Влияние формы и параметров кузова на аэродинамические характеристики пассажирских автомобилей

Для решения поставленной задачи были проведены параметрические испытания крупномасштабной модели автомобиля в аэродинамической фубе. Модель имела полное геометрическое подобие с натурным автомобилем. Для соблюдения кинематического подобия, параметрические испытания проводились в зоне «автомодельное™», где аэродинамические характеристики модели практически не зависят от числа Рсйнольдса (Re). Методика модельных аэродинамических исследований включала получение опытных данных, устанавливающих влияние каждого из рассмотренных выше параметров кузова на величину коэффициента С_д. модели автомобиля.

Результаты проведенных аэродинамических испытаний представлены ниже в виде графических зависимостей.

На рисунках 6.7 - 6.11 представлены зависимости снижения коэффициента сопротивления С_х модели автомобиля от угла наклона облицовки радиатора, крышки капота, ветрового стекла, радиуса закругления фронтальных кромок капота и удлинения кузова.

Рис. 6.7. Зависимость приращения коэффициента Сх автомобиля от угла наклона облицовки радиатора

Рис. 6.Н. Зависимость приращения коэффициента (автомобиля от угла наклона крышки капота

Рис. 6.11. Зависимость приращения коэффициента Сх автомобиля от его относительного удлинения

Па рисунке 6.12 приведена зависимость коэффициента С_х автомобиля от угла наклона задней панели кузова.

Рис. 6.12. Зависимость коэффициента С, автомобиля от угла наклона задней панели кузова: линия - расчет. точки - эксперимент

Имеющие место на рис. 6.12 характерные точки перегиба кривой, зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления от угла наклона задней панели кузова, соответствуют строго зафиксированным значениям угла у лишь тогда, когда переход от крыши к поверхности задней панели выполнен в виде острой кромки (без закругления). Если же этот переход выполнен со округлением радиусом R'_k, то переходная область, характеризующаяся пульсирующим изменением положения линии отрыва. перемещающейся с задней кромки крыши на нижнюю кромку задней наклонной панели, ограничивается диапазоном 25° < у < 30°.

Исследование влияния формы прилегающих к задней кромке крыши поверхностей кузова на коэффициент С_х проводилось при неизменном контуре боковины модели автомобиля. Если сопряжение крыши с наклонной задней панель кузова выполнено в виде острой кромки, то линия отрыва потока располагается выше разъема задней двери, но при этом не сопровождается заметным изменением коэффициента С_х. При сильном закруглении задней кромки крыши линия отрыва потока смешается назад и коэффициент С, уменьшается на 9%. Снижение коэффициента С_х можно объяснить увеличением базового давления в вихревом следе за моделью автомобиля.

Рис. 6.13. Зависимость снижения коэффициента С \ ивтомоонля от степени заужения кормовой части кузова: Вк; в - исходная ширина кузова и величина его заужения

На рисунке 6.13 показана зависимость снижения коэффициента С, автомобиля от степени заужения кормовой части кузова. Видно, что за счет уменьшения длины спутного следа за автомобилем наблюдается заметное снижение его аэродинамического сопротивления.

Как показали испытания, аэродинамическое сопротивление модели автомобиля с плоским днищем от угла тангажа кузова, наличие отрицательного тангажа позволяет увеличить скорость потока в подднищевой зоне, что приведет к снижению давления на днище и уменьшению подъемной силы (индуктивного сопротивления). а следоввательно, аэродинамическог сопротивления. Наклон модели (отрицательный тангаж) на 1° снижает аэродинамическое сопротивление модели на 4% (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Зависимость снижения коэффициента Сх модели автомобиля от угла тангажа кузова

Дополнительно была испытана модель легкового автомобиля с плоским днищем при различной величине дорожного просвета. Испытания при различной величине дорожного просвета показали, что уменьшение его до определенного значения снижает коэффициент С_s модели. Это связано со снижением расхо-

Рис. 6.16. Возможности снижения коэффициента С, легкового автомобиля за счет совершенствования формы кузова

