Улучшение обтекаемости легкового автомобиля путем совершенствования параметров кузова

Совершенствование аэродинамики легкового автомобиля путем улучшения обтекаемости кузова является одним из направлений повышения его безопасности, топливной экономичности, скоростных и динамических свойств, эр-гономичности и эклогичности. Для разработки мероприятий по улучшению обтекаемости автомобиля на стадии его проектирования необходимы математические зависимости, связывающие аэродинамические характеристики с основными формообразующими параметрами кузова. Наличие таких зависимостей позволит в процессе художественного конструирования целенаправленно вносить изменения в форму кузова, имея при этом возможность количественной оценки степени влияния этих изменений и дополнений на аэродинамические характеристики проектируемого автомобиля.

Одним из путей решения этой задачи является аппроксимация результатов экспериментальных исследований крупномасштабных моделей автомобилей в аэродинамический трубе и получение математических формул, устанавливающих взаимосвязь аэродинамических коэффициентов с конструктивными и установочными параметрами кузова и навесных элементов на нем. При этом важно обеспечить достаточно высокую точность результатов испытаний моделей в аэродинамической трубе, что определяется уровнем их геометрического и кинематического подобия с натурой, а также степенью имитации факторов масштабного моделирования при проведении трубных экспериментов.

На решение этих вопросов и дальнейшее совершенствование аэродинамического проектирования отечественных легковых автомобилей и направлена данная диссертационная работа.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

ДАННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

Вопросам исследования и совершенствования аэродинамических характеристик пассажирских автомобилей посвящены работы отечественных ученых: Я. С. Агейкина, С. Л. Бартеньева, A.C. Безверхого, В. Е. Благоразумова, Ю. С. Виноградова, М. Н. Возного, С. П. Загородникова, А. Н. Евграфова, Ю. Г. Зейтванга, Е. В. Ильина, A.A. Капустина, Е. В. Королева, Д. Р. Кульмухамедова, А. Н. Литвинова, Е. В. Михайловского, А. И. Никитина, В. Н. Парфенова, В. А. Петрушова, В. А. Смирнова, Е. Я. Тура, Ф. М. Узбекова, О. М. Чумакова, а также зарубежных исследователей: С. А. Ахмеда, Р. Бухайма, X. Гетуа, А. Гилхауза, В. Гухо, П. Джерея, В. Камма, Г. Kappa, В. Лея, А. Морелли, Г. Шмитта и других.

С.Л. Бартеньевым в работе [9] рассмотрены вопросы влияния аэродинамических характеристик на управляемость автомобиля. Показано влияние на аэродинамическую устойчивость и управляемость автомобиля формы его кузова, наличия навесных устройств, силы и направления бокового ветра. Отмечается улучшение курсовой устойчивости автомобиля при установке на нем переднего и заднего спойлеров.

A.C. Безверхим выполнен комплекс экспериментальных, расчетных и технологических исследований, направленных на разработку и освоение технологии испытаний натурных автомобилей в большой аэродинамической трубе Научно-исследовательского центра по испытаниям и доводке автомототехники (НИ1ЩАМТ) [10]. По разработанной им методике в большой аэродинамической трубе НИЦИАМТа проведено значительное количество экспериментальных исследований отечественных легковых автомобилей, микроавтобусов, автобусов, грузовых автомобилей. Выполненные исследования и разработанные конструктивные мероприятия по улучшению отечественных автотранспортных средств позволили существенно снизить их аэродинамическое сопротивление и повысить их аэродинамическую устойчивость и управляемость.

В.Е. Благоразумовым исследована взаимосвязь формы кузова с параметрами автомобиля [16]. Исследования были проведены на мелкомасштабной модели, при этом было мало количество исследованных вариантов формы кузова. Поскольку исследования проводились на мелкомасштабной модели, не представляется возможным использовать полученные результаты применительно к натурному легковому автомобилю.

