Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
39
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
477.9 Кб
Скачать

Министерство образования Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный индустриальный университет»

(ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Кафедра «Автомобили и двигатели» _________________________________________________________________

Доклад

По дисциплине «Основы эргономики и дизайна автомобилей» _________________________________________________________________

на тему: «Аэродинамика колесных транспортных средств»

Группа 6113

Студент Молчанов Н.А.

Преподаватель Коноплев В.Н.

МОСКВА 2014

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАШИНЫ

Аэродинамические свойства колесной машины

При натекании воздушного потока на колесную машину возникают,

действующие на нее полная аэродинамическая сила и полный аэродинами-

ческий момент. Полная аэродинамическая сила Рw - это равнодействующая

всех элементарных аэродинамических сил, действующих на поверхность

колесной машины. Полный аэродинамический момент Мw это результи-

рующий момент, создаваемый всеми действующими на колесную машину

аэродинамическими силами.

Проекции полной аэродинамической силы на оси X, Y, Z , начало ко-

торых совмещено с центром масс Цт машины и полный аэродинамический

момент относительно этих осей в связанной системе координат показаны

на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема аэродинамических сил и моментов, действующих на автомобиль

Сила лобового аэродинамического сопротивления Px существенно

влияет на затраты мощности при движении автомобиля с высокой скоро-

стью. Боковая сила Py возникает при кососимметричном обтекании колес-

ной машины под действием бокового ветра. Подъемная сила Pz является

результатом действующего на днище машины большего давления, чем на

крышу.

Под действием поворачивающего момента машина стремится встать перпенди-

кулярно к направлению воздушного потока, если он не совпадает с ее про-

дольной осью. Однако за счет сил трения в контакте шин с дорогой маши-

на движется в заданном направлении.

Сила аэродинамического сопротивления тела, перемещающегося в

воздушной среде, определяется коэффициентом аэродинамического сопро-

тивления, лобовой площадью, плотностью воздуха, скоростью натекания

воздушного потока

Аэродинамическое сопротивление колесной машины складывается

из пяти основных составляющих:

- сопротивления формы Рwф

- трения Рwт

- внутренних потоков воздуха в системах охлаждения двигателя и

вентиляции кабины и кузова Рwв

- индуктивного Рwи и дополнительного (сопротивления мелких эле-

ментов на кабине и кузове) Рwд

Сопротивление формы Рwф является результирующей всех элемен-

тарных сил нормального давления, действующих на внешнюю поверх-

ность кабины и кузова. Оно определяется обтекаемостью форм их про-

дольного и поперечного сечений.

Сопротивление трения Рwт - результирующая всех касательных сил,

действующих на внешнюю поверхность кабины и кузова. Для обеспече-

ния минимального его значения необходимо, чтобы касательные напряже-

ния были малы, тогда пограничный слой сохранит свою ламинарность. В

противном случае - при больших касательных напряжениях он переходит в

турбулентное состояние, что сопровождается отрывом потока и возникно-

вением вихрей.

Сопротивление внутренних потоков Рwв возникает из-за торможе-

ния и потери энергии встречного воздуха, забираемого в системы охлаж-

дения двигателя и вентиляции кабины и кузова, и зависит от их кон-

структивного исполнения и расхода воздуха.

Индуктивное сопротивление Рwи обусловлено возникновением дей-

ствующей на машину подъемной силы и перетеканием с вихреобразова-

ниями воздушных потоков из подднищевой зоны вверх по боковым стен-

кам кабины и кузова (ввиду разности давлений на днище машины и ее

крыше).

Дополнительное сопротивление Рwд связано с наличием на поверх-

ностях кабины и кузова мелких, выступающих за их габариты, конструк-

тивных элементов (дверных ручек, наружных зеркал, антенн, габаритных

фонарей и т. д). Оно определяется как количеством этих элементов, так и

уровнем их обтекаемости.

