Достоинством дорожных испытаний является соблюдение реальных условий движения автомобиля, сравнительная дешевизна оборудования и простота эксперимента. К недостаткам дорожных испытаний следует отнести помехи, вызываемые метеорологическими условиями особенно влиянием ветра. Область аэродинамических исследований при дорожных испытаниях более ограничена, а точность результатов иногда сомнительна. Ошибки в определении коэффициента сопротивления воздуха при этом способе часто получаются вследствие упрощения самой методики испытаний. Однако ввиду доступности такого способа испытаний его применяли многие исследователи.

Буксирование испытываемого автомобиля. Необходимое тяговое усилие, которое при малых установившихся скоростях является силой сопротивления качению (трансмиссия отключена), а при больших — суммой сопротивления воздуха и сопротивления качению при буксировании испытываемого автомобиля измеряют динамометром. Силу сопротивления воздуха в этом случае определяют как разность между силой, измеренной динамометром, установленным в сцепке между тягачом и испытываемым автомобилем, и силой сопротивления качению при той же скорости движения.

Несмотря на простоту, данный способ не получил распространения ввиду значительной неточности результатов. Даже сравнительно длинный буксир не позволяет избежать влияния первой машины, особенно при высоких скоростях. Замер сопротивления качению также неточен, так как ведущие колеса катятся свободно, в то время как при передаче крутящего момента шины деформируются и увеличивают сопротивление качению.

Испытания с плавающим кузовом. Первую попытку определить сопротивление воздуха «в чистом виде» способом плавающего кузова сделал Лей в 1933 г. Такое крепление кузова позволяло совершать продольные перемещения относительно шасси. Усилие этого перемещения, возникающего под действием воздушного потока на движущийся автомобиль, замеряли специальным динамометром. При этом способе не учитывали сопротивление, которое испытывают шасси, и все же были получены довольно точные результаты, проверенные испытаниями в аэродинамической трубе. Дальнейшего распространения этот способ не получил ввиду сложности его осуществления.

Испытания на передвигающейся платформе. Такой способ был использован Вульфордом в 1927 г. Автомобиль устанавливали на плоскую платформу, которую сзади толкал локомотив. Крепление позволяло автомобилю передвигаться вдоль платформы на специальных роликах, а через систему рычагов усилие этого перемещения передавалось самопишущему динамометру.

Этот способ позволял замерять сопротивление воздуха, исключив влияние сопротивления качению и трения в трансмиссии. Однако передвигающаяся платформа создавала завихрение воздуха, что отражалось на точности эксперимента. Кроме того, было нарушено взаимодействие автомобиля с дорогой и колеса автомобиля были неподвижны. Для испытаний по этому способу требовалась платформа, локомотив и т. д., что создавало дополнительные трудности.

Испытания автомобиля, установленного на крыше автобуса или крыше кабины грузового автомобиля. Разновидностью предыдущего способа является крепление испытываемого автомобиля на крыше автобуса, крыше кабины грузового автомобиля и т. п.

Наиболее простой способ—жесткое крепление, при котором силу сопротивления воздуха для испытываемого автомобиля определяют вычитанием сопротивления, приходящегося на долю транспортирующей машины из общего сопротивления. Этот способ дает лишь очень приближенные значения. В случае отдельной регистрации сопротивления, оказываемого воздухом испытываемому автомобилю, результат будет более точным.

Совместные испытания автомобиля на дороге и на стенде. Способ был предложен Е. А. Чудаковым. При испытании в дорожных условиях на ровном участке фиксируют максимальную установившуюся скорость, достигнутую при полностью открытой дроссельной заслонке. Затем проводят испытания на стенде с беговыми барабанами при том же положении дроссельной заслонки, той же предварительной регулировке двигателя и одинаковом показании спидометра. Полученное при испытании на стенде тяговое усилие в дорожных условиях расходовалось на сопротивление воздуха и сопротивление качению передних колес. Если, учитывая перераспределение веса автомобиля, найти усилие, затраченное на сопротивление качению передних колес, то можно определить силу сопротивления воздуха

где Р_с — тяговое усилие, определенное на стенде; Р_пк — сопротивление качению передних колес.

