Neviena mašīna nebrauks cauri mūris, bet ikdienā iziet cauri sienām no gaisa, kam arī ir blīvums.
Neviens gaisu vai vēju neuztver kā sienu. Ieslēgts zemi ātrumi, mierīgā laikā ir grūti redzēt, kā gaisa plūsma mijiedarbojas ar transportlīdzekli. Bet lielā ātrumā, stiprs vējš, gaisa pretestība (spēks, kas iedarbojas uz objektu, kas kustas pa gaisu – saukts arī par pretestību) lielā mērā ietekmē to, kā automašīna paātrina, cik daudz tā stūrē, kā tā izmanto degvielu.
Šeit tiek izmantota aerodinamikas zinātne, kas pēta spēkus, kas rodas objektu kustības rezultātā gaisā. Mūsdienu automašīnas ir veidotas, ņemot vērā aerodinamiku. Labi aerodinamisks auto griež cauri gaisa sienai kā nazis caur sviestu.
Pienākas zema pretestība gaisa plūsma, šāda automašīna paātrina labāk un patērē degvielu labāk, jo dzinējam nav jātērē papildu jauda, lai "izstumtu" automašīnu cauri gaisa sienai.
Lai uzlabotu automašīnas aerodinamiku, virsbūves forma ir noapaļota, lai gaisa kanāls plūst ap automašīnu ar vismazāko pretestību. Sporta automašīnās virsbūves forma ir veidota tā, lai gaisa plūsma pārsvarā tiktu virzīta pa apakšējo daļu, kāpēc jūs redzēsiet tālāk. Viņi arī uzlika spārnu vai spoileri uz automašīnas bagāžnieka. Spārnu preses atpakaļ automašīna, kas novērš pacelšanu aizmugurējie riteņi, pateicoties spēcīgai gaisa plūsmai, kad tas virzās tālāk liels ātrums kas padara automašīnu stabilāku. Ne visi aizmugurējie spārni ir vienādi un ne visi tiek izmantoti paredzētajam mērķim, daži kalpo tikai kā automobiļu dekora elements, kas nepilda tiešu aerodinamikas funkciju.
Aerodinamikas zinātne
Pirms runāt par automobiļu aerodinamiku, apskatīsim fizikas pamatus.
Objektam pārvietojoties pa atmosfēru, tas izspiež apkārtējo gaisu. Objekts ir arī pakļauts gravitācijai un pretestībai. Pretestība rodas, kad ciets priekšmets pārvietojas šķidrā vidē – ūdenī vai gaisā. Pretestība palielinās līdz ar objekta ātrumu – jo ātrāk tas pārvietojas telpā, jo lielāku pretestību tas izjūt.
Mēs mēram objekta kustību ar Ņūtona likumos aprakstītajiem faktoriem – masu, ātrumu, svaru, ārējo spēku un paātrinājumu.
Pretestība tieši ietekmē paātrinājumu. Objekta paātrinājums (a) = tā svars (W) mīnus pretestība (D), dalīts ar tā masu (m). Atcerieties, ka svars ir ķermeņa masas un brīvā kritiena paātrinājuma reizinājums. Piemēram, uz Mēness gravitācijas trūkuma dēļ mainīsies cilvēka svars, bet masa paliks nemainīga. Vienkārši liec:
Objektam paātrinājoties, ātrums un pretestība palielinās līdz beigu punktam, kurā pretestība kļūst vienāda ar svaru – objekts vairs nepaātrināsies. Iedomāsimies, ka mūsu objekts vienādojumā ir automašīna. Automašīnai pārvietojoties arvien ātrāk, arvien vairāk gaisa iebilst pret tās kustību, ierobežojot automašīnu līdz maksimālajam paātrinājumam pie noteikta ātruma.
Tuvojamies svarīgākajam skaitlim – aerodinamiskās pretestības koeficientam. Tas ir viens no galvenajiem faktoriem, kas nosaka, cik viegli objekts pārvietojas pa gaisu. Vilces koeficientu (Cd) aprēķina, izmantojot šādu formulu:
Cd = D / (A * r * V/2)
Kur D ir pretestība, A ir laukums, r ir blīvums, V ir ātrums.
Vilces koeficients automašīnā
Mēs noskaidrojām, ka pretestības koeficients (Cd) ir vērtība, kas mēra objektam, piemēram, automašīnai, pielikto gaisa pretestības spēku. Tagad iedomājieties, ka gaisa spēks spiežas pret automašīnu, kad tā brauc pa ceļu. Pie ātruma 110 km/h uz to iedarbojas četras reizes lielāks spēks nekā ar ātrumu 55 km/h.
Automašīnas aerodinamiskās spējas mēra ar pretestības koeficientu. Jo mazāka ir Cd vērtība, jo labāka ir automašīnas aerodinamika un vieglāk tā tiks cauri gaisa sieniņai, kas to spiež no dažādām pusēm.
Apskatīsim rādītājus Cd. Vai atceraties 1970., 80. gadu stūrainās kastes Volvo? Pie vecā Volvo sedans 960 pretestības koeficients 0,36. Plkst jauns Volvoķermeņi ir gludi un gludi, pateicoties kuriem koeficients sasniedz 0,28. Gludākas un racionālākas formas parāda labāku aerodinamiku nekā leņķiskās un kvadrātveida formas.
