Аэродинамика автомобильного колеса

Аэродинамические свойства колесного транспортного средства в определенной мере зависят от характера обтекания колес и колесного движителя в целом, причем по мерс улучшения обтекаемости кузова влияние аэродинамического сопротивления колеса возрастает.

Аэродинамические характеристики колеса зависят от того, неподвижно оно или вращается. В отличие от неврашающегося свободного колеса, поток воздуха вокруг вращающегося колеса по поверхности обладает большей энергией, гак как давление в точке стагнации больше. Следовательно, поток интенсивнее расходится на боковые стороны колеса. Этот эффект получил название «образование струй». Вихри, образующиеся в нижней части вращающегося колеса, обладают гораздо большей энергией. чем у неврашающегося. Вокруг вращающегося колеса образуются интенсивные окружные и кольцевые вихреобразования (рис. 5.1). Учитывая, что на поверхности дороги перемещение масс воздуха более активное, сопротивление катящегося колеса будет больше, чем у неврашающегося.

Рис. 5.1. Схемы обтекания колеса: а - неподвижного; б - вращающегося; в - катящегося по опорной поверхности

Анализ эпюр распределения давлений на опорной поверхности от натекающего потока по мере приближения к ней вращающегося колеса показывает, что при наличии зазора между колесом и опорной поверхностью коэффициент давления С_р имеет отрицательные значения, увеличивающиеся по мере уменьшения зазора. При наличии контакта с опорной поверхностью знак коэффициента давлений меняется па положительный. Поскольку колеса транспортных средств в той или иной степени углублены в кузов, находясь в колесных нишах, представляет интерес зависимость аэродинамических характеристик колеса от его установочных параметров.

На рисунке 5.2 представлены зависимости коэффициентов С_х и С; от относительных размеров колеса и параметров колесной ниши. Во всех рассмотренных случаях значения коэффициентов С, и С; для вращающегося колеса выше, чем для неподвижного. По мере увеличения габаритных размеров колесной ниши аэродинамическое сопротивление и подъемная сила колеса возрастают. Это связано с увеличением объема турбулентного, перемешиваемого при вращении колеса, завихренного воздуха.

Таким образом, для уменьшения аэродинамических потерь колеса зазоры между ним и колесной нишей следует по возможности минимизировать. Аэродинамические характеристики колеса зависят от его конструкции и габаритных размеров (рис. 5.3). Видно, что с увеличением ширины колес с шинами различных моделей коэффициент аэродинамического сопротивления колеса и действующая на него подъемная сила возрастают. Можно считать, что уширение колеса с шиной на каждые

10 мм в среднем увеличивает коэффициенты С_х и С- на 0,002 и 0,006 соответственно.

Наиболее значительное влияние аэродинамическое сопротивление колес оказывает на хорошо обтекаемый автомобиль. Так, по данным опытов А. Морелли, модель обтекаемого автомобиля без колес имела С,- = 0.07, а с колесами - 0.18, т.е. С, возрос в 2,5 раза. Ориентировочно можно принимать, что колеса увеличивают аэродинамическое сопротивление легкового автомобиля примерно на 0,054-0,06. Увеличение аэродинамического сопротивления автомобиля создается главным образом передними колесами, особенно это проявляется при косом натекании потока, практически выравнивающих наружные поверхности колес и кузова. По данным фирмы «Пининфарина» (Италия), исследовавшей колпаки на 14 автомобилях, в среднем наличие колпаков снижает коэффициент С, на 0,009.

Существенно улучшить обтекание наружной поверхности колес с шипами можно за счет установки плоских колпаков.

Рис. 5.3. Зависимость коэффициентов Сx и Сz. колеса от его ширины и типа шины: 1 - гладкая шина; 2-е дорожным рисунком протектора; 5-е универсальным рисунком протектора

В настоящее время практически возможна лишь сравнительная оценка влияния колес на аэродинамическое сопротивление транспортного средства по результатам его дорожных испытаний, поскольку трубные исследования моделей и натурных образцов обычно проводятся при невращающихся колесах. Однако при проектировании перспективных транспортных средств важно располагать возможностью расчетного определения аэродинамического сопротивления колесного движителя при различном конструктивном исполнении колес с шинами и способе установки их относительно кузова. К числу основных конструктивных и установочных факторов, влияющих на аэродинамику колеса и транспортного средства в целом, следует отнести тип и конструкцию колеса и шины, их габаритные размеры, способ установки относительно кузова, характер расположения в колесной нише.

Рис. 5.4. Схемы установки колес относительно кузовов автомобиля: а - полностью открытая; б - частично открытая; в - закрытая

На рисунке 5.4 показаны наиболее распространенные способы установки колес относительно кузова: открытые (колеса прицепов и полуприцепов, задние колеса грузовиков, колеса железнодорожных поездов), частично закрытые (колеса полуприцепов и задние колеса тягачей магистральных автопоездов), закрытые (колеса легковых автомобилей и автобусов), передние (колеса тягачей и грузовиков). Заметное влияние на аэродинамическое сопротивление колес оказывает место их расположения по длине подднищевой зоны, поскольку при этом происходит существенное уменьшение скорости воздушного потока по мере приближения его к кормовой части транспортного средства. На аэродинамическое сопротивление колес, установленных друг за другом, влияет" и степень затенения их впереди стоящими колесами.

В соответствии с отобранными наиболее важными конструктивными параметрами, определяющими аэродинамику колеса, на основании обработки и анализа результатов экспериментальных исследований нами получена следующая зависимость для расчетного определения аэродинамического сопротивления колес магистрального автопоезда:

где,- площадь миделя автопоезда,лобовая площадь коле-

са, находящаяся под давлением воздушного потока, скорость потока свободно-натекающего и протекающего по i-му участку подднищевой зоны соответственно, м/с;- ширина колеса, м;- радиус колеса, м; и, - число колес левого и правого борта автомобиля в i-м участке подднищевой зоны;- коэффициент, учитывающий способ установки колеса относительно кузова в i-м участке подднищевой зоны (для открытогодля частично закрытогодля закрытого- коэффициент, учитывающий затенение последующего колеса предыдущим

При необходимости учета влияния на аэродинамическое сопротивление колеса таких его конструктивных особенностей, как дисковое или бездисковое исполнение, количество и форма элементов крепления, тип и форма протектора и т.д., вводятся поправки, учитывающие изменение коэффициента трения соответствующих поверхностей от относительной шероховатости.

Для расчета аэродинамического сопротивления колес легкового автомобиля можно использовать следующую формулу;

гдескорость потока в зоне передних и задних колес;

- лобовая площадь колеса.

Предлагаемые зависимости были использованы для определения аэродинамического сопротивления колес магистрального автопоездов и легкового автомобиля. Аэродинамическое сопро-

тивление колес в виде соответствующей доли от величины коэффициента аэродинамического сопротивления данного автотранспортного средства при расчетной скорости V„ = 90 км/ч составило:

• для седельного автопоезда типа 10x2 -6%;

• для прицепного автопоезда тина 8x2 —5%;

• для легкового автомобиля -2%.