Joks automobilis nepravažiuos plytų siena, bet kasdien eina per sienas iš oro, kuris taip pat turi tankį.
Niekas oro ar vėjo nesuvokia kaip sienos. Įjungta mažas greitis, esant ramiam orui, sunku pamatyti, kaip oro srautas sąveikauja su transporto priemone. Tačiau dideliu greičiu stiprus vėjas, oro pasipriešinimas (jėga, veikianti oru judantį objektą – dar vadinama pasipriešinimu) labai įtakoja tai, kaip automobilis įsibėgėja, kiek vairuoja, kaip naudoja degalus.
Čia atsiranda aerodinamikos mokslas, tiriantis jėgas, susidarančias dėl objektų judėjimo ore. Šiuolaikiniai automobiliai kuriami atsižvelgiant į aerodinamiką. Gerai aerodinamiškas automobilis perkerta oro sieną kaip peilis per sviestą.
Dėl mažas atsparumas oro srautas, toks automobilis greičiau įsibėgėja ir geriau sunaudoja degalus, kadangi varikliui nereikia eikvoti papildomos galios, kad „stumtų“ automobilį per oro sienelę.
Siekiant pagerinti automobilio aerodinamiką, kėbulo forma suapvalinta taip, kad oro kanalas aplink automobilį tekėtų su mažiausiu pasipriešinimu. Sportiniuose automobiliuose kėbulo forma skirta nukreipti oro srautą daugiausia išilgai apatinės dalies, kodėl pamatysite žemiau. Jie taip pat uždeda sparną ar spoilerį ant automobilio bagažinės. Sparnų presai atgal automobilis, neleidžiantis pakelti galiniai ratai, dėl stipraus oro srauto jam judant didelis greitis todėl automobilis tampa stabilesnis. Ne visi galiniai sparnai yra vienodi ir ne visi naudojami pagal paskirtį, kai kurie tarnauja tik kaip automobilių dekoro elementas, neatliekantis tiesioginės aerodinamikos funkcijos.
Aerodinamikos mokslas
Prieš kalbėdami apie automobilių aerodinamiką, pažvelkime į fizikos pagrindus.
Judėdamas per atmosferą objektas išstumia aplinkinį orą. Objektas taip pat yra veikiamas gravitacijos ir pasipriešinimo. Pasipriešinimas susidaro, kai kietas objektas juda skystoje terpėje – vandenyje ar ore. Pasipriešinimas didėja didėjant objekto greičiui – kuo greičiau jis juda erdvėje, tuo didesnį pasipriešinimą patiria.
Objekto judėjimą matuojame Niutono dėsniuose aprašytais veiksniais – mase, greičiu, svoriu, išorine jėga ir pagreičiu.
Pasipriešinimas tiesiogiai veikia pagreitį. Objekto pagreitis (a) = jo svoris (W) atėmus pasipriešinimą (D), padalytas iš jo masės (m). Prisiminkite, kad svoris yra kūno masės ir laisvojo kritimo pagreičio sandauga. Pavyzdžiui, Mėnulyje dėl gravitacijos trūkumo pasikeis žmogaus svoris, tačiau masė išliks ta pati. Paprasčiau pasakius:
Kai objektas įsibėgėja, greitis ir pasipriešinimas didėja iki galutinio taško, kuriame pasipriešinimas tampa lygus svoriui – objektas daugiau neįsibėgs. Įsivaizduokime, kad mūsų objektas lygtyje yra automobilis. Automobiliui važiuojant vis greičiau, vis daugiau oro priešinasi jo judėjimui, apribodamas automobilio pagreitį iki maksimalaus tam tikro greičio.
Artėjame prie svarbiausio skaičiaus – aerodinaminio pasipriešinimo koeficiento. Tai vienas iš pagrindinių veiksnių, lemiančių, kaip lengvai objektas juda oru. Atsparumo koeficientas (Cd) apskaičiuojamas pagal šią formulę:
Cd = D / (A * r * V/2)
Kur D yra pasipriešinimas, A yra plotas, r yra tankis, V yra greitis.
Vilkimo koeficientas automobilyje
Mes išsiaiškinome, kad pasipriešinimo koeficientas (Cd) yra vertė, matuojanti oro pasipriešinimo jėgą, taikomą objektui, pavyzdžiui, automobiliui. Dabar įsivaizduokite, kad oro jėga stumia automobilį, kai jis važiuoja keliu. Važiuojant 110 km/h greičiu, jį veikia keturis kartus didesnė jėga nei važiuojant 55 km/h greičiu.
Automobilio aerodinaminės galimybės matuojamos pasipriešinimo koeficientu. Kuo mažesnė Cd reikšmė, tuo geresnė automobilio aerodinamika ir lengviau pravažiuos iš skirtingų pusių jį spaudžiančią oro sienelę.
Panagrinėkime rodiklius Cd. Prisimenate aštuntojo ir devintojo dešimtmečio kampinius dėžinius Volvo automobilius? Prie seno Volvo sedanas 960 pasipriešinimo koeficientas 0,36. At naujas Volvo kūnai yra lygūs ir glotnūs, todėl koeficientas siekia 0,28. Lygesnės ir labiau supaprastintos formos rodo geresnę aerodinamiką nei kampinės ir kvadratinės.