Iemesli, kāpēc aerodinamikai patīk gludas formas
Atcerēsimies aerodinamiskāko lietu dabā – asaru. Plīsums ir apaļš un gluds no visām pusēm, un augšpusē konusveida. Kad asara nokrīt, gaiss ap to plūst viegli un vienmērīgi. Arī ar automašīnām uz gludas, noapaļotas virsmas gaiss plūst brīvi, samazinot gaisa pretestību objekta kustībai.
Mūsdienās lielākajai daļai modeļu vidējais pretestības koeficients ir 0,30. SUV pretestības koeficients ir no 0,30 līdz 0,40 vai vairāk. Iemesls lielajam koeficientam izmēros. Land Cruiser un Gelendvagens uzņem vairāk pasažieru, viņiem ir vairāk kravas telpa, lielas restes, lai atdzesētu dzinēju, tāpēc kvadrātveida dizains. Pikapi, kas konstruēti ar mērķtiecīgi kvadrātveida Cd, kas lielāks par 0,40.
Virsbūves dizains ir strīdīgs, taču automašīnai ir atklājoša aerodinamiskā forma. Vilces koeficients Toyota Prius 0,24, tātad auto degvielas patēriņš ir zems ne tikai hibrīda dēļ elektrostacija. Atcerieties, ka katrs mīnus 0,01 koeficientā samazina degvielas patēriņu par 0,1 litru uz 100 kilometriem.
Modeļi ar sliktu aerodinamisko pretestību:
Modeļi ar labu aerodinamisko pretestību:
Metodes aerodinamikas uzlabošanai ir zināmas jau sen, taču pagāja ilgs laiks, līdz autoražotāji sāka tās izmantot, veidojot jaunus transportlīdzekļus.
Pirmo automašīnu modeļiem, kas parādījās, nav nekāda sakara ar aerodinamikas jēdzienu. Apskatiet modeli T Fords- automašīna vairāk izskatās pēc zirgu pajūga bez zirga - laukuma dizaina konkursa uzvarētājs. Taisnību sakot, lielākā daļa modeļu bija pionieri un nebija vajadzīgs aerodinamisks dizains, jo tie brauca lēni, tādā ātrumā nebija ko pretoties. Tomēr 1900. gadu sākuma sacīkšu automašīnas sāka nedaudz sašaurināt, lai uzvarētu sacensībās uz aerodinamikas rēķina.
1921. gadā vācu izgudrotājs Edmunds Rumplers radīja Rumpler-Tropfenauto, kas vācu valodā nozīmē "asaru auto". Modelēts pēc aerodinamiskākās formas dabā, asaras formas, šī modeļa pretestības koeficients bija 0,27. Rumpler-Tropfenauto dizains nekad netika pieņemts. Rumpleram izdevās izveidot tikai 100 Rumpler-Tropfenauto vienības.
Amerikā lēciens aerodinamiskajā dizainā tika veikts 1930. gadā, kad Chrysler modelis gaisa plūsma. Iedvesmojoties no putnu lidojuma, inženieri Airflow izveidoja, ņemot vērā aerodinamiku. Lai uzlabotu vadāmību, automašīnas svars tika vienmērīgi sadalīts starp priekšējo un aizmugurējās asis- 50/50. Sabiedrība, nogurusi no Lielās depresijas, nepieņēma Chrysler Airflow netradicionālo izskatu. Modelis tika uzskatīts par neveiksmīgu, lai gan Chrysler Airflow racionalizētais dizains bija tālu priekšā savam laikam.
1950. un 60. gados bija lielākais sasniegums automobiļu aerodinamikā, ko sniedza sacīkšu pasaule. Inženieri sāka eksperimentēt ar dažādām virsbūves formām, zinot, ka racionalizēta forma paātrinās automašīnas. Tā radās sacīkšu mašīnas forma, kas saglabājusies līdz mūsdienām. Priekšējie un aizmugurējie spoileri, lāpstas priekšgali un aerokomplekti kalpoja vienam un tam pašam mērķim, virzot gaisa plūsmu virs jumta un radot nepieciešamo piespiedējspēku uz priekšējiem un aizmugurējiem riteņiem.
Vēja tunelis veicināja eksperimentu panākumus. Nākamajā mūsu raksta daļā mēs jums pastāstīsim, kāpēc tas ir nepieciešams un kāpēc tas ir svarīgi automašīnas dizainā.
Vilces pretestības mērīšana vēja tunelī
Lai izmērītu automašīnas aerodinamisko efektivitāti, inženieri no aviācijas nozares aizņēmās instrumentu - vēja tuneli.
Vēja tunelis ir tunelis ar spēcīgiem ventilatoriem, kas rada gaisa plūsma virs objekta iekšpusē. Automašīna, lidmašīna vai kas cits, kura gaisa pretestību mēra inženieri. No telpas aiz tuneļa zinātnieki novēro, kā gaiss mijiedarbojas ar objektu un kā gaisa plūsmas uzvedas uz dažādām virsmām.
iekšā automašīna vai lidmašīna vēja tunelis nekustas, bet, lai simulētu reālus apstākļus, ventilatori pūš gaisu no atšķirīgs ātrums. Dažkārt īstas mašīnas pat nav nobraukts pa cauruli - dizaineri bieži paļaujas precīzi modeļi radīts no māla vai citām izejvielām. Vēja tunelī mašīnai pūš vējš, un datori aprēķina pretestības koeficientu.
