Аэродинамические испытания автомобилей состоят из исследований:

аэродинамических характеристик для определения влияния формы автомобиля (преимущественно кузова и его отдельных частей) на величину лобового сопротивления у каждого вновь проектируемого автомобиля; аэродинамической устойчивости автомобилей; по созданию внутренних воздушных потоков в салонах пассажирских помещений, водительских кабинах и под капотами автомобильных двигателей; шумовых явлений;

методического характера, связанных с усовершенствованием методов аэродинамических испытаний.

Для выполнения полного комплекса перечисленных исследований экспериментатор должен располагать большим числом разнообразных приборов и установок, важнейшей из которых является аэродинамическая труба. Для экспериментов с автомобилями и их моделями применяют различные аэродинамические трубы, что вызывает некоторые отличия в способах замеров аэродинамических сил и моментов.

Взаимодействие движущегося автомобиля с воздушной средой можно исследовать двумя методами:

прямым, при движении автомобиля или его модели (дорожные испытания);

обращенным, при создании воздушного потока, натекающего на неподвижный автомобиль или его модель (испытания в аэродинамической трубе).

Назначение аэродинамической трубы состоит в создании искусственного равномерного прямолинейного установившегося воздушного потока, который с определенной скоростью натекает на исследуемое тело. В автомобилестроении аэродинамические трубы применяют для испытания автомобильных моделей в тех случаях, когда требуется сравнительно быстро определить аэродинамические качества вновь проектируемого автомобиля еще до постройки его опытного образца и в случае необходимости внести в форму его кузова или оперения соответствующие изменения. Все возможные варианты формы кузова могут быть быстро осуществлены при помощи пластилиновых моделей, а достигнутые результаты оценены в процессе испытаний в аэродинамической трубе.

Таким образом, главным методом исследования обтекаемости автомобилей являются испытания их моделей в аэродинамических трубах, а в некоторых случаях и автомобилей в натуральную величину.

Аэродинамические трубы делят в зависимости от скорости создаваемого в них воздушного потока на дозвуковые (низкоскоростные и высокоскоростные) и сверхзвуковые. Для автомобилей и их моделей применяют дозвуковые аэродинамические трубы.

Принципиальная схема аэродинамической трубы прямого действия показана на рис. 46. Установленный в трубе вентилятор 6 создает поток воздуха, обтекающий модель 4, помещенную в рабочей части 3 трубы. Поступающий в трубу воздух проходит через сопло 1 (или коллектор), увеличивающее скорость воздушного потока вследствие плавного уменьшения проходного сечения. Для создания равномерного течения потока при входе его в рабочую часть трубы и уменьшения турбулентности в сопле помещают решетки 2 или другие приспособления. Рабочая часть трубы может иметь твердые стенки (рис. 46, а) или не иметь стенок (рис. 46, б) и ограничиваться лишь воздухом, находящимся в покое или движущемся со скоростью, отличающейся от скорости основного потока (аэродинамическая труба со свободной струей).

Аэродинамические трубы со свободной струей требуют большей мощности вентилятора, чем трубы с закрытой рабочей частью (~на 20%), но обеспечивают большее удобство эксперимента, так как имеют лучший доступ к модели и приборам. Для испытания автомобильных моделей длина рабочей части трубы должна быть равна 1,7—4,0 ее диаметра. В трубах с закрытой рабочей частью стенкам придают небольшую конусность (0,1 — 0,5°) для компенсации нарастания вдоль стенок пограничного слоя. Трубы со свободной струей удобны при исследовании моделей автомобилей, но для моделей автомобилей с прицепами (автопоездов) их рабочая часть оказывается слишком короткой.

Рис. 46. Принципиальная схема аэродинамической трубы прямого действия:

а—с закрытой рабочей частью; б—с открытой рабочей частью; 1—сопло; 2—решетка; 3—рабочая часть трубы; 4—модель; 5—диффузор; 6— вентилятор; 7—улавливающая воронка;

8—эпюра скоростного напора; 9—вихревая зона

Между рабочей частью трубы и вентилятором расположен диффузор 5, в котором за счет плавного расширения воздушного потока происходит превращение его кинетической энергии в энергию давления. Основным параметром диффузора является угол раскрытия, определяющий степень расширения воздушного потока.

На воздушный поток в рабочей части трубы со свободной струей может оказать значительное влияние форма улавливающей воронки диффузора. Воздушный поток при выходе из сопла увеличивает свое поперечное сечение, поэтому, естественно, что сечение улавливающей воронки диффузора должно быть больше поперечного сечения сопла. Кроме того, для уменьшения градиента статического давления и потерь на входе вокруг диффузора устанавливают специальное профилированное кольцо. Для выхода избыточного воздуха, захваченного потоком, делают специальные отверстия (рис. 47).