Связь дизайна и аэродинамики колесной машины

Первоначально знания об аэродинамике применялись исключительно в военной промышленности – особенно в авиации. Но уже в начале ХХ века автомобилестроители решили перенять опыт самолетостроителей в конструировании машин, которые бы обладали выдающимися динамическими характеристиками.

Первые испытания автомобилей, чьи кузова были построены с учетом аэродинамических характеристик, проводились в 1920 годах в Германии. Инженерам удавалось построить машины, напоминавшие по форме кузова фюзеляжи самолетов. Эти прототипы обладали лучшими, чем стандартные модели того времени, динамическими характеристиками.

Дебютной «аэродинамической» моделью, которая пошла в серийное производство, стала Tatra 77, которая производилась с 1937 по 1950 годы. Tatra T77 1934 года. Она обладала выдающимися по тем временам динамическими характеристиками — максимальная скорость — 160 км/час (самые скоростные модели на тот момент развивали не более 130 км/час), расход топлива при этом составлял 14 л/100 км (у остальных авто – от 17л/100 км и выше). Такие результаты вдохновили и других автопроизводителей, и постепенно все большее количество машин строились с учетом аэродинамических характеристик. Сегодня ни один производитель не игнорирует этого важнейшего аспекта при проектировке кузова новой модели, а усилия инженеров направлены на то, чтобы уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля.

Первые автомобили, построенные с учетом аэродинамического коэффициента, имели значение лобового сопротивления воздуха 0.5. Постепенно конструкторам, применявшим все более прогрессивные материалы при создании автомобиля, удалось снизить его до 0.28. Первым автомобилем, достигшим такого эффекта, стал Audi 100. Этот показатель стал эталоном аэродинамики пассажирских автомобилей на долгие годы, пока в 1990 году еще немецкая компания, Opel, не выпустила модель с более прогрессивным коэффициентом аэродинамического сопротивления – 0.26. Этой моделью стала Calibra.

Конечно, конструкторы могли снизить коэффициент еще больше, но в таком случае это отражалось на комфорте водителя и пассажиров. Ведь конструкция кузова автомобиля с коэффициентом аэродинамического сопротивления ниже 0.2 предполагает низкий клиренс, неудобную посадку в авто для водителя и пассажиров.

В настоящее время, автопроизводители стараются снизить коэффициент лобового сопротивления до значений, не превышающих 0,3. Этот коэффициент играет большую роль при проектировании гибридных автомобилей. Самый популярный гибридный хетчбек Toyota Prius имеет коэффициент лобового сопротивления 0,26.

Несерийным автомобилем, имеющим коэффициент Cx меньше 0,2, стал Mercedes T80, созданный в далеком 1939 году. Cx у этого автомобиля равнялся 0,18.

Исходя из того, что форма кузова является важным фактором при

принятии решения о покупке автомобиля, дизайнер осуществляет синтез

проработок кузова с учетом предъявленных к нему требований относи-

тельно:

- объема салона, багажника, подкапотного пространства;

- размещения водителя и пассажиров в соответствии с эргономиче-

скими нормами;

- месторасположения двигателя, топливного бака и запасного колеса;

- доступности и достаточной обзорности через дверные проемы и

окна;

- соблюдения стандартизированных норм на бамперы, светотехнику,

номерные знаки и т.д.

В свою очередь, специалист по аэродинамике, работая на компьюте-

ре и в аэродинамической трубе, оценивает и проверяет полученные аэро-

динамические характеристики масштабной модели или натурного макета,

в которых реализованы предложенные формы кузова, и предлагает дизай-

неру варианты ее улучшения. Полная эффективность их сотрудничества

проявляется в степени совершенства эстетических и аэродинамических ха-

рактеристик проектируемого автомобиля и способности реализовать их

в его окончательной форме.

Аэродинамическое проектирование скоростного автотранспортного

средства включает в себя решение следующих основных задач:

- отработку внешней формы кузова и оптимизацию его геометриче-

ских; конструктивных и установочных параметров для обеспечения

наименьшего аэродинамического сопротивления;

- совершенствование аэродинамических характеристик, определяю-

щих показатели аэродинамической устойчивости и управляемости;

- определение оптимальных зон и объемов дозированного забора и

выброса воздуха для систем охлаждения двигателя, вентиляции и конди-

ционирования кабины, холодильных установок кузова рефрижератора;

- установление и снижение степени загрязнения кабины и кузова, а

также уровня аэродинамического шума.