Ю.С. Виноградовым исследовано влияние аэродинамических характеристик на эксплуатационные качества легковых автомобилей [19]. Для определения зависимости аэродинамического сопротивления от угла натекания воздушного потока модели легкового автомобиля были сгруппированы им по определенным признакам. На сегодняшний день такие зависимости представляют особый интерес для исследователей аэродинамики автомобиля. Но в этой работе число групп испытанных автомобилей недостаточно для определения единой для них закономерности. Кроме того, к сожалению, не выявлены закономерности изменения Сх в каждой группе при кососимметричном натекании воздушного потока.

М.Н. Возным исследованы аэродинамические характеристики автобусов [20]. Исследования проводились в аэродинамической трубе на масштабных моделях городских и междугородных автобусов. По результатам исследований установлена степень влияния формы кузова и отдельных элементов его конструкции на аэродинамические характеристики автобуса и прежде всего на его аэродинамическое сопротивление. Отмечается, что основное влияние на характер обтекания автобуса оказывает форма его головной части. Указывается на наличие значительной зоны разряжения на кормовой части автобуса, что вызывает появление за ним длинной спутной струи («вихревого следа»). Из-за этого увеличивается аэродинамическое сопротивление автобуса и загрязняемость заднего стекла. Наряду с этим на обтекаемость автобуса влияет: степень гладкости крыши, оконные и дверные проемы, высота переднего бампера относительно поверхности дороги. Приведены полученные по результатам испытаний масштабных моделей значения коэффициента Сх для, автобусовч различного типа. Показаны возможности повышения топливной экономичности и скоростных качеств автобуса за счет снижения его аэродинамического сопротивления.

С.П. Загородниковым проведен комплекс параметрических исследований масштабных моделей автомобилей ВАЗ в аэродинамической трубе. В работе [62] приведены результаты этих исследований, которые позволили отработать форму кузова перспективного легкового автомобиля ВАЗ с точки зрения его обтекаемости. Получены зависимости, связывающие значения коэффициента аэродинамического сопротивления модели автомобиля с двухобъемным кузовом с рядом его геометрических параметров: углами наклона облицовки радиатора, ветрового и заднего стекол, радиуса закругления фронтальных кромок. Все исследования проводились в присутствии гладкого неподвижного экрана. Как известно, при неподвижном экране возможны погрешности при измерении аэродинамических коэффициентов. В работе [61] сделан подробный анализ способов имитации дорожного полотна, при этом отмечается, что использование гладкого неподвижного аэродинамического экрана дает хорошие результаты при сравнительных испытаниях масштабных моделей в малых аэродинамических трубах. Однако с точки зрения получения реальных значений аэродинамических характеристик проектируемого автомобиля применение неподвижного аэродинамического экрана приводит к заметной погрешности измерений.

А.Н. Евграфовым проведено значительное количество расчетных и экспериментальных исследований в области аэродинамики пассажирских автомобилей и магистральных автопоездов. Им разработаны теоретические основы аэродинамики магистральных автопоездов и методология аэродинамического проектирования на базе численных методов и испытаний их масштабных моделей. Создана и обоснована методика исследований крупномасштабных моделей магистральных автопоездов с учетом загромождения рабочей части аэродинамической трубы и возможности переноса результатов модельных испытаний на натуру [49]. Испытано значительное количество натурных автомобилей и магистральных автопоездов на дорогах НИЦИАМТа и однотипных с ними масштабных моделей в аэродинамической трубе. Сопоставление результатов этих испытаний и их регрессионный анализ позволил получить значения переходных коэффициентов от модели к натуре [43]. Исследованы особенности обтекания и аэродинамические характеристики мототранспортных средств [40]. В работе [57] представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований аэродинамических свойств легковых автомобилей, автобусов, грузовых автомобилей и автопоездов. Рассмотрены вопросы совершенствования методики испытаний масштабных моделей автомобилей и автопоездов в малых аэродинамических трубах.