Направление воздушного потока при входе в узкую улавливающую воронку показано на рис. 47, а при отсутствии (верхняя часть рисунка) и наличии (нижняя часть рисунка) отверстий. Удаление воздуха через отверстия уменьшает обратный поток и вихреобразование. На рис. 47, б показано дополнительное улучшение потока при введении кроме отверстий кольцевой щели, что позволяет почти полностью устранить обратное течение. На рис. 47, в показано влияние отверстий в улавливающей воронке (нижняя часть рисунка), когда ее входную часть выполняют с острыми краями. Влияние на воздушный поток формы входного отверстия, которое может быть выполнено коническим (верхняя часть рисунка) или с округленной кромкой (нижняя часть рисунка) показано на рис. 47, г.

Открытая труба прямого действия имеет большую длину. Для уменьшения длины и потерь кинетической энергии строят замкнутые аэродинамические трубы (рис. 48), имеющие те же основные части, а кроме того, направляющие лопатки в коленах, которые изменяют направление потока. В таких трубах поток совершает полный поворот на 360° и, пройдя через рабочую часть, вновь возвращается в сопло. В каждом из четырех колен происходит поворот потока на 90°.

Впервые испытания автомобильных моделей были проведены в аэродинамической трубе завода Цеппелин в Германии (1914—1917 гг.), производившего дирижабли. В дальнейшем для этих целей использовали аэродинамические трубы, принадлежащие в основном авиационным заводам и институтам. Однако стремление обеспечить условия для наилучшего выявления аэродинамических характеристик автомобилей привело к созданию аэродинамических труб, предназначенных исключительно для испытаний автомобилей.

Специальная аэродинамическая труба с удобной для испытания моделей автомобилей площадкой была создана в Геттингенском университете. Аэродинамическая лаборатория при Высшей технической школе в г. Штутгарте (ФРГ) располагает несколькими трубами, из которых наибольший интерес представляет труба для испытаний автомобилей в натуральную величину.

1—рабочая часть трубы; 2—коллектор; 3—вентилятор; 4—поворотные лопатки, 5—выпрямляющая решетка; 6—сопло

Схема большой аэродинамической трубы показана на рис. 49. Труба замкнутая, открытого типа, с размером площади рабочего сечения 35 м² (максимальная высота — 4,8 м, а ширина — 7,3 м). Вентилятор мощностью 4000 квт (5500 л. с.) позволяет развивать скорость воздушного потока в рабочей части до 70 м/с (250 км/ч). Труба оборудована электрическими автоматическими шестикомпонентными весами с проволочным подвесом. Показания весов при помощи телевизионной установки передаются на пульт управления, где также одновременно регистрируется динамическое давление и угол натекания воздушного потока. Для имитации влияния бокового ветра автомобиль вместе с подвесным устройством можно при помощи телеуправления поворачивать вокруг вертикальной оси на ±25°. Взаимодействие автомобиля с дорогой имитируется при помощи неподвижного экрана или движущихся ремней под его колесами. Погрешность измерений в трубе составляет ± 1 %.

Рис. 50. Аэродинамическая труба фирмы Фольксваген:

1—место установки автомобиля; 2 и 7—диффузоры; 3—коллектор; 4—шторы экспериментальной камеры; 5—электродвигатель привода вентилятора; 6—вентилятор; 8—угловой отражатель; 9—охладитель; 10—выпрямитель; 11—турбулентный фильтр; 12—антикамера диффузора; 13— аэродинамические весы; 14— испытательный стенд; 15—пульт управления; 16—центр обработки результатов; 17—мастерская; 18—бюро; 19—машины холодильной камеры

Аэродинамическими трубами в г. Штутгарте пользуются-ведущие автомобильные фирмы ФРГ, но фирма Фольксваген имеет собственную аэродинамическую трубу в г. Вольдебурге, используемую одновременно для климатических испытаний. Она отличается не только своими размерами, но и оснащенностью самыми современными средствами измерений.

Аэродинамическая труба фирмы Фольксваген (рис. 50) представляет собой систему труб четырехугольной формы и каждое ее колено занимает одну сторону большого четырехугольного здания. В наиболее узкой части ширина трубы 8 м, в наиболее широкой — около 14 м. Поток воздуха создается осевым вентилятором диаметром 9 м, колесо которого имеет лопатки с переменным углом наклона. Скорость потока в открытой части трубы около 150 км/ч. Воздух, нагнетаемый вентилятором 6 попадает через два угловых отражателя 8 в антикамеру 12 диффузора, где установлен охладитель 9, позволяющий понижать температуру воздуха до —20° С. Максимальная температура воздуха в трубе может достигать + 45° С.