Несмотря на заметные успехи в области теоретической аэродинамики и прикладной математики, чисто расчетное определение достоверных значений аэродинамических коэффициентов применительно к автотранспортным средствам пока еще существенно затруднено в физическом и математическом аспектах этой проблемы, в том числе из-за недостаточно высокого уровня развития отечественной вычислительной техники, а разработка самих численных методов находится в стадии развития. В настоящее время посредством решения краевых задач либо на основе точных уравнений движения вязкой жидкости, либо на основе приближенных уравнений, полученных из точных путем исключения групп отдельных слагаемых, может быть аналитически изучен лишь ряд случаев ламинарного обтекания тела в полном объеме. Что касается турбулентного обтекания, а именно оно типично для АТС, то существующие теории турбулентности в данный момент не позволяют описать характер течения в отдельных зонах посредством краевых задач на основе каких либо дифференциальных уравнений.

В связи с изложенным основным методом аэродинамического проектирования автомобиля до сих пор остаются экспериментальные исследования в аэродинамических трубах путем постановки мпогофакторного эксперимента с использованием математического метода его планирования и последующей аппроксимацией полученных результатов. Это направление аэродинамических исследований обеспечивает достаточно высокую точность в сочетании с возможностью объяснения физической сущности характера влияния конструктивных параметров кузова на обтекаемость автомобиля. Необходимо отметить, что особенно сложный характер носит обтекание головной и кормовой части автомобиля, а также его подднищевой зоны и подкапотного пространства. Поэтому здесь не могут быть использованы численные методы, используемые в авиационной аэродинамике, а также применяемая для аналитического описания обтекаемости скоростных железнодорожных поездов известная полуэмпирическая теория турбулентных течений по пути перемешивания Прандтля. На основное течение воздушного потока вокруг серийного автомобиля частичные пульсационные движения потока

В таблице 6.1 приведены расчетные формулы, связывающие приращение коэффициента С_х автомобиля с представленными на рис. 6.17 параметрами кузова.

Рис. 6.17. Основные конструктивные и установочные параметры кузова, влияющие на обтекаемость автомобиля: S. ф, у, 1|/ - углы наклона облицовки радиатора, крышки капота, ветрового и заднего стекол; RK. - радиусы закругления фронтальных кромок капота и крыши; , h - угол тангажа кузова и расстояние его от днища до дороги; Ь, /з - величина заужения кузова и его длина; L,„ Иа, На - длина, ширина и высота автомобиля

Таблица 6.1 Взаимосвязь аэродинамического сопротивления автомобиля _с конструктивными параметрами кузова_

увеличения сопротивления по сравнению с сопротивлением гладкой пластины. Понятие допустимой высоты шероховатости весьма важно с практической точки зрения, гак как позволяет' определить, к какой степени гладкости кузова скоростного автомобиля следует стремиться при его технологической обработке с целью уменьшения сопротивления трения. Значение допустимой величины шероховатости для плоской пластины может быть определено посредством следующей формулы:

Рис. 6.18. Предельные величины шероховатости поверхности модели, при которых не происходит увеличение ее аэродинамического сопротивления: А - зона отсутствия влияния шероховатости поверхности; Б - зона частичного влияния шероховатости поверхности: В - зона значительного влияния шероховатости поверхности

противления автомобиля: сопротивления формы, сопротивления внутренних потоков, индуктивного сопротивления и дополнительного сопротивления выступающих на поверхности кузова мелких деталей.

Основной составляющей аэродинамического сопротивления автомобиля является сопротивление формы. Форма автомобиля определяет величину и месторасположение зон повышенного и пониженного давлений, а также источников вихреобразования при взаимодействии его с потоком воздуха. На образование вихкало заднего вида располагается в длинном обтекаемом кожухе, в нижней части которого находится дефлектор воздуха, препятствующий завихрению воздуха за зеркалом, что дополнительно снижает коэффициент обтекаемости автомобиля.