Vēja tuneļi tika izmantoti kopš 1800. gadu beigām, kad viņi mēģināja izveidot lidmašīnu un mērīja gaisa plūsmas ietekmi vēja tuneļos. Pat brāļiem Raitiem bija tāda trompete. Pēc Otrā pasaules kara sacīkšu automašīnu inženieri, meklējot priekšrocības pār konkurenci, sāka izmantot vēja tuneļus, lai novērtētu veiktspēju. aerodinamiskie elementi izstrādāti modeļi. Vēlāk šī tehnoloģija ienāca vieglo un kravas automašīnu pasaulē.
Pēdējo 10 gadu laikā lielie vēja tuneļi, kas maksā vairākus miljonus ASV dolāru, tiek izmantoti arvien retāk. Datormodelēšana pamazām aizstāj šo automašīnas aerodinamikas pārbaudes veidu (vairāk). Vēja tuneļi tiek palaisti tikai tāpēc, lai pārliecinātos, ka datorsimulācijās nav kļūdu.
Aerodinamikā ir vairāk jēdzienu nekā tikai gaisa pretestība - ir arī celšanas un piespiedu spēka faktori. Pacelšana (vai pacelšana) ir spēks, kas darbojas pret objekta svaru, paceļot un noturot objektu gaisā. Piespiedējspēks, kas ir pretējs liftam, ir spēks, kas nospiež objektu zemē.
Ikviens, kurš uzskata, ka Formula 1 sacīkšu auto pretestības koeficients 320 km/h ir zems, maldās. Tipiskam Formula 1 sacīkšu auto pretestības koeficients ir aptuveni 0,70.
Augstā gaisa pretestības koeficienta iemesls sacīkšu automašīnas Formula 1 ir tāda, ka šīs automašīnas ir izstrādātas tā, lai radītu pēc iespējas lielāku piespiedējspēku. Ar ātrumu, kādā ugunsbumbas pārvietojas, ar savu ārkārtīgi vieglo svaru tās sāk izjust pacelšanos lieli ātrumi- fizika liek tiem pacelties gaisā kā lidmašīnai. Automašīnas nav paredzētas lidošanai (lai gan rakstā - lidojoša transformatora mašīna apgalvo pretējo), un, ja transportlīdzeklis sāks pacelties gaisā, tad var gaidīt tikai vienu - postošu avāriju. Tāpēc, piespiedējspēks vajadzētu būt maksimālai, lai noturētu automašīnu uz zemes lieli ātrumi, kas nozīmē, ka pretestības koeficientam jābūt lielam.
Formula 1 automašīnas panāk augstu piespiedējspēku ar transportlīdzekļa priekšējo un aizmugurējo daļu palīdzību. Šie spārni virza gaisa plūsmu tā, lai piespiež auto pie zemes – tāds pats piespiedējspēks. Tagad jūs varat droši palielināt ātrumu un nezaudēt to pagriezienos. Tajā pašā laikā piespiedējspēks ir rūpīgi jāsabalansē ar pacēlāju, lai automašīna iegūtu vēlamo taisnvirziena ātrumu.
Daudzām sērijveida automašīnām ir aerodinamiskie papildinājumi, lai radītu piespiedējspēku. prese kritizēja par izskatu. Pretrunīgs dizains. Un viss tāpēc, ka viss GT-R virsbūve paredzētas, lai virzītu gaisa plūsmu pār transportlīdzekli un atpakaļ caur ovālu aizmugurējais spoileris, radot lielāku piespiedējspēku. Neviens nedomāja par automašīnas skaistumu.
Ārpus Formula 1 trases bieži tiek atrasti spārniņi ražošanas automašīnas piemēram, sedani Toyota uzņēmumi un Honda. Dažreiz šie dizaina elementi lielā ātrumā palielina stabilitāti. Piemēram, uz pirmais Audi TT sākotnēji nebija spoilera, bet Audi Man nācās to pievienot, kad izrādījās, ka TT noapaļotā forma un nelielais svars radīja pārāk lielu pacēlumu, kas padarīja automašīnu nestabilu, braucot ar ātrumu virs 150 km/h.
Bet, ja auto nav Audi TT, nevis sporta auto, nevis sporta auto, bet parasts ģimenes sedans vai hečbeks, spoileri nav jāliek. Spoileris šādas automašīnas vadāmību neuzlabos, jo “ģimenes automašīnai” jau ir liels piespiedējspēks augstā Cx dēļ, un uz tā nevar izspiest ātrumu virs 180. Spoileris ieslēgts parastā automašīna var izraisīt pārmērīgu pagriezienu vai, gluži pretēji, nevēlēšanos iebraukt līkumos. Tomēr, ja jūs arī domājat, ka milzu spoileris Honda Civic stāv savā vietā, neļaujiet nevienam jūs par to pārliecināt.
Šodien mēs aicinām jūs uzzināt, kas tas ir, kāpēc tas ir vajadzīgs un kurā gadā šī tehnoloģija pirmo reizi parādījās pasaulē.
Bez aerodinamikas mašīnas un lidmašīnas un pat bobslejisti ir tikai objekti, kas kustina vēju. Ja nav aerodinamikas, tad vējš kustas neefektīvi. Zinātne, kas pēta gaisa plūsmu noņemšanas efektivitāti, tiek saukta par aerodinamiku. Lai izveidotu transportlīdzekli, kas efektīvi noņemtu gaisa plūsmas, samazinot pretestību, nepieciešams vēja tunelis, kurā inženieri pārbauda auto detaļu aerodinamiskās gaisa pretestības efektivitāti.
