Представим себе, что автомобиль движется со скоростью v_a и подвергается воздействию ветра (рис. 24), дующего под углом β к продольной оси автомобиля со скоростью v_B.

Рис. 24. Схема воздействия ветра на автомобиль

Тогда вектор равнодействующей скорости v_p воздушного потока будет направлен под углом τ к продольной оси автомобиля, причем

При этом аэродинамические силы и моменты, действующие на автомобиль, будут определяться величинами v_a, v_B, β, формой и размерами автомобиля. На рис. 25 показаны частичные аэродинамические характеристики для автомобилей, имеющих параллелепипедную и каплеобразную формы. Они представляют собой кривые с_х(τ); с_у(τ) и m_z(τ) в пределах τ = 0-45°.

Именно эти величины определяют собой затраты мощности двигателя, расход топлива, управляемость и устойчивость автомобиля, т. е. его основные эксплуатационные качества. Пределы изменения угла τ = 0-45° вполне соответствуют реальным условиям движения автомобиля, так как очень мало вероятно, чтобы боковая составляющая скорости ветра превышала сумму продольной составляющей этой скорости и скорости движения автомобиля.

Рис. 25 Частичные аэродинамические характеристики автомобилей:

а—параллелепипедной формы; б—каплеобразной формы

Для необтекаемого автомобиля коэффициент лобового сопротивления возрастает от с_х≈0,85 при τ = 0 до с_х ≈ 1,00 при τ = 25°, а затем снижается до с_х≈0,8 при τ = 45°. Коэффициенты с_у боковой силы и m_z поворачивающего момента увеличиваются по линейному закону в пределах c_y≈0,00-2,25, а m_z≈0,00-0,35. Для автомобиля идеально обтекаемой формы (рис. 25, б) коэффициент лобового сопротивления уменьшается с увеличением угла натекания воздушного потока от 0 до 30° в пределах с_х≈0,045-0,00, а затем становится отрицательным, достигая при τ = 45° значения с_х≈ —0,11. Коэффициент боковой силы с увеличением угла τ возрастает в пределах с_у=0,0-1,8; коэффициент поворачивающего момента увеличивается от m_z = 0 при τ = 0 до m_z≈0,25 при τ = 30°, а затем несколько снижается до значений m_z ≈ 0,20 при τ = 45°.

Итак, при отсутствии бокового ветра и одинаковой лобовой площади обтекаемый автомобиль будет испытывать лобовое сопротивление приблизительно в 17 раз меньшее, чем необтекаемый, а при углах натекания воздушного потока, превышающих 30°, для обтекаемого автомобиля сила Р_х из силы сопротивления превращается в движущую силу. Точка (см. рис. 24) приложения равнодействующей аэродинамических сил носит название метацентра. Ее расстояние l от центра тяжести автомобиля является плечом аэродинамического момента, стремящегося повернуть автомобиль. Этот момент у автомобиля обтекаемой формы будет больше, чем у автомобиля необтекаемой формы в связи с большей величиной плеча.

При отсутствии контакта с поверхностью дороги оба автомобиля под действием поворачивающего момента стремились бы встать перпендикулярно к воздушному потоку, если бы он не совпадал с их продольными осями. Аэродинамическая устойчивость имеет очень большое значение и для ее улучшения на автомобилях обтекаемой формы в их задней части приходится ставить специальные стабилизирующие поверхности.

Представление ветра в виде вектора, имеющего постоянные величину и направление, весьма условно, так как обычно ветер не однородное течение, имеющее по всей своей массе одинаковые скорость и направление, а состоит из последовательной смены коротких порывов и периодов затишья. Шероховатость и неодинаковая степень нагретости различных участков земной поверхности способствуют образованию вихрей.

Для климатических условий большинства местностей России и Европы средняя скорость ветра редко превосходит 10 м/сек, причем большие величины характерны для северных областей и морских побережий. Скорость и направление ветра обычно изменяются в зависимости от времени суток и года. В ночные часы скорость ветра наименьшая; после восхода солнца она увеличивается и достигает максимума в послеполуденные часы, а затем снова начинает уменьшаться. Скорость ветра в солнечные часы суток превышает средние величины на 30—50%. Эти закономерности более ярко проявляются летом в ясные дни и, наоборот, сглаживаются в пасмурные дни и зимой.

