51. Сила сопротивления воздуху.

Сила сопротивления воздуха Р_в. Составляющая полной аэродинамической силы направлена по продольной оси автомобиля. Аэродинамические силы могут возникать в результате движения автомобиля в неподвижной воздушной среде, обтекания неподвижного автомобиля потоком движущегося воздуха (ветра), движения автомобиля в движущемся воздушном потоке, т. е. при наличии ветра. Элементарные аэродинамические силы, действующие в каждой точке поверхности автомобиля, различны по величине и направлению. Совокупность этих элементарных сил может быть заменена силой Р_ω и моментом М_ω.

Равнодействующую Р_ω называют полной аэродинамической силой

,

где с_ω — безразмерный коэффициент полной аэродинамической силы; F—площадь Миделя, м². Для автомобиля или каждого из звеньев автопоезда в качестве площади Миделя принимается лобовая площадь, равная площади проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси;

— скоростной напор, кг/(м·с²), равный кинетической энергии кубического метра воздуха, движущегося со скоростью движения автомобиля относительно воздушной среды (р_в — плотность воздуха, кг/м³);

Момент М_ω называют полным аэродинамическим моментом

,

где — безразмерный коэффициент аэродинамического момента; Ь — характерный линейный размер по ширине (обычно принимают равным колее В), м.

Проекция Р_в силы Р_ω на ось Ох — сила сопротивления воздуха (сила лобового сопротивления)

P_B=0,5c_xp_BFv_w².

Формулы для определения проекций силы Р_ω на оси Оу и Oz отличаются от формулы только коэффициентами с. Для проекции P_wy (боковая аэродинамическая сила) вместо с_х используют коэффициент с_у, для проекции P_wz (подъемная сила) — коэффициент с₂. Проекцию M_wx—0,5m_xp_BBFvw² момента M_W называют моментом крена. Формулы для определения аэродинамических моментов отно­сительно осей Оу и Oz отличаются только коэффициентами in: m„ для опрокидывающего момента M_wy, т_г — для поворачивающего момента M_wz.

В аэродинамической трубе при неизменной скорости и направлении воздушного потока автомобиль (или его модель) поворачивают под различными углами, что позволяет определить аэродинамические коэффициенты при различных углах т_н натекания воздушного потока.

Сопротивление формы (50...60 % Р_в) обусловлено разностью между повышенным фронтальным давлением, возникающим перед автомобилем и пониженным давлением, вызванным завихрениями позади него. Решающее значение при этом имеет форма таких частей кузова, как капот, крылья, ветровое стекло, крыша, боковые стекла, боковые стенки, багажник.

Внутреннее сопротивление (10 15 % Р_в), создаваемое потоками воздуха, проходящими внутри автомобиля для вентиляции или обогрева кузова, а также охлаждения двигателя.

Сопротивление поверхностного трения (5…10 % Р_в), вызываемое силами вязкости пограничного слоя воздуха, движущегося у поверхности автомобиля, и зависящее от размера и шероховатости этой поверхности.

Индуктируемое сопротивление (5...10% Р_в), вызываемое взаимодействием сил, действующих в направлении продольной оси автомобиля (подъемной) и перпендикулярно этой оси (боковой).

Дополнительное сопротивление (15%Р_В), создаваемое различными выступающими частями: фарами, указателями поворота, ручками, номерными знаками.

На коэффициент с_х оказывают влияние различные мелкие изменения формы. При открытых окнах с_х увеличивается приблизительно на 5 %, на столько же увеличивают сопротивление воздуха открытые фары. Использование небольших пластин, укрепленных на кузове так, что они препятствуют срыву воздушной струи, позволяет уменьшить с_х на 5...15 %.

Приняв p_B=const (согласно ГОСТ 4401—81, на уровне моря р_в= 1,225 кг/м³), можно коэффициент 0,5c_xp_B=k_B считать зависящим только от формы кузова и углов τ_н τ_а. Этот коэффициент называют коэффициентом обтекаемости. Согласно формуле , коэффициент k, эквивалентен силе сопротивления воздуха, действующей на 1 м площади автомобиля при относительной скорости 1 м/с. Между коэффициентами с_х и k_B существует численная зависимость k„— =0,61с,.

При движении автомобиля в неподвижной воздушной среде относительная скорость воздуха v_w=v и

P_B=k_BFv².

Произведение k_BF называют фактором обтекаемости.

Приближенно площадь лобового сопротивления грузовых автомобилей F_r=B/Y_r; легковых автомобилей Fj,=0,8B_rH_r (где В — колея, м; Н_г — габаритная высота, м; В_Г— габаритная ширина автомобиля, м).

В большинстве случаев Р_{в ср} увеличивается, и тогда, когда попутный или встречный ветер направлены под одинаковым углом к продольной оси автомобиля. В процессе длительной эксплуатации движение с попутным и встречным ветром, очевидно, можно считать события­ми равновероятными. Поэтому в реальных условиях эксплуатации Р_{в ср} всегда боль­ше силы сопротивления воздуха, подсчитанной по формуле (41).

Исходя из статистических данных, можно считать, что при и=15... 25 м/с углы т„=0... 17°, а наиболее вероятное их значение 4... 9°.

У автопоездов часто высота Н_Г определяется его прицепными звеньями. Особенно это относится к седельным автопоездам, контейнеровозам, панелевозам. Коэффициент обтекаемости автопоездов зависит не только от формы отдельных звеньев, но и от взаимодействия воздушных потоков, обтекающих звенья. В промежутках между звеньями сверху и по бокам образуются мощные завихрения, так начинаемые щеки, как бы умЛИЧИ- вающие лобовую площадь. Увеличиваются завихрения и в нижней части звеньев и за последним звеном. Поэтому для автопоездов значения коэффициента /г„ на 15... 30 % превышают значения для одиночных грузовых автомобилей. Особенно увеличивается k_B при наличии бокового ветра.

Большие лобовые площади автопоездов в сочетании с их плохой обтекаемостью приводят к возникновению значительных сопротивлений воздуха даже при сравнительно малых скоростях движения, характерных для городских условий. У магистральных автопоездов, движущихся с большими скоростями, на преодоление сопротивления воздуха может затрачиваться порядка 50 % мощности двигателя.

Уменьшение мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления воздуха, возможно как в результате улучшения аэродинамических свойств звеньев автопоезда, так и при применении различных дополнительных устройств, позволяющих улучшать организацию воздушных потоков, обтекающих автопоезд, таких как дефлекторы, стабилизаторы и обтекатели. При установке обтекателя на крыше кабины автомобиля КамАЗ-5320 с тентом в диапазоне скоростей движения 50...70 км/ч расход топлива может быть снижен на 2,5... 3,5 %. Следует отметить, что даже незначительное Отклонение размеров и расположения обтекателя от оптимальных резко ухудшает его эффективность.