Kļūdaini tiek uzskatīts, ka aerodinamika parādījās kopš vēja tuneļa izgudrošanas. Bet tā nav. Faktiski parādījās 1800. gados. Šīs zinātnes izcelsme sākās 1871. gadā ar brāļiem Raitiem, kuri ir pasaulē pirmās lidmašīnas dizaineri un radītāji. Pateicoties viņiem, aeronautika sāka attīstīties. Mērķis bija viens – mēģinājums uzbūvēt lidmašīnu.
Sākumā brāļi veica savus testus dzelzceļa tuneļos. Taču tuneļa spēja pētīt gaisa plūsmas bija ierobežota. Tāpēc viņiem neizdevās izveidot īstu lidmašīnu, jo tam bija nepieciešams, lai lidmašīnas korpuss atbilstu visstingrākajām aerodinamikas prasībām.
Tāpēc 1901. gadā brāļi uzcēla paši savu vēja tuneli. Rezultātā, pēc dažiem datiem, aptuveni 200 lidmašīna un atsevišķi prototipu gadījumi dažādas formas. Brāļiem bija vajadzīgi vēl vairāki gadi, lai uzbūvētu vēsturē pirmo īsto lidmašīnu. Tā 1903. gadā brāļi Raiti veica veiksmīgu pirmo pasaulē testu, kas gaisā ilga 12 sekundes.
Kas ir vēja tunelis?
Šī ir vienkārša ierīce, kas sastāv no slēgta tuneļa (milzīga jauda), caur kuru plūst gaiss ar jaudīgu ventilatoru palīdzību. Vēja tunelī tiek ievietots priekšmets, uz kuru tie sāk piemēroties. Tāpat mūsdienu vēja tuneļos speciālistiem ir iespēja nodrošināt virzītas gaisa plūsmas uz atsevišķiem automašīnas virsbūves vai jebkura transportlīdzekļa elementiem.
Vēja tuneļa testēšana ieguva milzīgu popularitāti Lielā laikā Tēvijas karš 40. gados. Visā pasaulē militārie departamenti veica aerodinamikas pētījumus militārais aprīkojums un munīcija. Pēc kara militārie aerodinamiskie pētījumi tika ierobežoti. Bet uzmanību aerodinamikai pievērsa inženieri, kas projektēja sporta veidus sacīkšu automašīnas. Tad šo modi izvēlējās dizaineri un automašīnas.
Vēja tuneļa izgudrojums ļāva speciālistiem pārbaudīt transportlīdzekļiem kas atrodas stacionārā stāvoklī. Tālāk tiek pievadītas gaisa plūsmas un tiek radīts tāds pats efekts, kāds tiek novērots mašīnai kustoties. Pat pārbaudot lidmašīnu, objekts paliek nekustīgs. Regulējams tikai, lai simulētu noteiktu transportlīdzekļa ātrumu.
Pateicoties aerodinamikai, gan sporta, gan vienkāršas automašīnas kvadrātveida formu vietā viņi sāka iegūt gludākas līnijas un noapaļotus ķermeņa elementus.
Dažreiz izpētei var nebūt vajadzīga visa automašīna. Bieži vien var izmantot parastu dabiskā izmēra izkārtojumu. Rezultātā eksperti nosaka vēja pretestības līmeni.
Vēja pretestības koeficientu nosaka, kā vējš pārvietojas caurules iekšpusē.
Mūsdienu vēja tuneļi būtībā ir milzīgs matu žāvētājs jūsu automašīnai. Piemēram, viens no labi zināmajiem vēja tuneļiem atrodas Ziemeļkarolīnā, ASV, kur notiek asociācijas pētījumi. Pateicoties šai caurulei, inženieri modelē automašīnas, kas spēj braukt ar ātrumu 290 km/h.
Šajā ēkā tika ieguldīti aptuveni 40 miljoni dolāru. Caurule savu darbu sāka 2008. gadā. Galvenie investori ir NASCAR sacīkšu asociācija un sacīkšu īpašnieks Džīns Hāss.
Šeit ir video par tradicionālo pārbaudi šajā caurulē:
Kopš vēsturē pirmā vēja tuneļa parādīšanās inženieri ir sapratuši, cik nozīmīgs ir šis izgudrojums kopumā. Rezultātā tam uzmanību pievērsa automobiļu dizaineri, kuri sāka izstrādāt tehnoloģijas gaisa plūsmu izpētei. Bet tehnoloģija nestāv uz vietas. Mūsdienās daudzi pētījumi un aprēķini tiek veikti datorā. Pats pārsteidzošākais ir tas, ka pat aerodinamiskie testi tiek veikti īpašās datorprogrammās.
3D tiek izmantots kā testa subjekts virtuālais modelis automašīnas. Tālāk tiek atskaņoti datorā dažādi apstākļi aerodinamikas pārbaudei. Tāda pati pieeja sāka attīstīties avāriju testēšanai. , kas var ne tikai ietaupīt naudu, ne arī testēšanas laikā ņemt vērā daudzus parametrus.
Tāpat kā īstos avārijas testos, vēja tuneļa būvniecība un testēšana tajā ir ļoti liela dārgs prieks. Datorā izmaksas var būt tikai daži dolāri.
