Исследование аэродинамики автомобиля

            НАУЧНАЯ МЫСЛЬ


СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ


В.В. BEP^UKUU Й.В. OCTPEUOB




                ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ АВТОМОБИЛЯ





МОНОГРАФИЯ



znanium.com

Москва ИНФРА-М 2021

УДК 656.1(075.4)
ББК 39.33
      Б51












       Бернацкий В.В.
Б51 Исследование аэродинамики автомобиля : монография / В.В. Бернацкий, А.В. Острецов. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 256 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/13329.
          ISBN 978-5-16-016667-4 (print)
          ISBN 978-5-16-103797-3 (online)
          В монографии представлен исторический обзор работ по исследованию аэродинамики автомобиля, рассмотрены основные аэродинамические характеристики автомобиля, конструкции аэродинамических труб. Подробно изложены методики проведения испытаний полноразмерных автомобилей и их моделей в аэродинамических трубах, в дорожных и дорожно-стендовых условиях.

УДК 656.1(075.4)
ББК 39.33
















ISBN 978-5-16-016667-4 (print)
ISBN 978-5-16-103797-3 (online)

© Бернацкий В.В., Острецов А.В., 2015

ВВЕДЕНИЕ


   Аэродинамика - наука, изучающая взаимодействие движущегося тела с окружающей воздушной средой.
   Более или менее серьезно исследователи заинтересовались этим вопросом в конце XIX века в связи с появлением и развитием авиации. Уже тогда создавались аэродинамические трубы для исследований крыльев летательных аппаратов.
   Поначалу аэродинамика как наука развивалась благодаря интуиции и здравому смыслу исследователей. Однако не всегда на это можно полагаться. Гладкое тело без выступающих углов, без каких-либо дополнительных устройств, обтекаемое, с аэродинамически идеальной формой с точки зрения логики и здравого смысла может, тем не менее, обладать большим аэродинамическим сопротивлением по сравнению с телом «не обтекаемой» формы.
   Современный высокий уровень развития вычислительной техники и компьютерного моделирования, также, не позволяет в полной мере определить на стадии проектирования оптимальную аэродинамическую форму кузова автомобиля.
   Достоверные результаты могут быть получены только при проведении экспериментальных исследований аэродинамики автомобиля как на стадии проектирования с использованием модельных испытаний, так и на стадии доводки при испытаниях натурных образцов автомобилей.
   При скорости движения 100 км/ч 75-80% мощности двигателя легкового автомобиля среднего класса расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а, следовательно, снижение сопротивления воздуха позволяет существенно улучшить экономические, экологические, скоростные показатели автомобиля.
   Поэтому в настоящее время аэродинамике автомобиля автопроизводители во всем мире уделяют пристальное внимание.
   Ввиду особой важности вопросов, связанных с исследованием аэродинамических характеристик автомобиля, в монографии наряду с обзором исследований в области аэродинамики, определением основных аэродинамических характеристик автомобиля, систематизирован материал по экспериментальным исследованиям: рассмотрены конструкции аэродинамических труб, методики испытаний автомобилей в аэродинамических трубах, а также методики дорожных испытаний автомобилей в реальных условиях и дорожностендовые испытания.