Годовые изменения скорости ветра различны в разных климатических районах и зависят от местных условий. Для большинства областей России (за исключением Восточной Сибири) летние месяцы дают меньшую среднюю величину скорости ветра, чем зимние.

Зависимость угла τ натекания на автомобиль воздушного потока от скорости движения автомобиля и скорости бокового ветра (β = 90°) показана на рис. 26, а.

Рис. 26. Зависимость угла натекания на втомобиль воздушного потока:

а—от скоростей движения автомобиля v_a и бокового ветра v_B при β=90°; б—от направления и скорости ветра v_B при v_a=100 км/ч

Зависимость угла τ от направления и скорости ветра при постоянной скорости движения автомобиля (v_а = 100 км/ч) приведена на рис. 26, б.

Для обычных условий движения угол натекания на автомобиль воздушного потока не превышает 20° и лишь при движении с малыми скоростями и боковом ветре более 10 м/сек может достичь 30°. Однако в последнем случае аэродинамические силы будут невелики. В связи с этим рассмотрим лишь в пределах изменения τ = 0—20° частичные аэродинамические характеристики автомобилей. В качестве примера на рис. 27 приведены аэродинамические характеристики моделей легковых автомобилей ГАЗ-21, ГАЗ-24, ГАЗ-13, ГАЗ-22 и трех автомобилей с кузовами необтекаемой, хорошо обтекаемой и К-формы.

Рис. 27. Аэродинамические характеристики моделей автомобилей:

а — ГАЗ-21; б — ГАЗ-22; в — ГАЗ-24-3; г — ГАЗ-13; д — с кузовом необтекаемой формы; е — с кузовом К-формы; ж — с кузовом хорошо обтекаемой формы

Частичная аэродинамическая характеристика модели легкового автомобиля ГАЗ-21 приведена на рис. 27, а. Коэффициент лобового сопротивления при осесимметричном обтекании с_х = 0,325, а при изменении угла натекания возрастает. При угле натекания воздушного потока τ = 20° с_х возрастает до 0,375, т. е. увеличивается на 15,4%. При этом наиболее резкое возрастание с_х отмечается после достижения τ=15°. Коэффициент боковой силы с_у для модели ГАЗ-21, так же как и для моделей других автомобилей имеет линейную зависимость от угла натекания τ и достигает при τ = 20° значения с_у = 0,750. Коэффициент поворачивающего момента т_z быстро возрастает при увеличении τ до 15°, а затем этот рост замедляется и при τ = 20° коэффициент т_z = 0,136.

Замена стандартного кузова автомобиля ГАЗ-21 «Волга» кузовом типа «Универсал» (модель автомобиля ГАЗ- 22) существенно меняет его аэродинамическую характеристику (рис. 27, б). Если при нулевом и малых значениях угла τ натекания воздушного потока коэффициент лобового сопротивления с_х для модели автомобиля ГАЗ-22 имеет даже несколько меньшие значения, чем для ГАЗ-21, то по мере увеличения угла τ он быстро возрастает и при τ>5° значительно превосходит значения с_х для ГАЗ-22, достигая при τ = 20° величины с_х≈0,45. Линейное изменение с_у характерно также и для модели автомобиля ГАЗ-22. Кроме того, при всех величинах τ коэффициент боковой силы превосходит соответствующие значения с_у для модели автомобиля ГАЗ-21. Однако значения m_z для модели автомобиля ГАЗ-22 очень невелики и лаже при τ = 20° остаются <0,1.

Частичная аэродинамическая характеристика модели автомобиля ГАЗ-24-3, сменившего автомобиль ГАЗ-21 (рис. 27, а), показана на рис. 27, в. Сравним аэродинамические характеристики этих двух автомобилей. Большая работа по определению формы кузова модели автомобиля ГАЗ-24 позволила снизить коэффициент лобового сопротивления при осесимметричном обтекании до с_х = 0,270, т. е. почти на 17%.