Tiesa, vecvecāki un veco tehnoloģiju piekritēji joprojām teiks, ka reālā pasaule ir labāka par datoriem. Bet 21. gadsimts ir 21. gadsimts. Tāpēc ir neizbēgami, ka tuvākajā nākotnē daudzas reālās pasaules pārbaudes tiks pilnībā veiktas datorā.
Lai gan ir vērts atzīmēt, ka mēs neesam pret datorizētiem testiem, mēs ceram, ka reāli vēja tuneļa testi un parastie avārijas testi joprojām paliks automobiļu rūpniecībā.
Pašreizējie noteikumi ļauj komandām testēt vēja tunelī automašīnu modeļus, kas nepārsniedz 60% no mēroga. Intervijā F1Racing bijušais Renault komandas tehniskais direktors Pets Saimonss stāstīja par šī darba specifiku…
Pats Saimonds: “Šodien visas komandas strādā ar 50% vai 60% mēroga modeļiem, taču tas ne vienmēr tā bija. Pirmie aerodinamiskie testi 80. gados tika veikti ar maketiem 25% no reālās vērtības - Sauthemptonas Universitātes un Londonas Imperiālās koledžas vēja tuneļu jauda vairāk neļāva - tikai tur varēja uzstādīt modeļi uz kustīgas pamatnes. Tad parādījās vēja tuneļi, kuros bija iespējams strādāt ar modeļiem ar 33% un 50%, un tagad, ņemot vērā nepieciešamību ierobežot izmaksas, komandas vienojās testēt modeļus ne vairāk kā 60% ar gaisa plūsmas ātrumu vairāk nekā 50 metri sekundē.
Izvēloties modeļa mērogu, komandas vadās pēc pieejamā vēja tuneļa iespējām. Lai iegūtu precīzus rezultātus, modeļa izmēri nedrīkst pārsniegt 5% no caurules darba laukuma. Mazāka mēroga modeļu ražošana ir lētāka, bet nekā mazāks modelis, jo grūtāk ir saglabāt nepieciešamo precizitāti. Tāpat kā daudzos citos Formula 1 automašīnu attīstības jautājumos, arī šeit ir jāmeklē labākais kompromiss.
Agrāk modeļus veidoja no Malaizijā augošā Diera koka koksnes, kurai ir mazs blīvums, tagad tiek izmantota lāzera stereolitogrāfijas iekārta - infrasarkanais lāzera stars polimerizē kompozītmateriālu, kā rezultātā tiek iegūta daļa ar noteiktām īpašībām. . Šī metode ļauj pārbaudīt jaunas inženierijas idejas efektivitāti vēja tunelī dažu stundu laikā.
Jo precīzāk ir izgatavots modelis, jo ticamāka ir tā pūšanas laikā iegūtā informācija. Katrs sīkums šeit ir svarīgs, pat cauri izplūdes caurules gāzu plūsmai jāpāriet ar tādu pašu ātrumu kā īstā mašīnā. Komandas cenšas panākt pēc iespējas augstāku precizitāti esošajam aprīkojumam simulācijā.
Daudzus gadus riepas ir aizstātas ar palielinātu neilona vai oglekļa šķiedras kopijām, taču ir panākts ievērojams progress, kad Michelin ir izveidojis precīzas samazinātas savu riepu kopijas. sacīkšu riepas. Automašīnas modelis ir aprīkots ar daudziem sensoriem gaisa spiediena mērīšanai un sistēmu, kas ļauj mainīt līdzsvaru.
Modeļi, ieskaitot uz tiem uzstādīto mērīšanas aprīkojumu, ir nedaudz zemāki par izmaksām īstas mašīnas Piemēram, tie ir dārgāki nekā īstas mašīnas GP2. Tas patiesībā ir ļoti sarežģīts risinājums. Pamata rāmis ar sensoriem maksā aptuveni 800 000 USD, un to var izmantot vairākus gadus, taču parasti komandām ir divi komplekti, lai turpinātu darbu.
Katra pārskatīšana ķermeņa elementi vai apturēšana rada nepieciešamību ražot jauna versijaķermeņa komplekts, kas maksā vēl ceturtdaļmiljonu. Tajā pašā laikā paša vēja tuneļa ekspluatācija maksā aptuveni tūkstoti dolāru stundā un prasa 90 darbinieku klātbūtni. Nopietnas komandas šiem pētījumiem tērē aptuveni 18 miljonus dolāru sezonā.
Izmaksas atmaksājas. Piespiedu spēka palielināšana par 1% ļauj atgūt vienu sekundes desmitdaļu reālā trasē. Ar stabilu grafiku inženieri spēlē apmēram tik daudz mēnesī, tāpēc modelēšanas nodaļā vien katrs desmitais komandai izmaksā pusotru miljonu dolāru.
Kopš pirmais cilvēks šķēpa galā fiksēja uzasinātu akmeni, cilvēki vienmēr ir mēģinājuši atrast labākā forma priekšmeti, kas pārvietojas gaisā. Taču automašīna izrādījās ļoti sarežģīta aerodinamiska mīkla.