Основным направлением аэродинамического проектирования явля-

ется отработка внешней аэродинамики кузова, поскольку уровень его об-

текаемости непосредственно влияет на топливную экономичность, дина-

мику, безопасность транспортного средства. При этом отработка внешней

аэродинамики имеет целью получение наилучших аэродинамических

характеристик транспортного средства путем оптимизации .формы ку-

зова, его расположения относительно поверхности дороги и улучшения

обтекаемости отдельных конструктивных элементов.

Влияние аэродинамики на потребительские

свойства колесной машины

Совершенствование аэродинамических характеристик скоростных

автотранспортных средств (АТС) позволяет заметно улучшить их технико-

экономические показатели. Снижение коэффициента аэродинамического

сопротивления обеспечивает повышение топливной экономичности и ско-

ростных свойств АТС, а, следовательно, и их производительности.

Уменьшение коэффициента боковой и подъемной силы улучшает показа-

тели управляемости и устойчивости автотранспортных средств. Оптимиза-

ция характера обтекания подднищевой зоны и кормовой части уменьшает

аэродинамическое сопротивление АТС и уровень их загрязняемости, а

также улучшает экологию окружающей среды.

Основной составляющей аэродинамического сопротивления автомо-

биля является сопротивление формы. Форма автомобильного кузова опре-

деляет величину и месторасположение зон повышенного и пониженного

давления, а также источников вихреобразований при взаимодействии его с

потоком воздуха. На образование и сход вихрей с поверхности кузова тра-

тится значительное количество энергии, восполняемой двигателем автомо-

биля, потребляющим на это дополнительное количество топлива.

Помимо углов наклона облицовки радиатора, капота и ветрового

стекла на обтекаемость носовой части кузова влияет степень закругления

верхней и боковых фронтальных кромок капота. Если эти фронтальные

кромки острые или закруглены малым радиусом, то при натекании воз-

душного потока за ними образуются отрывные, увеличивающие аэродина-

мическое сопротивление автомобиля. Закругление фронтальных кромок

капота устраняет эти отрывные течения и улучшает обтекаемость носовой

части кузова.

Наряду с носовой частью на обтекаемость автомобиля влияет форма

кормовой части кузова. Форма задней панели кузова и угол ее наклона в

совокупности с формой крыши оказывают решающее влияние на характер

обтекания воздушным потоком кормовой части автомобиля, структуру по-

ля скоростей и давлений в следе за ним, определяя в значительной мере

величину аэродинамического сопротивления автомобиля.

Основными направлениями и приемами совершенствования аэроди-

намики легковых автомобилей являются:

- оптимизация контурного фактора за счет снижения удельного веса

отрывных течений, в первую очередь путем увеличения углов наклона об-

лицовки радиатора, крышки капота, ветрового стекла и радиусов закругле-

ния фронтальных кромок кузова;

- придание передку автомобиля и его ветровому стеклу цилиндриче-

ской формы в плане;

- удаление с поверхности кузова всех выступающих элементов кон-

струкции или их тщательная аэродинамическая отработка, в том числе вы-

полнение заподлицо с кузовом остекления, устранение водостоков и т.д. Автопроизводители стали прятать дверные ручки в дверь или в стойку крыши, зеркала стараются сделать маленькими, но обеспечивающими хороший обзор, либо заменяют их камерами.