Силы и моменты, действующие на испытуемый автомобиль, замеряют самобалансирующимися шестикомпонентными механическими весами. Поворотная станина, на которой смонтированы весы, позволяет поворачивать исследуемый автомобиль на любой угол по отношению к продольной оси трубы, т. е. к направлению воздушного потока.

Различные виды сопротивления имитируются стендом с беговыми барабанами при помощи программного устройства. Благодаря наличию в трубе климатической установки и стенда с беговыми барабанами можно имитировать самые разнообразные условия эксплуатации автомобиля и проводить исследования не только его аэродинамических качеств, но и анализировать работу систем охлаждения двигателей, вентиляции и отопления кузовов применительно к разным климатическим условиям.

Для проведения испытаний с понижением или повышением температуры, открытую рабочую часть трубы можно закрывать передвижной теплоизоляционной оболочкой. Схема применяемой холодильной установки показана на рис. 51. Регулирование температуры осуществляется двухступенчатым компрессором мощностью 2300 квт. Парообразное охлаждающее вещество фриген сжижается в конденсаторе, откуда оно поступает через сепаратор в испаритель, где охлаждает трихлорэтилен, циркулирующий через охладитель, установленный непосредственно в аэродинамической трубе. Мощность холодильной установки составляет 2-10⁶ ккал/ч.

Пульт управления и центр обработки результатов, имеющий специальное электронно-счетное управляющее устройство, расположены возле рабочей части трубы. Все необходимые данные (давление, температуру, влажность воздуха и т. п.) регистрируют датчиками, сигналы которых суммируют в электронном блоке управления, анализируют и выдают в готовом виде. Контроль за режимом испытаний осуществляют при помощи специального вычислительного устройства. Перед началом исследований программу испытаний в цифровом виде закладывают в ЭЦВМ. Схема управления трубой показана на рис. 52.

Во Франции с 1946 г. для испытания автомобилей построены две аэродинамических трубы: большая, размером 7,9x15,8 м и малая (для испытания моделей) размером 1,82X2,125 м.

Рис. 51. Схема холодильной установки аэродинамической трубы фирмы Фольксваген:

1—охладитель воды; 2—горячая вода; 3—охлаждающая вода; 4—холодильная башня; 5—конденсатор; 6—электродвигатель; 7—компрессор; 8—испаритель; 9—сепаратор; 10—клапан, 11—теплообменник

В Италии испытания моделей автомобилей в аэродинамических трубах (преимущественно автобусов и гоночных автомобилей) проводит фирма Фиат.

Следует отметить также предназначенные для испытаний автомобилей две трубы английской научно-исследовательской организации MJRA, эксплуатируемые с 1960 г. Одна труба, используемая для исследования моделей в 1/4 натуральной величины, имеет размер рабочей части 2,048x1,024 м и в ней создают скорость потока 160 км/ч. Другая труба используется для испытания автомобилей в натуральную величину.

Рабочая часть большой трубы имеет длину 15,2 м, ширину 7,9 м, высоту 4,4 м и в ней создают скорость потока 130 км/ч. Труба оборудована шестикомпонентными весами и динамометрическим стендом для снятия тяговых характеристик автомобилей. Для замера аэродинамических сил автомобиль устанавливают на круглую стальную платформу диаметром 3,81 м, укрепленную на уровне пола и поворачивающуюся вместе с автомобилем в каждую сторону на угол 90°.

Рис. 52. Схема управления аэродинамической трубой фирмы Фольксваген

Угол поворота фиксируется с точностью до 0,5°. Управляют испытаниями из специальной кабины, где осуществлена также и регистрация показаний приборов.

Испытания автомобильных моделей в аэродинамических трубах регулярно проводят в Голландии и Швеции (Стокгольмский технический университет). Модели всех автомобилей завода Татра (ЧССР) проходят испытания в аэродинамической трубе.

Широкий круг аэродинамических испытаний осуществляют ведущие автомобильные фирмы США: Крайслер, Форд, Джиемси. Для этих целей фирмы используют аэродинамические трубы, установленные в университетах, и проводят эти испытания преимущественно с моделями автомобилей. Фирмой Форд в 1929 г. была построена первая аэродинамическая труба, предназначенная специально для испытаний моделей легковых автомобилей в 1/4 натуральной величины, а в 1936 г. была создана труба для испытаний автомобилей в натуральную величину.

Труба фирмы Форд для испытания моделей представляет собой обычную низкоскоростную трубу замкнутого типа с закрытой рабочей частью прямоугольного сечения 2,36X3,66 м, доступ в которую осуществляется через широкие во всю высоту сечения двери по обе стороны трубы. Тяжелые модели устанавливают при помощи тельфера и верхнего люка. Наблюдают за экспериментом и фотографируют модели, находящиеся в трубе, через широкие окна из небьющегося стекла. Шестикомпонентные аэродинамические весы пирамидальной конструкции размещают под полом рабочей части. Аэродинамические, силы и моменты регистрируют на пульте управления. Погрешность измерений составляет 0,1%.

