Связь дизайна и аэродинамики колесной машины

 

 

При выборе формы кузова дизайнер осуществляет синтез проработок кузова с учетом предъявленных к нему требований относительно:

• объема салона, багажника, подкапотного пространства;

• размещения водителя и пассажиров в соответствии с эргономическими нормами;

• месторасположения двигателя, топливного бака и запасного колеса;

• доступности и достаточной обзорности через дверные проемы и окна;

• соблюдения стандартизированных норм на бамперы, светотехнику, номерные знаки и т.д.

В свою очередь, специалист по аэродинамике оценивает и проверяет полученные аэродинамические характеристики, в которых реализованы предложенные формы кузова, и предлагает дизайнеру варианты ее улучшения.

Наиболее ответственным этапом аэродинамического проектирования кузова является отработка его внешней формы.

Процесс формообразования кузова уже на ранней его стадии следует вести по трем направлениям: художественное проектирование, аэродинамическое проектирование и эргономическое проектирование.

На рис. 5.2 показан алгоритм формообразования автомобильного кузова.

Такой системный подход позволяет своевременно учесть все замечания и предложения дизайнеров, специалистов в области аэродинамики и эргономики по изменению внешней формы кузова до изготовления натурного пластилинового макета проектируемого автомобиля.

Аэродинамическое проектирование в этом процессе занимает важное место и направлено на решение целого ряда задач (рис. 5.3).

Основным направлением аэродинамического проектирования является отработка внешней аэродинамики кузова, поскольку уровень его обтекаемости непосредственно влияет на топливную экономичность, динамику, безопасность транспортного средства. При этом отработка внешней аэродинамики имеет целью получение наилучших аэродинамических характеристик транспортного средства путем оптимизации формы кузова, его расположения относительно поверхности дороги и улучшения обтекаемости отдельных конструктивных элементов.

На рис. 5.4. приведен алгоритм аэродинамического проектирования автомобиля.

 

Рис. 5.2. Алгоритм формообразования автомобильного кузова

Рис. 5.3. Задачи аэродинамического проектирования автомобиля

 

 

5.3. Влияние аэродинамики на потребительские свойства колесной машины

 

 

Совершенствование аэродинамических характеристик скоростных автотранспортных средств позволяет заметно улучшить их технико-экономические показатели. Снижение коэффициента аэродинамического сопротивления обеспечивает повышение топливной экономичности и скоростных свойств АТС. Уменьшение коэффициента боковой и подъемной силы улучшает показатели управляемости и устойчивости автотранспортных средств. Оптимизация характера обтекания подднищевой зоны и кормовой части уменьшает аэродинамическое сопротивление АТС и уровень их загрязняемости, а также улучшает экологию окружающей среды.

Рис. 5.4. Алгоритм аэродинамического проектирования автомобиля

 

Основной составляющей аэродинамического сопротивления автомобиля является сопротивление формы. Форма автомобильного кузова определяет величину и месторасположение зон повышенного и пониженного давления, а также источников вихреобразований при взаимодействии кузова с потоком воздуха. На образование и сход вихрей с поверхности кузова тратится значительное количество энергии, восполняемой двигателем автомобиля, потребляющим на это дополнительное количество топлива. Поэтому при создании высокообтекаемых кузовов необходимо устранить зоны повышенного и пониженного давления воздуха, а также отрывные течения и вихреобразования, обеспечив, по возможности, безотрывное обтекание кузова воздухом при движении автомобиля во всем диапазоне рабочих скоростей с учетом воздействия боковых ветров. Для этого при проектировании кузова особое внимание следует уделять отработке формы его носовой части, поскольку она наряду с кормовой определяет характер обтекания автомобиля воздухом. Обтекаемость носовой части кузова зависит от углов наклона облицовки радиатора, капота и ветрового стекла.

Помимо углов наклона облицовки радиатора, капота и ветрового стекла на обтекаемость носовой части кузова влияет степень закругления верхней и боковых фронтальных кромок капота. Если эти фронтальные кромки острые или закруглены малым радиусом, то при натекании воздушного потока за ними образуются отрывные течения, увеличивающие аэродинамическое сопротивление автомобиля. Закругление фронтальных кромок капота устраняет эти отрывные течения и улучшает обтекаемость носовой части кузова.