Представляет интерес разработанный концерном «Форд» (США) прототип высокообтекаемого легкового автомобиля с четырехместным кузовом типа «седан», имеющим каплеобразную форму кузова со срезанной задней частью; полностью закрытую для проникновения воздушных потоков переднюю часть автомобиля; забор воздуха к двигателю и системе вентиляции кузова на верхней панели капота перед ветровым стеклом. Радиатор и конденсатор кондиционера размещены сразу за задними колесами, воздух к ним засасывается сбоку и выбрасывается сзади, при этом упорядочиваются потоки воздуха по бокам автомобиля и уменьшается зона вихреобразований позади него, одновременно выбрасываемый сзади автомобиля воздух заполняет зону срыва потока, отклоняет поток за задним стеклом автомобиля и, как бы удлиняя его, улучшает обтекаемость. Днище автомобиля, включая выпускной трубопровод, перекрыто поддоном. Остекление установленных с большим углом наклона лобового и заднего стекол выполнено заподлицо с кузовом; боковые стекла жестко закреплены, опускается лишь их нижняя часть с образованием проема не более 100 мм. Перекрыты передние и задние колеса, при этом проемы перед колес перекрыты специальными эластичными мембранами разработанными фирмой «Гудьир», позволяющими производить поворот колес без появления турбулентности при их обтекании, а сами колеса заключены в жесткие кожухи и снабжены гладкими накладными аэродинамическими дисками, спереди и сзади колес на кузове имеются обтекатели, рисунок протектора шин выбран с наименьшими аэродинамическими потерями. Передний и задний бамперы отсутствуют; места соединения и касания панелей капота и дверей с кузовом тщательно герметизированы; устранены все выступающие элементы конструкции с поверхности кузова, включая смонтированные заподлицо с передними крыльями выдвигающиеся фары. Все перечисленные мероприятия позволили снизить значение коэффициента обтекаемости этого автомобиля до 0,15 (рис. 6.19).

Риc. 6.19. Обтекаемый автомобиль «Ford Probe-IV», С, = 0,15

Из числа разработанных в последнее время экспериментальных легковых автомобилей малого класса с совершенными аэродинамическими качествами следует остановиться на модели «ЕСО-2000» фирмы «Сизросн». Особое внимание при разработке автомобиля «ЕСО-2000» было обращено, учитывая его малую длину и трудности снижения коэффициента об текаемости за счет формы кузова, на отработку мероприятий по снижению других составляющих аэродинамического сопротивления: индуктивного, внутреннего и дополнительного. Кузов автомобиля «ЕСО-2000» - однообъемный с покатой к задней части крышей. Кривизна крыши выбрана на основании специальных аэродинамических исследований по ее отработке. Передняя часть автомобиля предельно уплотнена и герметизирована. Забор воздуха для системы охлаждения двигателя производится с помощью специальных щитков, установленных в подднищевой зоне автомобиля. Днище автомобиля гладкое. При габаршиых размерах 3,494x1.484x1,266 м автомобиль «ЕСО-2000» имеет лобовую площадь 1,53 м и снаряженную массу 480 кг с распределением ее по осям: передняя - 320 кг (66%) и задняя - 160 кг (34%). В конструкцию автомобиля заложено отрицательное тангажирование, что в совокупности с оптимизированным дорожным просветом, позволило существенно снизить аэродинамическое сопротивление автомобиля «ЕСО-2000». Для обеспечения оптимального дорожного просвета и угла тангажа автомобиля в зависимости от нагрузки и режимов движения. на нем применена гидропневматическая подвеска с электронным управлением, позволяющая регулировать угловое и вертикальное перемещение кузова относительно поверхности дороги.

Отечественные автозаводы также ведут работы по улучшению обтекаемости легковых автомобилей. На рис. 6.20 показано снижение коэффициента С_х наших легковых автомобилей.