3

Глава 1.
РАЗВИТИЕ АЭРОДИНАМИКИ АВТОМОБИЛЯ КАК НАУКИ

   Начиная с 20-х годов XX столетия во всем мире наблюдается повышенный интерес к вопросам, связанным с аэродинамикой автомобиля. Появляются автомобили с кузовами обтекаемой формы, проводятся исследования в этой области с использованием различных методик и оборудования. Ниже рассмотрено развитие и использование аэродинамических труб для продувок автомобилей, другого оборудования для испытаний, отмечен вклад основных исследователей, работающих в этой области в промышленно развитых странах, а также показаны автомобили, сыгравшие важную роль в процессе уменьшения значения коэффициента сопротивления воздуха.
   Уже в древности люди использовали то, что заложено в живой природе, обтекаемость тел, быстро перемещающихся в воздушной и водной среде, проводили исследования. Эти вопросы изучали Леонардо да Винчи, Галилей, Ньютон и другие и получили определенные результаты. В дальнейшем получила развитие аэродинамика летательных аппаратов, как более близкая к природе, да и появились летательные аппараты раньше автомобиля в силу извечного желания человека летать.
   В самом начале зарождения аэродинамики как дисциплины, главным образом в интересах воздухоплавания, исследователи пришли к заключению, что для получения экспериментальных данных движение тела в воздухе необходимо заменить движением воздуха относительно тела. Этот принцип был реализован при создании аэродинамической трубы. Аэродинамические трубы, первоначально построенные для исследования аэродинамики самолетов, со временем во всем мире стали также использоваться для продувки моделей автомобилей. Потом появились трубы специально для исследования аэродинамики колесных транспортных средств.
   Первым наземным транспортным средством, которое продули в 1899 г. в аэродинамической трубе, стал железнодорожный поезд. Автомобили начали испытывать в аэродинамических трубах только после первой мировой войны. В настоящее время комплексами для проведения аэродинамических испытаний обладают все крупнейшие автопроизводители мира. Однако появились они не сразу.
   Наряду с испытаниями в аэродинамической трубе существуют и другие методики. Имеющиеся способы аэродинамических испытаний автомобилей в естественных условиях являются очень неудобными и негибкими. Например, в 1927 г. во Франции Вольфард (Wolfard)

4

проводил испытания, устанавливая автомобили на железнодорожной платформе, оборудованной специальными весами. Платформа разгонялась паровозом и затем определялось аэродинамическое сопротивление автомобилей. При таком способе испытаний ветер и погода оставались неконтролируемыми факторами. Тот же недостаток присущ и способу определения аэродинамического сопротивления при движении по инерции, предложенному Хоернером (Hoemer) в 1950 г.
   Основное преимущество натурных испытаний в дорожных условиях заключается в том, что при таких испытаниях естественным образом учитывается влияние поверхности дороги. В аэродинамической трубе правильно смоделировать дорогу трудно, поскольку движется воздух, а не автомобиль.
   Одна из первых аэродинамических труб была построена в 1871 г. в Англии Уэнхамом (Wenham) и Браунингом (Browning). Они использовали ее для экспериментов с крыльями различных форм. Во Франции в 90-х годах XIX столетия Марей (Матеу) при исследовании обтекания тел различных форм в простой трубе использовал дымовой поток. В 1899 г. аэродинамическая труба была применена для изучения обтекания воздушным потоком железнодорожного поезда, который в то время был самым быстрым транспортным средством. В 1901 г. братья Райт (Wright) проводили испытания профилей крыла в аэродинамической трубе, которую сами спроектировали и построили в г. Дейтоне штата Огайо. Со временем экспериментальные аэродинамические исследования становились более общими. Исходя из возможностей конкретных аэродинамических труб и существующего оборудования исследования приобретали местные особенности и традиции. Поэтому исследования по аэродинамике автомобиля в разных странах развивались по-своему.
   Повышенный интерес к аэродинамике легковых автомобилей проявился в начале XX столетия с ростом скоростей движения, совершенствованием дорог, и непосредственно проявился в эволюции форм кузовов. При этом можно выделить три этапа, хотя четких границ по времени между этими этапами провести невозможно. На рис. 1.1 схематически показано развитие аэродинамических форм кузовов легковых автомобилей в разные годы.
   На первом этапе конструкторы автомобильных кузовов, не имея достаточного опыта аэродинамических исследований, заимствовали формы из других областей техники - из судостроения, авиации. Однако для автомобилей эти формы оказались непригодными. Если сделать легковой кузов с задней частью, подобной корме корабля, то на его верхней части и в области шасси остается большое количество


5

выступающих деталей, и общий результат улучшения аэродинамики оказывается ничтожным. Характерные для авиации формы с сильно вытянутой хвостовой частью, также, мало пригодны для эксплуатации автомобиля в обычных условиях, они целесообразны для гоночных автомобилей. К автомобилям с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом, Альфа-Ромео, Румплером и Яраем, появившиеся не столько в связи с изучением законов аэродинамики, сколько в результате чисто механического заимствования форм, используемых в снарядо-, корабле, дирижабле- и самолетостроении.

