Сила сопротивления воздуху.
Сила сопротивления воздуха Рв. Составляющая полной аэродинамической силы направлена по продольной оси автомобиля. Аэродинамические силы могут возникать в результате движения автомобиля в неподвижной воздушной среде, обтекания неподвижного автомобиля потоком движущегося воздуха (ветра), движения автомобиля в движущемся воздушном потоке, т. е. при наличии ветра. Элементарные аэродинамические силы, действующие в каждой точке поверхности автомобиля, различны по величине и направлению. Совокупность этих элементарных сил может быть заменена силой Рω и моментом Мω.
Равнодействующую Рω называют полной аэродинамической силой
,
где сω — безразмерный коэффициент полной аэродинамической силы; F—площадь Миделя, м2. Для автомобиля или каждого из звеньев автопоезда в качестве площади Миделя принимается лобовая площадь, равная площади проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси;
— скоростной напор, кг/(м·с2), равный кинетической энергии кубического метра воздуха, движущегося со скоростью движения автомобиля относительно воздушной среды (рв — плотность воздуха, кг/м3);
Момент Мω называют полным аэродинамическим моментом
,
где — безразмерный коэффициент аэродинамического момента; Ь — характерный линейный размер по ширине (обычно принимают равным колее В), м.
Проекция Рв силы Рωна ось Ох — сила сопротивления воздуха (сила лобового сопротивления)
PB=0,5cxpBFvw2.
Формулы для определения проекций силы Рωна оси Оу и Ozотличаются от формулы только коэффициентами с. Для проекции Pwy(боковая аэродинамическая сила) вместо сх используют коэффициент су, для проекции Pwz(подъемная сила) — коэффициент с2. Проекцию Mwx—0,5mxpBBFvw2момента MWназывают моментом крена. Формулы для определения аэродинамических моментов относительно осей Оу и Ozотличаются только коэффициентами in: m„ для опрокидывающего момента Mwy, тг — для поворачивающего момента Mwz.
В аэродинамической трубе при неизменной скорости и направлении воздушного потока автомобиль (или его модель) поворачивают под различными углами, что позволяет определить аэродинамические коэффициенты при различных углах тн натекания воздушного потока.
Сопротивление формы (50...60 % Рв) обусловлено разностью между повышенным фронтальным давлением, возникающим перед автомобилем и пониженным давлением, вызванным завихрениями позади него. Решающее значение при этом имеет форма таких частей кузова, как капот, крылья, ветровое стекло, крыша, боковые стекла, боковые стенки, багажник.
Внутреннее сопротивление (10 15 % Рв), создаваемое потоками воздуха, проходящими внутри автомобиля для вентиляции или обогрева кузова, а также охлаждения двигателя.
Сопротивление поверхностного трения (5…10 % Рв), вызываемое силами вязкости пограничного слоя воздуха, движущегося у поверхности автомобиля, и зависящее от размера и шероховатости этой поверхности.
Индуктируемое сопротивление (5...10% Рв), вызываемое взаимодействием сил, действующих в направлении продольной оси автомобиля (подъемной) и перпендикулярно этой оси (боковой).
Дополнительное сопротивление (15%РВ), создаваемое различными выступающими частями: фарами, указателями поворота, ручками, номерными знаками.
На коэффициент сх оказывают влияние различные мелкие изменения формы. При открытых окнах сх увеличивается приблизительно на 5 %, на столько же увеличивают сопротивление воздуха открытые фары. Использование небольших пластин, укрепленных на кузове так, что они препятствуют срыву воздушной струи, позволяет уменьшить сх на 5...15 %.
Приняв pB=const (согласно ГОСТ 4401—81, на уровне моря рв= 1,225 кг/м3), можно коэффициент 0,5cxpB=kBсчитать зависящим только от формы кузова и углов τн τа. Этот коэффициент называют коэффициентом обтекаемости. Согласно формуле , коэффициент k, эквивалентен силе сопротивления воздуха, действующей на 1 м площади автомобиля при относительной скорости 1 м/с. Между коэффициентами сх и kBсуществует численная зависимость k„— =0,61с,.
При движении автомобиля в неподвижной воздушной среде относительная скорость воздуха vw=vи
PB=kBFv2.
Произведение kBFназывают фактором обтекаемости.
Приближенно площадь лобового сопротивления грузовых автомобилей Fr=B/Yr; легковых автомобилей Fj,=0,8BrHr(где В — колея, м; Нг — габаритная высота, м; ВГ— габаритная ширина автомобиля, м).
В большинстве случаев Рв ср увеличивается, и тогда, когда попутный или встречный ветер направлены под одинаковым углом к продольной оси автомобиля. В процессе длительной эксплуатации движение с попутным и встречным ветром, очевидно, можно считать событиями равновероятными. Поэтому в реальных условиях эксплуатации Рв ср всегда больше силы сопротивления воздуха, подсчитанной по формуле (41).
Исходя из статистических данных, можно считать, что при и=15... 25 м/с углы т„=0... 17°, а наиболее вероятное их значение 4... 9°.
У автопоездов часто высота НГ определяется его прицепными звеньями. Особенно это относится к седельным автопоездам, контейнеровозам, панелевозам. Коэффициент обтекаемости автопоездов зависит не только от формы отдельных звеньев, но и от взаимодействия воздушных потоков, обтекающих звенья. В промежутках между звеньями сверху и по бокам образуются мощные завихрения, так начинаемые щеки, как бы умЛИЧИ- вающие лобовую площадь. Увеличиваются завихрения и в нижней части звеньев и за последним звеном. Поэтому для автопоездов значения коэффициента /г„ на 15... 30 % превышают значения для одиночных грузовых автомобилей. Особенно увеличивается kBпри наличии бокового ветра.
Большие лобовые площади автопоездов в сочетании с их плохой обтекаемостью приводят к возникновению значительных сопротивлений воздуха даже при сравнительно малых скоростях движения, характерных для городских условий. У магистральных автопоездов, движущихся с большими скоростями, на преодоление сопротивления воздуха может затрачиваться порядка 50 % мощности двигателя.
Уменьшение мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления воздуха, возможно как в результате улучшения аэродинамических свойств звеньев автопоезда, так и при применении различных дополнительных устройств, позволяющих улучшать организацию воздушных потоков, обтекающих автопоезд, таких как дефлекторы, стабилизаторы и обтекатели. При установке обтекателя на крыше кабины автомобиля КамАЗ-5320 с тентом в диапазоне скоростей движения 50...70 км/ч расход топлива может быть снижен на 2,5... 3,5 %. Следует отметить, что даже незначительное Отклонение размеров и расположения обтекателя от оптимальных резко ухудшает его эффективность.