Е.В. Ильиным [70] исследована аэродинамика подднищевой зоны легкового автомобиля. Им разработана математическая модель обтекания подднищевой зоны, в которой днище имитируется шероховатой пластиной большого удлинения, и методика расчета аэродинамического сопротивления подднищевой зоны автомобиля [68]. Рассмотрены особенности формирования пограничного слоя на днище автомобиля и неподвижном экране, вызывающего увеличение аэродинамического сопротивления и подъемной силы [67]. Экспериментальные исследования масштабных моделей с высоким уровнем подобия выполнены в модельной трубе с уровнем загромождения ее рабочей части не превышавшей 2%. Исследованиями установлено, что погрешность определения коэффициентов Сх и Cz модели при испытаниях с неподвижным аэродинамическим экраном составляет 3% и 5% соответственно. В работе [69] показано влияние вертикального и углового расположения кузова относительно поверхности дороги на аэродинамические характеристики автомобиля. Для снижения аэродинамического сопротивления автомобиля и действующей на него подъемной силы путем улучшения обтекаемости подднищевой зоны предлагается использовать плоское днище в сочетании с отрицательным тангажом кузова.

A.A. Капустиным исследованы особенности обтекания спортивно-гоночных автомобилей с кузовами различного типа [77]. Им разработана методика определения аэродинамического сопротивления спортивно-гоночного автомобиля, учитывающая влияние на его обтекаемость типа и формы кузова, способа установки колес, наличие навесных аэродинамических элементов путем введения специальных оценочных индексов, которые затем суммируются. Для расчетного определения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх спортивно-гоночного автомобиля предлагается следующая формула:

Сх = 0,245 + 0,017Хс, (1.1) где: Хссуммарный индекс аэродинамического сопротивления данной модели автомобиля.

Е.В. Королевым предложен уточненный метод определения профильного сопротивления модели легкового автомобиля, позволяющий сократить объем подготовки и проведения испытаний в аэродинамической трубе [78]. Им усовершенствована методика испытаний масштабных моделей легковых автомобилей в аэродинамической трубе, исследовано влияние величины дорожного просвета на аэродинамические характеристики автомобиля. Сделан вывод о взаимном влиянии основных геометрических параметров формы кузова легкового автомобиля, его передней и задней части на изменение аэродинамических характеристик. Разработанная им методика прогнозирования аэродинамических свойств проектируемого автомобиля, по его мнению, может существенно повысить эффективность и качество исследований при одновременном снижении экономических затрат [83]. Однако в работе нет системного подхода для оценки влияния геометрических и установочных параметров кузова на аэродинамику автомобиля, столь необходимого дизайнеру при его художественном конструировании.

Д.Р. Кульмухамедовым [89] проведены обстоятельные расчетные и экспериментальные исследования легковых автомобилей. При этом использовалась разработанная при его участии оригинальная аэродинамическая установка, в которой воздушный поток создавался тремя авиационными винтовыми двигателями. На этой установке были проведены испытания масштабных моделей и однотипных с ними натурных легковых автомобилей, что позволило получить корреляционные коэффициенты для пересчета результатов модельных испытаний на натуру, величина которых составила: 1,09−1,10. Следует отметить, что масштабные модели имели упрощенное — плоское днище, что отразилось на величине корреляционных коэффициентов. С использованием результатов экспериментальных исследований получены расчетные зависимости для численного определения коэффициента Сх легковых автомобилей с кузовами различного типа. Адекватность результатов расчетных исследований оценивалась сопоставлением с экспериментальными данными, полученными на аэродинамической установке, смонтированной на автополигоне НИЦИАМТа. Было установлено, что погрешность не превышала 5−6%. Приведены значения коэффициента Сх для ряда отечественных и зарубежных легковых автомобилей. Предлагаемая им методика исследований позволяет с помощью эмпирических математических зависимостей для нескольких типов автомобилей оценить зависимость их аэродинамических характеристик от типа кузова и угла натекания воздушного потока.

