История развития автомобильной аэродинамики

Первые, выпускавшиеся в начале XX века, легковые автомобили имели кузова каретообразной формы, что делало их плохообтекаемыми. Значение коэффициента аэродинамического сопротивления этих автомобилей составляло 0,7-0,8. Это, учитывая малую мощность устанавливавшихся на них двигателей, было одним из препятствий в достижении высоких скоростей движения, что и послужило основной причиной развертывания работ по совершенствованию аэродинамики автомобильного кузова. Представляет интерес история развития и становления автомобильной аэродинамики с точки зрения совершенствования формы и обтекаемости кузова.

В развитии автомобильной аэродинамики можно выделить четыре основных этапа. Первые три, касающиеся в основном экспериментальной отработки формы кузовов легковых автомобилей. представлены в табл. 1.1.

Первый этап (1900-1920 гг.) был характерен заимствованием и прямым переносом в кузовостроение тел вращения и обтекаемых форм из других областей техники: дирижаблестроения, судостроения и др. К числу первых обтекаемых автомобилей следует отнести имевший электрический привод автомобиль Дженатца (рис 1.1.а). Его кузов в форме торпеды с отношением длины к диаметру, равным 4, имел хорошую обтекаемость, что позволило автомобилю достигнуть очень высокой по тем временам (1899 г.) скорости в 106 км/ч. Другим примером использования обтекаемых форм является автомобиль «Альфа Ромео» (рис. 1.1,6), кузов которого был заимствован из дирижаблестроения (1912 г.). Были также разработаны обтекаемые кузова, задняя часть которых была выполнена в виде «остова корабля».

Второй этап (1921-1960 гг.) - это период разработки и создания автомобильных кузовов обтекаемых форм. Все имевшиеся тогда достижения в аэромеханике в части улучшения обтекаемости, в том числе в самолетостроении, применялись при создании обтекаемых автомобилей.

После Первой мировой войны создание обтекаемых кузовов началось одновременно в ряде стран. При этом широко использовались оставшиеся бездействующими самолетные аэродинамические труды и информация по аэродинамике самолетов. Особенно интенсивные разработки в области автомобильной аэродинамики велись в этот период в Германии. Известный авиаконструктор Румплер разработал кузов автомобиля, который в плане имел форму профиля крыла. Чтобы полезно использовать сильно зауженную заднюю часть кузова, двигатель у этого автомобиля был размещен сзади. По результатам испытаний, выполненных в 1979 г. в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген» (Германия) на представленном немецким автомобильным музеем оригинале этого автомобиля, его коэффициент С_х = 0,28. Показанный в табл. 1.1 гоночный автомобиль «Бугатти» был разработан в 1923 г. Кузов этого автомобиля представлял собой также профиль крыла, но расположенного горизонтально.

Кузова, разработанные Джереем, содержат элементы крыловидных профилей и тел вращения. В основу его идеи формообразования кузова положена комбинация из двух хорошо обтекаемых тел: нижнее представляло собой крыловидный профиль, на который перпендикулярно устанавливался либо симметричный обтекаемый профиль, либо полутело вращения. Предложенная Джереем концепция формообразования кузова была в 1934 г. реализована в спортивном автомобиле «АдлерТриумф» (рис. 1.1.в). Он имел привод на передние колеса, а рабочий объем двигателя составлял 1,5 л. Серийным автомобилем. имевшим форму кузова «Джерея», была разработанная в 1940 г. в Чехословакии «Татра-87» (рис. 1.1,г). Относительное удлинение кузова было меньше, чем у «Адлер-Триумф»: 2,9 против 3,3. Восьмицилиндровый двигатель размещался сзади. По результатам испытаний в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген» значение коэффициента С, для этого автомобиля составило 0,36.

В это же время ряд разработок в области обтекаемых кузовов был выполнен американскими исследователями: Фишлаем, Хилдом, Лэем, Рейдом. Представленные в табл. 1.2 модели автомобилей с разработанными ими на базе полутел вращения кузовами с утопленными в них колесами имели более чем в три раза меньший С„ чем модели серийных автомобилей, выпускавшихся в США в 1922-1933 гг. Среди этих работ следует выделить результаты исследований сотрудника Мичиганского университета Лэя. Системно изменяя форму автомобиля спереди и сзади, Лэй показал ее влияние на коэффициент аэродинамического сопротивления Сд.. Полученные им результаты приведены на рис. 1.2. В это время для снижения аэродинамического сопротивления автомобиля значительно удлиняли хвостовую часть кузова, что обеспечивало улучшение обтекаемости за счет уменьшения спутного следа. Однако при этом росли габариты автомобиля, что отрицательно сказывалось на его маневренности.

