Формы кузовов автобусов отличаются значительно меньшим разнообразием по сравнению с формами кузовов легковых автомобилей. Однако и для них возможно получение аэродинамических характеристик, резко отличающихся друг от друга. Прежде всего отметим две формы: с выступающим впереди капотом и «вагонную» форму. Очевидно, что характеристики автобусов первой формы должны быть близки к аэродинамическим характеристикам моделей легковых автомобилей необтекаемой формы (см. рис. 27, д).

Коэффициент лобового сопротивления для автомобиля УАЗ-450 (тюнинг uaz в техцентре «4х4») (рис. 28) при симметричном обтекании оказывается значительно меньше (с_х = 0,4), чем для легкового автомобиля с необтекаемым кузовом (с_х = 0,5), но при увеличении угла натекания воздушного потока эта разность быстро исчезает. Коэффициент боковой силы с_у, наоборот, несколько больше для УАЗ-450 при всех углах натекания воздушного потока, а коэффициенты m_z примерно одинаковы.

Худшим вариантом кузова автобуса «вагонной» формы считают параллелепипед, аэродинамическая характеристика которого была приведена на рис. 25, а. Однако

Рис. 28. Аэродинамическая характеристика автомобиля УАЗ-450

для реальных кузовов автобусов с более плавными очертаниями аэродинамические характеристики будут значительно более благоприятными.

В качестве примера рассмотрим аэродинамические характеристики моделей автобусов ПАЗ, полученные в результате испытаний, проведеных в ГСХИ. На рис. 29, а и б приведены фотографии моделей автобусов ПАЗ-652 и ПАЗ-665, а на рис. 30, а и б — их аэродинамические характеристики.

Рис. 29. Модели автобусов: а—ПАЗ-652; б—ПА3-665

Как видим, коэффициент лобового сопротивления воздуха при симметричном обтекании у автобуса ПАЗ-665 по сравнению с ПАЗ-652 увеличился.

Обозначим: J_x; J_y; J_z — моменты инерции автомобиля в соответствующих плоскостях; Z₁; Z₂; Z₃; Z₄ — радиальные реакции дороги на колесах автомобиля; У₁; У₂; Y₃; Y₄ — боковые реакции дороги на колесах автомобиля; Р_K — толкающая сила, действующая на ведущие колеса; M₁; М₂; М₃; M₄ — стабилизирующие моменты, вызванные боковой эластичностью шин, стремящиеся вернуть колеса автомобиля в положение, соответствующее прямолинейному движению; G — вес автомобиля; т — масса автомобиля; v — скорость движения автомобиля;- В — ширина колеи автомобиля; h_g — высота центра тяжести автомобиля над дорожной плоскостью; а и b — расстояния от центра тяжести соответственно до передней и задней осей автомобиля; ψ — угол между продольной осью автомобиля и осью дороги; а — угол поворота управляемых колес; а_э — угол поворота управляемых колес, соответствующий упругим деформациям в рулевом приводе; δ — угол бокового увода автомобиля; с — угловая жесткость рулевого управления автомобиля. Допустим:

углы бокового увода шин автомобиля лежат в пределах, исключающих боковое скольжение колес;

дорога представляет собой абсолютно гладкую и жесткую горизонтальную плоскость;

поступательная скорость движения автомобиля остается постоянной (v = const).

Составим уравнения моментов относительно осей и суммы проекций всех сил на выбранные оси:

Принимая J_x≈J_y≈0, cos а≈1 и используя уравнения (37), (38), (39) и (41), получим:

Уравнения (40) — (46) образуют систему уравнений с неизвестными У₁, Y₂, У_з, У₄, M₁, М₂, М₃, М₄, а и ψ. Однако первые восемь величин могут быть определены как функции углов а, ψ и δ:

Коэффициенты ɳ и ζ характеризуют зависимость боковых реакций и стабилизирующих моментов, действующих на колеса автомобиля, от радиальных реакций Z₁ Z₂, Z₃ и Z₄:

Коэффициенты k_1,k_{2 и} k₃ и зависят от конструкции шин автомобиля. Например, для отечественных шин 7,50—16 при давлении воздуха в шине 2,25 ат эти коэффициенты имеют значения k₁ = 0,13 1/°; k₂ = 0,0001 1/(кгс°); k₃ = 0,00238 м/ (кгс°).

Радиальные реакции на колесах автомобиля определяются следующими уравнениями:

где C₁ и С₂ — приведенные жесткости соответственно передней и задней подвесок.

Следовательно, уравнения движения автомобиля могут быть решены, если известны величина, направление и точка приложения равнодействующей аэродинамических сил (Р_х, Р_у, Р_z, М_х, М_у и М_z).

Величина суммарных боковых реакций дороги на колеса передней и задней осей автомобиля может быть также охарактеризована безразмерными коэффициентами С_УП для передней и С_УЗ для задней осей:

В зависимости от того больше или меньше величина С_УП значения С_У коэффициент С_УЗ будет соответственно положительным или отрицательным. Положительный знак соответствует силам, направленным в подветренную сторону.

