При аэродинамическом расчете необходимо определить величину N_w, которая, в свою очередь, может быть представлена как мощность, затрачиваемая на пять составляющих сопротивлений воздуха: N_ф — формы; N_д— добавочного; N_B — внутреннего; N_T — поверхностного трения; N_И— индуктируемого. Тогда

Величина внешнего аэродинамического сопротивления, представляющего собой сумму N_ф, N_T и N_И, составляет в среднем около 73% общей величины сопротивления воздушной среды и может быть получена при аэродинамических испытаниях упрощенной модели автомобиля, лишенной всех атрибутов, вызывающих внутреннее и добавочное сопротивления. Внешнее аэродинамическое сопротивление можно также получить расчетом на основании результатов испытаний других автомобилей. К сожалению, аналогичный материал по добавочным и внутренним сопротивлениям еще очень скуден и поэтому целесообразно принять

где k_дв — безразмерный коэффициент, отражающий дополнительные затраты мощности на добавочные и внутренние сопротивления, которые не были учтены при испытаниях моделей.

Для испытаний моделей легковых автомобилей, выполненных из стеклопластика в масштабе 1/5 без имитации нижней поверхности и невращающихся колесах, способом продувки над неподвижным экраном, можно принять среднюю величину 1,37.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздушной среды,

где с_х — коэффициент лобового сопротивления модели.

Если скорость v автомобиля относительно воздуха принята в км/ч, коэффициент k_дв(с_хϱ/2)=k и необходимая мощность N_w в л. c., то

В процессе проектирования нового автомобиля его приближенный аэродинамический расчет можно выполнить не только до изготовления опытных образцов, но и до исполнения и испытания моделей. Для этого необходимо дать аэродинамическую оценку основных элементов нового автомобиля по сравнению с существующими конструкциями. Таким образом, данный метод расчета можно использовать на самой ранней стадии проектировании — при художественном конструировании автомобиля, чем предостеречь дизайнеров от грубых ошибок с точки зрения аэродинамики.

В настоящее время наибольший материал накоплен по аэродинамике легковых автомобилей с жестким закрытым кузовом, у которых решающее влияние на аэродинамическое сопротивление оказывает форма пяти основных элементов кузова: передней части в плане; передней части в виде сбоку; ветрового стекла; задней части кузова; основания кузова.

Наиболее распространенными элементами в конструкции кузовов современных легковых автомобилей являются следующие: передняя часть в плане со скругленными углами, имеющими выступы; передняя часть в виде сбоку со скругленной формой средней высоты, понижающейся в направлении вперед; капот, составляющий одну форму с крыльями, закругленными вверху; ветровое стекло в плане сильно скругленное, почти полукруглое; верхняя граница ветрового стекла скругленная; крыша в плане, несколько сужающаяся вперед и назад от зоны средней стойки или имеющая постоянную ширину; скругленный переход от крыши к заднему стеклу и от багажника к задней панели или грань в месте перехода крыши и заднего ската; задняя часть кузова в плане, слегка сужающаяся назад или имеющая постоянную ширину; цельный пол с выступающими деталями механизмов.

Схематическое изображение такого осредненного современного легкового автомобиля дано на рис. 110, а. Величина коэффициента лобового сопротивления для этого автомобиля с_х≈0,40. (Здесь и далее значения с_х— для автомобиля в натуральную величину).

Улучшения формы отдельных элементов кузова позволят добиться снижения коэффициента лобового сопротивления. Если убрать выступы в передней части автомобиля в плане, то это позволит снизить с_х на 0,01. Увеличение радиуса закругления углов может дать дальнейшее понижение с_х на 0,01. Наоборот, переход в передней части к прямым линиям со скошенными углами повысит

c_x на 0,01, а прямоугольная форма передка постоянной ширины увеличит с_х на 0,02.

Переход к прямоугольной форме средней высоты в виде сбоку увеличит с_х на 0,01, а высокая прямоугольная форма с горизонтальным капотом — на 0,02. В передней части низкие крылья (вид спереди) уменьшают с_х на 0,01, а прямоугольные— увеличивают на 0,01. Ветровое стекло, закругленное по бокам, повышает с_х на 0,01, изогнутое по дуге — на 0,02, а плоское — на 0,03.

Рис. 110. Формы кузовов легковых автомобилей:

а — наиболее распространенная; б—наиболее обтекаемая; в—наименее обтекаемая

Отсутствие скругления в месте перехода от ветрового стекла к крыше увеличивает с_х на 0,01. Сужение крыши в плане спереди назад снижает с_х на 0,01.

Наибольшее разнообразие форм встречается при различном выполнении стыка крыши и багажника. У кузова типа «универсал» имеет место увеличение с_х на 0,01. Угловатые формы перехода уменьшают с_х на 0,01 за счет снижения величины подъемной силы и связанного с ней индуктируемого сопротивления. Переход типа «полуфастбек» (плавно понижающаяся назад с изломом линия -крыши) снижает с_х на 0,02, а переход «фастбек» — на 0,03.

Увеличение сужения в плане в задней части кузова уменьшает с_х на 0,01. Применение в основании кузова цельного плоского пола с незначительно выступающим деталями механизма позволяет понизить с_х на 0,02, а рамная конструкция с высокими лонжеронами — повысить с_х на 0,02.

Таким образом, если взять все лучшие элементы, то можно получить для автомобиля, имеющего форму, показанную на рис. 110, б, коэффициент лобового сопротивления с_х≈0,29. Наоборот, выбор наихудших элементов даст конструкцию (рис. 110, в), для которой с_х≈0,51. Для всех промежуточных форм, полученных при различных сочетаниях приведенных элементов,

Добавочные сопротивления, возникающие при установке на автомобиль различных выступающих деталей могут очень сильно увеличить сопротивление воздуха Величины ∆с_х при наличии перечисленных выступающие деталей будут следующими:

Таким образом, с учетом добавочных сопротивлений с_х необтекаемого легкового автомобиля (рис. 110, в) может возрасти до 0,7. В табл. 7 для сравнения приведены значения коэффициентов лобового сопротивления с_х, полученные расчетным путем и в результате испытаний легковых автомобилей, показанных на рис. 111.

Как видим, максимальная величина погрешности (см. табл. 7) при расчетном определении коэффициента с_х не превышает ±7,5%, а средняя абсолютная величина погрешности ±3,39%.

Рис. 111. Легковые автомобили с различными лобовыми сопротивлениями

Автор: Е.В. Михайловский