Е.В. Михайловским и созданной им научной школой выполнен большой объем исследований, охватывающих различные аспекты автомобильной аэродинамики, включая вопросы теории обтекания, методологии аэродинамических испытаний, влияния конструктивных параметров автомобилей на их аэродинамические характеристики. Приведенные в работах [19], [28], [80], [81], [85] результаты экспериментальных исследований, проведенных в аэродинамической трубе в основном на масштабных моделях легковых автомобилей ГАЗ и ВАЗ, позволили установить степень влияния типа, формы и контруктивных параметров кузова на их аэродинамические характеристики. На основании результатов параметрических исследований масштабных моделей с изменявшимися по форме элементами передней, средней и задней части кузова были получены полуэмпирические полиномные зависимости, позволяющие определить значения коэффициента Сх, а также оценить степень влияния ряда конструктивных параметров кузова на аэродинамические характеристики автомобиля. При этом, как правило, не учитывались аэродинамические потери в подкапотном пространстве и подднищевой зоне, что существенно искажало получаемые результаты. Дополнительным недостатком этих расчетных исследований является то, что адекватность их оценивалась сопоставлением с результатами испытаний масштабных моделей, которые, как известно, существенно отличаются от таковых для натурных автомобилей.

Значительное количество интересных и важных в научном плане экспериментальных данных по аэродинамике легковых автомобилей ГАЗ и УАЗ приведено в работах [27], [82]. Исследования проведены в аэродинамической трубе Казанского авиационного института на моделях, выполненных в масштабе 1:5. Отмечается определяющее влияние на аэродинамические характеристики автомобиля формы лобовой поверхности кузова. Указывается на необходимость отработки лобовой части кузова для обеспечения в дальнейшем благоприятного обтекания всего автомобиля в целом. Приведены зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления исследованных моделей автомобилей от угла натекания воздушного потока.

В.А. Петрушовым разработан новый метод определения сопротивления движению автомобиля [105], [106], использование которого позволяет разделить аэродинамическое сопротивление и сопротивление качению по результатам дорожных испытаний. Основой усовершенствованного метода явился найденный способ интегрирования уравнения выбега автомобиля, в котором функция суммарного сопротивления движению описывается полным полиномом второй степени скорости в переменных «путь-время», с исключением скорости движения за счет введения параметров «полное время выбега». В результате получена формула пути выбега в функции полного времени, в которую не входит скорость. При этом отпала необходимость измерения скорости или замедления выбега и тем самым исключена большая группа существенных источников погрешностей измерения. С использованием этого метода было проведено значительное количество дорожных испытаний автомобилей различного типа. По результатам испытаний получены значения коэффициента Сх для целого ряда отечественных и зарубежных автомобилей и автобусов [108]. В работе [109] приведено полученное В. А. Петрушовым уравнение регрессии и предлагается следующая зависимость, связывающая значение коэффициента Смх для масштабной модели с коэффициентом Снх для натурного автомобиля:

Ю.И. Палутиным в работе [101] рассмотрены методические основы совершенствования параметров воздушной среды салонов автомобилей. Предлагается новая методика определения параметров воздушной среды в салоне автомобиля, даются рекомендации по созданию и поддержанию заданных параметров микроклимата в нем, путем повышения качества уплотняющих материалов в дверных и оконных проемах кузова.

Е.Я. Туром [121] исследован целый ряд вопросов, связанных с методикой аэродинамических испытаний масштабных моделей и натурных автомобилей. Им проведены аэродинамические испытания моделей автомобилей на стадии разработки формы кузова [118], проведена сравнительная оценка методов дорожных испытаний автомобилей по определению коэффициента аэродинамического сопротивления [120], предложена методика определения реакций от аэродинамических сил и моментов на передней и задней осях автомобиля.

О.И. Чумаков исследовал аэродинамические характеристики разборной модели легкового автомобиля масштаба 1:5 [127]. Было оценено влияние параметров формы кузова, подкапотного пространства и формы днища на аэродинамическое сопротивление автомобиля. Однако в предложенной им математической зависимости для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления Сх автомобиля изменяемый геометрический параметр кузова только один. Кроме того, базовая форма кузова легкового автомобиля, использованная в его исследованиях, на сегодняшний день сильно устарела.

1.2).