Наряду с носовой частью на обтекаемость автомобиля влияет Форма кормовой части кузова. Форма задней панели кузова и угол ее наклона в совокупности с формой крыши оказывают решающее влияние на характер обтекания воздушным потоком кормовой части автомобиля, структуру поля скоростей и давлений в следе за ним, определяя в значительной мере величину аэродинамического сопротивления автомобиля.

Основными направлениями и приемами совершенствования аэродинамики легковых автомобилей являются:

• увеличение углов наклона облицовки радиатора, крышки капота, ветрового стекла и радиусов закругления фронтальных кромок кузова, т.е. оптимизация контурного фактора за счет снижения удельного веса отрывных течений;

• придание передку автомобиля и его ветровому стеклу цилиндрической формы в плане;

• удаление с поверхности кузова всех выступающих элементов конструкции или их тщательная аэродинамическая отработка, в том числе выполнение заподлицо с кузовом остекления, устранение водостоков и т.д.;

• создание кузовов каплеобразной формы с безотрывным обтеканием;

• разработка систем организованного и дозированного забора и выброса воздуха для охлаждения радиатора и двигателя, а также вентиляции и охлаждения салона;

• применение гладкого днища с организацией безвихревого протекания воздушных потоков в подднищевой зоне;

• установка кузова с отрицательным углом тангажа в сочетании с оптимальным дорожным просветом, регулируемым в зависимости от условий движения автомобиля;

• тщательная герметизация мест соединения и касания панелей капота, дверей и крышки багажника с кузовом;

• оптимизация формы переднего буфера с переходом его в нижнюю панель и облицовку радиатора в совокупности с применением небольшого по высоте переднего спойлера;

• использование задних спойлеров;

• установка специальных аэродинамических колпаков на колесах и частичное перекрытие задних колес;

• разработка и применение специальных конструктивных элементов и решений по снижению загрязняемости, а также уровня аэродинамического шума автомобилей.

Наряду со снижением коэффициента С_х необходимо уменьшать площадь миделевого сечения F проектируемого автомобиля, поскольку затраты мощности и расход топлива на преодоление его аэродинамического сопротивления зависят от величины C_x F.

Возможности снижения аэродинамического сопротивления автобусов, учитывая их значительные лобовые площади, в сравнении с легковыми автомобилями существенно ниже.

Основными направлениями работ по снижению аэродинамических потерь и улучшению обтекаемости междугородных автобусов являются:

• отработка носовой части с увеличением радиусов закругления фронтальных кромок кузова;

• устранение с лобовой панели зон забора воздуха для охлаждения двигателя, а также источников дополнительного сопротивления;

• повышение степени гладкости кузова с применением установленных заподлицо с ним приклеиваемых стекол;

• улучшение протекания потоков в подднищевой зоне путем тщательной отработки днища в сочетании с оптимизацией дорожного просвета и установкой кузова с отрицательным тангажом.

Среди всех конструктивных факторов, влияющих на аэродинамическое сопротивление автобусов, определяющим является форма лобовой части кузова в сочетании, как уже отмечалось, с величиной радиусов закругления его фронтальных кромок.

Оптимальными с точки зрения снижения аэродинамического сопротивления автобуса являются следующие соотношения радиуса R закругления и ширины В_к кузова: для верхней кромки 0,04< R/B_K < 0,08; для боковых кромок 0,06< R/B_K< 0,1.

Основным направлением улучшения аэродинамики магистральных автопоездов является совершенствование их аэродинамических характеристик путем оптимизации влияющих на обтекаемость конструктивных параметров:

• отработка формы кабины в целом и ее лобовой панели с устранением находящихся на ней мелких выступающих элементов;

• уменьшение превышения кузова над кабиной;

• увеличение угла наклона лобового стекла кабины;

• применение укороченной, обтекаемой, высокой кабины с размещением в ее верхней части спального места водителя;

• использование гладких цельнометаллических кузовов и уменьшение количества находящихся на них мелких конструктивных элементов;

• увеличение радиуса закругления фронтальных кромок кабин (увеличенной высоты - до 75... 150 мм, высоких обтекаемых - до 150...450 мм);

• уменьшение расстояния между кабиной и кузовом (для седельных автопоездов) и между тягачом и прицепом (для прицепных) до минимально необходимого для обеспечения кинематики поворота автопоезда;

• оптимизация сочетания кабины и кузова с учетом их формы и взаимовлияния при работе в составе автопоезда;

• уменьшение расстояния от переднего буфера до дороги и использование элементов плоского днища на тягаче для снижения аэродинамических потерь в подднищевой зоне;

• отработка систем забора и выпуска воздуха для охлаждения Двигателя и вентиляции кабины;

• улучшение характера обтекания кормовой части автопоезда для уменьшения зоны отрицательных давлений на задней стенке кузова и спутного следа за ним;

• применение вместо сдвоенных колес одинарных с широкопрофильными или низкопрофильными шинами, закрытых нижними боковыми щитками.