Priežastys, dėl kurių aerodinamika mėgsta aptakias formas
Prisiminkime patį aerodinamiškiausią dalyką gamtoje – ašarą. Plyšimas yra apvalus ir lygus iš visų pusių, o viršuje smailėjantis. Kai ašara nukrenta, oras aplink jį teka lengvai ir sklandžiai. Taip pat ir automobiliuose ant lygaus, suapvalinto paviršiaus oras teka laisvai, sumažindamas oro pasipriešinimą objekto judėjimui.
Šiandien daugumos modelių vidutinis pasipriešinimo koeficientas yra 0,30. Visureigių pasipriešinimo koeficientas yra nuo 0,30 iki 0,40 ar daugiau. Didelio matmenų koeficiento priežastis. „Land Cruiser“ ir „Gelendvagens“ talpina daugiau keleivių, turi daugiau krovinių erdvė, didelės grotelės varikliui aušinti, todėl kvadrato formos dizainas. Pikapai suprojektuoti su tikslingai kvadratiniu Cd, didesniu nei 0,40.
Dėl kėbulo dizaino galima diskutuoti, tačiau automobilis pasižymi atskleidžiančia aerodinamine forma. Vilkimo koeficientas Toyota Prius 0,24, tad automobilio degalų sąnaudos nedidelės ne tik dėl hibrido elektrinė. Atminkite, kad kiekvienas minus 0,01 koeficientas sumažina degalų sąnaudas 0,1 litro 100 kilometrų.
Modeliai su prastu aerodinaminiu pasipriešinimu:
Modeliai su geru aerodinaminiu pasipriešinimu:
Aerodinamikos gerinimo metodai žinomi jau seniai, tačiau prireikė nemažai laiko, kol automobilių gamintojai pradėjo juos naudoti kurdami naujas transporto priemones.
Pirmųjų pasirodžiusių automobilių modeliai neturi nieko bendra su aerodinamikos koncepcija. Pažvelkite į modelį T Fordas- automobilis atrodo labiau kaip arklio vežimas be arklio - kvadrato dizaino konkurso nugalėtojas. Tiesą sakant, dauguma modelių buvo pionieriai ir jiems nereikėjo aerodinaminio dizaino, nes jie važiavo lėtai, tokiu greičiu nebuvo ko atsispirti. Tačiau XX amžiaus dešimtmečio pradžios lenktyniniai automobiliai pradėjo šiek tiek siaurėti, kad laimėtų varžybas aerodinamikos sąskaita.
1921 metais vokiečių išradėjas Edmundas Rumpleris sukūrė Rumpler-Tropfenauto, kuris vokiškai reiškia „ašarojamas automobilis“. Sumodeliuotas pagal aerodinamiškiausią gamtoje – ašaros formą – šio modelio pasipriešinimo koeficientas buvo 0,27. Rumpler-Tropfenauto dizainas niekada nebuvo pripažintas. Rumpler sugebėjo sukurti tik 100 Rumpler-Tropfenauto vienetų.
Amerikoje aerodinaminio dizaino šuolis buvo padarytas 1930 m., kai Chrysler modelis oro srautas. Įkvėpti paukščių skrydžio, inžinieriai sukūrė Airflow atsižvelgdami į aerodinamiką. Siekiant pagerinti valdymą, automobilio svoris buvo tolygiai paskirstytas tarp priekio ir galinės ašys- 50/50. Nuo Didžiosios depresijos pavargusi visuomenė nesusitaikė su netradicine „Chrysler Airflow“ išvaizda. Modelis buvo laikomas nesėkmingu, nors supaprastintas Chrysler Airflow dizainas gerokai pralenkė savo laiką.
XX amžiaus šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose buvo pastebėta didžiausia automobilių aerodinamikos pažanga, kurią pasiekė lenktynių pasaulis. Inžinieriai pradėjo eksperimentuoti su skirtingomis kėbulo formomis, žinodami, kad supaprastinta forma pagreitins automobilius. Taip gimė iki šių dienų išlikusi lenktyninio automobilio forma. Priekiniai ir galiniai spoileriai, kastuvų antgaliai ir aerobiniai komplektai tarnavo tam pačiam tikslui, nukreipdami oro srautą virš stogo ir generuodami reikiamą prispaudžiamąją jėgą priekiniams ir galiniams ratams.
Vėjo tunelis prisidėjo prie eksperimentų sėkmės. Kitoje mūsų straipsnio dalyje mes jums pasakysime, kodėl tai reikalinga ir kodėl tai svarbu automobilių konstrukcijoje.
Matuojamas pasipriešinimas vėjo tunelyje
Norėdami išmatuoti automobilio aerodinaminį efektyvumą, inžinieriai iš aviacijos pramonės pasiskolino įrankį – vėjo tunelį.
Vėjo tunelis yra tunelis su galingais ventiliatoriais, kurie sukuria oro srautas virš viduje esančio objekto. Automobilis, lėktuvas ar dar kažkas, kurio oro pasipriešinimą matuoja inžinieriai. Iš patalpos, esančios už tunelio, mokslininkai stebi, kaip oras sąveikauja su objektu ir kaip oro srovės elgiasi ant skirtingų paviršių.
automobilis ar lėktuvas viduje vėjo tunelis nejuda, bet kad imituotų realias sąlygas, ventiliatoriai pučia orą iš skirtingas greitis. Kartais tikri automobiliai net nenuvarytas vamzdžiu – dizaineriai dažnai pasikliauja tikslūs modeliai sukurtas iš molio ar kitų žaliavų. Vėjas vėjo tunelyje pučia virš automobilio, o kompiuteriai skaičiuoja pasipriešinimo koeficientą.