Результаты теоретических исследований влияния ветра на аэродинамическое сопротивление и расход топлива магистральных автомобилей приведены в работе [145]. Исходя из общепринятых предпосылок о лобовом сопротивлении, анализируется работа, необходимая на преодоление сопротивление воздуха и вводится коэффициент, учитывающий увеличение этой работы по сравнению с безветренной погодой. Рассмотрены случаи прямолинейного и криволинейного движения автомобиля, а также езды по круговому маршруту. Для правильной оценки ветровых дорожных условий используется статистический подход. Показано, что увеличение работы, необходимой для преодоления сопротивления воздуха при воздействии ветра, достигает 450% по сравнению с безветренной погодой.

В работах [43], [48], [61], [109] изучено влияние факторов масштабного моделирования на аэродинамические характеристики автомобиля и его масштабных моделей при испытаниях в трубе. Показано, что неполная имитация геометрических и кинематических факторов, а также условий движения натурного автомобиля относительно поверхности дороги на масштабных моделях приводит к значительному, достигающему 30−40%, занижению значения коэффициента Сх. Поэтому при проведении испытаний масштабных моделей необходимо обеспечить наиболее полное подобие с их натурными прототипами по конструктивным параметрам, характеру обтекания и числу Рейнольдса. Установлено, что при соблюдении условий геометрического и кинематического подобия модели и натурного автомобиля между результатами модельных и натурных испытаний существует достаточно устойчивое корреляционное соотношение, зависящее от типа автомобиля.

В работе [10], [21], [22] дано описание и показаны возможности улучшения обтекаемости автомобиля за счет доводочных испытаний в большой аэродинамической трубе НИЦИАМТ. Являющаяся одной из лучших в Европе, это аэродинамическая труба позволяет проводить испытания натурных легковых автомобилей, автобусов, а также тентовых грузовых автомобилей. Отмечается достаточно высокая точность результатов измерений и возможность проведения многофакторного эксперимента, что важно при оптимизационных аэродинамических испытаниях. Приводятся результаты испытаний легковых автомобилей с навесными элементами. Указывается, что за счет дополнительных аэродинамических элементов возможно снижение коэффициента Сх автомобилей ВАЗ на 10−15%.

В работе [6] предлагается метод поэлементной аэродинамической доводки легковых автомобилей без изменения его дизайнерской концепции. Метод предусматривает последовательную аэродинамическую оптимизацию геометрических и конструктивных параметров передней, средней и задней части кузова с учетом его вертикального и углового расположения относительно поверхности дороги. Показаны возможности аэродинамической доводки легковых автомобилей путем использования разработанного метода поэлементной аэродинамической доводки.

Некоторые вопросы аэродинамики подкапотного пространства и под-днищевой зоны легкового автомобиля рассмотрены в работах [18] и [128]. Показаны особенности протекания воздушных потоков в подкапотном пространстве и подднищевой зоне, рассмотрен механизм образования пограничного слоя на днище и его влияние на аэродинамическое сопротивление автомобиля. Проведен анализ способов забора воздуха для систем питания и охлаждения двигателя. Отмечается, что забор воздуха с установленной вертикально облицовки радиатора приводит к торможению воздушного потока и увеличению аэродинамического сопротивления автомобиля. Предлагается забирать воздух для систем охлаждения и питания двигателя через отверстия, расположенные под передним буфером.

В работе [135] получена расчетная формула для определения действующих на автомобиль подъемной силы и опрокидывающего момента. Расчет проводился на ЭВМ, а его результаты сопоставлялись с опытными данными, полученными в аэродинамической трубе на модели М 1:2. Отмечается лишь хорошее качественное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

JI. Метц разработал методику расчета и определения места приложения силы аэродинамического сопротивления автомобиля [151]. Недостатком методики является то, что она учитывает влияние сравнительно малых углов нате-кания воздушного потока, не превышающих 3−5°.

К. Карри предложил метод расчетного определения коэффициента Сх, основанный на анализе и обработке результатов испытаний натурных автомобилей в аэродинамической трубе MIRA (Великобритания) [133]. Расчетная форму имеет следующий вид:

Cx=0,6 + 0,0095j]UH, (1.3) где: ^ ин ~ сумма индексов, характеризующих влияние на аэродинамическое сопротивление различных элементов и формообразований кузова.