- создание кузовов каплеобразной формы с безотрывным обтеканием;

- разработка систем организованного и дозированного забора и вы-

броса воздуха для охлаждения радиатора и двигателя, а также вентиляции

и охлаждения салона;

- применение гладкого днища с организацией безвихревого протека-

ния воздушных потоков в подднищевой зоне. Наиболее распространено в производстве спортивных и гоночных автомобилей;

- установка кузова с отрицательным углом тангажа в сочетании с оп-

тимальным дорожным просветом, регулируемым в зависимости от условий

движения автомобиля. Многие современные автомобили, оснащенные активной подвеской, умеют уменьшать клиренс в зависимости от роста скорости, что способствует уменьшению подъемной силы;

- тщательная герметизация мест соединения и касания панелей капо-

та, дверей и крышки 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. Подобный пример можно увидеть на новых автомобилях концерна Kia. Колесные диски этих автомобилей имеют малое количество спиц и их большую площадь. При вращении такой диск создает нечто вроде сплошного колпака, стенки;

- разработка и применение специальных конструктивных элементов и

решений по снижению загрязняемости, а также уровня аэродинамического

шума автомобилей.

Основными направлениями работ по снижению аэродинамических

потерь и улучшению обтекаемости междугородных автобусов являются:

- отработка их носовой части с увеличением радиусов закругления

фронтальных кромок кузова;

- устранение с лобовой панели зон забора воздуха для охлаждения

двигателя, а также источников дополнительного сопротивления;

- повышение степени гладкости кузова с применением установлен-

ных заподлицо с ним приклеиваемых стекол;

- улучшение протекания потоков в подднищевой зоне путем тща-

тельной отработки днища в сочетании с оптимизацией дорожного просвета

и установкой кузова с отрицательным тангажом.

Основным направлением улучшения аэродинамики магистральных

автопоездов является совершенствование их аэродинамических характери-

стик путем оптимизации влияющих на обтекаемость конструктивных па-

раметров, в число которых входят:

- отработка формы кабины в целом и ее лобовой панели с устране-

нием находящихся на ней мелких выступающих элементов;

- уменьшение величины превышения кузова над кабиной;

- увеличение угла наклона лобового стекла кабины;

- применение укороченной, обтекаемой, высокой кабины с размеще-

нием в ее верхней части спального места водителя;

- использование гладких цельнометаллических кузовов и уменьше-

ние количества находящихся на них мелких конструктивных элементов;

- увеличения радиуса закругления фронтальных кромок кабин (уве-

личенной высоты - до 75…150 мм, высоких обтекаемых - до 150…450 мм);

- уменьшение расстояния между кабиной и кузовом (для седельных

автопоездов) и между тягачом и прицепом (для прицепных) до минималь-

но необходимого для обеспечения кинематики поворота автопоезда;

- оптимизация сочетания кабины и кузова с учетом их формы и

взаимовлияния при работе в составе автопоезда;

- уменьшение расстояния от переднего буфера до дороги и использо-

вание элементов плоского днища на тягаче для снижения аэродинамиче-

ских потерь в подднищевой зоне;

- отработка систем забора и выпуска воздуха для охлаждения двига-

теля и вентиляции кабины;

- улучшение характера обтекания кормовой части автопоезда для

уменьшения зоны отрицательных давлений на задней стенке кузова и

спутного следа за ним;

- применение вместо сдвоенных колес одинарных с широкопрофиль-

ными или низкопрофильными шинами, закрытых нижними боковыми

щитками.

Среди перечисленных конструктивных мероприятий по совершенст-

вованию аэродинамики магистральных автопоездов наиболее эффектив-

ным является улучшение обтекаемости их головной части, зависящей от

типа и формы кабины.

В настоящее время наблюдается тенденция к использованию на ма-

гистральных автопоездах кабин увеличенной высоты, имеющих сущест-

венно лучшие показатели обтекаемости чем серийные низкие. Это объяс-

няется более совершенной формой их лобовой панели, в том числе в плане,

а также большими радиусами закругления фронтальных кромок. При этом

закругление нижней фронтальной кромки достигается установкой нижнего

обтекателя под передним буфером.

Вторым направлением улучшения обтекаемости магистральных ав-

топоездов является использование внешних аэродинамических устройств.

Это направление может реализовываться в порядке модернизации плохо

обтекаемых серийных автопоездов. Установка навесных аэродинамиче-

ских элементов позволяют без изменения основных формообразующих

элементов кабины и кузова и без больших капиталовложений существенно

улучшить аэродинамические характеристики магистральных автопоездов.