Ceļa vilces aprēķinu pamati sniedz mums četrus pamatspēkus, kas iedarbojas uz transportlīdzekli, kad tas ir kustībā: gaisa pretestība, rites pretestība, kāpšanas pretestība un inerces spēki. Tiek atzīmēts, ka tikai pirmie divi ir galvenie. Rites pretestības spēks auto ritenis galvenokārt ir atkarīgs no riepas un ceļa deformācijas kontakta zonā. Bet jau ar ātrumu 50–60 km/h gaisa pretestības spēks pārsniedz jebkuru citu, un ātrumā virs 70–100 km/h tas pārspēj visus kopā. Lai pierādītu šo apgalvojumu, nepieciešams dot šādu aptuvenu formulu: Px=Cx*F*v2, kur: Px – gaisa pretestības spēks; v – transportlīdzekļa ātrums (m/s); F ir automašīnas projekcijas laukums uz plakni, kas ir perpendikulāra automašīnas gareniskajai asij, vai automašīnas lielākā šķērsgriezuma laukums, t.i., frontālais laukums (m2); Cx ir gaisa pretestības koeficients (racionalizācijas koeficients). Piezīme. Ātrums formulā ir kvadrātā, un tas nozīmē, ka, piemēram, to dubultojot, gaisa pretestības spēks tiek četrkāršots.
Tajā pašā laikā enerģijas izmaksas, kas nepieciešamas, lai to pārvarētu, pieaug astoņas reizes! Nascar sacīkstēs, kur ātrums pārsniedz 300 km/h, ir eksperimentāli konstatēts, ka maksimālais ātrums tikai 8 km/h ir jāpalielina dzinēja jauda par 62 kW (83 ZS) vai jāsamazina Cx par 15%. Ir vēl viens veids - samazināt automašīnas priekšējo laukumu. Daudzi ātrgaitas superauto ir ievērojami zemāki parastas automašīnas. Tas ir tikai zīme par darbu, lai samazinātu frontālo zonu. Tomēr šo procedūru var veikt līdz noteiktām robežām, pretējā gadījumā šādu automašīnu nebūs iespējams izmantot. Šī un citu iemeslu dēļ racionalizācija ir viens no galvenajiem jautājumiem, kas rodas, izstrādājot automašīnu. Protams, pretestības spēku ietekmē ne tikai automašīnas ātrums un tā ģeometriskie parametri. Piemēram, jo lielāks gaisa plūsmas blīvums, jo lielāka pretestība. Savukārt gaisa blīvums ir tieši atkarīgs no tā temperatūras un augstuma virs jūras līmeņa. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās gaisa blīvums (un līdz ar to arī viskozitāte), savukārt augstu kalnos gaiss ir plānāks un tā blīvums ir mazāks utt. Tādu nianšu ir daudz.
Bet atpakaļ pie automašīnas formas. Kuram vienumam ir vislabākā plūsma? Atbildi uz šo jautājumu zina gandrīz ikviens skolēns (kurš negulēja fizikas stundās). Ūdens lāse, kas krīt uz leju, iegūst formu, kas ir vispieņemamākā no aerodinamikas viedokļa. Tas ir, noapaļota priekšējā virsma un gludi sašaurināta garā aizmugure (labākā attiecība ir 6 reizes lielāka par platuma garumu). Vilces koeficients ir eksperimentāla vērtība. Skaitliski viņš vienāds ar spēku gaisa pretestība ņūtonos, kas rodas, tai pārvietojoties ar ātrumu 1 m/s uz 1 m2 frontālās laukuma. Par atskaites vienību ir pieņemts uzskatīt plakanas plāksnes Cx = 1. Tātad ūdens pilienam Cx = 0,04. Tagad iedomājieties šādu automašīnu. Muļķības, vai ne? Šāds izdomājums uz riteņiem ne tikai izskatīsies kaut cik kariķēts, bet arī izmantot šo auto paredzētajam mērķim nebūs īpaši ērti. Tāpēc dizaineri ir spiesti rast kompromisu starp automašīnas aerodinamiku un tā lietošanas ērtībām. Pastāvīgi mēģinājumi samazināt koeficientu gaisa pretestība noveda pie tā, ka dažām mūsdienu automašīnām ir Cx = 0,28-0,25. Nu ātri rekordu automašīnas lielīties Cx = 0,2-0,15.
Pretošanās spēki
Tagad mums nedaudz jāparunā par gaisa īpašībām. Kā jūs zināt, jebkura gāze sastāv no molekulām. Viņi atrodas pastāvīgā kustībā un mijiedarbojas viens ar otru. Pastāv tā sauktie van der Vāla spēki - molekulu savstarpējas pievilkšanās spēki, kas neļauj tām pārvietoties vienai pret otru. Daži no viņiem sāk ciešāk pieķerties citiem. Un, palielinoties molekulu haotiskajai kustībai, palielinās viena gaisa slāņa ietekmes uz otru efektivitāte un palielinās viskozitāte. Un tas notiek gaisa temperatūras paaugstināšanās dēļ, un to var izraisīt gan tieša sasilšana no saules, gan netieši no gaisa berzes uz jebkuras virsmas vai vienkārši tās slāņiem savā starpā. Šeit spēlē ātrums. Lai saprastu, kā tas ietekmē automašīnu, vienkārši mēģiniet pamāt ar roku ar atvērtu plaukstu. Ja dari to lēnām, nekas nenotiek, bet, ja pamāj ar roku stiprāk, plauksta jau skaidri uztver kādu pretestību. Bet tas ir tikai viens komponents.