На рис. 6.21 показано изменение формы кузова автомобилей ГАЗ в направлении улучшения их обтекаемости. На рис. 6.22 представлен разработанный при участии автора легковой автомобиль «НАМИ-Дебют» с обтекаемым кузовом (С,-= 0,25). С,

Рис. 6.20. Снижение коэффициента (отечественных легковых автомобилей

Рис. 6.21. Этапы формообразования и классической компоновки кузова легковых автомобилей ГАЗ в направлении улучшения их обтекаемости: а) ГАЗ-А; б) ГАЗ-MI; в) ГАЗ-М20' г) ГАЗ-21: д) ГАЗ-24; е) ГАЗ-З! 10; ж) ГАЗ-ЗЮ4; у) ГАЗ-З! 11

Рис. 6.22. Автомобиль « НАМИ-Дебют » с обтекаемым кузовом

Аэродинамическое сопротивление автомобиля, определяемое главным образом степенью обтекаемости кузова, зависит также от других элементов конструкции. В табл. 6.3 показана упрощенная схема формообразования автомобиля па базе трехобъемного кузова путем дополнения его типичными конструктивными элементами и соответствующее приращение коэффициента С,.

Представляет научный и практический интерес приведенная ниже графическая интерпретация рассмотренных выше рекомендаций по улучшению обтекаемости кузова и его элементов, с использованием результатов физических исследований, выполненных в аэродинамической трубе НИИ механики МГУ. Критерием оценки уровня обтекаемости кузова являлись эпюры скорости воздушного потока у поверхности обдувавшейся модели, которые были получены посредством термоанемометра «DISA».

На рисунке 6.23 показаны основные приемы аэродинамической оптимизации передней части трехобъемного кузова, которые практически одинаковы с двухобъемным кузовом. Прямоугольное исполнение капота приводит к торможению натекающего воздушного потока и отрыву его за острой фронтальной кромкой и резкому увеличению скорости, о чем свидетельствует всплеск скоростной эпюры.

Основными приемами аэродинамической оптимизации передней части кузова являются: увеличение углов наклона панели облицовки радиатора и крышки капота в сочетании с закруглением их фронтальных кромок. При этом, как показывает эпюра скорости обтекающего эту зону кузова воздушного потока, удается практически устранить наблюдавшееся ранее его местное ускорение и отрывные течения (см. верхнюю часть рис. 6.23).

Таблица 6.3 Схема формообразования автомобиля с трехобъемным кузовом

№ п/п Этапы формообразования автомобиля Описание этапа формообразования Значение коэффициента Сх 1 Идеально обтекаемое тело вблизи «земли» 0,10 2 Обтекаемое тело заданного объема 0,22 3 Базовое тело понтонной формы 0,24 4 Остов кузова 0,26 5 По п. 4 с колесными нишами 0,30 6 По п. 5 с добавлением колес 0,34 7 По п. 6 с имитацией днища 0,39 8 По п. 7 с дополнительными элементами на кузове 0,43 9 По п. 8 с перетеканием потока в подкапотном пространстве 0,46

торая отрицательно влияет на показатели устойчивости и управляемости. Аэродинамическая оптимизация носовой части обеспечивает оптимальное ее обтекание, исключающее возникновение подъемной силы на передней оси автомобиля.

Рис. 6.23. Основные приемы аэродинамической оптимизации передней части трехобъемного кузова: V, - скорость свободно натекающего потока; Vk - скорость потока, обтекающего поверхность кузова; О - точка торможения потока

Рис. 6.24. Основные приемы аэродинамической оптимизации средней и кормовой части трехобъемного кузова: V, - скорость свободно натекающего потока; V* - скорость потока, обтекающего поверхность кузова; 0 - точка торможения потока

Рис. 6.26. Основные приемы аэродинамической оптимизации кормовой части двухобъемного кузова: 1,2 - задняя кромка крыши не закруглена и закруглена радиусом R; Нсф, Нсс - высота спутной струи за автомобилем с кузовами «фастбек» и «сквайбек»

Рис. 6.28. Влияние расположения кузова на характер поля скоростей в подднищевой зоне автомобиля: V0 - торможение потока в подднищевой зоне; hf, - дорожный просвет автомобиля; Pz., - подъемная сила на задней оси

Рис. 6.29. Конструктивные мероприятия по устранению перетекании в зоне переднего и заднего бамперов автомобиля: У- уплотнения