Vėjo tuneliai buvo naudojami nuo 1800-ųjų pabaigos, kai buvo bandoma statyti lėktuvą ir buvo matuojamas oro srauto poveikis vėjo tuneliuose. Net broliai Raitai turėjo tokį trimitą. Po Antrojo pasaulinio karo lenktyninių automobilių inžinieriai, ieškodami pranašumo prieš konkurenciją, veiksmams matuoti pradėjo naudoti vėjo tunelius. aerodinaminiai elementai sukurti modeliai. Vėliau ši technologija pateko į lengvųjų automobilių ir sunkvežimių pasaulį.
Per pastaruosius 10 metų dideli vėjo tuneliai, kainuojantys kelis milijonus JAV dolerių, naudojami vis mažiau. Kompiuterinis modeliavimas pamažu keičia tokį automobilio aerodinamikos tikrinimo būdą (daugiau). Vėjo tuneliai veikia tik siekiant įsitikinti, kad kompiuteriniame modeliavime nėra klaidų.
Aerodinamikos sąvokų yra daugiau nei vien tik oro pasipriešinimas – yra ir kėlimo bei prispaudžiamosios jėgos faktoriai. Pakėlimas (arba pakėlimas) – tai jėga, kuri veikia prieš objekto svorį, pakelia ir laiko objektą ore. Prispaudžiamoji jėga, priešinga liftui, yra jėga, kuri stumia objektą ant žemės.
Klysta tas, kuris mano, kad 320 km/h Formulės 1 lenktyninių automobilių pasipriešinimo koeficientas yra mažas. Įprasto Formulės 1 lenktyninio automobilio pasipriešinimo koeficientas yra apie 0,70.
Aukšto oro pasipriešinimo koeficiento priežastis lenktyniniai automobiliai Formulė 1 yra ta, kad šie automobiliai sukurti taip, kad sukurtų kuo daugiau prispaudžiamosios jėgos. Su greičiu, kuriuo ugnies kamuoliai juda, ir turėdami ypač mažą svorį, jie pradeda patirti pakėlimą dideliu greičiu– fizika priverčia juos kilti į orą kaip lėktuvą. Automobiliai nėra skirti skristi (nors straipsnyje – skraidantis transformatorinis automobilis tvirtina priešingai), o jei transporto priemonė pradės kilti į orą, tuomet galima tikėtis tik vieno – niokojančios avarijos. Štai kodėl, prispaudimo jėga turėtų būti maksimalus, kad automobilis stovėtų ant žemės dideliu greičiu, tai reiškia, kad pasipriešinimo koeficientas turi būti didelis.
Formulės 1 automobiliai pasiekia didelę prispaudimo jėgą priekinių ir galinių transporto priemonės dalių pagalba. Šie sparnai nukreipia oro srautą taip, kad prispaustų automobilį prie žemės – ta pati prispaudžiamoji jėga. Dabar galite saugiai padidinti greitį ir neprarasti jo posūkiuose. Tuo pačiu metu prispaudžiamoji jėga turi būti kruopščiai subalansuota su keltuvu, kad automobilis pasiektų pageidaujamą greitį tiesia linija.
Daugelis serijinių automobilių turi aerodinaminių priedų, kad sukurtų prispaudimo jėgą. spauda kritikavo dėl išvaizdos. Prieštaringas dizainas. Ir viskas, nes viskas GT-R kėbulas skirtas nukreipti oro srautą per transporto priemonę ir atgal per ovalą galinis spoileris, sukuriant daugiau prispaudžiamosios jėgos. Niekas negalvojo apie automobilio grožį.
Už „Formulės 1“ trasos dažnai aptinkami sparneliai gamybos automobiliai pvz sedanai Toyota kompanijos ir Honda. Kartais šie dizaino elementai suteikia šiek tiek stabilumo važiuojant dideliu greičiu. Pavyzdžiui, ant pirmoji „Audi“. TT iš pradžių neturėjo spoilerio, bet Audi Teko jį papildyti, kai paaiškėjo, kad dėl apvalios TT formos ir lengvo svorio atsirado per daug keliamoji galia, todėl automobilis tapo nestabilus važiuojant didesniu nei 150 km/val. greičiu.
Bet jei automobilis yra ne „Audi TT“, ne sportinis, ne sportinis, o paprastas šeimyninis sedanas ar hečbekas, spoilerio montuoti nereikia. Spoileris nepagerins tokio automobilio valdymo, nes „šeimyninis automobilis“ jau turi didelę prispaudžiamąją jėgą dėl didelio Cx, ir jūs negalite išspausti didesnio nei 180 greičio. Spoileris įjungtas įprastas automobilis gali sukelti perdėtą vairavimą arba, atvirkščiai, nenorą įvažiuoti posūkiuose. Tačiau, jei jūs taip pat manote, kad milžiniškas spoileris Honda Civic stovi savo vietoje, neleiskite niekam jūsų tuo įtikinti.
Šiandien kviečiame sužinoti, kas tai yra, kam ji reikalinga ir kokiais metais ši technologija pirmą kartą pasirodė pasaulyje.
