Автомобильная аэродинамика

Текст: Владимир Абрамов
Рисунки: Владимир Абрамов

Зачем?

Аэродинамическое лобовое сопротивление (С_х, C_w) меньше => меньше расход топлива при той же скорости, больше максимальная скорость при той же мощности.

Аэродинамическая прижимная либо подъёмная сила (С_y): больше прижимная => лучше устойчивость, управляемость, меньше пробуксовки; больше подъёмная => меньше удары о неровности дороги, но хуже устойчивость, управляемость.

Cкорость

• 30 км/ч : действующие на автомобиль аэродинамические силы принебрежимо малы.
• 64 км/ч : действующие на автомобиль аэродинамические силы равны механическим.
• 100 км/ч : действующие на автомобиль аэродинамические силы реально ощущаются.
• 120 км/ч : внешние аэродинамические надстройки машины эффективно работают.
• 1200 км/ч (примерно) : разрушение всего вокруг от звукового удара.

Аэродинамические силы пропорциональны квадрату скорости: X=aV² (лобовое сопротивление), Y=bV² (вертикальная сила), Z=cV² (поперечная сила).

Требуемая для набора скорости мощность двигателя пропорциональна кубу этой скорости: P=dV³.

Основные законы движения воздуха

Аэродинамическую силу, действующую на автомобиль, можно разложить на три составляющие: горизонтальную, вертикальную и поперечную.

Горизонтальная. Иначе говоря, это сила сопротивления воздуха. Наилучшее обтекание (наименьшее сопротивление воздуха) при дозвуковой скорости имеет капля. Если бы это было не так, то капли воды при падении принимали бы другую форму. Поэтому современному автомобилю разработчики стараются придавать каплевидную форму.

Примеры. Обратите внимание на машины тех марок, производители которых задумываются об аэродинамике (сейчас большинство): выпукный перед, форма крыши не прямая, а тоже (сначала резкий подъем, потом постепенный спуск) напоминает каплю. Посмотрите на фюзелаж любого дозвукового пассижирского самолета: тоже стремится к форме капли. У сверхзвукового приоритеты другие, и форма другая.

У Тойота Ярис крыша слегка изогнута. Это продиктовано не дизайном, а аэродинамикой.	Задняя часть Хаймы С1 снижается плавно, как предписано аэродинамикой.
Подул ветер, и снег показал, как можно доработать кузов Рено Логан до более обтекаемой формы.	Дирижабль - вылетая капля, только со стабилизаторами в хвосте.

Сопротивление воздуха рассчитывается по формуле X=C_xAv²p/2, где C_x (в других странах может озобначаться C_w) - коэффициент лобового сопротивления (обтекаемость конкретного автомобиля), A - площадь миделевого (т.е. наибольшего) сечения автомобиля, v - текущая скорость автомобиля, p - плотность воздуха.

Отсюда видно, что сопротивление конкретной машины можно уменьшить путем уменьшения площади ее поперечного сечения и/или уменьшения C_x. Точнее всего C_x определяется в аэродинамических трубах. Но это дорогое удовольствие. Расчёты C_x в разной степени основны конструкторскими бюро и институтами. И любой человек, имея некоторые представления в голове, может менять C_x путём добавления, удаления и доработки внешних элементов кузова.

Рассмотрим некоторые важные моменты картины обтекания.

Бугры и впадины повышают сопротивление, т.к. обтекание нарушается: поток срывается и затормаживается относительно машины (= машина затормаживается относительно воздуха) из-за того, что на воздухообмен около препятствия тратится время.

Отрыв потока сопровождается образованием вихрей, направленных перпендикулярно потоку. Вихри создают дополнительное сопротивление. Огромные вихри возникают за автомобилем, где всему потоку приходится отрываться. Непосредственно за автомобилем образуется разрежение. В случаях, когда за автомобилем разрежение, а под ним давление и вихри, в зону разрежения воздух несет грязь.

Пример. На "ВАЗ 2109" вихри поднимают грязь сзади автомобиля. В тоже время там есть заднее стекло, которое находится под оторвавшимся потоком. Под стеклом разрежение, и вся грязь стремится прилипнуть в эту зону. На "Москвиче 2141" поток переходит от крыши к задней дверце безотрывно. В результате наоборот - все, что прилипает к заднему стеклу, сдувается прилегающим воздушным потоком.

На изображении иллюстрация последних абзацев.

Вертикальная. Иначе говоря, подъемная или прижимная сила. Когда машина едет, она встречает на своем пути поток воздуха, который, обтекая ее, распределяется вверх и вниз. Снизу практически ровное дно машины, в то время как сверху находится выпуклый кузов. Получается, что за то же время воздуху снизу нужно пройти по прямой линии, а сверху обогнуть кузов, что по расстоянию больше. Значит, сверху то же количество воздуха распределяется на большее расстояние, самого его на единицу площади приходится меньше (давление меньше). Воздух, стремясь уровнять давления, стремится снизу вверх, пытаясь приподнимать за собой автомобиль.

На скоростной трассе лучше устанавливать надстройки, которые будут способствовать прижиманию машины к трассе. Это улучшит сцепление с дорогой, устойчивость, управляемость.

Но встреченная неровность может нанести серьёзный ущерб подвеске "прижатой" машины. Поэтому на бездорожье, наоборот, лучше создавать большую подъёмную силу.

Поперечная. Эта сила уводит автомобиль, что заметно при боковом ветре. Математическая зависимость всех трех сил аналогичная: Z=C_zA'v_в²p/2. C_z - коэффициент поперечной силы, А' - наибольшая площадь продольного сечения, v_в - скорость бокового ветра.

Возможные функции аэродинамических комплектов

• Красота - часто обвес делают только ради неё, не думая о функциональности.
• Изменение аэродинамический характеристик: лобового сопротивления, вертикальной силы.
• Специальные функции: охлаждение тормозов, забор воздуха, отвод мух и т.д., - выполняются обычно за счёт увеличения сопротивления: за всё надо платить.

Безопасность

Асимметрия (повреждения) кузова. Чем это грозит? Если с одной стороны на кузове будет неровность, к примеру, впадина или перекос, то воздух будет проходить каждую сторону с разной скоростью. Следовательно давление с одной стороны будет больше, чем в другой, оно будет пытаться уравняться. Избыточный воздух будет "перебираться" на сторону с меньшим давлением, ведя за собой весь корпус машины. Поэтому на большой скорости машину будет уводить в сторону тем сильнее, чем больше асимметрия.

Проектировка с учетом безопасности. При создании и подборе аэродинамических элементов можно добиться того, что они будут давать сильный положительный эффект. Но нужно понимать, что любой такой компонент, на который возложена большая надежда на улучшение обтекания, может по каким-то причинам разрушиться. Желательно при разработке определить факторы, от которых элементы могут разрушаться и принять меры для предотвращения этого вплоть до отказа от конкретного элемента. Иначе от разрушения непродуманно установленного элемента могут быть смертоносные последствия.