Сила сопротивления воздуха

Дорожная эксплуатационная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений, весьма велика (см. рис.). Например, для поддержания равномерного движения (190 км/ч) четырех дверного седана, массой 1670 кг, площадью миделя 2,05 м², С_х = 0,45 требуется около 120 кВт мощности, причем 75 % мощности затрачивается на аэродинамическое сопротивление. Мощности, затрачиваемые на преодоление аэродинамического и дорожного (качения) сопротивления приблизительно равны на скорости 90 км/ч, и в сумме составляют 20 – 25 кВт.

Примечание к рисунку: сплошная линия – аэродинамическое сопротивление; пунктирная линия – сопротивление качению.

Сила сопротивления воздуха Р_w обусловлена трением в прилегающих к поверхности автомобиля слоях воздуха, сжатием воздуха движущейся машиной, разрежением за машиной и вихреобразованием в окружающих автомобиль слоях воздуха. На величину аэродинамического сопротивления автомобиля влияет ряд и других факторов, главным из которых является его форма. В качестве упрощенного примера влияния формы автомобиля на его аэродинамическое сопротивление проиллюстрировано на схеме, приведенной ниже.

Направление движения автомобиля

Значительная часть всей силы сопротивления воздуха составляет лобовое сопротивление, которое зависит от лобовой площади (наибольшей площади поперечного сечения автомобиля).

Для определения силы сопротивления воздуха используют зависимость:

Р_w = 0,5·с_х·ρ·F·vⁿ ,

где с_х – коэффициент, характеризующий форму тела и аэродинамическое качество машины (коэффициент аэродинамического сопротивления);

F - лобовая площадь автомобиля (площадь проекции на плоскость, перпендикулярную продольной оси), м²;

v - скорость движения машины, м/с;

n - показатель степени (для реальных скоростей движения автомобилей принимается равным 2).

ρ - плотность воздуха:

, кг/м³,

где ρ₀ = 1,189 кг/м³, р₀ = 0,1 МПа, Т₀ = 293К – плотность, давление и температура воздуха при нормальных условиях;

ρ, р, Т – плотность, давление и температура воздуха при расчетных условиях.

При расчетах лобовую площадь F легковых автомобилей со стандар­тным кузовом определяют по приближенной формуле:

F = 0,8В_гН_г,

где В_г - габаритная ширина автомобиля, м;

Н_г - габаритная высота автомобиля, м.

Для автобусов и грузовых автомобилей с кузовом в виде фургона или с тентом:

F = 0,9В_ГН_Г.

Для условий работы автомобиля плотность воздуха изменяется мало (ρ = 1,24…1,26 кг/м³). Заменив произведение (0,5·с_х·ρ) , через к_w, получим:

Р_w = к_w ·F·v² ,

где к_w – коэф­фициент обтекаемости; по определению он представляет собой удельную силу в Н, необходимую для движения со скоростью 1 м/с в воздушной среде тела данной формы с лобовой площадью 1 м²:

, Н·с²/м⁴.

Произведение (к_w·F)называют фактором сопротивления воздушной среды или фактором обтекаемости, характеризующим размеры и форму автомобиля в отношении свойств обтекаемости (его аэродинамические качества).

Средние значения коэффициентов с_х, k_w и лобовых площадей F для различных типов автомобилей приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Параметры, характеризующие аэродинамические качества автомобилей:

Автомобили	F, м2	сх, Н·с2/м·кг	kw, Н·с2/м4
Легковые	1,6-2,6	0,3-0,52	0,2-0,35
Автобусы	3,5-7,0	0,65-0,77	0,35-0,55
Грузовые: бортовые двухзвенные	3,0-5,3 4,0-5.3	0,9-1,5 0,93-1,16	0,5-0,7 0,60-0,75
Грузовые с кузовом фургон Автопоезда	3,5-8,0 7,0-15,0	0,8-1,0 1,4-1,55	0,5-0,6 0,85-0,95

Известные значения аэродинамических коэффициентов c_x и k_w и площади габаритного поперечного (миделевого) сечения F для некоторых серийно выпускаемых автомобилей (по данным заводов-изготовителей) приведены в табл. 2.1.-а.

Таблица 2.1-а.

Аэродинамические коэффициенты и лобовая площадь автомобилей:

№	Автомобиль	сх	кw	F
	ВАЗ-2121	0,56	0,35	1,8
	ВАЗ-2110	0,334	0,208	2,04
	М-2141	0,38	0,24	1,89
	ГАЗ-2410	0,34	0,3	2,28
	ГАЗ-3105	0,32	0,22	2,1
	ГАЗ-3110	0,56	0,348	2,28
	ГАЗ-3111	0,453	0,282	2,3
	«Ока»	0,409	0,255	1,69
	УАЗ-3160 (jeep)	0,527	0,328	3,31
	ГАЗ-3302 бортовой	0,59	0,37	3,6
	ГАЗ-3302 фургон	0,54	0,34	5,0
	ЗИЛ-130 бортовой	0,87	0,54	5,05
	КамАЗ-5320 бортовой	0,728	0,453	6,0
	КамАЗ-5320 тентовый	0,68	0,43	7,6
	МАЗ-500А тентовый	0,72	0,45	8,5
	МАЗ-5336 тентовый	0,79	0,52	8,3
	ЗИЛ-4331 тентовый	0,66	0,41	7,5
	ЗИЛ-5301	0,642	0,34	5,8
	Урал-4320 (military)	0,836	0,52	5,6
	КрАЗ (military)	0,551	0,343	8,5
	ЛиАЗ bus (city)	0,816	0,508	7,3
	ПАЗ-3205 bus (city)	0,70	0,436	6,8
	Ikarus bus (city)	0,794	0,494	7,5
	Mercedes-Е	0,322	0,2	2,28
	Mercedes-А (kombi)	0,332	0,206	2,31
	Mercedes -ML (jeep)	0,438	0,27	2,77
	Audi A-2	0,313	0,195	2,21
	Audi A-3	0,329	0,205	2,12
	Audi S 3	0,336	0,209	2,12
	Audi A-4	0,319	0,199	2,1
	BMW 525i	0,289	0,18	2,1
	BMW- 3	0,293	0,182	2,19
	Citroen X sara	0,332	0,207	2,02
	DAF 95 trailer	0,626	0,39	8,5
	Ferrari 360	0,364	0,227	1,99
	Ferrari 550	0,313	0,195	2,11
	Fiat Punto 60	0,341	0,21	2,09
	Ford Escort	0,362	0,225	2,11
	Ford Mondeo	0,352	0,219	2,66
	Honda Civic	0,355	0,221	2,16
	Jaguar S	0,385	0,24	2,24
	Jaguar XK	0,418	0,26	2,01
	Jeep Cherokes	0,475	0,296	2,48
	McLaren F1 Sport	0,319	0,198	1,80
	Mazda 626	0,322	0,20	2,08
	Mitsubishi Colt	0,337	0,21	2,02
	Mitsubishi Space Star	0,341	0,212	2,28
	Nissan Almera	0,38	0,236	1,99
	Nissan Maxima	0,351	0,218	2,18
	Opel Astra	0,34	0,21	2,06
	Peugeot 206	0,339	0,21	2,01
	Peugeot 307	0,326	0,203	2,22
	Peugeot 607	0,311	0,19	2,28
	Porsche 911	0,332	0,206	1,95
	Renault Clio	0,349	0,217	1,98
	Renault Laguna	0,318	0,198	2,14
	Skoda Felicia	0,339	0,21	2,1
	Subaru Impreza	0,371	0,23	2,12
	Suzuki Alto	0,384	0,239	1,8
	Toyota Corolla	0,327	0,20	2,08
	Toyota Avensis	0,327	0,203	2,08
	VW Lupo	0,316	0,197	2,02
	VW Beetl	0,387	0,24	2,2
	VW Bora	0,328	0,204	2,14
	Volvo S 40	0,348	0,217	2,06
	Volvo S 60	0,321	0,20	2,19
	Volvo S 80	0,325	0,203	2,26
	Volvo B12 bus (tourist)	0,493	0,307	8,2
	MAN FRH422 bus (city)	0,511	0,318	8,0
	Mercedes 0404(inter city)	0,50	0,311	10,0

Примечание: c_x, Н·с²/м·кг; к_w, Н·с²/м⁴– аэродинамические коэффициенты ;

F, м²– лобовая площадь автомобиля.

Для автомобилей, имеющих высокие скорости движения, сила Р_w имеет доминирующее значение. Сопротивление воздушной среды определяется относительной скоростью автомобиля и воздуха, поэтому при её определении следует учитывать влияние ветра.

Точка приложения результирующей силы сопротивления воздуха Р_w (центр парусности) лежит в поперечной (лобовой) плоскости симметрии автомобиля. Высота расположения этого центра над опорной поверхностью дороги h_w оказывает значительное влияние на устойчивость автомобиля при движении его с высокими скоростями.

Увеличение Р_w может привести к тому, что продольный опрокидывающий момент Р_w·h_w настолько разгрузит передние колеса машины, что последняя потеряет управляемость вследствие плохого контакта управляемых колес с дорогой. Боковой ветер может вызвать занос автомобиля, который будет тем более вероятен, чем выше расположен центр парусности.

Попадающий в пространство между нижней части автомобиля и дорогой воздух создает дополнительное сопротивление движению за счет эффекта интенсивного образования вихрей. Для снижения этого сопротивления желательно передней части автомобиля придавать конфигурацию, которая препятствовала бы попадание встречного воздуха под его нижнюю часть.

По сравнению с одиночным автомобилем коэффициент сопротивления воздуха автопоезда с обычным прицепом выше на 20…30%, а с седельным прицепом – примерно на 10%. Антенна, зеркало внешнего вида, багажник над крышей, дополнительные фары и другие выступающие детали или открытые окна увеличивают сопротивление воздуха.

При скорости движения автомобиля до 40 км/ч сила Р_w меньше силы сопротивления качению Р_f на асфальтированной дороге. При скоростях свыше 100 км/ч сила сопротивления воздуха представляет собой основную составляющую тягового баланса автомобиля.

Грузовые автомобили имеют плохо обтекаемые формы с резкими углами и большим числом выступающих частей. Чтобы снизить Р_w, на грузовиках устанавливают над кабиной обтекатели и другие приспособления.

Подъемная аэродинамическая сила. Появление подъемной аэродинамической силы обусловлено перепадом давлений воздуха на автомобиль снизу и сверху (по аналогии подъемной силы крыла самолета). Преобладание давления воздуха снизу над давлением сверху объясняется тем, что скорость воздушного потока, обтекающего автомобиль снизу, гораздо меньше, чем сверху. Значение подъемной аэродинамической силы не превышает 1,5% от веса самого автомобиля. Например, для легкового автомобиля ГАЗ-3102 «Волга» подъемная аэродинамическая сила при скорости движения 100 км/ч составляет около 1,3% от собственного веса автомобиля.

Спортивным автомобилям, движущимся с большими скоростями, придают такую форму, при которой подъемная сила направлена вниз, которая прижимает автомобиль к дороге. Иногда с этой же целью такие автомобили оснащают специальными аэродинамическими плоскостями.