Be aerodinamikos automobiliai ir lėktuvai ir net bobslejai tėra vėją judantys objektai. Jei nėra aerodinamikos, tai vėjas juda neefektyviai. Mokslas, tiriantis oro srautų pašalinimo efektyvumą, vadinamas aerodinamika. Norint sukurti efektyviai oro srautą nukreipiančią transporto priemonę, mažinančią pasipriešinimą, reikalingas vėjo tunelis, kuriame inžinieriai tikrina automobilių dalių aerodinaminio oro pasipriešinimo efektyvumą.
Klaidingai manoma, kad aerodinamika atsirado nuo vėjo tunelio išradimo. Bet taip nėra. Iš tikrųjų pasirodė 1800 m. Šio mokslo ištakos prasidėjo 1871 m., kai broliai Wrightai yra pirmojo pasaulyje lėktuvo dizaineriai ir kūrėjai. Jų dėka pradėjo vystytis aeronautika. Tikslas buvo vienas – bandymas sukurti lėktuvą.
Iš pradžių broliai atliko bandymus geležinkelio tuneliuose. Tačiau tunelio galimybės tirti oro sroves buvo ribotos. Todėl jiems nepavyko sukurti tikro orlaivio, nes tam reikėjo, kad orlaivio korpusas atitiktų griežčiausius aerodinamikos reikalavimus.
Todėl 1901 metais broliai pastatė savo vėjo tunelį. Dėl to, kai kuriais duomenimis, apie 200 lėktuvas ir atskirų prototipų atvejais įvairių formų. Broliams prireikė dar kelerių metų, kad pagamintų pirmąjį tikrąjį lėktuvą istorijoje. Taigi 1903 metais broliai Wrightai atliko sėkmingą pirmojo pasaulyje testą, kuris ore truko 12 sekundžių.
Kas yra vėjo tunelis?
Tai paprastas įrenginys, susidedantis iš uždaro tunelio (didžiulės talpos), kuriuo galingų ventiliatorių pagalba teka oras. Į vėjo tunelį įdedamas objektas, prie kurio jie pradeda taikytis. Taip pat šiuolaikiniuose vėjo tuneliuose specialistai turi galimybę tiekti nukreiptus oro srautus į tam tikrus automobilio kėbulo elementus ar bet kurią transporto priemonę.
Vėjo tunelio bandymai sulaukė didžiulio populiarumo per Didžiąją Tėvynės karas 40-aisiais. Visame pasaulyje kariniai padaliniai atliko aerodinamikos tyrimus karinė įranga ir amunicija. Po karo kariniai aerodinaminiai tyrimai buvo apriboti. Tačiau dėmesį aerodinamikai skyrė sportą projektuojantys inžinieriai lenktyniniai automobiliai. Tada šią madą pasirinko dizaineriai ir automobiliai.
Vėjo tunelio išradimas leido specialistams išbandyti transporto priemonių kurie yra nejudančioje būsenoje. Toliau tiekiami oro srautai ir sukuriamas toks pat efektas, koks stebimas mašinai judant. Net ir bandant orlaivį objektas lieka nejudantis. Reguliuojamas tik tam, kad imituotų konkretų automobilio greitį.
Aerodinamikos dėka tiek sportinis, tiek paprasti automobiliai vietoj kvadratinių formų jie ėmė įgyti glotnesnes linijas ir apvalius kūno elementus.
Kartais tyrimams gali prireikti ir viso automobilio. Dažnai gali būti naudojamas įprastas natūralaus dydžio išdėstymas. Dėl to ekspertai nustato vėjo pasipriešinimo lygį.
Vėjo pasipriešinimo koeficientas nustatomas pagal tai, kaip vėjas juda vamzdžio viduje.
Šiuolaikiniai vėjo tuneliai iš esmės yra milžiniškas plaukų džiovintuvas jūsų automobiliui. Pavyzdžiui, vienas iš gerai žinomų vėjo tunelių yra Šiaurės Karolinoje, JAV, kur vykdomi asociacijų tyrimai. Šio vamzdžio dėka inžinieriai modeliuoja automobilius, galinčius važiuoti 290 km/h greičiu.
Į šį pastatą buvo investuota apie 40 mln. Vamzdis pradėjo savo darbą 2008 m. Pagrindiniai investuotojai yra NASCAR lenktynių asociacija ir lenktynių savininkas Gene Haas.
Štai tradicinio šio vamzdžio bandymo vaizdo įrašas:
Nuo tada, kai atsirado pirmasis vėjo tunelis istorijoje, inžinieriai suprato, koks svarbus šis išradimas yra visumai. Dėl to automobilių dizaineriai atkreipė dėmesį į tai, kurie pradėjo kurti oro srautų tyrimo technologijas. Tačiau technologijos nestovi vietoje. Šiais laikais daugelis tyrimų ir skaičiavimų atliekami kompiuteriu. Nuostabiausia, kad net aerodinaminiai bandymai atliekami specialiomis kompiuterinėmis programomis.
3D naudojamas kaip bandomasis objektas virtualus modelis automobiliai. Toliau žaidžiami kompiuteryje įvairios sąlygos aerodinamikos testavimui. Tas pats metodas buvo pradėtas kurti ir avarijų bandymams. , kuri ne tik gali sutaupyti pinigų, bet ir atsižvelgti į daugelį parametrų testuojant.