Г. Kapp разработал графический метод определения лобового сопротивления автомобиля по эпюрам распределения давления на поверхности кузова [136]. За счет выбора мелкого шага графического интегрирования им повышена точность полученных результатов. Следует отметить высокую трудоемкость при использовании этого метода, особенно при мелком шаге графического интегрирования.

Разработке и совершенствованию численных методов определения коэффициента аэродинамического сопротивления автотранспортных средств посвящены работы [11], [17], [57], [102].

В работе [11] рассмотрены возможности исследования аэродинамических свойств автотранспортных средств путем применения ЭВМ. Говорится о необходимости разработки соответствующих компьютерных программ для расчетного определения аэродинамических характеристик АТС.

В работе [17] анализируются основные направления развития численных методов при аэродинамических исследованиях автомобиля.

В работе [57] предлагается новая методика численного определения аэродинамического сопротивления автотранспортного средства, учитывающая потери в подднищевой зоне и подкапотном пространстве.

В работе [102] разработан и обоснован панельный метод расчетного определения коэффициента Сх применительно к автобусу с кузовом вагонного типа. Кроме того исследованы вопросы воздухообмена в салоне автобуса. Использование предложенного метода и соответствующей программы расчета аэродинамического сопротивления на ЭВМ обеспечивает значительное уменьшение времени и затрат на определения аэродинамических характеристик автобуса. Недостатком данного исследования является исключение из методики расчета аэродинамических потерь в подкапотном пространстве и подднищевой зоне автобуса, что снижает точность определения коэффициента Сх.

В работе [148] предложен метод расчетного определения коэффициента Сх автомобиля, основанный на теории обтекания панелей, находящихся в потенциальном потоке. Метод позволяет определить минимальное значение Сх автомобиля при его безотрывном обтекании. Недостатком этого метода также является отсутствие способа учета аэродинамических потерь в подкапотном пространстве и подднищевой зоне автомобиля.

Вопросы методологии аэродинамических испытаний, результаты исследований масштабных моделей автомобилей и автобусов, ценные научные данные по автомобильной аэродинамики изложены в работе [98]. В работах [105] и [120] проведен анализ применяемых в настоящее время дорожных методов определения аэродинамического сопротивления автомобиля, а также некоторые вопросы влияние аэродинамических характеристик на его эксплуатационные показатели.

В ряде работ рассмотрено влияние методики испытаний в аэродинамических трубах на результаты исследований автомобилей и их моделей [7], [10], [61]. Отмечается, что при испытаниях полноразмерных моделей и натурных автомобилей в больших трубах наибольшее приближение к реальным условиям обеспечивает применение вместо неподвижного экрана двигающейся ленты. По данным работы [70] таким способом моделирования полотна дороги можно почти полностью устранить прилегающий к экрану пограничный слой. Это подтверждается результатами измерений, представленных в работе [7]. В этой же работе показано, что погрешность в величине определяемой силы сопротивления воздуха, и особенно в значении подъемной силы, возникающая из-за того, что в зазоре между колесами и лентой имеет место протекания воздуха, больше, чем влияние прилегающего к основанию экрана пограничного слоя. В тоже время в работе [7] отмечается, что при испытаниях в аэродинамической трубе с неподвижным экраном приподнимание автомобиля на расстояние, равное толщине пограничного слоя, не оказывает влияния на воздушный поток, обтекающий автомобиль, и на действующие на него аэродинамические силы.

