Что такое аэродинамика автомобиля?

Зачем это нужно

Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:

• рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
• обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
• продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
• стремятся понизить уровень шумов в салоне,
• оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.

Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.

Снижение лобового сопротивления

От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient – коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».

Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:

• внутреннего сопротивления при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон,
• сопротивления трения воздушных потоков о внешние поверхности кузова и
• сопротивления формы.

Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.

Передняя часть и боковые поверхности автомобиля особых хлопот конструкторам в плане аэродинамики не доставляют. Здесь главное – избегать резких переходов и выступов, предотвращая тем самым отрыв воздушного потока от поверхности кузова.

А вот с задней частью кузова все гораздо сложнее. Как нетрудно догадаться, наименее аэродинамичными являются универсалы – их форма меньше всего напоминает идеальную «каплю». За их обширным «задком» образуется внушительная зона разряжения, которая не только снижает Сх, но и «засасывает» пыль и грязь, оседающую на заднем стекле. Немного уменьшить ее вредное воздействие можно с помощью установки дефлектора на верху пятой двери. Он направляет часть воздушного потока вниз, снижая разряжение и уменьшая загрязнение.

Не все просто и с хэтчбеками, хотя, на первый взгляд, их форма кажется наиболее обтекаемой. Впечатление обманчиво – яркий пример непредсказуемости аэродинамики. Сх хэтчбеков зависит от угла наклона задней части. При большом угле наклона (а таких моделей большинство) процесс обтекания практически не отличается от универсалов – воздушный поток отрывается от верхней кромки крыши и создает значительную зону разряжения.

С уменьшением угла наклона до 30-35 градусов точка отрыва потока перемещается на нижнюю кромку задней части. Казалось бы, зона разряжения и, соответственно, Сх должны уменьшиться. Но, как это на первый взгляд ни парадоксально, происходит все наоборот. Дело в том, что в этом случае воздушные потоки с боков кузова, попадая на наклонную поверхность, образуют кромочные вихри, которые, закручиваясь по спирали, создают за автомобилем еще большую зону разряжения. Борются с этим явлением с помощью спойлера, устанавливаемого на кромке крыши. При этом точка отрыва потока перемещается с нижней кромки задней части на верхнюю, что предотвращает образование кромочных вихрей и несколько улучшает общую аэродинамику.

А вот если уменьшить наклон «задка» до 20-23 градусов, воздушный поток с крыши почти идеально обтекает автомобиль, отрываясь от нижней кромки. При этом кромочные вихри уже не образуются, и зона разряжения получается минимальной. Но такие автомобили теряют в практичности и поэтому среди серийных моделей их совсем немного.

Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.

Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.

Сопротивление воздуха

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle) Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
57037 5

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле

Pv = cx·S·v2·ρ/2,

где S – площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м3; cх – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля [2]. Площадь фронтальной проекции автомобиля определяется формой кузова и требованиям по обеспечению комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях. Например, автомобиль большого класса может быть ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.

Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:

Nv = Pv·v/3600 (кВт),

где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.

Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из таблицы, представленной ниже, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.
Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей

1,18 – 1,47	9,6 – 11,8	31,0 – 40,5
Закрытый, с наличием углов и граней	0,6 – 0,7	0,96 – 1,18	8,0 – 9,6	26,4 – 30,8
Закрытый, с закруглением углов и граней	0,5 – 0,6	0,80 – 0,96	6,6 – 8,0	22,0 – 26,4
Закрытый понтонообразный	0,4 – 0,5	0,66 – 0,80	5,2 – 6,6	17,6 – 22,0
Закрытый, хорошо обтекаемый	0,3 – 0,4	0,52 – 0,66	3,7 – 5,2	13,2 – 17,6
Закрытый, аэродинамически совершенный	0,20 – 0,25	0,33 – 0,44	2,6 – 3,3	9,8 – 11,0
Грузовой автомобиль	0,8 – 1,5	–	–	–
Автобус	0,6 – 0,7	–	–	–
Автобус с хорошо обтекаемым кузовом	0,3 – 0,4	–	–	–
Мотоцикл	0,6 – 0,7	–	–	–

Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

На рисунке ниже показано изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv в зависимости от скорости v для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и сопротивления воздуха, равны, что характерно для данного вида автомобилей. По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важности сопротивления воздуха. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению

Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции S автомобиля 2 м2; коэффициент сопротивления качению f равен 0,015; коэффициент аэродинамического сопротивления сх равен 0,456.

При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:

N2 = N1·(v2/v1)3,

где N2 – требуемая мощность, кВт; N1 – достигнутая максимальная мощность, кВт; v2 – требуемая скорость, км/ч; v1 – достигнутая максимальная скорость, км/ч.