Совместные испытания можно проводить и при промежуточных положениях дроссельной заслонки. Необходимо только, чтобы при обоих способах испытаний положения дроссельной заслонки точно соответствовали. Для этого можно применять сменные прокладки с отверстиями разного диаметра, располагая эти прокладки между карбюратором и всасывающим коллектором (дроссельная заслонка в этом случае должна быть открыта полностью). Такой способ дает довольно точные результаты. Его недостатком является несоответствие сопротивления качению беговых барабанов сопротивлению качению на дороге, а иногда и различие барометрических условий. При использовании автоматизированного стенда, позволяющего определять мгновенные значения сопротивлений во всех режимах, И. И. Лурье получил весьма точные результаты.

Такого рода испытания позволяют избежать ошибок при использовании в процессе проектирования автомобиля результатов испытания его модели в аэродинамической трубе.

Дорожные испытания автомобиля с предварительными стендовыми испытаниями двигателя. Такой способ описан Б. С. Фалькевичем. При испытании двигателя на стенде составляют график зависимости между мощностью двигателя и разрежением во всасывающем трубопроводе. Затем при движении автомобиля на горизонтальном участке дороги с установившейся скоростью, замеряемой по спидометру, или по прибору «путь—время— скорость», определяют разрежение при помощи вакуумметра, присоединенного к всасывающей трубе двигателя. По зависимостям, соответствующим данному режиму, определяют эффективную мощность двигателя.

Проведя испытания при различных скоростях, можно получить кривую мощности, затраченной на преодоление сопротивления движению, в зависимости от скорости автомобиля. Мощность, теряемую в трансмиссии, можно определить таким же образом, освобождая от нагрузки (вывешивая) задние колеса. Мощность N_f, затрачиваемую на сопротивление качению, можно подсчитать, зная коэффициент f сопротивления качению, вес G автомобиля и скорость u движения. Таким образом

где N_r — мощность, теряемая в трансмиссии.

Разновидность этого способа использовал А. И. Никитин. При стендовых испытаниях двигателя он снимал внешнюю и дроссельную характеристики, применяя прокладки с отверстиями разного диаметра, устанавливаемые между карбюратором и всасывающим коллектором. Затем при тех же степенях открытия дроссельной заслонки были проведены дорожные испытания и определены максимальные скорости и коэффициент сопротивления воздуха.

Испытания при движении на уклоне. Этот способ использовали Б. Я. Кузнецов, Ю. А. Долматовский и К. В. Зейванг (СССР), Конрад (ФРГ) и Локвуд (США). Для испытаний подбирали дорогу, имеющую постоянный уклон 2—5% на достаточно большом участке с известным коэффициентом сопротивления качению. При движении на уклоне с выключенной трансмиссией сила, действующая на автомобиль, Ph=G sin а, где а — угол уклона.

В пределах небольших углов sin a≈tg a и Ph = G tg a или P_h = (Gh/100), где h — уклон в %.

При движении на уклоне через некоторый промежуток времени устанавливалась постоянная скорость, т. е. сила движения автомобиля уравновешивалась силами сопротивления:

где f — коэффициент сопротивления качению. Тогда

а при небольших уклонах дороги

Если имеется возможность провести испытания на уклонах разной величины (допустим, 2, 3 и 5%), то уравновешивание может произойти соответственно при каких- то скоростях U₁ U₂ и U₃. Это позволит построить график сопротивления движению в зависимости от скорости. Описанный способ дает неплохие результаты, но применяют его редко, так как трудно найти участки дороги с постоянным уклоном на значительной длине.

Испытания способом выбега или затухающего движения. Такой способ является наиболее распространенным.

Рис. 64. График для определения ошибки в сопротивлении воздуха, вызванной ветром:

1 и 2 — при движении автомобиля соответственно против ветра и по ветру

Рассмотрим его упрощенный вариант, позволяющий проводить испытания без помощи особых вспомогательных средств. Полученные в результате сравнительные данные можно будет считать вполне удовлетворительными.

Для проведения испытаний необходим достаточно длинный участок горизонтальной дороги, имеющий ровное покрытие и позволяющий на его концах легко выполнять повороты для движения в противоположную сторону. Наилучшие результаты могут быть получены на бетонном шоссе.