Kaip ir tikri susidūrimo testai, vėjo tunelio statyba ir bandymai jame yra labai brangus malonumas. Kompiuteryje kaina gali siekti vos kelis dolerius.
Tiesa, seneliai ir senųjų technologijų šalininkai vis tiek sakys, kad realus pasaulis geresnis už kompiuterius. Tačiau XXI amžius yra XXI amžius. Todėl neišvengiama, kad artimiausiu metu daugelis realaus pasaulio bandymų bus atliekami tik kompiuteriu.
Nors verta paminėti, kad nesame nusiteikę prieš kompiuterizuotus bandymus, tikimės, kad automobilių pramonėje vis tiek išliks tikri vėjo tunelio bandymai ir įprasti smūgių bandymai.
Dabartiniai reglamentai leidžia komandoms vėjo tunelyje išbandyti automobilių modelius, kurie neviršija 60% mastelio. Interviu „F1Racing“ buvęs „Renault“ komandos techninis direktorius Patas Symondsas kalbėjo apie šio darbo specifiką...
Patas Symondsas: „Šiandien visos komandos dirba su 50% arba 60% mastelio modeliais, tačiau taip buvo ne visada. Pirmieji aerodinaminiai bandymai devintajame dešimtmetyje buvo atlikti su 25% tikrosios vertės maketais – Sautamptono universiteto ir Londono imperatoriškojo koledžo vėjo tunelių galia daugiau neleido – tik ten buvo galima įrengti. modeliai ant kilnojamo pagrindo. Tada atsirado vėjo tuneliai, kuriuose buvo galima dirbti su modeliais 33% ir 50%, o dabar, dėl poreikio apriboti išlaidas, komandos sutiko išbandyti modelius ne daugiau kaip 60% oro srauto greičiu daugiau nei 50 metrų per sekundę.
Rinkdamosi modelio mastelį, komandos vadovaujasi turimo vėjo tunelio galimybėmis. Norint gauti tikslius rezultatus, modelio matmenys neturi viršyti 5% vamzdžio darbinio ploto. Mažesnio mastelio modelių gamyba yra pigesnė, bet nei mažesnis modelis, tuo sunkiau išlaikyti reikiamą tikslumą. Kaip ir daugelyje kitų Formulės 1 automobilių kūrimo klausimų, čia reikia ieškoti geriausio kompromiso.
Anksčiau modeliai buvo gaminami iš mažo tankio Malaizijoje augančio Diera medžio, dabar naudojama lazerinės stereolitografijos įranga – infraraudonųjų spindulių lazerio spindulys polimerizuoja kompozicinę medžiagą, todėl gaunama dalis su nurodytomis savybėmis. . Šis metodas leidžia per kelias valandas patikrinti naujos inžinerinės idėjos efektyvumą vėjo tunelyje.
Kuo tiksliau pagamintas modelis, tuo patikimesnė informacija gaunama jo pūtimo metu. Čia svarbi kiekviena smulkmena, net ir per išmetimo vamzdžiai dujų srautas turi praeiti tokiu pačiu greičiu kaip ir tikroje mašinoje. Simuliacijoje komandos stengiasi pasiekti kuo didesnį esamos įrangos tikslumą.
Daugelį metų padangos buvo keičiamos padidinto mastelio nailono arba anglies pluošto kopijomis, tačiau padaryta didelė pažanga, kai Michelin sukūrė tikslias sumažintas padangų kopijas. lenktyninės padangos. Automobilio modelyje yra daug jutiklių, skirtų oro slėgiui matuoti, ir sistema, kuri leidžia keisti balansą.
Modeliai, įskaitant juose sumontuotą matavimo įrangą, yra šiek tiek prastesnės kainos tikri automobiliai Pavyzdžiui, jie yra brangesni nei tikri automobiliai GP2. Tai iš tikrųjų yra itin sudėtingas sprendimas. Pagrindinis rėmas su jutikliais kainuoja apie 800 000 USD ir gali būti naudojamas keletą metų, tačiau paprastai komandos turi du rinkinius, kad darbas tęstųsi.
Kiekviena peržiūra kūno elementai arba sustabdymas lemia poreikį gaminti nauja versija kėbulo komplektas, kainuojantis dar ketvirtį milijono. Tuo pačiu metu paties vėjo tunelio eksploatavimas kainuoja apie tūkstantį dolerių per valandą ir reikalauja 90 darbuotojų. Rimtos komandos šioms studijoms per sezoną išleidžia apie 18 milijonų dolerių.
Išlaidos atsiperka. Padidinus prispaudžiamąją jėgą 1 %, realioje trasoje galite atkovoti vieną dešimtąją sekundės dalį. Esant stabiliam grafikui, inžinieriai žaidžia maždaug tiek per mėnesį, tad vien modelių skyriuje kas dešimtas komandai kainuoja pusantro milijono dolerių.
Nuo tada, kai pirmasis žmogus pritvirtino nusmailintą akmenį ant ieties galo, žmonės visada stengėsi rasti geriausia forma ore judantys objektai. Tačiau automobilis pasirodė labai sudėtingas aerodinaminis galvosūkis.