Важнейший результат выполненных Лэем исследований вывод о том, что для автомобиля, имеющего в целом обтекаемую форму, резко опускающаяся форма задка в сравнении с вытянутой дает сравнительно небольшое увеличение аэродинамического сопротивления. Теоретическое обоснование этого явления было сделано немецким ученым Каммом, который вдальнейшем стал разработчиком обтекаемого кузова со срезанной задней частью. Форма такого кузова называется формой Камма или сокращенно «К-форма». Преимуществом таких кузовов являлось наличие существенно большего пространства над головой в зоне заднего сиденья при сохранении малого значения коэффициента С_х. Низкий коэффициент С, у автомобиля «Камма» достигается за счет того, что при хорошем обтекании его носовой части воздушный поток плотно прилегает к крыше и, благодаря ее оптимальной форме, а также крутому срезу задка, плавно перетекает для отрыва на значительно меньшее поперечное сечение кузова. Это резко уменьшает поперечное сечение вихревого следа и зону разрежения за автомобилем. На рис. 1,3,а показан автомобиль «Камма» и характер его обтекания при испытаниях в аэродинамической трубе «Фольксваген», по результатам которых значение коэффициента С_х составило 0,37. На рис. 1.3,6 показано сравнение силуэтов кузовов автомобилей «Камма», «Адлер-Триумпф» и «Татра-87».

Рис. 1.3. Характер обтекания автомобиля «Камма» (а) и сравнение силуэтов кузовов трех автомобилей (б): 1 - «Татра 87»; 2 - «Камма»; 3 - «Адлер-Триумф»

В таблице 1.1 показан обтекаемый автомобиль «Шлера», кузов которого имел форму полутела вращения. Такой прием построения обтекаемого кузова был широко распространен в тот период его формообразования. Продольное среднее сечение кузова «Шлера» образовывалось двумя крыловидными профилями, имевшими одинаковый коэффициент аэродинамического сопротивления С_х = 0,125. Колеса были закрыты кузовом, что из-за необходимости обеспечения кинематики поворота передних колес привело к увеличению ширины его носовой части до 2100 мм.

Высота и длина автомобиля «Шлера» составляли: 1275 и 4328 мм соответственно, а его лобовая площадь - 2,54 м . Значение коэффициента С, этого автомобиля было равно 0,19. Автомобилем «Шлера» завершилось направление создания кузовов в форме полутел вращения. Такая форма не нашла применения на серийных автомобилях.

К разработке обтекаемых серийных кузовов, прерванной Второй мировой войной, вернулись в начале 50-х годов. При этом наряду с совершенствованием формы и дизайна автомобиля уменьшалась его лобовая площадь. В целом такая эволюция формы кузова и его лобовой площади наглядно видна на примере автомобилей фирмы «Ситроен» (Франция) (табл. 1.3).

Видно, что величина фактора С,7\ характеризующего аэродинамическое сопротивление автомобиля, снизилась более чем в четыре раза. Толчком к резкой активизации работ по созданию обтекаемых кузовов послужил известный мировой нефтяной кризис 1974 г., потребовавший снижения расхода топлива автомобилей. В 80-х годах практически все ведущие автомобильные фирмы Европы, США и Японии по специальным программам разрабатывали прототипы экономичных легковых автомобилей с

обтекаемыми кузовами. Это отразилось и на форме кузовов серийных легковых автомобилей, значение коэффициента С_х которых к 1990 г. было доведено до 0.3, а к 2000 г. до 0,2. Таким образом, начиная с послевоенного периода, значение коэффициента С, легковых автомобилей снизилось в три раза.

Третий период развития автомобильной аэродинамики характеризуется иными подходами к совершенствованию аэродинамики кузова, поскольку наряду с обтекаемостью большое внимание стали уделять компоновке кузова, его безопасности и эргономичности. При проектировании кузова эти вопросы становились приоритетными.

Начиная с 1975 г. широкое распространение получил впервые опробованный фирмой «Фольксваген» метод поэлементной аэродинамической оптимизации проектируемого автомобиля. При этом исходным для аэродинамической отработки автомобиля в аэродинамической чрубе является дизайнерский проект внешней формы и вносимые по результатам аэродинамических испытаний изменения в форму кузова не должны изменить его дизайнерскую концепцию в целом. В табл. 1.1 показаны разработанные по такой методике автомобили этой фирмы.

В настоящее время мы наблюдаем четвертый этап развития аэродинамики автомобиля. Он характеризуется широким использованием расчетных исследований, возможностью проведения компьютерного моделирования его аэродинамической формы, высокоточными параметрическими исследованиями в малых и больших аэродинамических трубах, а также применением дорожных методов аэродинамических испытаний натурных автомобилей.

На рисунке 1.4 показана аэродинамическая эволюция формы кузова легковых автомобилей. Характерным, в том числе из соображений улучшения обтекаемости, является переход на двухобъемные кузова, а также определенный интерес к однообъемным кузовам, применение которых позволяет вести проектирование автомобилей со значениями коэффициента С, менее 0,2. Приведенная на рис. 1.4 диаграмма показывает, что к 2010 г. ожидаемое значение коэффициента С_х легковых автомобилей с обтекаемыми кузовами может составить около 0,15. Наряду со снижением С_х будет уменьшаться и лобовая площадь автомобилей, поэтому величина их фактора обтекаемости может быть доведена до 0,25. Такое значительное снижение аэродинамического сопротивления позволит существенно повысить топливную экономичность и скоростные свойства автомобилей.