В работе [6] отмечаются недостатки использования способа зеркального отражения с применением при испытаниях двух одинаковых масштабных моделей, установленных колесами друг к другу. Отмечается, что наличие второй модели, при условии неизменности коэффициента загромождения рабочей части трубы, требует увеличения поперечного сечения потока в ней вдвое. В этой же работе отмечается эффективность отсоса пограничного слоя для уменьшения его толщины. При этом отсос пограничного слоя рекомендуется производить через прорезь или через узкую полосу пористого материала в передней части аэродинамического экрана. В этой же работе указывается, что в большой аэродинамической трубе «Локхид-Джорджия» (США) для уменьшения толщины пограничного слоя производится вдувание воздуха. При исследовании поля скоростей в сечении на расстоянии двух метров от ряда сопел, через которые вдувается воздух, потеря импульса пограничного слоя почти полостью выравнивается. Здесь же рассматривается способ уменьшения толщины пограничного слоя посредством установки на экране реек в виде стрелы. Указывается, что применение этого метода уменьшает толщину пограничного слоя в двое.

В работе [5] отмечается, что аэродинамические силы и моменты действующие на автомобиль на дороге и в аэродинамической трубе будут одинаковые, если отношение вытесняемой толщины пограничного слоя 5 к дорожному просвету автомобиля Ь больше или равно 0,1.

В работах [77], [122] исследована аэродинамика спотривно-гоночных автомобилей. Отмечается значительное влияние на аэродинамические характеристики спортивно-гоночных автомобилей типа и формы кузова, расположения колес, наличия и конструктивного исполнения навесных аэродинамических устройств.

Аэродинамика автомобильного колеса исследована в работах [44], [57], [74]. Получены значения коэффициентов Сх и С2 для вращающегося и неподвижного колеса, а также показано влияние его конструкции, в том числе типа шины и ее рисунка протектора, на аэродинамические характеристики. Отмечается значительное влияние на величину коэффициентов Сх и С2 колеса способа его установки относительно кузова. Наибольшее значение этих коэффициентов наблюдается для отрытых колес. Размещение их в колесных нишах кузова существенно уменьшает величину коэффициентов Сх и С2, в том числе и для автомобиля в целом.

В работе [53] рассмотрено влияние колес автомобиля на его загрязняе-мость. Разбрызгиваемая колесами грязеводяная суспензия из-за разности давлений на днище и крыши автомобиля, а также образующейся за ним зоны разряжения, оседает на поверхность кузова и загрязняет лобовое, боковое и заднее стекла, зеркала заднего вида, что ухудшает его активную безопасность. Одновременно под действием ветра распыленная грязеводяная суспензия вместе с вредными выбросами двигателя попадает на прилегающую к шоссе местность, загрязняя окружающую среду.

В работе [23] рассмотрены вопросы снижения загрязняемости городских автобусов. Отмечается влияние повышенного давления в колесных нишах передних колес на выбрасывания из них воды и грязи. Предлагаются конструктивные мероприятия по уменьшению загрязняемости автобусов.

В работе [6] приведены результаты исследований поля скоростей в под-днищевой зоне легкового автомобиля и его масштабной (М 1:5) модели в процессе испытаний на дороге и в аэродинамической трубе соответственно. Кроме того выполнена оценка влияния переднего спойлера на поле скоростей в под-днищевой зоне автомобиля и модели. Установлено, что имеет место значительное торможение потока в средней и кормовой части днища. При этом в наибольшей степени это проявляется при движении автомобиля по дороге. Отмечается, что наличие переднего спойлера заметно уменьшает скорость потока в подднищевой зоне по сравнению с серийным автомобилем (без спойлера). Уменьшение скорости потока в подднищевой зоне — у днища автомобиля составляет: в передней части — 20%- в средней части — 60%- в кормовой — 50%. Указывается существенное влияние на поле скоростей в подднищевой зоне при испытаниях в аэродинамической трубе размеров ее рабочей части, типа аэродинамического экрана и толщины образующегося на нем при испытаниях автомобиля или его масштабной модели пограничного слоя.

Ряд работ посвящен вопросам методологии аэродинамических испытаний автомобилей.

В работе [31] предлагается методика определения лобовой площади (площади миделя) автомобиля при испытаниях его в аэродинамической трубе. Лобовая площадь автомобиля определяется по его теневому отпечатку на масштабной сетке.