Рис. 6.30. Однообьемныи кузов и эпюра изменения скорости обтекающего его воздушного потока

На аэродинамику кузова оказывает влияние определяемый его угловым и вертикальным расположением относительно поверхности дороги характер потока под автомобилем (рис. 6.28). При неправильной - с положительным (а > 0) углом тангенса - установке

кузова таким образом, что минимальный дорожный просвет приходится на заднюю ось, наблюдается интенсивное торможение потока в кормовой части подднищевой зоны, вызывающее повышение аэродинамического сопротивления автомобиля и действующей на задок подъемной силы. Размещение кузова горизонтально относительно поверхности дороги с увеличенным дорожным просветом делает эпюру торможения скорости равномерной и несколько улучшает характер протекания потока в подднищевой зоне автомобиля. Однако наиболее правильным для обеспечения оптимального течения потока под автомобилем является расположение кузова с отрицательным (а < 0) углом тангенса и минимальным дорожным просветом в зоне за передней осью в сочетании с применением плоского днища. В этом случае благодаря известному эффекту Вентурри происходит ускорение потока к кормовой части с соответствующим уменьшением давления на него. Величина отрицательного угла тангажа кузова при проектировании современных автомобилей составляет а = -1° -г -2°. Оптимальная с точки зрения получения минимального коэффициента С_х величина относительного дорожного просвета находится в пределах 0,10 </г///„<0,12.

Заметное влияние на обтекаемость кузова оказывают местные перетекания воздушного потока из зон повышенного давления в зоны пониженного. Г лавной причиной таких перетеканий является недостаточное уплотнение по периметру облицовки радиатора, дверей, крышек капота и багажника. Местные перетекания наблюдаются также в зонах переднего и заднего бамперов. Для устранения местных перетеканий повышают степень уплотнения панелей в местах стыка и прилегания их к кузову, а также устанавливают специальные уплотнения, как это показано на рис. 6.29.

Рассмотренные ранее конструктивные предпосылки для безотрывного обтекания элементов кузова трехобъемного и двухобъемного типа полностью реализуются в аэродинамически оптимизированном однообъемном кузове, что подтверждается эпюрой скорости обтекающего его воздушного потока (рис. 6.30). Такая форма и установка кузова, дополненные плоским днищем с конфузорным эффектом, обеспечивают автомобилю наилучшие аэродинамические характеристики, и в первую тановка переднего спойлера оказывает определенное влияние на характер протекания внутренних потоков и охлаждение двигателя и его агрегатов, поскольку при этом меняются условия забора воздуха в подкапотное пространство автомобиля.

11а рисунке 6.32 приведены зависимости коэффициентов аэродинамического сопротивления и подъемной силы автомобиля от угла атаки переднего спойлера. На рис. 6.33 показаны зависимости этих коэффициентов от угла атаки заднего спойлера.

Рис. 6.31. Схема установки рекомендуемых навесных элементов: 1 - передний спойлер; 2 - передний интегральный бампер; 3 - верхний передний дефлектор; 4 - задний аэродинамический закрылок; 5 - задний спойлер; 6 - нижний обтекатель моторного отсека; 7 - плоские поддоны на днище; Н - обтекаемые колпаки на колесах

Основными направлениями и приемами совершенствования аэродинамики легковых автомобилей являются следующие:

- оптимизация контурного фактора за счет снижения удельного веса отрывных течений, в первую очередь путем увеличения углов наклона облицовки радиатора, крышки капота, лобового стекла и радиусов закругления фронтальных кромок кузова;

- придание передку автомобиля и его ветровому стеклу цилиндричпости в плане;

-устранение с поверхности кузова всех выступающих элементов конструкции или их тщательная аэродинамическая обработка, в том числе выполненного заподлицо с кузовом остекления, устранение водостоков и т.д.;

- создание кузовов каплеобразной формы с безотрывным обтеканием;

- разработка систем организованного и дозированного забора и выброса воздуха для охлаждения радиатора и двигателя, а также вентиляции и охлаждения салона;