Sukibimo su keliu skaičiavimo pagrindai suteikia mums keturias pagrindines jėgas, veikiančias transporto priemonę jai judant: oro pasipriešinimą, pasipriešinimą riedėjimui, pasipriešinimą kilimui ir inercijos jėgas. Pažymima, kad tik pirmieji du yra pagrindiniai. Riedėjimo pasipriešinimo jėga automobilio ratas daugiausia priklauso nuo padangos ir kelio deformacijos kontaktinėje zonoje. Tačiau jau važiuojant 50–60 km/h greičiu oro pasipriešinimo jėga pranoksta bet kurią kitą, o važiuojant didesniu nei 70–100 km/h greičiu lenkia visus kartu. Norint įrodyti šį teiginį, reikia pateikti tokią apytikslę formulę: Px=Cx*F*v2, kur: Px – oro pasipriešinimo jėga; v – transporto priemonės greitis (m/s); F – automobilio projekcijos į plokštumą, statmeną automobilio išilginei ašiai, plotas arba didžiausio automobilio skerspjūvio plotas, t. y. priekinis plotas (m2); Cx yra oro pasipriešinimo koeficientas (supaprastinimo koeficientas). Pastaba. Greitis formulėje yra kvadratas, o tai reiškia, kad, pavyzdžiui, padvigubėjus, oro pasipriešinimo jėga padidės keturis kartus.
Tuo pačiu metu energijos sąnaudos, reikalingos jai įveikti, išauga aštuonis kartus! Nascar lenktynėse, kur greitis viršija 300 km/h, eksperimentiškai buvo nustatyta, kad Maksimalus greitis tik 8 km/val., reikia padidinti variklio galią 62 kW (83 AG) arba sumažinti Cx 15%. Yra ir kitas būdas – sumažinti automobilio priekinį plotą. Daugelis greitųjų superautomobilių yra žymiai žemesni paprasti automobiliai. Tai tik darbo, siekiant sumažinti priekinę sritį, ženklas. Tačiau šią procedūrą galima atlikti iki tam tikrų ribų, kitaip tokiu automobiliu naudotis bus neįmanoma. Dėl šios ir kitų priežasčių supaprastinimas yra viena iš pagrindinių problemų, kylančių kuriant automobilį. Žinoma, pasipriešinimo jėgai įtakos turi ne tik automobilio greitis ir jo geometriniai parametrai. Pavyzdžiui, kuo didesnis oro srauto tankis, tuo didesnis pasipriešinimas. Savo ruožtu oro tankis tiesiogiai priklauso nuo jo temperatūros ir aukščio virš jūros lygio. Kylant temperatūrai didėja oro tankis (taigi ir jo klampumas), o aukštai kalnuose oras plonėja, o jo tankis mažesnis ir t.t. Tokių niuansų yra daug.
Bet grįžkime prie automobilio formos. Kuris elementas turi geriausią srautą? Atsakymą į šį klausimą žino beveik kiekvienas mokinys (nemiegojęs fizikos pamokose). Nukritęs vandens lašas įgauna aerodinamikos požiūriu priimtiniausią formą. Tai yra, suapvalintas priekinis paviršius ir sklandžiai siaurėjanti ilga nugara (geriausias santykis yra 6 kartus didesnis už pločio ilgį). Vilkimo koeficientas yra eksperimentinė vertė. Skaitmeniškai jis lygus jėgai oro pasipriešinimas niutonais, susidaręs jam judant 1 m/s greičiu 1 m2 frontalinio ploto. Įprasta atskaitos vienetu laikyti plokščios plokštės Cx = 1. Taigi vandens lašui Cx = 0,04. Dabar įsivaizduokite tokį automobilį. Nesąmonė, ar ne? Toks rafinuotas daiktas ant ratų ne tik atrodys kiek karikatūriškai, bet ir naudoti šį automobilį pagal paskirtį nebus labai patogu. Todėl dizaineriai priversti ieškoti kompromiso tarp automobilio aerodinamikos ir jo naudojimo patogumo. Nuolatiniai bandymai sumažinti koeficientą oro pasipriešinimas lėmė tai, kad kai kurie šiuolaikiniai automobiliai turi Cx = 0,28-0,25. Na, greitai rekordiniai automobiliai pasigirti Cx = 0,2-0,15.
Pasipriešinimo jėgos
Dabar reikia šiek tiek pakalbėti apie oro savybes. Kaip žinote, bet kurios dujos susideda iš molekulių. Jie nuolat juda ir sąveikauja vienas su kitu. Yra vadinamosios van der Waals jėgos – abipusio molekulių traukos jėgos, kurios neleidžia joms judėti viena kitos atžvilgiu. Kai kurie iš jų pradeda stipriau prilipti prie kitų. O didėjant chaotiškam molekulių judėjimui, didėja vieno oro sluoksnio poveikio kitam efektyvumas, didėja klampumas. Ir tai atsitinka dėl oro temperatūros padidėjimo, o tai gali sukelti tiek tiesioginis kaitinimas nuo saulės, tiek netiesiogiai dėl oro trinties ant bet kurio paviršiaus ar tiesiog jo sluoksnių tarpusavyje. Čia atsiranda greitis. Norėdami suprasti, kaip tai veikia automobilį, tiesiog pabandykite pamojuoti ranka atviru delnu. Jei tai darote lėtai, nieko neįvyksta, bet jei pamojate ranka stipriau, delnas jau aiškiai suvokia tam tikrą pasipriešinimą. Bet tai tik vienas komponentas.