             1900-                                             
             1930                                              
  Исходные    гт.  ’                     2                    J
   Формы     1921-                                             
             1923                                              
              гт.  4                        5                  
             1922-                                             
             1939                                              
              гт.                       6                      
 Автомобили  1934-                                             
 обтекаемых  1939             --j------------------1           
    форм      гг.           7                        8         
             После                                             
             1955                                              
              г.               9                             10
   Формы,    После                   де» gft                   
 полученные  1974     11                                  12   
оптимизацией  г.                                               
 элементов                                                     

Рис. 1.1. Развитие аэродинамических форм легковых автомобилей:
1 - торпеда; 2 - корпус корабля; 3 - дирижабль; 4 - форма Румплера; 5 -форма Бугатти; б - форма Джерея; 7 - форма Камма; 8 - форма Шлера; 9 -автомобиль Ситроен DS19; 10 - автомобиль NSU; 11,12 - типичные европейские автомобили 80-х годов

6

   В Германии после первой мировой войны осталось мало самолетов, но было много бездействующего оборудования для их испытаний. В связи с этим немецкие исследователи переключились на исследования аэродинамики автомобилей и в этой области опередили других почти на десятилетие.
   Первым в этом, вне сомнения, был Румплер (Rumpier). Этот известный авиаконструктор в 1921 г. представил автомобиль «Тропфенваген» (Tropfenwagen) с кузовом в форме капли и с двигателем, расположенным в задней части, т.е. в форме выпуклого крылового профиля, установленного на колесах (рис. 1.2). Основная идея, заложенная в конструкцию автомобиля Румплера, была основана на интуиции и на опыте самолетостроения. Румплер провел испытания этого автомобиля в Исследовательском бюро Эйффеля (Eiffel) во Франции.


Рис. 1.2. Оригинальный автомобиль «Тропфенваген», построенный Румплером в 1921 г. и испытанный Клемперером

   Он также сравнил свой автомобиль с другими автомобилями того времени (рис. 1.3).


7

Рис. 1.3. Схемы обтекания обычного автомобиля 20-х годов и автомобиля «Тропфенваген» Румплера

   В 1922 г. Клемперер (Klemperer) испытал модель туристического автомобиля Румплера, выполненного с открытым верхом, в аэродинамической трубе самолетостроительного завода «Цеппелин» (Zeppelin). Коэффициент аэродинамического сопротивления модели был равен 0,54, т.е. почти такой же как у современного автомобиля с открытыми колесами или как у автомобиля «Форд файерлэин» (Ford Fairlune) выпуска 1963 г. Румплер также способствовал разработке предложенного Прандтлем (Prandtl) метода учета влияния дороги с помощью зеркального отображения. Прандтль, один из крупнейших ученых в области аэродинамики, работал в Геттингенском университете, который впоследствии присвоил его имя аэродинамической трубе общего типа, наиболее широко используемой в Германии. Эта замкнутая труба с открытой, легко переоборудуемой рабочей частью, схематично показана на рис. 1.4, а на рис. 1.5; 1.6 показаны трубы других типов других стран.


Рис. 1.4. Типичная конструкция немецкой аэродинамической трубы, часто называемой трубой «геттингенгского» типа

8

Рис. 1.5. Конструкция аэродинамической трубы, известной под названием «французская труба»

Рис. 1.6. Аэродинамическая труба, часто называемой «английская труба»

   Имя Джерея (Jaray) неразрывно связано с исследованиями по аэродинамике автомобилей. Предложенные им основные конструктивные идеи используются и в настоящее время. Родившийся в Венгрии Джерей в период 1914-1923 гг. занимал пост руководителя отдела по проектированию и доводке на авиастроительном заводе «Цеппелин». В 1920 г. на этом заводе было закончено строительство аэродинамической трубы с уменьшенной степенью турбулентности потока, и руководство завода начало думать о проектировании, строительстве и испытаниях аэродинамически обтекаемых автомобилей.
   Весной 1921 г. сотрудник Джерея Клемперер получил задание: провести серию испытаний автомобильных форм на моделях, выполненных в масштабе 1:10, для определения аэродинамического сопротивления вблизи поверхности дороги. Некоторые результаты этих исследований приведены на рис. 1.7. Клемперер также исследовал устойчивость, кроме того, изучил распределение давления на поверхности модели, чтобы выбрать наиболее подходящие места для забора и выпуска охлаждающего воздуха.


9

Рис. 1.7. Примеры форм моделей, исследованных в аэродинамической трубе Джереем и его сотрудниками

сопротивления модели, Н

Сида аэродинамического

Модель

Коэффициент аэродинамического сопротивления Относительное значение коэффициента аэродинамического сопротивления, %