Полной аэродинамической силой называют равнодействующую всех элементарных аэродинамических сил, действующих на поверхность автомобиля, а иногда, пренебрегая силами трения, — результирующую нормальных сил. Результирующий момент всех действующих на автомобиль поверхностных аэродинамических сил называют полным аэродинамическим моментом.

Рис. 20. Поточная и связанная системы координат

Полная аэродинамическая сила P_ω и аэродинамический момент M_ω могут быть определены, если известны безразмерные векторные величины c_ω и m_ω — коэффициенты соответственно полной аэродинамической силы и аэродинамического момента. Тогда для тела с площадью Миделя F

Векторы полной аэродинамической силы P_ω и полного аэродинамического момента M_ω можно спроектировать на соответствующие оси координат. Обычно применяют одну из двух систем прямоугольных координат: поточную (скоростную) или связанную. Начало координат этих систем совмещают с центром тяжести автомобиля. Обе системы координат правые и показаны на рис. 20. Ось Ox₁ поточной системы совпадает с направлением вектора скорости центра тяжести автомобиля и называется скоростной. Ось Oy₁ направлена перпендикулярно к оси Ох₁, лежит в горизонтальной плоскости и называется боковой осью. Ось 0z нормальна к плоскости х₁0y₁, направлена вверх и называется осью подъемной силы.

В связанной системе координат ось Ох совпадает с продольной осью автомобиля и называется продольной осью, ось Оу перпендикулярна плоскости симметрии автомобиля и называется поперечной, а ось Oz лежит в плоскости симметрии автомобиля и называется нормальной.

Проекции полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента в связанной системе осей координат получили следующие названия: Р_х — сила лобового сопротивления; Р_у—боковая сила; P_z — подъемная сила; М_х — момент крена; М_у — продольный или опрокидывающий момент; M_z — поворачивающий момент.

В скоростной системе координат проекции силы P_ω будем обозначать Р_х1, P_y1, P_z1, а в связанной — Р_х, Р_у и P_z (рис. 20). Проекции вектора полного аэродинамического момента M_ω на скоростные оси координат М_х1, M_y1, M_z1, а на связанные оси — М_х, М_у и M_z.

В аэродинамических трубах при испытании неподвижно установленных автомобилей или их моделей скорость потока направляют прямо противоположно скорости движения автомобиля на дороге. Поэтому, чтобы оперировать с силой лобового сопротивления, имеющей положительный знак, пользуются поточной системой координат с противоположно направленной осью.

Между силами в скоростной и связанной системах координат имеются следующие зависимости:

где τ — угол натекания, образуемый вектором скорости с плоскостью симметрии автомобиля.

Для пересчета моментов от одних осей координат к другим можно воспользоваться следующими формулами. При пересчете от скоростных осей к связанным:

При пересчете от связанных осей к скоростным:

где l и b — характерные размеры автомобиля по длине и ширине.

При совпадении поточной и связанной систем координат τ = 0. Угол τ считается положительным при натекании воздушного потока на автомобиль с правой стороны.

Полная аэродинамическая сила P_ω, действующая на автомобиль, пропорциональна плотности ϱ воздуха, квадрату скорости v и квадрату линейных размеров l, т. е.

где с_ω,—коэффициент полной аэродинамической силы. Полный аэродинамический момент

где m_ω — коэффициент полного аэродинамического момента.

Обычно в этих формулах заменяют l2 на пропорциональную ему площадь F (например, площадь миделева сечения), а произведение 1/2 pv² — на скоростной напор. В результате получают

Проекции полной аэродинамической силы на связанные координатные оси будут следующие: сила лобового сопротивления

(с_х — коэффициент лобового сопротивления); боковая сила

(с_у — коэффициент боковой силы); подъемная сила

(c_z — коэффициент подъемной силы).

Связь между аэродинамическими коэффициентами этих сил может быть представлена в виде уравнения

Выражая в формулах (30) и (31) силы через их коэффициенты, получим:

Составляющие момента полной аэродинамической силы относительно связанных осей координат будут следующие:

момент крена

(т_х — коэффициент момента крена);

продольный или опрокидывающий момент

(т_у — коэффициент продольного момента); поворачивающий момент

(т_z — коэффициент поворачивающего момента).

Связь между аэродинамическими коэффициентами этих моментов может быть выражена уравнением

Выражая в формулах (32) и (33) моменты через их коэффициенты, получим:

Обычно в формулах при определении моментов М_х и M_z за характерную ширину b берут величину колеи автомобиля. При определении момента М_у за характерную длину l берут базу автомобиля.

Рис. 21. Эпюра распределения в плане избыточных давлений и разрежений на поверхности автомобиля при наличии несимметричного (косого) натекания воздушного потока

Безразмерные коэффициенты определяют экспериментально.

Сила Р_х лобового сопротивления вызывает наибольший интерес, так как ее величина в основном определяет затраты мощности двигателя при высоких скоростях движения, а следовательно, и расход топлива. Сила Р_х [см. формулу (34)] зависит от величины максимальной площади поперечного сечения, формы автомобиля, качества его поверхности и пропорциональна квадрату скорости движения.

Боковая сила Р_у возникает при несимметричном обтекании автомобиля воздушным потоком (наличие ветра, не совпадающего по направлению с продольной осью автомобиля). На рис. 21 показана эпюра распределения в плане избыточных давлений и разрежений па поверхности автомобиля при наличии несимметричного (косого) натекания воздушного потока и действующая на автомобиль боковая сила (вектор Р_у).

Большое значение имеет также подъемная сила P_z. Ее появление — следствие соответствующего распределения статического давления по поверхности автомобиля и возникновения циркуляции скорости, т. е. тех же причин, которые вызывают появление подъемной силы у крыла самолета. На нижней поверхности крыла сущест вует повышенное давление, тогда как на его верхней поверхности — разрежение, особенно высокое в передней выпуклой части.

Рис. 22. Эпюры подъемных сил, действующих на самолетное крыло

Равнодействующая всех элементарных сил, действующих на крыло, и создает подъемную силу Р_г (рис. 22). У автомобиля подъемная сила значительно меньше, чем у крыла самолета благодаря узкому корпусу автомобиля, а при соответствующей форме может быть даже отрицательна, т. е. направлена вниз. На рис. 23 показаны эпюры распределения давлений для двух автомобилей различной формы. У первого (рис. 23, а) автомобиля составляющая подъемной силы на передней оси направлена вниз, а на задней — вверх. У второго (рис. 23, б) автомобиля подъемная сила на передней оси отсутствует (P_z1 = 0), а на задней оси — направлена вверх.

Аэродинамический момент крена, действующий на автомобиль, возникает от силы Р_у и стремится опрокинуть его в направлении действия этой силы. Суммарный продольный момент возникает от действия сил Р_х и P_z и стремится опрокинуть автомобиль назад.

Наконец, поворачивающий момент является следствием действия на автомобиль боковой силы Р_у, точка приложения которой не совпадает с центром тяжести.

Автор: Е.В. Михайловский