В работе [57] проведен анализ существующих методов определения лобовой площади автомобиля и предлагается новый расчетный метод ее определения. Предлагаемый метод расчета обеспечивает высокую точность, погрешность при расчете лобовой площади автомобиля не превышает 3−4%.

В работе [116] предлагается новый метод определения аэродинамического сопротивления автомобиля в дорожных условиях. Методика определения сопротивления воздуха основана на использовании специального аэродинамического экрана, внутри которого размещается испытуемый автомобиль, соединенный с экраном тензозвеньями. Вся эта система буксируется посредствам длинного фала автомобилем-тягачом, при этом суммарная сила ее сопротивления движению замеряется динамометром. После этого тем же фалом буксируют отдельно испытуемый автомобиль. Тогда, зная определенные посредством тен-зозвеньев силу сопротивления качению и потери в трансмиссии испытуемого автомобиля, можно вычислить его аэродинамическое сопротивление путем вычитания этих двух сил из суммарной силы сопротивления движению.

Анализ проведенных исследований показал, что в области исследования влияния внешней формы и конструктивных параметров кузова на аэродинамические характеристики автомобиля выполнено много работ. Однако практически отсутствует системный подход к изучению этих вопросов. Нет комплексных исследований по установлению влияния на обтекаемость, в том числе при кососимметричном натекании воздушного потока, автомобиля основных параметров кузова. Мало изучен характер обтекания его кормовой части. Недостаточно исследовано влияние устанавливаемых на кузове навесных элементов на аэродинамические характеристики легкового автомобиля и его технико-экономические показатели.

В этой связи целью данной работы является улучшение обтекаемости легковых автомобилей путем совершенствования конструктивных и установочных параметров кузова с решением следующих задач:

— исследование процесса обтекания легкового автомобиля для определения основных, влияющих на его аэродинамику, параметров кузова;

— исследование влияния конструктивных и установочных параметров кузова на аэродинамические характеристики автомобиля;

— установление зависимости аэродинамического сопротивления автомобиля от формы кормовой части кузова;

— исследование влияния навесных элементов на обтекаемость и аэродинамические свойства легкового автомобиля;

— исследование показателей обтекаемости автомобиля при кососимметрич-ном натекании воздушного потока;

— проведение стендовых и дорожных испытаний масштабных моделей и натурных автомобилей для подтверждения рекомендаций по снижению их аэродинамического сопротивления и расхода топлива путем совершенствования параметров кузова и применения навесных элементов;

— оценка возможностей повышения технико-эксплуатационных показателей автомобилей путем улучшения обтекаемости кузова.

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ КУЗОВА НА ОБТЕКАЕМОСТЬ АВТОМОБИЛЯ.

6. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Исследован механизм обтекания автомобильного кузова и определены его основные конструктивные и установочные параметры, влияющие на аэродинамические свойства легкового автомобиля.

2. Получены расчетные зависимости, устанавливающие взаимосвязь аэродинамических характеристик автомобиля с основными конструктивными и установочными параметрами кузова.

3. Исследовано влияние формы кормовой части на обтекаемость автомобиля, установлена взаимосвязь его аэродинамического сопротивления с углом наклона задней стенки кузова и его заужением в плане.

4. Установлена зависимость аэродинамического сопротивления автомобиля от угла натекания воздушного потока с использованием нового оценочного показателя-коэффициента бокового обтекания.

5. Разработана методика выбора конструктивных и установочных параметров навесных аэродинамических элементов, рекомендуемых для использования на легковых автомобилях с кузовами различного типа.

6. Проведены стендовые и дорожные испытания крупномасштабных моделей и натурных автомобилей для подтверждения адекватности полученных расчетных зависимостей и оценки эффективности навесных аэродинамических элементов.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию аэродинамических характеристик легковых автомобилей путем оптимизации формы, конструктивных параметров кузова и установки на нем навесных элементов. Для улучшения обтекаемости кузова рекомендуются следующие значения углов наклона облицовки радиатора, крышки капота, ветрового и заднего стекол, а также углов атаки переднего и заднего спойлеров: 10°- 12°- 70°- 15°-20°- 15°-45°- 25°-50° соответственно.