Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Дизайн автомобиля.pdf
Скачиваний:
520
Добавлен:
26.02.2016
Размер:
10.16 Mб
Скачать

5. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАШИНЫ

5.1. Аэродинамические свойства колесной машины

При натекании воздушного потока на колесную машину возникают, действующие на нее полная аэродинамическая сила и полный аэродинамический момент. Полная аэродинамическая сила РW - это равнодействующая всех элементарных аэродинамических сил, действующих на поверхность колесной машины. Полный аэродинамический момент МW это результирующий момент, создаваемый всеми действующими на колесную машину аэродинамическими силами.

Проекции полной аэродинамической силы на оси X, Y, Z , начало которых 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:

ЦТ - центр масс автомобиля; ЦМ - метацентр; ам - плечо приложения аэродинамической силы; β - угол натекания воздушного потока; Рx - сила лобового сопротивления; Рy - боковая сила; Рz - подъемная сила; Мx - момент крена; Мy -

опрокидывающий момент (момент тангажа); Мz - поворачивающий момент (момент рыскания)

Полная аэродинамическая сила и полный аэродинамический момент определяются из выражений:

Pw = 0,5Cw F ρV2 ;

M

w

= 0,5m F ρV 2

Б ,

 

w

 

119

где CW и mW - коэффициенты полной аэродинамической силы и момента, соответственно; ρ - плотность воздуха; F - лобовая площадь автомобиля;

V- скорость натекания невозмущенного воздушного потока; Б - характерный размер (база машины).

Проекции полной аэродинамической силы на связанные координатные оси определяются по следующим формулам.

Сила лобового сопротивления

Px = 0,5Cx ρ FV2 ,

где Cx - коэффициент аэродинамического сопротивления. Боковая сила

Py = 0,5Cy ρ FV2 ,

где Cy - коэффициент боковой силы. Подъемная сила

Pz = 0,5Cz ρ FV2 ,

где Cz - коэффициент подъемной силы. Момент крена

Mx = 0,5mx ρ FV2 B ,

где mx - коэффициент момента крена; B - поперечная база машины. Опрокидывающий момент (момент тангажа)

M y = 0,5my ρ FV2 L ,

где my - коэффициент опрокидывающего момента; L - продольная база

машины.

Поворачивающий момент (момент рысканья)

M z = 0,5mz ρ FV2 B ,

где mz - коэффициент поворачивающего момента.

Коэффициенты полной аэродинамической силы CW и момента mW определяются из следующих выражений:

CW = Cx2 +Cy2 +Cz2 ; mW = mx2 + my2 + mz2 .

Сила лобового аэродинамического сопротивления Px существенно влияет на затраты мощности при движении автомобиля с высокой скоростью. 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.

Точка ЦМ (рис. 5.1) приложения равнодействующей аэродинамических сил называется метацентром. Расстояние от центра масс машины до

120

метацентра называется плечом ам приложения аэродинамической силы, создающей момент, стремящийся повернуть автомобиль. При этом под действием поворачивающего момента машина стремится встать перпендикулярно к направлению воздушного потока, если он не совпадает с ее продольной осью. Однако за счет сил трения в контакте шин с дорогой машина движется в заданном направлении.

У автомобиля обтекаемой формы этот поворачивающий момент будет больше, чем у не обтекаемого, из-за большей величины этого плеча. Величина плеча ам приложения аэродинамической силы наряду с высотой метацентра определяет аэродинамическую устойчивость машины при воздействии продольных и боковых ветров. В идеальном случае - при совпадении центра масс и метацентра аэродинамический момент равен нулю. Однако в реальных условиях центр масс машины и ее метацентр, как правило, не совпадают. При этом, если равнодействующая аэродинамических сил проходит впереди центра масс, то машина поворачивается по направлению ветра, то есть она аэродинамически неустойчива.

Сила аэродинамического сопротивления тела, перемещающегося в воздушной среде, определяется коэффициентом аэродинамического сопротивления, лобовой площадью, плотностью воздуха, скоростью натекания воздушного потока и рассчитывается по формуле, выведенной из основных положений гидромеханики:

РW =Cx q F ,

(5.1)

где Cx - коэффициент аэродинамического сопротивления (обтекаемости); F - площадь миделевого сечения, т.е. наибольшая площадь сечения тела в

плоскости, перпендикулярной направлению его

движения; q = 0,5 ρV2 -

скоростной или динамический напор.