Среди перечисленных конструктивных мероприятий по совершенствованию аэродинамики магистральных автопоездов наиболее эффективным является улучшение обтекаемости их головной части, зависящей от типа и формы кабины.

В настоящее время наблюдается тенденция к использованию на магистральных автопоездах кабин увеличенной высоты, имеющих существенно лучшие показатели обтекаемости, чем серийные низкие. Это объясняется более совершенной формой их лобовой панели, в том числе в плане, а также большими радиусами закругления фронтальных кромок. При этом закругление нижней фронтальной кромки достигается установкой нижнего обтекателя под передним буфером.

Высокая обтекаемая кабина при правильно спроектированной лобовой панели может иметь безотрывное обтекание, а поскольку такая кабина имеет одинаковую с кузовом ширину и высоту, то при минимизации зазора между ними создаются предпосылки для перетекания воздушного потока с поверхности кабины непосредственно на крышу и боковые стенки кузова. Высокая кабина обеспечивает заметное уменьшение аэродинамического сопротивления автопоезда по отношению к исходной низкой во всем диапазоне изменения угла натекания потока. При этом наибольшее снижение коэффициента С_х аэродинамического сопротивления автопоезда дает установка высокой кабины с эллиптической лобовой поверхностью и значительными радиусами закругления боковых фронтальных кромок.

Вторым направлением улучшения обтекаемости магистральных автопоездов является использование внешних аэродинамических устройств. Это может реализовываться при модернизации плохо обтекаемых серийных автопоездов.

Установка навесных аэродинамических элементов позволяет без изменения основных формообразующих элементов кабины и кузова и без больших капиталовложений существенно улучшить аэродинамические характеристики магистральных автопоездов.

Эффективность применения внешних аэродинамических устройств определяется целесообразностью их установки на том или ином автопоезде, а также правильностью выбора типа и месторасположения устройства.

На рис. 5.5 показаны зоны установки навесных аэродинамических элементов на седельном и прицепном автопоездах, а также достигаемое при этом снижение ΔС_Х аэродинамического сопротивления. Установка комплектов навесных аэродинамических элементов на седельном и прицепном автопоездах снижает значение их коэффициента С_х аэродинамического сопротивления при нулевом угле натекания потока на 41 и 45 % соответственно. Следует отметить, что значительное снижение коэффициента С_х при кососимметрическом натекании воздушного потока обеспечивается благодаря установке задних боковых щитков на кабине и кузове и нижних боковых щитков на тягаче и прицепе.

Возможное снижение коэффициента С_х автопоездов седельного и прицепного типа за счет отработки их формы и применения внешних аэродинамических устройств показано на рис. 5.6.

Аэродинамическое сопротивление является одной из основных составляющих мощностного и топливного балансов скоростных автотранспортных средств. При этом доля затрат мощности и расхода топлива на преодоление аэродинамического сопротивления автомобиля зависит от его типа, степени обтекаемости, лобовой площади, скорости движения, параметров атмосферы и натекающего воздушного потока.

При больших скоростях движения затраты мощности и топлива на преодоление аэродинамических потерь значительно возрастают и становятся преобладающими над остальными видами сопротивления движению автомобиля. По мере увеличения скорости аэродинамическое сопротивление автопоезда и расход топлива интенсивно возрастают.

Снижение аэродинамического сопротивления позволяет повысить производительность АТС, которая определяется количеством перевезенного груза в тоннах или выполненной транспортной работой в тонно (пассажиро)-километрах за единицу времени. Таким образом, повышение производительности обеспечивается как увеличением количества перевезенного груза (пассажиров), так и ростом скорости движения АТС.

Снижение аэродинамического сопротивления наряду с экономией топлива позволяет повысить скоростные и динамические качества АТС, влияющие на производительность и среднюю техническую скорость движения, которая в свою очередь зависит от их максимальной скорости. Так как снижение аэродинамического сопротивления позволяет существенно повысить максимальную скорость АТС, то возрастает и их производительность.

Улучшение обтекаемости кабины и кузова способствует повышению безопасности и экологичности автомобилей и автопоездов.