- применение гладкого днища с организацией безвихревого протекания воздушных потоков в под зоне;

-установка кузова с отрицательным углом тангажа в сочетании с оптимальным дорожным просветом ре1улируемым в зависимости от условий движения автомобиля;

-тщательная герметизация мест соединения и касания панелей капота, дверей, крыши багажника с кузовом;

- оптимизация формы переднего буфера с переходом его в нижнюю панель и облицовку радиатора в совокупности с применением небольшого по высоте переднего спойлера;

- использование задних спойлеров;

-установка специальных аэродинамических колпаков на колесах и частичное перекрытие задних колес;

- разработка и применение специальных конструктивных элементов и решений по снижению загрязненности, а также уровня аэродинамического шума автомобилей.

Возможности снижения аэродинамического сопротивления автобусов, учитывая их значительные лобовые площади, в сравнении с легковыми автомобилями существенно ниже. Основными направлениями работ по снижению аэродинамических потерь и улучшению обтекаемости междугородных автобусов являются: отработка их носовой части с увеличением радиусов перехода лобовой панели в боковые и крышу; устранение с лобовой панели зон забора воздуха для охлаждения двигателя, а также источников дополнительного сопротивления; повышение степени гладкости кузова с применением установленных заподлицо с ним приклеиваемых стекол; улучшение протекания потоков в подднищевой зоне путем тщательной отработки днища в сочетании с оптимизацией дорожного просвета и установкой кузова с отрицательным тангажом.

Среди всех конструктивных факторов, влияющих на аэродинамическое сопротивление автобусов, определяющим является форма лобовой части кузова в сочетании, как уже отмечалось, с величиной радиусов перехода лобовой панели в боковые и крышу.

На рисунке 6.34 показаны силуэты междугородных автобусов различной формы, характер их обтекания воздушным потоком и соответствующие им значения коэффициента обтекаемости. Видно, что по сравнению с прямоугольной формой автобус со скругленной верхней кромкой, а тем более с оптимизированной лобовой частью, существенно лучше взаимодействует со встречным потоком, имея при этом на 28 и 60% меньшие значения коэффициента С_х. Существенное улучшение обтекаемости обеспечивает закругление фронтальных кромок кузова.

На рисунке 6.35 приведены зависимости снижения коэффициента С, от отношения радиуса закругления передних верхней и боковых кромок кузова к ширине автобуса. Приведенные зависимости позволяют установить, что оптимальными, с точки зрения снижения аэродинамического сопротивления автобуса, являются соотношения:

для верхней кромки 0,04 < R_B1K /В„ < 0.08;

для боковых кромок 0,06 < R_0jK /В„ < 0,10.

Рис. 6.34. Влияние формы кузова на обтекаемость и аэродинамическое сопротивление автобуса: а - прямоугольный с острыми кромками; б-с закругленной верхней кромкой; в - с обтекаемой лобовой частью

Рис. 6.35. Зависимость снижения коэффициента Сх модели автобуса от отношения радиуса закругления фронтальных кромок кузова: 1 - верхней; 2 - боковых; 3 - одновременно верхней и боковых; На - ширина автобуса

Обтекаемость легкового автопоезда можно улучшить путем установки лобового обтекателя на автомобиле-тягаче. При установке лобового обтекателя встречный поток воздуха направляется на крышу прицепа, что уменьшает давление воздуха на переднюю стенку прицепа. Применение лобового обтекателя позволяет снизить аэродинамическое сопротивление легкового автопоезда на 25-30%, что эквивалентно уменьшению расхода топлива на 7-8%.

В таблице 6.6 приведены конструктивные и установочные параметры лобовых обтекателей различных легковых автомобилей с прицепами и достигаемая за счет их (обтекателей) установки экономия топлива при скорости движения 80 км/ч. В среднем, по результатам испытаний 9-ти легковых автопоездов, установка лобового обтекателя снижает их расход топлива па 1.8 л/100 км.

Рис. 6.37. Влияние формы прицепи па величину коэффициента С, Modem легкового автомобиля с прицепом