Тема 5 аэродинамические свойства машины

5.1. Аэродинамические характеристики машины

При натекании воздушного потока на машину действуют полная аэродинамическая сила и полный аэродинамический момент. Полная аэродинамическая сила Р_w - это равнодействующая всех элементарных аэродинамических сил, действующих на поверхность машины. Полный аэродинамический момент M_w- это результирующий момент, создаваемый всеми действующими на машину аэродинамическими силами.

Полная аэродинамическая сила и полный аэродинамический момент определяются из выражений:

где C_w и m_w - коэффициенты полной аэродинамической силы и момента соответственно; F - площадь миделевого сечения машины; ρ - плотность воздуха; V_∞ - скорость натекания невозмущенного воздушного потока; Б - характерный размер (база машины).

Значение и степень воздействия силы P_w и момента M_w зависят от конструкции, формы и обтекаемости машины и характеризуют ее аэродинамические свойства.

Наиболее важным является рассмотрение аэродинамических свойств скоростных колесных машин, к которым относятся легковые автомобили, междугородные автобусы и магистральные автопоезда.

На рис. 5.1 показана схема действующих на автомобиль аэродинамических сил и моментов, которые являются проекциями полной аэродинамической силы на оси X, Y, Z, начало которых совмещено с центром масс Ц _т машины, и полного аэродинамического момента относительно этих осей в связанной системе координат.

Численные значения аэродинамических сил и моментов определяются по следующим формулам.

Сила лобового сопротивления

где С_x - коэффициент аэродинамического сопротивления.

Боковая сила

где С_у - коэффициент боковой силы.

Рис. 5.1. Схема аэродинамических сил и моментов, действующих на автомобиль: Ц_т - центр масс автомобиля; Ц_м - метацентр; а_м - плечо приложения аэродинамической силы; β - угол натекания воздушного потока; Р_х - сила лобового сопротивления; Р_y - боковая сила; Р_z - подъемная сила; М_х - момент крена; М_у - опрокидывающий момент (момент тангажа); M_z - поворачивающий момент (момент рысканья)

Подъемная сила

где C_z - коэффициент подъемной силы.

Момент крена

где т_х - коэффициент момента крена; В - поперечная база машины.

Опрокидывающий момент (момент тангажа)

где т_у - коэффициент опрокидывающего момента; L - продольная база машины.

Поворачивающий момент (момент рысканья)

где т_г - коэффициент поворачивающего момента.

Коэффициенты полной аэродинамической силы C_w и момента m_w

Сила лобового сопротивления Р_х существенно влияет на затраты мощности при движении автомобиля с высокой скоростью. Боковая сила Р_у возникает при кососимметричном обтекании колесной машины под действием бокового ветра. Подъемная сила Р_z является результатом действия большего давления на днище машины, чем на крышу.

Точка Ц_м (см. рис. 5.1) приложения равнодействующей аэродинамических сил называется метацентром. Расстояние а_м от центра масс машины до метацентра называется плечом приложения аэродинамической силы, создающей момент, стремящийся повернуть автомобиль. Под действием поворачивающего момента машина стремится встать перпендикулярно направлению воздушного потока, если он не совпадает с ее продольной осью. Однако за счет сил трения в зоне контакта шин с дорогой машина движется в заданном направлении.

У автомобиля обтекаемой формы поворачивающий момент будет больше, чем у необтекаемого, из-за большей величины этого плеча. Размер плеча а_м приложения аэродинамической силы наряду с высотой метацентра определяет аэродинамическую устойчивость машины при воздействии продольных и боковых ветров. В идеальном случае - при совпадении центра масс и метацентра - аэродинамический момент равен нулю. Однако в реальных условиях центр масс машины и ее метацентр, как правило, не совпадают. При этом, если равнодействующая аэродинамических сил проходит впереди центра масс, то машина поворачивается по направлению ветра, т.е. она аэродинамически неустойчива.

Сила аэродинамического сопротивления тела, перемещающегося в воздушной среде, определяется коэффициентом аэродинамического сопротивления, площадью миделевого сечения, плотностью воздуха, скоростью натекания воздушного потока и рассчитывается по формуле, выведенной из основных положении гидромеханики:

(5.1)

где С_х - коэффициент аэродинамического сопротивления (обтекаемости); q - скоростной, или динамический, напор; F- плошадь миделевого сечения, т.е. наибольшая площадь сечения тела в плоскости, перпендикулярной направлению его движения.

С учетом того, что , выражение (5.1) примет вид:

(5.2)

В теории автомобиля величину принято обозначать как фактор обтекаемости KF. Тогда выражение (5.2) можно представить в виде известной в теории автомобиля формулы:

В этой формуле скорость натекания невозмущенного воздушного потока V_∞ измеряется в километрах в час, за счет этого появляется переходный коэффициент 3,6.

Следует учитывать, что скорость V_∞ натекания потока может меняться в зависимости от скорости V_B и угла натекания β бокового ветра. Для оценки влияния скорости и направления ветра можно использовать следующее выражение:

где V_a - скорость движения автомобиля.

При отсутствии ветра V_∞=V_a. Если ветер направлен против движения, то V_∞=V_a. + V_B. При совпадении направления ветра с направлением движения автомобиля V_∞=V_a - V_B.

Аэродинамическое сопротивление имеет пять основных составляющих:

- Сопротивление формы Р_WФ является результирующей всех элементарных сил нормального давления, действующих на внешнюю поверхность кабины и кузова. Оно определяется обтекаемостью форм их продольного и поперечного сечений.

- Сопротивление трения P_WT - результирующая всех касательных сил, действующих на внешнюю поверхность кабины и кузова, зависящая от касательных напряжений в зоне пограничного слоя. Для обеспечения минимального значения сопротивления трения необходимо, чтобы касательные напряжения были малы, тогда пограничный слой сохранит свою ламинарность. В противном случае - при больших касательных напряжениях - он переходит в турбулентное состояние, что сопровождается отрывом потока и возникновением вихрей.

- Сопротивление внутренних потоков P_WB возникает из-за торможения и потери энергии встречного воздуха, забираемого в системы охлаждения двигателя и вентиляции кабины и кузова, и зависит от их конструктивного исполнения и расхода воздуха.

- Индуктивное сопротивление P_WИ обусловлено возникновением действующей на машину подъемной силы и перетеканием с вихреобразованиями воздушных потоков из подднищевой зоны вверх по боковым стенкам кабины и кузова (ввиду разности давлений на днище машины и ее крыше) и зависит от ее конструктивного исполнения, структуры и объема перемещающегося под ней воздушного потока.

- Дополнительное сопротивление P_WД связано с наличием на поверхностях кабины и кузова мелких, выступающих за их габариты, конструктивных элементов (дверных ручек, зеркал, антенн, габаритных фонарей и т.д.). Оно определяется как числом этих элементов, так и уровнем их обтекаемости.