Рис. 33. Боковые реакции для четырех различных автомобилей: а и б—реакции соответственно на передних и задних колесах

Зависимости С_УП(τ) и С_УЗ(τ) для четырех автомобилей с различными типами кузовов приведены на рис. 33. Как видим, боковая сила, действующая на переднюю ось, всегда совпадает с направлением ветра и стремится повернуть автомобиль в том же направлении. Величина этой силы зависит от формы кузова автомобиля и особенно его передней части, но для различных автомобилей меняется в небольших пределах. Боковая сила, действующая на заднюю ось, всегда меньше силы, действующей на переднюю ось, и в зависимости от знака может оказывать на автомобиль стабилизирующее (+) или поворачивающее (—) действия.

Зависимости лобовых Р_х и боковых Р_у сил (в функции скорости движения), действующих на рассматриваемые автомобили ГАЗ-21 и ГАЗ-24, приведены на рис. 34, а—г. Чем лучше обтекаемость автомобиля, тем меньше силы Р_х и Р_у и больше коэффициент m_z. Таким образом, улучшение обтекаемости автомобиля связано с ухудшением его аэродинамической устойчивости.

Однако возможно создание автомобиля с такой формой кузова, при которой все три рассматриваемых коэффициента с_х, с_у и m_z будут небольшими. Для этого автомобиль должен иметь длинный капот с низко опущенной передней частью. Частичная характеристика такого автомобиля приведена на рис. 35. Как видим, этот автомобиль сохраняет неизменную величину с_х = 0,20 при всех углах натекания воздушного потока, с_у не превышает 0,5 при τ = 20°, a m_z = 0,18.

Для быстроходных автомобилей, имеющих малую массу, существенное значение имеет еще не рассматривавшаяся часть аэродинамической характеристики c_z(τ), так как коэффициент подъемной силы может повлиять на сцепление шин с дорогой. Для автомобилей ГАЗ-21 и ГАЗ-24 коэффициенты c_z сопоставлены на рис. 36. Для всех автомобилей отмечается значительное возрастание этого коэффициента при увеличении угла натекания воздушного потока.

Кроме того, воздушный поток будет создавать и опрокидывающий момент, величина которого характеризуется коэффициентом т_у. На рис. 36 приведены также зависимости т_у(τ). Коэффициент т_у отличается известной стабильностью и мало меняется при изменении угла натекания воздушного потока. Коэффициент т_у принимает положительные и отрицательные значения, а это значит, что аэродинамические силы могут как разгружать, так и дополнительно нагружать колеса автомобиля. Разгрузку или нагрузку передней и задней осей автомобиля можно оценить при помощи безразмерных коэффициентов

Для современных легковых автомобилей С_ZП = —0,2- 0,6 и С_ZЗ = 0,1-0,7.

Зависимости коэффициентов С_ZП и С_ZЗ от угла натекания воздушного потока показаны на рис. 37 для четырех автомобилей с различными формами кузовов.

Рис. 34. Лобовые и боковые силы в функции скорости движения и углы натекания воздушного потока:

а—лобовая сила (автомобиль ГАЗ-21); б—лобовая сила (автомобиль ГАЗ-24-З); в—боковая сила (автомобиль ГАЗ-21); г—боковая сила (автомобиль ГАЗ-24-З)

Исследования факторов, влияющих на величину подъемной силы, в настоящее время еще недостаточны, но уже отмечается влияние закруглений в передней части при переходе к боковым стенкам.

Рис. 35. Частичная аэродинамическая характеристика автомобиля с опущенной передней частью

Рис. 36. Частичные аэродинамические характеристики автомобилей ГАЗ-21 и ГАЗ-24 (сплошными линиями показаны характеристики для ГАЗ-24, а штриховыми — для ГАЗ-21)

Такие закругления, не уменьшая заметно лобового сопротивления, способствуют возрастанию подъемной силы при увеличении угла натекания воздушного потока. Крыловидные формы кузова дают высокие значения коэффициентов с_z.

Рис. 37. Коэффициенты подъемной силы легковых автомобилей четырех различных форм:

а и б—для силы, действующей соответственно на переднюю и заднюю оси

Прикрытые с боков передние колеса автомобилей сильно повышают коэффициенты C_шzП и C_zЗ.

В зависимости от конструкции автомобиля действующая на него подъемная сила может быть как положительной, так и отрицательной. Эта сила изменяет направление своего действия при изменении угла натекания воздушного потока.

Рис. 38. Зависимость коэффициентов Czn и Сгз от прикрытия с боков передних колес

Отметим, что на различие величин коэффициентов с_z подъемной силы, полученных в разных аэродинамических трубах, большое влияние оказывает способ имитации поверхности дороги. Точные результаты могут быть получены лишь при испытании автомобилей натуральной величины с определением распределения давлений по их поверхностям.

Автор: Е.В. Михайловский