 

В окончательном виде выражение (5.1) примет вид:

РW = 0,5 ρCx FV2 .

(5.2)

В теории автомобиля величину 0,5 ρCx F

принято обозначать как

фактор обтекаемости KF . Тогда выражение (5.2) можно представить в виде известной в теории автомобиля формулы:

РW = KF (V3,6)2 .

Следует учитывать, что скорость Vнатекания потока может меняться в зависимости от скорости VB и угла натекания β бокового ветра. При отсутствии встречного ветра скорость натекания воздушного потока равна скорости движения автомобиля. Для оценки влияния скорости и направления ветра можно использовать следующую зависимость

V= Vа2 +VB2 +2VаVB cos β .

121

При отсутствии ветра V=Va . Если ветер направлен против движения, то V=Vа +VВ . При совпадении направления ветра с направлением движения автомобиля V=Vа VВ .

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 элементов на кабине и кузове) РWД .

Сопротивление формы РWФ является результирующей всех элемен-

тарных сил нормального давления, действующих на внешнюю поверхность кабины и кузова. Оно определяется обтекаемостью форм их продольного и поперечного сечений.

Сопротивление трения РWТ - результирующая всех касательных сил,

действующих на внешнюю поверхность кабины и кузова, зависящая от величин касательных напряжений в зоне пограничного слоя. Для обеспечения минимального его значения необходимо, чтобы касательные напряжения 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 возникновением вихрей.

Сопротивление внутренних потоков РWВ возникает из-за торможе-

ния и потери энергии встречного воздуха, забираемого в системы охлаждения двигателя и вентиляции кабины и кузова, и зависит от их конструктивного исполнения и расхода воздуха.

Индуктивное сопротивление РWИ обусловлено возникновением дей-

ствующей на машину подъемной силы и перетеканием с вихреобразованиями воздушных потоков из подднищевой зоны вверх по боковым стенкам кабины и кузова (ввиду разности давлений на днище машины и ее крыше) и зависит от ее конструктивного исполнения, структуры и объема перемещающегося под ней воздушного потока.

Дополнительное сопротивление РWД связано с наличием на поверх-

ностях кабины и кузова мелких, выступающих за их габариты, конструктивных элементов (дверных ручек, наружных зеркал, антенн, габаритных фонарей и т. д). Оно определяется как количеством этих элементов, так и уровнем их обтекаемости.

122

Удельный вес составляющих аэродинамического сопротивления зависит от типа автотранспортного средства. По литературным данным, он составляет:

для пассажирских автомобилей: сопротивление формы РWФ - 65%,

сопротивление трения РWТ - 5%, сопротивление внутренних потоков РWВ - 7%, индуктивное сопротивление РWИ - 12%, дополнительное сопротивле-

ние РWД - 11%.

для грузовиков и магистральных автопоездов: сопротивление формы

РWФ - 70%, сопротивление трения РWТ - 7%, сопротивление внутренних потоков РWВ - 8%, индуктивное сопротивление РWИ - 7%, дополнительное сопротивление РWД - 8%.

В табл. 5.1 приведены значения коэффициента аэродинамического сопротивления Cx , лобовой площади F и фактора обтекаемости KF для ряда легковых автомобилей, автобусов и магистральных автопоездов.

Таблица5.1 Параметры аэродинамического сопротивления автотранспортных средств при осесимметричном натекании воздушного потока

Марка автомобиля

Коэффициент

Лобовая площадь

Фактор обтекаемо-

Сx

F, м2

сти KF, Н с2 м2

 

Легковыеавтомобили

 

 

 

 

 