Эффективность применения внешних аэродинамических устройств опре-

деляется целесообразностью их установки на том или ином автопоезде.

Но не все автопроизводители стараются любыми способами снизить коэффициент Cx. Компания Nissan пошла по другому пути. В 2006 году публике был показан новый Nissan GT-R. Эта машина интересна тем, что она построена с нарушением всех современных законов автомобилестроения. Её кузов не напоминает каплю, она не имеет активных аэродинамических элементов. Также она имеет большую для суперкара массу. Но именно за счет своей массы автомобиль получился быстрым, экономичным и относительно недорогим. Отсутствие сложных аэродинамических элементов на малых скоростях компенсируется весом машины. Колеса прижимаются к трассе исключительно весом автомобиля, что позволяет ему сохранять управляемость в диапазоне низких и средних скоростей. На высоких скоростях автомобиль дополнительно прижимается потоком воздуха, создаваемым задним антикрылом и формами автомобиля.

Компании Nissan удалось добиться успеха, следуя по своему пути проектирования. GT-R Nismo при массе 1815кг и мощности 550 л.с. проезжает круг по Nurburgring за 7.08.68 мин. Стоимость автомобиля – 80000$. Для сравнения, суперкар Mclaren MP4-12C, мощностью 600 л.с. и массой 1434кг., имеющий адаптивную аэродинамику, активный аэродинамический тормоз и адаптивную подвеску, проезжает тот же круг на 20с. медленнее GT-R. Mclaren стоит в 3 раза дороже GT-R.

При движении АТС возникает шумовое загрязнение окружающей

среды. Основными источниками шума являются: двигатель, его система

питания, забора воздуха и выброса отработавших газов; трансмиссия; ши-

ны; поверхность кузова.

Общий внутренний шум двигающегося АТС состоит из 3-х основных

составляющих: остаточного, аспираторного и аэродинамического.

Остаточный шум - это внутренний шум, создаваемый двигателем,

системой выпуска отработавших газов, вспомогательным оборудованием,

трансмиссией, шинами и зависящий только от скорости движения самого

АТС. Поэтому остаточный шум при заданной скорости движения и любой

скорости натекающего воздушного потока, вызванной наличием ветра, ос-

тается постоянным, т.е. не зависит от скорости натекания воздушного по-

тока.

Аспираторный шум - это часть общего шума в кабине (салоне) АТС,

возникающего из-за проникновения воздуха сквозь некачественные уплот-

нения окон и дверей внутрь кабины (салона) или выходом за ее пределы.

Эта часть шума определяется при двух состояниях уплотнений окон и

дверей кабины (салона): стандартном и герметизированном. Разница между

значениями уровней шума для указанных типов уплотнений и составит ве-

личину аспираторного шума.

Аэродинамический шум - это разность между общим шумом и оста-

точным и аспираторным. В отличие от остаточного, величина аэродинами-

ческого шума зависит от скорости натекания воздушного потока.

В целом имеются три основных источника возникновения аэродина-

мического шума в салоне: местный отрыв воздушного потока от поверхно-

сти кузова; «громыхание», возникающее при открытых боковых стеклах

или люке крыши, при этом столб воздуха внутри автомобиля возбуждается

внешним потоком и салон становится резонатором; перетекание воздуха

из-за недостаточного уплотнения дверных проемов, а также крышек капо-

та и багажника.

Источником аэродинамических шумов кроме самого салона и кузова

являются и другие системы и элементы автомобиля (вентиляторы, возду-

хозаборные и вытяжные отверстия, шины) из-за их неоптимальной с точки

зрения обтекаемости формы и наличия острых фронтальных кромок и до-

полнительных элементов на их поверхности.

Для снижения уровня внешнего и внутреннего шума необходимо

улучшать обтекаемость автомобиля путем отработки формы кузова (каби-

ны) и увеличения радиуса закругления их фронтальных кромок.