоминать крыло самолета. Особенность этого элемента летательного аппарата заключается в том, что воздушный поток над изгибом проходит больше пути, чем под прямой частью детали. Из-за этого над крылом создается разряжение, или вакуум. С увеличением скорости эта сила сильнее приподнимает корпус.
Подобный подъемный эффект создается и у автомобиля. Верхний поток огибает капот, крышу и багажник, а нижний – только днище. Еще один элемент, который создает дополнительное сопротивление, это приближенные к вертикали детали кузова (радиаторная решетка или лобовое стекло).
Скорость транспорта напрямую влияет на подъемный эффект. Причем форма кузова с вертикальными панелями создает дополнительное завихрение, которое снижает сцепление транспорта с дорогой. По этой причине владельцы многих классических автомобилей с угловатыми формами при тюнинге обязательно крепят к кузову спойлер и другие элементы, позволяющие увеличивать прижимную силу машины.
Порядок изготовления
Наиболее приемлемый по стоимости способ – эпоксидка. Пластик и металл считаются более затратными вариантами. Некоторые в работе используют стекловолокно.
Из обычного пенопласта изготавливается основа для будущей детали. Действуя острым ножом и используя пластилин, поверхность обвеса выводится под последующую обклейку. Затем наносится стеклоткань, толщина которой определяется по вашему желанию. Пенопласт удаляется, поверхность зачищается, устанавливается крепеж. Обвес готов к монтажу. В заключение его остается отшпаклевать, покрыть грунтовым составом и покрасить.
Если решено воспользоваться пластиком, то технология работ практически не изменяется. Следует только изготовить подходящую основу из бальзы, липы либо плотноватого пенопласта. Для придания ей прочности поверхность грунтуется нитролаками, в которые добавляются тальк либо детские присыпки. Такой же смесью выравнивается поверхность основания обвеса.
При использовании пенопласта его обрабатывают разбавленным ацетоном, лаковым составом либо эпоксидкой. После этого поверхность необходимо натереть свечкой или полиролью.
Основные элементы аэродинамического обвеса
Комплект аэродинамического обвеса представлен сочетанием нескольких основных элементов. Только при креплении всех элементов обеспечивается высокая прижимная сила. Комплект зачастую представлен:
- Диффузорами – элемент заднего бампера, за счет которого существенно повышается прижимная сила. Они выглядят как выступы на нижней части конструкции. Диффузоры состоят из параллельных каналов, за счет которых существенно повышается скорость прохождения воздушного потока под автомобилем. Кроме этого, подобный элемент может перенаправлять воздушный поток в вакуумную зону.
- Юбка или накладка на задний бампер – еще один элемент, за счет которого повышается обтекаемость задней части. Кроме этого, юбка может существенно снизить степень загрязнения заднего обвеса.
- Юбка на передний бампер устанавливается крайне часто, так как приводит к повышению обтекаемости передней части кузова. За счет установки пластиковой накладки увеличивается прижимная сила спереди, за счет чего повышается степень управления на высокой скорости. Качественная накладка может перенаправлять воздушный поток для охлаждения тормозных дисков.
- Задний спойлер на крыше багажного отделения устанавливается для равномерного распределения нагрузки на оси. При грамотном подборе этого элемента можно существенно повысить прижимную силу задней оси при движении на большой скорости.
- Устанавливается спойлер и для заднего стекла. Чаще всего они встречаются на моделях купе и седан. За счет его установки увеличивается обтекаемость крыши, воздушный поток перенаправляется в нижнюю часть кузова.
- Дефлекторы для заднего стекла напоминают «антикрыло». Характеризуется он относительно невысоким эффектом, также предназначен для обеспечения плавного перехода воздушной массы от крыши к задней части. Формирование подобного воздушного потока существенно снижает степень загрязнения стекла.
- Верхнее антикрыло часто устанавливается на хэтчбеке. Выделяют несколько видов подобной конструкции: стационарные, регулируемые и съемные.
- Обтекатели порогов устанавливаются под боковыми дверьми, также повышают степень обтекаемости кузова.
- Щитки перед колесами требуются для того, чтобы провести рассечение плотной массы воздуха при движении на большой скорости. За счет этого автомобиль не будет притормаживать на момент движения.
Только при установке всех аэродинамических элементов достигается требуемый результат. При этом автомобиль становится весьма привлекательным и интересным. Антикрыло отличается от спойлера тем, что имеет большие размеры и сильно возвышается над крышкой багажного отделения. Задача антикрыла заключается в направлении воздушного потока для формирования прижимной силы, спойлер наоборот рационально распределяет воздушный поток.
Зачем автомобилю нужно антикрыло?
Антикрыло можно легко спутать со спойлером. Однако их необходимо отличать, так как, несмотря на некоторую схожесть, они выполняют разные функции; являются разными по своей сути приспособлениями. Функция спойлера – это изменение направления воздушного потока. Спойлеры используются для повышения устойчивости машины в продольном направлении; они имеют довольно непростую форму, но, несмотря на это, плотно примыкают к кузову автомобиля.
Несмотря на все, антикрыло не может гарантировать полную защиту машины от опрокидывания и аварии. Если передняя часть корпуса наклоняется, то может возникнуть неприятность. Если автомобиль будет ехать на высокой скорости и попадет в яму на дороге, то передняя часть поднимется быстрее, чем задняя, подъемная сила увеличится, и машина перевернется. Известны случаи, когда крыло не спасало автомобиль, который двигался с завышенной скоростью. Более того, оно может даже поспособствовать аварии.
Еще одним важнейшим компонентом аэродинамики машины является низкий задний бампер. Его, однако, не рекомендуется устанавливать близко к земле, так как под машиной может накопиться воздушное пространство.
В аэродинамический «комплект» входит также ряд следующих элементов: арки колес, облицовка радиатора, зеркала специальной формы, пороги и т. д. Каждая перечисленная деталь, помимо эстетической составляющей, совершенствует автомобиль в его главной функции – движении на скорости.
Прижимная сила
При движении автомобиля поток воздуха под его днищем идет по прямой, а верхняя часть потока огибает кузов, то есть, проходит больший путь. Поэтому скорость верхнего потока выше, чем нижнего. А согласно законам физики, чем выше скорость воздуха, тем ниже давление. Следовательно, под днищем создается область повышенного давления, а сверху – пониженного. Таким образом создается подъемная сила. И хотя ее величина невелика, неприятность состоит в том, что она неравномерно распределяется по осям. Если переднюю ось подгружает поток, давящий на капот и лобовое стекло, то заднюю дополнительно разгружает зона разряжения, образующаяся за автомобилем. Поэтому с ростом скорости снижается устойчивость и автомобиль становится склонен к заносу.
Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.
Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.