Kai oras juda virš kokio nors fiksuoto paviršiaus (pavyzdžiui, automobilio kėbulo), tos pačios van der Waals jėgos priverčia prie jo prilipti artimiausias molekulių sluoksnis. Ir šis „užstrigęs“ sluoksnis pristabdo kitą. Ir taip sluoksnis po sluoksnio, ir kuo greičiau juda oro molekulės, tuo toliau jos yra nuo nejudančio paviršiaus. Galų gale jų greitis sulyginamas su pagrindinio oro srauto greičiu. Sluoksnis, kuriame dalelės juda lėtai, vadinamas ribiniu sluoksniu ir atsiranda ant bet kurio paviršiaus. Kuo didesnė transporto priemonės dangos medžiagos paviršiaus energetinė vertė, tuo jos paviršius molekuliniu lygiu stipriau sąveikauja su aplinkiniu oru, ir tuo daugiau energijos reikia sunaudoti šioms jėgoms naikinti. Dabar, remdamiesi aukščiau pateiktais teoriniais skaičiavimais, galime teigti, kad oro pasipriešinimas nėra tik vėjas Priekinis stiklas. Šis procesas turi daugiau komponentų.
Formos atsparumas
Tai yra reikšmingiausia dalis – iki 60% visų aerodinaminių nuostolių. Jis dažnai vadinamas slėgio pasipriešinimu arba pasipriešinimu. Važiuodamas automobilis suspaudžia ant jo esantį oro srautą ir įveikia pastangas išstumti oro molekules. Rezultatas yra zona aukštas kraujo spaudimas. Tada oras teka aplink automobilio paviršių. Proceso metu oro srovės nutrūksta susidarant turbulencijoms. Galutinis oro srauto atskyrimas transporto priemonės gale sukuria zoną sumažintas slėgis. Vilkimas priekyje ir siurbimo efektas automobilio gale sukuria labai stiprią reakciją. Šis faktas įpareigoja dizainerius ir dizainerius ieškoti būdų, kaip suteikti kūną. Išdėstykite lentynose.
Dabar reikia atsižvelgti į automobilio formą, kaip sakoma, „nuo buferio iki buferio“. Kurios iš dalių ir elementų turi didesnę įtaką bendrai mašinos aerodinamikai. Priekinė kūno dalis. Eksperimentai vėjo tunelyje parodė, kad geresnė aerodinamika priekinė kūno dalis turi būti žema, plati ir neturinti aštrūs kampai. Šiuo atveju nėra oro srauto atskyrimo, o tai labai teigiamai veikia automobilio supaprastinimą. Radiatoriaus grotelės dažnai yra ne tik funkcinis elementas, bet ir dekoratyvinis. Juk radiatorius ir variklis turi turėti efektyvų oro srautą, todėl šis elementas yra labai svarbus. Kai kurie automobilių gamintojai studijuoja ergonomiką ir oro srauto paskirstymą variklio skyrius tokia pat rimta kaip ir bendra automobilio aerodinamika. Nuolydis priekinis stiklas- labai ryškus supaprastinimo, ergonomikos ir našumo kompromiso pavyzdys. Nepakankamas jo nuolydis sukuria per didelį pasipriešinimą, o per didelis nuolydis padidina dulkėtumą ir paties stiklo masę, sutemus smarkiai krenta matomumas, reikia padidinti valytuvo dydį ir pan. Reikėtų atlikti perėjimą nuo stiklo prie šoninės sienelės. sklandžiai.
Tačiau neturėtumėte nusiminti dėl pernelyg didelio stiklo kreivumo – tai gali padidinti iškraipymus ir pabloginti matomumą. Priekinio stiklo statramsčio įtaka aerodinaminiam pasipriešinimui labai priklauso nuo priekinio stiklo padėties ir formos, taip pat nuo priekinio galo formos. Tačiau, dirbdami su stelažo forma, neturime pamiršti apie priekinių šoninių langų apsaugą nuo lietaus vandens ir purvo, nupūstų nuo priekinio stiklo, išlaikyti priimtiną išorinio aerodinaminio triukšmo lygį ir pan. Stogas. Padidinus stogo kampą, gali sumažėti pasipriešinimo koeficientas. Tačiau reikšmingas išsipūtimo padidėjimas gali prieštarauti bendram automobilio dizainui. Be to, jei padidėjus išsipūtimui tuo pačiu metu padidėja tempimo plotas, padidėja oro pasipriešinimo jėga. Ir, kita vertus, jei bandysite išlaikyti pradinį aukštį, tada priekinis stiklas ir galiniai stiklai turės būti įstatyti į stogus, nes matomumas neturėtų pablogėti. Dėl to akiniai brangs, o oro pasipriešinimo jėgos sumažėjimas šiuo atveju nėra toks reikšmingas.
šoniniai paviršiai. Kalbant apie automobilio aerodinamiką šoniniai paviršiai turi mažai įtakos irrotacinio srauto sukūrimui. Bet jūs negalite jų per daug suapvalinti. Priešingu atveju bus sunku įsėsti į tokį automobilį. Stiklas, jei įmanoma, turi sudaryti vieną visumą su šoniniu paviršiumi ir būti vienoje linijoje su išoriniu automobilio kontūru. Bet kokie laipteliai ir sąramos sukuria papildomų kliūčių orui praeiti, atsiranda nepageidaujamų turbulencijos. Galite pastebėti, kad latakai, kurie anksčiau buvo beveik visuose automobiliuose, nebenaudojami. Kita Konstruktyvūs sprendimai, kurios neturi tokios didelės įtakos automobilio aerodinamikai.