Через точку X – максимальная мощность N1 при максимальной скорости v1 – проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.

Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.

Последнее обновление 02.03.2012 Опубликовано 16.03.2011

Наверх

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.

Топ автомобилей с самым лучшим Сх

Будем рассматривать марки машин от большего Сх к меньшему. Но в любом случае все они достойны наивысших похвал в плане аэродинамики.

Alfa Romeo Giulia

К 110-летию со дня основания компании Alfa Romeo её инженеры выпустили новую модель с улучшенными аэродинамикой и управляемостью. И хотя у потребителей эта марка ассоциируется со спорткарами, на этот раз свет увидел седан. Коэффициент Сх у него составил 0,24.

@search.creativecommons.org

Форма кузова, позволяющая увеличить прижимную силу, позаимствована из Формулы-1. Высоких показателей аэродинамических свойств удалось достигнуть за счёт переднего сплиттера и заднего крыла, выполненного из карбона. Именно это сочетание обеспечило баланс в нагрузке при езде на больших скоростях.

Hyundai Sonata Hybrid

Гордость южнокорейского автопрома обладает Сх=0,24. Благодаря усовершенствованиям в плане аэродинамики авто стало максимально экономичным. Только на электротяге гибрид может разогнаться до 120 км/ч.

@search.creativecommons.org

А переключившись на бензиновый двигатель, будет использовать 5,9 л топлива на 100 км. Суммарная силовая установка составляет 206 л. с.

Audi A4

В семействе Audi A4 похвастаться хорошими показателями может разве что 2.0 TDI ultra. Именно у этой модели показатель Сх=0,23. Audi ultra обладает мощностью в 190 лошадок. А прекрасных аэродинамических показателей удалось добиться благодаря специальным щиткам, экранирующим днище.

@youtube.com/TEST DRIVE FREAK

Не последнюю роль в этом деле играют и активные жалюзи в решётке радиатора. Во всех остальных моделях A4 показатели обтекаемости довольно скромные: в пределах 0,26–0,27. Только на 2.0 TDI ultra вам удастся расходовать 3,4–3,5 л солярки на 100 км, а в городской черте – всего 3,9–4 л.

Mercedes CLA

Если хотите получить аэродинамику на уровне 0,23, выбирайте не просто CLA, а конкретно версию BlueEfficiency, так как у спортивных версий коэффициент Сх намного выше. К примеру, CLA 250 4Matic обладает коэффициентом 0,29, а у AMG 45 он вообще составляет 0,3. В этих моделях производители пожертвовали обтекаемостью за счёт снижения подъёмной силы на предельных скоростях.

@search.creativecommons.org

К S классу в этом плане тоже есть вопросы. Ведь только S 300 h удовлетворяет требованиям современности, а даже «шестисотый» показывает скромный аэродинамичный коэффициент 0,28.

Tesla Model 3

«Электрокар для народа», естественно, американского, был презентован в 2020 году. Со своим Сх=0,21 модель демонстрирует аэродинамические чудеса, если сравнивать его с другими авто массового производства, а не отдельными опытными экземплярами.

@ru.wikipedia.org

Кузов седана гольф-класса выполнен в сверхобтекаемой форме. Только-только появившись в продаже, предзаказ на супер-Теслу сделали 300 тысяч человек. Потребителям предложены две серии: стандартная и премиальная.

General Motors EV1

Появившись на свет в 90-х годах прошлого столетия, именно эта модель долгие годы считалась самой-самой в мире. Коэффициент Сх General Motors EV1 равняется 0,195.

@ru.wikipedia.org

Изначально модель планировалась как электромобиль, получив название самого производителя. Хотя обычно автомобилям даются названия марок заводов-производителей. Двухместное купе, способное разгоняться до 160 км/ч, почему-то так и не было запущено в массовое производство. Выпущено всего 1117 авто модели EV1. По-видимому, EV1 намного опередила своё время.

Volkswagen XL1

Эта модель больше напоминает по внешнему виду космического пришельца. Форма облатки с невидимыми задними колёсами позволяет добиться Сх=0,189. Двигаться чудо-Фольксваген может благодаря гибридной силовой установке с дизельным мотором.

@search.creativecommons.org

Производители утверждают, что это авто будущего сможет расходовать всего 1 л топлива на каждые 100 км пути. И всё это благодаря чудесным свойствам аэродинамики. Но купить XL1 вам вряд ли удастся. Ведь она выпущена ограниченным тиражом всего в 250 штук.