ЗАЗ-968М

0,43

1,67

0,45

3 АЗ-1102

0,45

1,68

0,44

ВАЗ-2101

0,56

1,74

0,60

ВАЗ-2104

0,53

1,76

0,58

ВАЗ-2106

0,54

1,76

0,59

ВАЗ-2108

0,43

1,87

0,47

ВАЗ-2109

0,46

1,88

0,51

ВАЗ-21099

0,45

1,88

0,50

ВАЗ-2110

0,35

1,93

0,40

ВАЗ-2112

0 , 3 3

1,94

0,38

"Москвич"-2140

0,55

1,78

0,55

"Москвич"-2141

0,39

1,96

0,45

ИЖ-2126 "Орбита"

0,44

1,92

0,50

ИЖ-"Ода"

0,38

1,96

0,44

ГАЗ-М20 "Победа"

0,39

2,16

0,53

ГАЗ-21 "Волга"

0,42

2,27

0,60

ГАЗ-2410 "Волга"

0,45

2,28

0,64

ГАЗ-2410У "Волга"

0,41

2,28

0,56

ГАЗ-3104 "Волга"

0,38

2,10

0,48

123

 

 

 

 

Продолжение табл. 5.1

Марка автомобиля

Коэффициент

 

Лобовая площадь

 

Фактор обтекаемо-

Сx

 

F, м2

 

сти KF, Н с2 м2

ГАЗ-3105 "Волга"

0,35

 

2,10

 

0,43

УАЗ-469

0,60

 

3,39

 

1,27

 

 

Автобусы

 

 

 

 

 

 

 

 

РАФ-2203

0,44

 

3,58

 

0,98

УАЗ-452

0,46

 

4,17

 

1,19

ЗИЛ-3207 "Юность"

0,59

 

4,37

 

1,61

КаВЗ-685

0,52

 

5,9

 

1,91

ЛиАЗ-677

0,68

 

6,73

 

2,86

ЛАЗ-698

0,70

 

6,57

 

2,87

ЛАЗ-699

0,60

 

6,60

 

2,48

ЛАЗ-4207

0,72

 

7,36

 

3,31

"Икарус"-"250

0,71

 

6,80

 

3,01

 

Грузовые

автомобили

 

 

ГАЗ-3302 "Газель"

0,59

 

3,6

 

1,32

(бортовой)

 

 

 

 

 

 

 

ГАЗ-3302 "Газель"

0,54

 

5,0

 

1,69

(фургон тентовый)

 

 

 

 

 

 

 

ГАЗ-33022 "Газель"

0,65

 

5,5

 

2,23

(фургон металлический)

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗИЛ-5301 (бортовой)

0,62

 

3,7

 

1,37

ЗИЛ-5301 (фургон)

0,69

 

5,7

 

1,76

ГАЗ-51 (бортовой)

0,99

 

3,29

 

1,97

ЗИЛ-150 (бортовой)

0,79

 

4,5

 

3,55

ЗИЛ-130 (бортовой)

0,87

 

5,05

 

2,74

ЗИЛ-13 0 (с прицепом)

1,02

 

5,05

 

3,21

ЗИЛ-131 (бортовой)

1,05

 

5,4

 

5,67

ЗИЛ-4331 (бортовой)

0,94

 

5,2

 

2,94

ЗИЛ-4331 (сприцепом)

1,15

 

5,2

 

3,61

ЗИЛ-4331 (тентовый)

0,66

 

7,5

 

3,09

"УРАЛ"-375 (бортовой)

1,12

 

6,2

 

4,14

 

 

 

 

 

 

КамАЗ-5320 (бортовой)

1,02

 

6,0

 

3,98

КамАЗ-5320 (сприце-

1,26

 

6,0

 

4,53

пом)

 

 

 

 

 

КамАЗ-5320 (тентовый)

0,68

 

7,6

 

3,23

МАЗ-500 (бортовой)

1,05

 

5,50

 

5,77

МАЗ-500А (тентовый)

0,72

 

8,50

 

3,82

МАЗ-516 (тентовый)

0,79

 

8,50

 

4,19

МАЗ-5336 (тентовый)

0,67

 

8,42

 

3,52

 

Магистральные

автопоезда

 

 

ЗИЛ-4331+8328

0,86

 

7,5

 

4,01

КамАЗ-5320+8350

0,89

 

7,6

 

4,20

МАЗ-504В+5205

0,80

 

8,45

 

4,17

МАЗ-5432+9397

0,78

 

8,50

 

4,14

124