Automobilio galinė dalis perteikia galbūt didžiausią įtaką ant pasipriešinimo koeficiento. Tai paaiškinama paprastai. Galinėje dalyje oro srautas nutrūksta ir susidaro sūkuriai. Beveik neįmanoma padaryti automobilio galo supaprastintą kaip dirižablio (ilgis 6 kartus didesnis už plotį). Todėl jie atidžiau dirba su jo forma. Vienas pagrindinių parametrų – automobilio galinės dalies pasvirimo kampas. Pavyzdys jau tapo vadovėliu Rusiškas automobilis„Moskvich-2141“, kur nevykęs galinės dalies sprendimas gerokai pablogino bendrą automobilio aerodinamiką. Bet kitu būdu, galinis stiklas„Moskvič“ visada išliko švarus. Ir vėl kompromisas. Štai kodėl tiek daug papildomų tvirtinimo detalių yra pagaminta specialiai automobilio galinei daliai: galiniai sparnai, spoileriai ir kt. Be galo pasvirimo kampo, didelę įtaką turi automobilio galinės dalies šoninio krašto konstrukcija ir forma. pasipriešinimo koeficientas. Pavyzdžiui, jei pažvelgsite į beveik bet kurį modernus automobilis Iš viršaus iškart matosi, kad priekinis korpusas platesnis nei galinis. Tai irgi aerodinamika. Automobilio dugnas.
Kaip iš pradžių gali atrodyti, ši kūno dalis negali paveikti aerodinamikos. Bet tada yra toks aspektas kaip prispaudimo jėga. Nuo to priklauso automobilio stabilumas ir kaip teisingai organizuotas oro srautas po automobilio dugnu, dėl to priklauso jo „prilipimo“ prie kelio stiprumas. Tai yra, jei oras po automobiliu neužsilaiko, o teka greitai, tada ten susidaręs sumažintas slėgis prispaus automobilį prie važiuojamosios dalies. Tai ypač svarbu paprastiems automobiliams. Esmė ta, kad lenktyniniai automobiliai, kurie konkuruoja ant kokybiškų, lygių paviršių, galite nustatyti tokį mažą prošvaisą, kad pradėtų ryškėti „žemės pagalvėlės“ efektas, kuriame didėja prispaudžiamoji jėga, vilkite mažėja. Dėl normalių automobilių trumpas prošvaisa nepriimtina. Todėl dizaineriai pastaruoju metu stengiasi kuo labiau išlyginti automobilio dugną, uždengti skydais tokius nelygius elementus kaip išmetimo vamzdžiai, pakabos svirties ir pan. ratų arkos turi labai didelę įtaką automobilio aerodinamikai. Neteisingai suprojektuotos nišos gali sukurti papildomą pakėlimą.
Ir vėl vėjas
Nereikia nė sakyti, kad reikalinga variklio galia priklauso nuo automobilio efektyvumo, taigi ir degalų sąnaudų (t.y. piniginės). Tačiau aerodinamika turi įtakos ne tik greičiui ir ekonomiškumui. Ne paskutinė vieta imtis geros užtikrinimo užduoties valiutos kurso stabilumas, transporto priemonės valdymas ir triukšmo mažinimas vairuojant. Su triukšmu viskas aišku: kuo geresnis automobilio supaprastinimas, paviršių kokybė, kuo mažesni tarpai ir išsikišusių elementų skaičius ir pan., tuo mažiau triukšmo. Dizaineriai turi pagalvoti apie tokį aspektą kaip posūkio momentas. Šis efektas yra gerai žinomas daugumai vairuotojų. Kiekvienas, kada nors pravažiavęs „sunkvežimį“ dideliu greičiu ar tiesiog važiavęs pučiant stipriam šoniniam vėjui, turėjo pajusti posūkį ar net nedidelį automobilio posūkį. Šio efekto aiškinti nėra prasmės, tačiau būtent tai yra aerodinamikos problema.
Štai kodėl koeficientas Cx nėra unikalus. Juk oras gali paveikti automobilį ne tik „ant kaktos“, bet ir skirtingais kampais bei įvairiomis kryptimis. Ir visa tai turi įtakos valdymui ir saugumui. Tai tik keletas pagrindinių aspektų, kurie turi įtakos bendrą stiprumą oro pasipriešinimas. Visų parametrų apskaičiuoti neįmanoma. Esamos formulės nepateikia viso vaizdo. Todėl dizaineriai tiria automobilio aerodinamiką ir koreguoja jo formą naudodami tokį brangų įrankį kaip vėjo tunelis. Vakarų firmos negaili pinigų savo statybai. Tokių tyrimų centrų kaina gali siekti milijonus dolerių. Pavyzdžiui: koncernas Daimler-Chrysler investavo 37,5 mln. dolerių į specializuoto komplekso, skirto pagerinti savo automobilių aerodinamiką, sukūrimą. Šiuo metu vėjo tunelis yra reikšmingiausias įrankis tiriant oro pasipriešinimo jėgas, veikiančias automobilį.