Рис. 5.5. Схема установки аэродинамических устройств на седельном (а) и прицепном (б) автопоездах и достигаемое при этом снижение ΔС_X коэффициента аэродинамического сопротивления

 

Рис. 5.6. Снижение коэффициента С_х седельного (а) и прицепного (б) автопоездов путем отработки формы и применения внешних аэродинамических устройств

Важным вопросом является снижение загрязняемости автомобилей и автопоездов и их вредного воздействия на окружающую среду.

Магистральные автопоезда, двигаясь по влажным автотрассам с высокими скоростями, интенсивно загрязняются сами и создают вокруг себя значительные по протяженности вихревые структуры, насыщенные грязеводяной суспензией, которая, осаждаясь на обочинах, загрязняет окружающую среду. Кроме того, отмеченные явления ухудшают обзорность с рабочего места водителей автотранспортных средств, и снижает безопасность движения.

Основные причины этих явлений: наличие большого числа незакрытых вращающихся колес, повышенное давление в подднищевой зоне и пониженное на крыше кузова и кабины. Открытые колеса разбрызгивают значительный объем грязеводяной суспензии, часть которой в виде мелкодисперсной влажной пыли поднимается и распространяется по обеим сторонам автопоезда, затрудняя его обгон и загрязняя окружающую среду. Другая часть подхватывается и увлекается поперечными кольцевыми вихрями, индуцированными разностью давлений на днище и крыше, на боковые стенки кабины и кузова. Наконец, отбрасываемые задними колесами частицы воды и грязи, соединяясь с двигающейся по бокам автопоезда массой загрязненного воздуха, попадают в образующийся за кузовом из-за разрежения на его задней стенке вихревой спутный след, интенсивно загрязняя ее, двигающийся сзади автотранспорт и прилегающую к шоссе территорию.

Поэтому магистральные автопоезда должны оборудоваться специальными брызговиками, удерживающими отбрасываемую колесами воду и грязь.

Заметное влияние на экологичность и эргономичность автомобиля оказывает аэродинамический шум, причиной возникновения которого являются отрывные течения, возникающие за острыми фронтальными кромками кабины и кузова. Аэродинамический шум, создаваемый при движении АТС, подразделяется на внутренний, и внешний. Внутренний шум определяет комфортность условий работы водителя и относится к числу эргономических факторов, влияющих на безопасность движения. Внешний шум определяет степень воздействия двигающегося АТС на окружающую среду и является экологическим фактором.

Основными источниками шума при движении АТС являются: двигатель, его система питания, забора воздуха и выброса отработавших газов; трансмиссия; шины; поверхность кузова.

Общий внутренний шум двигающегося АТС состоит из трех основных составляющих: остаточного, аспираторного и аэродинамического.

Остаточный шум - это внутренний шум, создаваемый двигателем, системой выпуска отработавших газов, вспомогательным оборудованием, трансмиссией, шинами и зависящий только от скорости движения самого АТС.

Аспираторный шум - это часть общего шума в кабине (салоне) АТС, возникающего из-за проникновения воздуха сквозь некачественные уплотнения окон и дверей внутрь кабины (салона) или выходом за ее пределы. Эта часть шума определяется при двух состояниях уплотнений окон и дверей кабины (салона): стандартном и герметизированном.

Аэродинамический шум - это разность между общим шумом и остаточным и аспираторным. В отличие от остаточного, величина аэродинамического шума зависит от скорости натекания воздушного потока.

В целом имеется три основных источника возникновения аэродинамического шума в салоне: местный отрыв воздушного потока от поверхности кузова; «громыхание», возникающее при открытых боковых стеклах или люке крыши, при этом столб воздуха внутри автомобиля возбуждается внешним потоком и салон становится резонатором; перетекание воздуха из-за недостаточного уплотнения дверных проемов, а также крышек капота и багажника.

Источником аэродинамических шумов кроме самого салона и кузова являются и другие системы и элементы автомобиля (вентиляторы, воздухозаборные и вытяжные отверстия, шины) из-за их неоптимальной с точки зрения обтекаемости формы и наличия острых фронтальных кромок и дополнительных элементов на их поверхности.

Для снижения уровня внешнего и внутреннего аэродинамического шума необходимо улучшать обтекаемость автомобиля путем отработки формы кузова (кабины) и увеличения радиуса закругления их фронтальных кромок.

ТЕМА 6

СИСТЕМА «ЧЕЛОВЕК-МАШИНА-ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»