Испытания проводят в безветренную погоду при движении в обе стороны. Следует иметь в виду, что, например, при скорости движения автомобиля около 70 км/ч небольшой встречный ветер, дующий со скоростью всего 1 м/с увеличит сопротивление воздуха приблизительно на 10% по сравнению с движением в безветренную погоду. Погрешность ξ в определении сопротивления воздуха, вызванная ветром, может быть оценена по зависимостям рис. 64. Чем выше скорость движения, тем точнее средняя величина сопротивления воздуха, полученная в результате замеров во время движения по дороге в противоположных направлениях при легком ветре. Минимальной начальной скоростью, обеспечивающей в этих условиях точный результат, считают 80—90 км/ч.

Если участок не защищен по сторонам деревьями, зданиями или забором, то учитывают возможные влияния бокового ветра, который изменяет коэффициенты лобового сопротивления воздуха, так как при нем меняются углы натекания на автомобиль воздушного потока и величина результирующей скорости натекания. Поэтому для проведения испытательных поездок дожидаются полного затишья. Лучше всего проводить испытания на лесных дорогах, имеющих направление, совпадающее с направлением господствующих ветров.

Колеса автомобиля, подвергающегося испытанию, должны быть тщательно отбалансированы, а тормозные механизмы совершенно свободны, т. е. исключена возможность малейшего прихватывания тормозных колодок. Для замера времени пользуются точным секундомером, а скорость измеряют по тарированному в нужном диапазоне спидометру. Наибольшую точность можно получить при использовании приборов типа «путь—время—скорость».

Перед началом испытаний автомобиль разгоняют до скорости, несколько превышающей ту скорость, при которой предполагают начать испытания (например, на 5 км/ч). Затем водитель отпускает педаль подачи топлива и переводит рычаг коробки передач в нейтральное положение. Как только стрелка спидометра достигнет намеченного для начала замера значения скорости испытатель включает секундомер, а после снижения скорости на 10 км/ч останавливает его.

Аналогичный замер выполняют при движении автомобиля в обратном направлении, причем стремятся к тому, чтобы участки пути, на которых проводят замеры, совпадали. По обоим замерам определяют среднее арифметическое. Такого рода испытания повторяют несколько раз. Естественно, что точность полученного результата возрастает с увеличением числа поездок. Еще более точный результат можно получить если выполнить замеры в двух и трех диапазонах для определения среднего замедления j= (dv/dt).

Общее сопротивление катящегося по инерции автомобиля складывается из сопротивления воздуха Р_х и сопротивления качению Pf(G). Из теории автомобиля известно, что с увеличением скорости движения увеличивается и работа, затрачиваемая на радиальную деформацию шин, т. е. сопротивление качению. Для определения величины коэффициента сопротивления качению в функции скорости движения автомобиля предложен ряд эмпирических формул. Например, по формуле Клауэ и Коля

где Р_ш — давление воздуха в шине в кгс/см². По формуле Мишлена

Для шин с кордом из искусственного шелка и низким давлением воздуха по формуле Гудиира

Во всех формулах скорость u автомобиля выражают в км/ч. В формуле Гудиира при скоростях, меньших 50 км/ч, второй член отбрасывают и коэффициент f считают постоянным и равным 0,0165. По формуле Кюнера

где f₀ = 0,0125—для хороших бетонных дорог; f₁ = 0,0085; n = 2,5.

Зависимости f₀ и f₁ от давления в шине приведены на рис. 65. Показатель степени n = 2,5 учитывает колебания шин.

Гак предлагает использовать формулу Мишлена, введя в нее в качестве множителя коэффициент k, учитывающий состояние шин. Для новых шин k=1,00, для шин, бывших в употреблении, k=1,25; для полностью изношенных шин k = 0,90.

Зависимости f(v), полученные при использовании формул Клауэ и Коля, Мишлена, Гудиира и Кюнера, приведены на рис. 66. Как видим, эти формулы дают близко совпадающие значения, за исключением формулы Кюнера при скоростях свыше 100 км/ч, что объясняется влиянием показателя степени n = 2,5.

Н. А. Яковлев и Н. В. Диваков рекомендуют для практических расчетов следующую эмпирическую формулу:

где f₀ — коэффициент сопротивления качению, приводимый в справочных таблицах и относящийся к малым скоростям; А — постоянная безразмерная величина, приблизительно равная (4—5) 10^-5.

