Аэродинамика конструктивных элементов кузова

Как известно, на поверхности кузова имеется определенное количество дополнительных деталей и мелких конструктивных элементов: зеркала заднего вида, антенны, дверные ручки, стеклоочистители, боковые поворотные фонари, водосточные желоба, номерные знаки и т.д. При натекании на них воздушного потока наблюдаются срыв потока и интенсивные отрывные течения, что приводит к появлению за этими элементами зон разрежения, увеличению аэродинамического сопротивления, аэродинамического шума и повышенному загрязнению кузова. Поскольку расчетная оценка аэродинамического сопротивления дополнительных конструктивных элементов на кузове автомобиля затруднена, для оценки их сопротивления используются, как правило, экспериментальные данные. Для расширения сведений по аэродинамике дополнительных элементов были проведены соответствующие экспериментальные исследования в трубе и на дороге, а также систематизированы данные, имеющиеся в технической литературе.

В таблице 5.4 приведены данные, позволяющие оценить аэродинамическое сопротивление отдельных конструктивных элементов на кузове автомобиля в ходе его аэродинамического проектирования.

На рисунке 5.10 представлены экспериментальные зависимости коэффициента С, от угла натекания потока для моделей автопоезда с установкой микроклимата на крыше кабины (кривая 2) и без установки (кривая 1), а также грузового автомобиля с наружными зеркалами заднего вида (кривая 4) и без зеркал (кривая 3). Приведенные данные свидетельствуют о том, что по

мере увеличения угла натекания потока дополнительное аэродинамическое сопротивление от укатанных элементов растет. Так, при углевеличина приращения коэффициентамоде-

лей за счет дополнительных элементов почти вдвое больше, чем при нулевом угле натекания потока.

Исследование аэродинамики стеклоочистителей показало, что их эффективность зависит от степени прижатия к ветровому стеклу.

Для устранения отрыва щеток от стекла либо на поводках их привода, либо на самих щетках иногда устанавливают различные приспособления, за счет которых при движении автомобиля создается аэродинамическая сила, противодействующая отрыву щеток. Известно, что используемые для этой цели изогнутые пластинки не выполняют своего назначения при боковом ветре, а иногда даже способствуют отрыву щеток.

Рис. 5.10. 'Зависимость коэффициента Ст моделей автопоезда и грузовика от угла натекания потока: 1,2- авто! юезд без установки и с установкой микроклимата на кабине; 3.4 - грузовик без зеркал и с наружными зеркалами заднего вида

Исследованиями в аэродинамических трубах установлено, что подъем и отрыв щеток от стекол автомобилей определяется главным образом тремя факторами:

• особенностями обтекания ветрового стекла воздушным потоком;

• аэродинамическими характеристиками расположенных вне кузова деталей стеклоочистителя;

• особенностями распределения сил, прижимающих щетки к стеклу.

Остановимся на первом факторе. Следует отмстить, что на формирование воздушного потока в области ветрового стекла влияют в основном конструктивные параметры передней части автомобиля, например, форма кузова, конфигурация и выполнение окантовки самого ветрового стекла. Эти параметры определяют и скорость течения воздуха вдоль поверхности лобового стекла. Например, при движении одной из моделей легкового автомобиля со скоростью 150 км/ч поток набегал на щетку стеклоочистителя со скоростью 187 км/ч. В то же время известно, что чем больше угол наклона лобового стекла, тем более плавными являются округления его боковых стоек, тем больше скорость на поверхности бокового стекла, а следовательно, и аэродинамические силы, воздействующие на щетку стеклоочистителей.

К параметрам, характеризующим аэродинамические свойства стеклоочистителя, относятся форма рычага и поводка, угол наклона резиновой части щетки, профиль щетки и максимальное расстояние между коромыслом и резиной. На рис. 5.11 ,а показано влияние действующей на щетку силы при различном профиле коромысла. Однако форму сечения резиновой части щетки и коромысла обычно выбирают по очищающей способности и прочности всего узла, поэтому не всегда можно принять тот профиль, который затрудняет подъем стеклоочистителя.

Как показали исследования, щетки с резиновой частью, профиль которой представляет собой треугольник с вершиной, обращенной вверх, обладают сравнительно малой подъемной силой. Поскольку в этом случае стекло очищается плохо, то все конструкции отечественных и зарубежных щеток имеют очищающий элемент в форме треугольника с вершиной, обращенной вниз.

Влияние максимального расстояния / между резинодержателем и коромыслом разного профиля на подъемную силу⁷ щетки изображено на рис. 5.11.6. Предпочтительнее увеличивать /. однако если это расстояние более 30 мм, то в нерабочем положении стеклоочиститель мешает обзору водителя. Заметим, что на уменьшение подъемной силы влияют жесткость пружины рычага и усилие, прижимающее щетки к стеклу.

Рис. 5.11. Влияние действующей на щетку подъемной силы: а - профиля коромысла; б - максимального расстояния между резинодержателем и коромыслом

Для предотвращения отрыва щетки следует предусматривать следующие меры:

- правильный выбор формы щеток;

- выбор усилий прижатия стеклоочистителей;

- определение оптимального места их установки;

- согласование формы элементов передней части автомобиля и расположения щеток на стекле с целью уменьшения скорости воздушного потока на поверхности стекла и угла его натекания на стеклоочиститель.