Для имитации взаимодействия автомобиля с дорогой фирма Форд обычно использует установку модели над неподвижным экраном, занимающим всю ширину рабочей части трубы. Для выравнивания давления на верхнюю и нижнюю поверхности экрана его задний край имеет подвижный элерон из трех секций, которые могут отклоняться вверх и вниз. На переднем крае экрана и в центрах секций элерона имеются отверстия для замера давления воздуха. Скорости воздушного потока изменяются ступенями в пределах 126—320 км/ч с интервалом 32 км/ч; угол натекания воздушного потока меняется в пределах 40° с интервалом 5°.

Большая труба имеет площадь рабочего сечения 10,2 м², скорость потока 33,3 м/сек; рабочая часть трубы оборудована беговыми барабанами. Специальная установка позволяет создавать температурные условия от —29° до +50° С. В трубе можно испытывать и отдельные части кузова, радиаторы и т. д.

В связи с возросшим объемом исследований в 1959— 1966 гг. фирмой Форд была построена и введена в эксплуатацию труба еще больших размеров, позволяющая имитировать условия работы автомобилей в самых широких пределах. Труба замкнутого типа с шестилопостным вентилятором диаметром 7,5 м, имела длину 9,15 м, ширину 6,1 м и высоту 3,8 м. Скорость воздушного потока достигла 62,5 м/с (224 км/ч). Неравномерность потока в рабочей зоне не превышала 3%. Степень затенения автомобилем рабочего сечения трубы была равна 8—10%. В трубе было возможно изменение влажности и температуры воздуха (от —20 до +70° С), атмосферного давления, количества выпадающих осадков; для имитации солнечного излучения на потолке рабочей части было установлено 240 ламп.

Труба, созданная в аэродинамической лаборатории Института механики при МГУ и использованная для ряда экспериментов с моделями автомобилей, была показана ранее (см. рис. 48). Это замкнутая, одноканальная труба с открытой рабочей частью эллиптического сечения. Размеры ее рабочей части следующие: большая ось 4000 мм, малая ось 2330 мм, длина 4000 мм. Вентилятор—шестилопастный диаметром 440 мм с мощностью двигателя 2060 квт. Возможная максимальная скорость в рабочей части u = 100 м/с. Критическое число Рейнольдса, соответствующее начальной турбулентности в рабочей части трубы, Re_Kp = 375 000.

В России большая часть аэродинамических испытаний моделей автомобилей проводилась в трубе, установленной в Казанском авиационном институте. Эта труба того же типа, как и показанная на рис. 48, но с круглым сечением рабочей части (диаметром 2,25 м). Максимальная скорость потока u = 62 м/с; критическое число Re_KP = 334 000.

Возможность проведения испытаний автомобилей и их моделей в аэродинамических трубах определяется выполнением требований, предъявляемых к измерительным приборам и к самой трубе. Одно из основных требований к трубе — возможность создания воздушного потока высокого качества, которое зависит от того, как изменяется скорость потока в рабочей части во времени и по продольной и главным осям ее поперечного сечения.

Очень важно, чтобы в рабочей части трубы поддерживалась область воздушного потока возможно большего сечения, в которой сохранялось бы поле равномерных прямолинейных скоростей, а область снижения скоростей была бы возможно меньшей. Градиент статического давления по всей длине рабочей части должен отсутствовать, чтобы не менялись условия испытания различных частей автомобилей. Недопустимым считается изменение скорости воздушного потока, превышающее 1%. Для современных высококачественных труб отклонение скорости воздушного потока в отдельных точках рабочей части трубы от ее среднего значения не должно превышать 0,8%.

Рис. 53. Диаграмма для определения степени турбулентности аэродинамической трубы

Другое важное требование, предъявляемое к аэродинамической трубе, малая начальная турбулентность в ее рабочей части. Степень турбулентности каждой трубы определяют во время продувки шара диаметром 150 мм при различных скоростях воздушного потока и в процессе построения кривой зависимости коэффициента лобового сопротивления с_х в функции числа Re. По этой зависимости находят значение Re при с_х = 0,3 (число Re_Kp для трубы), а затем, пользуясь специальной диаграммой рис. 53, степень турбулентности е. Чем выше Re_Kp для трубы, тем меньше величина начальной турбулентности и однороднее будет воздушный поток. В атмосферных условиях для шара Re_KP = 36 500.

Автор: Е.В. Михайловский