Однако по мере увеличения угла натекания этот коэффициент быстро возрастает, начиная с τ = 5°. При τ = 20° коэффициент с_х = 0,355, т.е. отличается от аналогичного значения для модели автомобиля ГАЗ-21 лишь на 5,3%. Это объясняется несколько более угловатой формой автомобиля ГАЗ-24 в плане. Обычно движение автомобиля происходит при натекании воздушного потока, в той или иной степени отличном от осесимметричного, поэтому и выигрыш в затратах мощности двигателя на преодоление сопротивления воздуха у модели автомобиля ГАЗ-24-З по сравнению с моделью автомобиля ГАЗ-21 будет несколько меньше 17%.

Коэффициент боковой силы с_у для модели автомобиля ГАЗ-24 превысит коэффициент с_у для модели автомобиля ГАЗ-21 при одинаковых углах натекания и при τ = 20° составит с_у — 0,860, т. е. станет больше на 14,7%. Коэффициент поворачивающего момента у модели автомобиля ГАЗ-24 возрастает более плавно, чем у модели автомобиля ГАЗ-21, но по абсолютным значениям при всех углах натекания остается меньшим, достигая при τ = 20° лишь m_z = 0,068.

Для модели автомобиля ГАЭ-13 (рис. 27, г) характерно постоянство коэффициента лобового сопротивления при небольших углах натекания воздушного потока. Например, если τ≈0-10°, то с_х≈0,370, а если τ = 20°, то с_x≈ 0,400.

Модель автомобиля с кузовом необтекаемой формы имеет аэродинамическую характеристику, показанную на рис. 27, д, и отличающуюся большими значениями коэффициентов с_х и с_у и малыми величинами m_z. Коэффициент лобового сопротивления у модели такого автомобиля выше, чем у остальных рассматриваемых моделей, и изменяется в зависимости от угла натекания воздушного потока в пределах с_х=0,50-0,55; коэффициент боковой силы с_у>1,4, коэффициент поворачивающего момента m_z<0,2.

Частичная аэродинамическая характеристика модели обтекаемого автомобиля с кузовом К-формы приведена на рис. 27, е. Для этой модели автомобиля характерны очень малые значения коэффициента лобового сопротивления при всех углах натекания воздушного потока с пределами изменения от с_х≈0,20 при τ = 0° до с_х≈0,29 при τ = 20°. Коэффициент боковой силы для модели автомобиля К-формы мало отличается от аналогичного коэффициента для модели автомобиля ГАЗ-21 и при τ = 20° составляет с_y≈0,70. То же самое можно сказать и о характере кривой m_z.

Аэродинамическая характеристика модели хорошо обтекаемого автомобиля показана на рис. 27, ж. Такая модель характеризуется очень малыми значениями коэффициента лобового сопротивления с_х = 0,18, сохраняющимися неизменными при τ<20°, а при больших углах еще уменьшающимися и, наоборот, значительными величинами коэффициента m_z путевого момента, резко увеличивающегося при возрастании угла τ натекания воздушного потока до 20°.

Следовательно, коэффициент лобового сопротивления может изменяться в зависимости от формы кузова в очень широких пределах: от 0,18 для модели хорошо обтекаемого автомобиля (τ = 0°) до 0,50 и выше для моделей легковых автомобилей с кузовами, спроектированными без учета требований аэродинамики: При этом для моделей плохо обтекаемых автомобилей с возрастанием угла τ натекания воздушного потока в пределах, представляющих практический интерес, коэффициент лобового сопротивления увеличивается, а для автомобилей хорошо обтекаемой формы сохраняется постоянным и даже уменьшается. Коэффициент с_у боковой силы характеризуется линейной зависимостью от τ, а коэффициент т_г путевого момента имеет наибольшие значения для автомобилей хорошо обтекаемых форм. Таким образом, легковые автомобили, имеющие малое лобовое сопротивление, отличаются плохой аэродинамической устойчивостью.

Автор: Е.В. Михайловский