Kad gaiss pārvietojas pa kādu fiksētu virsmu (piemēram, automašīnas virsbūvi), tie paši van der Vāla spēki liek tai pielipt tuvākajam molekulu slānim. Un šis "iestrēdzis" slānis bremzē nākamo. Un tā slānis pa slānim, un jo ātrāk gaisa molekulas pārvietojas, jo tālāk tās atrodas no stacionāras virsmas. Galu galā to ātrums tiek izlīdzināts ar galvenās gaisa plūsmas ātrumu. Slāni, kurā daļiņas pārvietojas lēni, sauc par robežslāni, un tas parādās uz jebkuras virsmas. Jo augstāka ir transportlīdzekļa pārklājuma materiāla virsmas enerģētiskā vērtība, jo spēcīgāka tā virsma molekulārā līmenī mijiedarbojas ar apkārtējo gaisu, un jo vairāk enerģijas ir jāiztērē, lai iznīcinātu šos spēkus. Tagad, pamatojoties uz iepriekš minētajiem teorētiskajiem aprēķiniem, mēs varam teikt, ka gaisa pretestība nav tikai vēja sitiens Vējstikls. Šim procesam ir vairāk sastāvdaļu.
Formas pretestība
Tā ir nozīmīgākā daļa – līdz 60% no visiem aerodinamiskajiem zudumiem. To bieži sauc par spiediena pretestību vai pretestību. Braucot, automašīna saspiež uz tā esošo gaisa plūsmu un pārvar pūliņus izspiest gaisa molekulas. Rezultāts ir zona augsts asinsspiediens. Tad gaiss plūst ap automašīnas virsmu. Šajā procesā gaisa strūklas atraujas, veidojoties turbulencei. Galīgā gaisa plūsmas atdalīšana transportlīdzekļa aizmugurē rada zonu samazināts spiediens. Vilkšana priekšā un sūkšanas efekts automašīnas aizmugurē rada ļoti spēcīgu reakciju. Šis fakts liek dizaineriem un dizaineriem meklēt veidus, kā dot ķermenim. Sakārtojiet pa plauktiņiem.
Tagad jums ir jāņem vērā automašīnas forma, kā saka, "no bufera līdz buferim". Kurām no detaļām un elementiem ir lielāka ietekme uz mašīnas kopējo aerodinamiku. Ķermeņa priekšpuse. Eksperimenti vēja tunelī parādīja, ka priekš labāka aerodinamikaķermeņa priekšpusei jābūt zemai, platai un bez tās asi stūri. Šajā gadījumā nav gaisa plūsmas atdalīšanas, kas ļoti labvēlīgi ietekmē automašīnas racionalizāciju. Radiatora režģis bieži vien ir ne tikai funkcionāls, bet arī dekoratīvs elements. Galu galā radiatoram un dzinējam jābūt efektīvai gaisa plūsmai, tāpēc šis elements ir ļoti svarīgs. Daži autoražotāji pēta ergonomiku un gaisa plūsmas sadali dzinēja nodalījums tikpat nopietna kā automašīnas kopējā aerodinamika. Slīpums vējstikls- ļoti spilgts piemērs racionalizācijas, ergonomikas un veiktspējas kompromisam. Tā nepietiekamais slīpums rada pārmērīgu pretestību, un tā pārmērīgais slīpums palielina putekļainību un paša stikla masu, krēslas laikā krasi samazinās redzamība, ir nepieciešams palielināt stikla tīrītāja izmēru utt. Jāveic pāreja no stikla uz sānu malu. gludi.
Bet jums nevajadzētu aizrauties ar pārmērīgu stikla izliekumu - tas var palielināt kropļojumus un pasliktināt redzamību. Vējstikla statņa ietekme uz aerodinamisko pretestību ir ļoti atkarīga no vējstikla stāvokļa un formas, kā arī no priekšpuses formas. Bet, strādājot pie bagāžnieka formas, nedrīkst aizmirst par priekšējo sānu logu aizsardzību no lietus ūdens un no vējstikla nopūstiem netīrumiem, saglabājot pieņemamu ārējo aerodinamisko trokšņu līmeni utt. Jumts. Jumta izliekuma palielināšana var izraisīt pretestības koeficienta samazināšanos. Bet ievērojams izliekuma pieaugums var būt pretrunā ar automašīnas kopējo dizainu. Turklāt, ja izliekuma palielināšanos pavada vienlaicīga pretestības laukuma palielināšanās, gaisa pretestības spēks palielinās. Un, no otras puses, ja jūs mēģināt saglabāt sākotnējo augstumu, tad vējstikls un aizmugurējie logi būs jāievieto jumtos, jo redzamība nedrīkst pasliktināties. Tas novedīs pie briļļu izmaksu pieauguma, savukārt gaisa pretestības spēka samazināšanās šajā gadījumā nav tik būtiska.
sānu virsmas. Transportlīdzekļa aerodinamikas ziņā sānu virsmas maz ietekmē irrotācijas plūsmas veidošanos. Bet jūs nevarat tos noapaļot pārāk daudz. Pretējā gadījumā būs grūti iekļūt šādā automašīnā. Stiklam, ja iespējams, jāveido vienots veselums ar sānu virsmu un jāatrodas vienā līnijā ar automašīnas ārējo kontūru. Jebkuri pakāpieni un pārsedzes rada papildu šķēršļus gaisa plūsmai, parādās nevēlamas turbulences. Jūs varat pamanīt, ka notekcaurules, kas iepriekš bija gandrīz jebkurai automašīnai, vairs netiek izmantotas. Cits Konstruktīvi lēmumi, kam nav tik lielas ietekmes uz automašīnas aerodinamiku.
