Аэродинамика и экология

54
Аэродинамика и экология

Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. Она зависит от двух параметров автомобиля: площади поперечного сечения (S) и коэффициента аэродинамического сопротивления (Cx). Например, автомобиль с S=2,73 кв.м и Cx=0,34 при скорости 150 км/ч будет тратить 50л.с. мощности на преодоление сопротивления воздуха. Таким образом, снизив лобовое сопротивление, можно добиться заметного снижения расхода топлива и выбросов токсичных веществ. Но уменьшить площадь поперечного сечения означает уменьшить высоту и ширину автомобиля, что нежелательно. Поэтому усилия инженеров направлены в основном на улучшение обтекаемости кузова, то есть коэффициента Cx.

Величина Cx зависит от трех факторов: сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон (12%); сопротивления трения между воздушным потоком и поверхностью кузова (10%); и сопротивления формы кузова (78%), проявляющееся в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Последний фактор возникает вследствие того, что спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова.

Аэродинамика различных типов кузовов

Главный элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова.

Наименее эффективным является кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. И лишь слегка поправить положение может дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – разряжение слегка упадет.

Хэтчбеки, с точки зрения аэродинамики, немного предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Но большинство хэтчбеков имеют гораздо больший угол наклона, а потому по обтекаемости практически не отличаются от универсалов.

На седанах и купе оторвавшийся с крыши поток вначале опускается на крышку багажника, а затем уже отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx. Дополнительный эффект дает и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации гораздо больше, а потому на практике именно седаны и купе, особенно больших размеров, имеют наилучшую обтекаемость.

Как улучшают Cx

Коэффициент Cx определяется в аэродинамической трубе при обдувании воздухом строго по направлению продольной оси автомобиля. Чтобы изучить реакции автомобиля при появлении бокового ветра, машину поддувают под небольшим углом, определяя действующий на неё поворачивающий момент и момент крена. Парадокс состоит в том, что автомобили с минимальным Cх оказываются наименее устойчивыми, а модели с плохой обтекаемостью, наоборот, почти не реагируют на подобные воздействия.

Неоптимальная с точки зрения аэродинамики форма кузова имеет еще одно неприятное последствие – низкую прижимную силу. Нижний поток воздуха под днищем проходит по прямой, а верхний вынужден ускоряться, чтобы обогнуть автомобиль сверху. Возникающая разница в давлении создает подъемную силу. Большая ее часть компенсируется давлением воздуха на капот и лобовое стекло. Но если передок автомобиля догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова оказывается в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса.

Как борются с этим явлением? Стремление к плавному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает областей резко пониженного давления. К тем же последствиям приводит и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает.

С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, необходимо найти нужный баланс – слишком большой спойлер, наоборот, увеличит область разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он делается выдвижным, чтобы вступать в работу только в нужный момент.