Рис. 65. Зависимости коэффициентов качения от давлений в шине

Рис. 66. (Коэффициенты качения при использовании эмпирических формул:

1—Кюнера; 2—Гуднира; 3— Клауэ и Коля; 4—Мишлена

Влияние внутреннего давления воздуха в шинах на величину коэффициента сопротивления качению иллюстрируют зависимости, полученные в результате испытаний серийных шин 7,50—16 при радиальной нагрузке 720 кгс (рис. 67).

Рис. 67. Коэффициенты сопротивления качению в зависимости от скорости при различных давлениях воздуха

Коэффициент сопротивления качению зависит от типа и состояния дорожного покрытия, скорости движения и внутреннего давления воздуха в шинах, от конструкции шин, их увода и углов установки управляемых колес. В сопротивление качению условно включают и потери трансмиссии. Тогда сопротивление воздуха

Для определения коэффициента с_х лобового сопротивления автомобиля необходимо знать площадь F лобового сопротивления. Обычно за эту площадь принимают произведение габаритной высоты автомобиля на его габаритную ширину или ширину колеи. Очевидно, что в обоих случаях допускается значительная погрешность.

Более точно площадь лобового сопротивления определяют по тени, отбрасываемой автомобилем на экран, разделенный на дециметровые квадраты. Контурные линии тени обводят и подсчитывают размеры получившейся поверхности. Устанавливают автомобиль перед экраном так, чтобы его оси колес находились на высоте источника света. Если лобовая площадь автомобиля известна и равна F, то

Сопротивление воздуха зависит не только от внешней формы и состояния поверхности автомобиля, но и от внутренних сопротивлений, возникающих при протекании воздуха через радиатор, подкапотное пространство и салон. Коэффициент лобового сопротивления воздуха также имеет различную величину, например, при открытом и закрытом радиаторе. Величину внутреннего сопротивления можно установить опытным путем.

На точность результатов замеров влияет также то обстоятельство, что движение автомобиля по инерции вызывается не только его поступательно движущейся массой, но и приведенной массой, учитывающей также вращающиеся массы, замененные эквивалентной поступательно движущейся массой, так как силы сопротивления должны также вызвать замедление этих вращающихся масс (колес и трансмиссии). Приблизительный учет влияния вращающихся масс при испытании автомобилей способом выбега может быть сделан на основании данных табл. 2.

Как показывают данные табл. 2, увеличение поступательно движущейся массы за счет вращающихся масс для микро и малолитражных легковых автомобилей не превышает 4,0—4,5%.

Определение внутренних потерь на трение в трансмиссии на испытательном стенде сопровождают замером температуры масла в картерах коробки передач и ведущих мостов, чтобы при дорожных испытаниях поддерживать ту же температуру, так как она значительно влияет на вязкость смазки, а следовательно, и на величину потерь на трение.

Рис. 68. Зависимости P_w(v) и M(v), полученные при испытаниях колес с проволочными спицами

Воздух также оказывает сопротивление вращению колес автомобиля, которое обычно отдельно не определяют. На рис. 68 приведены зависимости, полученные в результате испытаний колес с проволочными спицами, проведенных в FKFS. Кривая 1 получена при продувке колес без защитного кожуха на неподвижном экране, а кривая 2 — на движущейся ленте; кривые 4 и 5 — тоже на неподвижном экране соответственно без защитного кожуха и с кожухом. Кривая 3 получена при продувке колеса с защитным кожухом на движущейся ленте. Относительные значения всех составляющих, оказывающих влияние на величину замедления при выбеге, показаны на рис. 69.

Рис. 69. Относительные значения составляющих, оказывающих влияние на величину замедления при выбеге;

P_∑—общее сопротивление; P_w— сопротивление воздуха; P_Z—уменьшение сопротивления от действия подъемной силы; Р_КЛ— сопротивление воздуха вращению колес; P_f — сопротивление качению; Р_r—внутреннее сопротивление трансмиссии

Испытания способом выбега или затухающего движения даже при тщательном их проведении, в случае пользования для замера необходимых параметров простейшими средствами, обычно применяют как проверочные в сочетании с другими способами.

Автор: Е.В. Михайловский