Automašīnas aizmugure, iespējams, renderē vislielākā ietekme uz pretestības koeficientu. Tas ir izskaidrots vienkārši. Aizmugurē gaisa plūsma pārtrauc un veido virpuļus. Ir gandrīz neiespējami padarīt automašīnas aizmuguri tik racionālu kā dirižabli (garums ir 6 reizes lielāks par platumu). Tāpēc viņi rūpīgāk strādā pie tā formas. Viens no galvenajiem parametriem ir automašīnas aizmugures slīpuma leņķis. Piemērs jau kļuvis par mācību grāmatu Krievu auto"Moskvich-2141", kur tieši neveiksmīgais aizmugures risinājums būtiski pasliktināja automašīnas kopējo aerodinamiku. Bet citā veidā, aizmugurējais stikls"Moskvičs" vienmēr ir palicis tīrs. Atkal kompromiss. Tāpēc tik daudz papildu stiprinājumu tiek izgatavoti tieši automašīnas aizmugurē: aizmugurējie spārni, spoileri utt. Līdztekus aizmugures slīpuma leņķim lielā mērā ietekmē automašīnas aizmugures sānu malas dizains un forma. pretestības koeficients. Piemēram, ja paskatās gandrīz jebkuru moderna automašīna No augšas uzreiz var redzēt, ka priekšējais korpuss ir platāks par aizmuguri. Tā ir arī aerodinamika. Mašīnas apakšdaļa.
Kā sākotnēji varētu šķist, šī ķermeņa daļa nevar ietekmēt aerodinamiku. Bet tad ir tāds aspekts kā piespiedējspēks. No tā ir atkarīga automašīnas stabilitāte un tas, cik pareizi tiek organizēta gaisa plūsma zem automašīnas apakšas, kā rezultātā ir atkarīgs tās "pielipšanas" spēks pie ceļa. Tas ir, ja gaiss zem automašīnas neaizkavējas, bet ātri plūst, tad pazeminātais spiediens, kas tur rodas, piespiedīs automašīnu uz brauktuves. Tas ir īpaši svarīgi parastajām automašīnām. Lieta ir tāda, ka sacīkšu automašīnas, kas sacenšas uz kvalitatīvām, līdzenām virsmām, klīrensu var iestatīt tik zemu, ka sāk parādīties "zemes spilvena" efekts, kurā palielinās piespiedējspēks, un velciet samazinās. Priekš parastas mašīnasīss klīrenss nepieņemami. Tāpēc dizaineri pēdējā laikā cenšas maksimāli nogludināt mašīnas dibenu, ar vairogiem nosegt tādus nelīdzenus elementus kā izplūdes caurules, piekares sviras u.c.. Starp citu, riteņu arkas ir ļoti liela ietekme uz automašīnas aerodinamiku. Nepareizi veidotas nišas var radīt papildu pacēlumu.
Un atkal vējš
Lieki piebilst, ka nepieciešamā dzinēja jauda ir atkarīga no automašīnas efektivizācijas un līdz ar to arī degvielas patēriņa (t.i., maka). Tomēr aerodinamika ietekmē ne tikai ātrumu un ekonomiju. Nav pēdējā vieta uzņemties uzdevumu nodrošināt labu valūtas kursa stabilitāte, transportlīdzekļa vadāmība un trokšņa samazināšana braukšanas laikā. Ar troksni viss ir skaidrs: jo labāka ir automašīnas racionalizācija, virsmu kvalitāte, jo mazāks ir atstarpju izmērs un izvirzīto elementu skaits utt., jo mazāks troksnis. Dizaineriem ir jādomā par tādu aspektu kā pagrieziena moments. Šis efekts ir labi zināms lielākajai daļai autovadītāju. Ikvienam, kurš kādreiz ir braucis garām “kravai” lielā ātrumā vai vienkārši braucis stiprā sānu vējā, vajadzēja izjust sasvēršanos vai pat vieglu auto pagriezienu. Nav jēgas izskaidrot šo efektu, bet tieši tā ir aerodinamikas problēma.
Tāpēc koeficients Cx nav unikāls. Galu galā gaiss var ietekmēt automašīnu ne tikai "uz pieres", bet arī dažādos leņķos un dažādos virzienos. Un tas viss ietekmē vadāmību un drošību. Šie ir tikai daži no galvenajiem aspektiem, kas ietekmē kopējais spēks gaisa pretestība. Nav iespējams aprēķināt visus parametrus. Esošās formulas nesniedz pilnīgu priekšstatu. Tāpēc dizaineri pēta automašīnas aerodinamiku un koriģē tā formu ar tik dārga instrumenta kā vēja tunelis palīdzību. Rietumu firmas nežēlo naudu savai celtniecībai. Šādu pētniecības centru izmaksas var sasniegt miljoniem dolāru. Piemēram: koncerns Daimler-Chrysler ieguldīja 37,5 miljonus dolāru specializēta kompleksa izveidē, lai uzlabotu savu automašīnu aerodinamiku. Šobrīd vēja tunelis ir nozīmīgākais instruments, lai pētītu gaisa pretestības spēkus, kas ietekmē automašīnu.