Таким образом, все исследования по предотвращению отрыва щеток от сметаемой поверхности необходимо вести одновременно с исследованием формы кузова или кабины транспортного средства. Заметим при этом, что боковой ветер является одним из факторов, существенным образом влияющим на картину распределения действующих на стеклоочистители аэродинамических сил. Проведенные исследования моделей легковых автомобилей выявили также, что щетки стеклоочистителя оказывают влияние и па суммарный коэффициент лобового сопротивления автомобиля, увеличивая его на 1-1,5%. Это объясняется повышением местных давлений на наветренной части модели. По-

этому возникает необходимость разработки специальных обтекателей стеклоочистителей, выбора их оптимальной формы, места их расположения на капоте. Это обстоятельство должно учитываться при разработке перспективных моделей скоростных автомобилей.

Аэродинамика багажника на крыше автомобиля. Багажник обеспечивает перевозку дополнительного багажа, однако установка и размещение в нем груза существенно ухудшают обтекаемость автомобиля. Для оценки возможностей снижения аэродинамического сопротивления автомобиля с багажником были проведены соответствующие модельные испытания. Объектом испытаний была изготовленная из дерева масштабная (М 1:5) модель легкового автомобиля с установленным на ее крыше багажником, изготовленным из медных трубок и оборудованным лобовым обтекателем. Конструкция обтекателя обеспечивала возможность перетекания потока воздуха в зазоре между днищем багажника и крышей кузова модели и представляла собой выступающий перед багажником, перекрывающий его вместе с грузом «носовой конус», высота которого менялась в зависимости от объема груза в багажнике. В ходе испытаний в багажник укладывался один брусок, а затем два. чем имитировалась различная по высоте загрузка багажника одним или двумя чемоданами соответственно.

В таблице 5.5 показано влияние конфигурации багажника с обтекателем и без обтекателя при различном расположении груза. Испытаниями установлено, что установка багажника без груза, а также последовательное размещение в багажнике одного и двух чемоданов, увеличивает коэффициент обтекаемости модели автомобиля на 21, 16 и 29% соответственно. Наличие обтекателя на пустом багажнике увеличивает аэродинамическое сопротивление модели на 14%.

При размещении в багажнике одного или двух чемоданов лобовой обтекатель снижает аэродинамическое сопротивление модели на 8 и 10% соответственно.

Проведенные дорожные испытания показали, что установка обычного багажника с багажом из двух лежащих чемоданов па крыше легкового автомобиля увеличила его коэффициент С_х на 18%. При этом следует отметить, что чем лучше обтекаемость самого автомобиля, тем в большей степени увеличивается его коэффициент аэродинамического сопротивления при установке на нем плохообтекаемого тела - багажника с грузом.

Заметное влияние на обтекаемость кузова оказывает водосточный желоб над лобовым стеклом, который вызывает местное торможение и отрыв потока, что увеличивает аэродинамическое сопротивление транспортного средства. Степень влияния водосточного желоба зависит от высоты его расположения относительно поверхности крыши кузова. На рис. 5.12 показана зависимость снижения коэффициента С, микроавтобуса от высоты расположения водосточного желоба. Опускание водосточного желоба на 60 мм снижает С, на 14%. Такое большое снижение С, объясняется влиянием закругления верхней фронтальной кромки, которая до этого находилась в аэродинамической тени за водосточным желобом.

В настоящее время, учитывая заметное влияние водосточного желоба на обтекаемость лобовой панели кузова, он не применяется па современных легковых автомобилях и микроавтобусах.

Кузова специальных патрульных автомобилей оборудуются сигнально-звуковыми установками (СЗУ). При движении такого автомобиля с высокой скоростью установка СЗУ влияет па его аэродинамические характеристики и уровень аэродинамического шума. Поэтому важно выбрать оптимальную форму, а также конструктивные и установочные параметры СЗУ применительно к кузову автомобиля, на котором она будет установлена. При решении этого вопроса могут быть использованы приведенные ниже результаты исследований масштабной модели легкового автомобиля с макетом СЗУ на ее крыше в аэродинамической трубе. В ходе испытаний менялся угол наклона лобовой панели установки, ее высота и место расположения по длине крыши модели автомобиля.

Рис. 5.12. Зависимость снижения коэффициента Сх микроавтобуса от высоты расположения лобового водосточного желоба относительно крыши кузова

При расположении СЗУ у передней кромки крыши угол наклона ее лобовой панели оказывает заметное влияние на С_х модели автомобиля. При этом наименьшее значение С, достигается при угле наклона лобовой панели СЗУ 20-25°. Перемещение СЗУ к задней кромке крыши кузова уменьшает степень влияния угла наклона лобовой панели на С, модели автомобиля.

Наблюдается интенсивный рост коэффициента С_х по мере увеличения высоты СЗУ, а приближение СЗУ к передней и задней кромкам крыши кузова увеличивает С, модели автомобиля. Наименьшее значение коэффициента С_х наблюдается при размещении СЗУ примерно посередине крыши модели автомобиля.