Лекции Теория автомобиля

2.3. Сопротивление воздушной среды

2.3.1. Аэродинамические силы и моменты

На автомобиль, как и на всякое тело, движущееся в воздушной среде, действуют аэродинамические силы. Равнодействующая всех элементарных аэродинамических сил называется полной аэродинамической силой. Ее значение определяется по формуле:

Р_w = c_wFq, (20)

где c_w - безразмерный коэффициент полной аэродинамической силы;

F - площадь миделева сечения, м²;

q - скоростной напор воздушного потока, Па.

Величина скоростного напора определяется по формуле:

q = ρ_вV_w²/2, (21)

где ρ_в - плотность воздуха, кг/м³;

V_w - относительная скорость воздушного потока, м/с.

Рис. 7. Аэродинамические силы и моменты

Скоростной напор воздушного потока (q, Па) представляет собой величину динамического давления на корпус автомобиля, создаваемого воздушным потоком, омывающим автотранспортное средство. Точка приложения вектора полной аэродинамической силы (Р_w) называется метацентром автомобиля или центром парусности. Метацентр в зависимости от аэродинамических свойств автомобиля может располагаться как внутри, так и вне автомобиля.

Проекция вектора полной аэродинамической силы на оси X. Y и Z, проходящие через центр тяжести автомобиля, в общем случае дает три составляющие (рис. 7):

Р_wx = с_xF(ρ_вV_w²/2); (22)

Р_w_у = c_yF(ρ_вV_w²/2); (23)

P_wz = c_zF(ρ_вV_w²/2), (24)

где с_х, с_у и с_z – безразмерные коэффициенты соответственно лобовой,

боковой и подъемной аэродинамической силы.

Указанные коэффициенты связаны между собой формулой:

c_w² = c_x² + c_у² + с_z². (25)

Продольная составляющая (Р_wx) полной аэродинамической силы называется лобовой аэродинамической силой или силой сопротивления воздуха.

Поперечная составляющая (Р_w_у) называется боковой, а вертикальная (P_wz) - подъемной аэродинамической силой

Как показывают эксперименты, центр тяжести автомобиля и его метацентр не совпадают, поэтому кроме указанных аэродинамических сил на автомобиль действуют и соответствующие аэродинамические моменты.

Результирующий момент всех элементарных аэродинамических сил относительно центра масс автомобиля называется полным аэродинамическим моментом. Его величина определяется по формуле:

М_w = m_wFqb_w, (26)

где m_w- безразмерный коэффициент полного аэродинамического момента;

b_w - характерный линейный размер по ширине, м.

Проекция вектора М_w на оси X, Y и Z дает три составляющие этого момента:

- аэродинамический момент крена:

М_wx = m_xF(ρ_вV_в²/2)b_w, (27)

где m_x - коэффициент аэродинамического момента крена.

- поворачивающий аэродинамический момент:

M_wz = m_zF(ρ_вV_w²/2)b_w, (28)

где m_z - коэффициент аэродинамического поворачивающего момента.

- опрокидывающий (продольный) аэродинамический момент:

M_m_у = m_уF(ρ_вV_w²/2)b_w, (29)

где m_у - коэффициент опрокидывающего аэродинамического момента;

l_w - характерный линейный размер автомобиля по длине.

Связь между коэффициентами аэродинамических моментов выражается формулой:

m_w² = m_x² + m_у² (l_w/b_w)²+ m_z². (30)

В качестве характерного линейного размера по ширине (b_w) принимают обычно расстояние между правыми и левыми колесами автомобиля, т.е. его колею, а в качестве характерного размера по длине (l_w) - базу автомобиля, т.е. расстояние между передним и задним мостом.

При расчетах аэродинамических сил и моментов следует учитывать изменения плотности воздуха в зависимости от температуры и атмосферного давления.

2.3.2. Лобовая аэродинамическая сила и ее составляющие

При эксплуатации автомобилей из всех аэродинамических сил наибольшее значение имеет сила лобового сопротивления (Р_wx), которая является одной из основных сил сопротивления движению автомобиля. Значение лобовой аэродинамической силы выражают следующей формулой:

Р_wx = к_wFV_w², (31)

где к_w = c_xρ_в/2 - коэффициент обтекаемости автомобиля, Нс²/м⁴;

F – площадь лобового сопротивления, м²;

V_w – скорость автомобиля, м/c.

Мощность, необходимая для преодоления лобовой аэродинамической силы, описывается кубической параболой:

N_w = к_wFV_w³. (32)

Для легковых автомобилей площадь лобового сопротивления можно определить по приближенной формуле:

F = 0,78B_aH_а, (33)

где B_a, H_а - габаритные ширина и высота автомобиля, м.

Площадь лобового сопротивления грузовых автомобилей производят по приближенной формуле:

F ≈ BH_а, (34)

где В - колея автомобиля, м;

Н_а – наибольшая высота автомобиля, м.

Численные значения коэффициента обтекаемости и площади лобового сопротивления ряда отечественных марок и моделей автомобилей приведены в табл. 3.

Лобовая аэродинамическая сила/3/ сопротивления складывается из 5 составляющих:

Сопротивление формы. Сопротивление формы обусловлено разностью между повышенным фронтальным давлением, возникающим перед автомобилем и пониженным давлением, вызванным завихрениями позади него, а также площадью поверхности автомобиля. Решающее значение при этом имеет форма таких частей кузова, как капот, крылья, ветровое стекло,

Таблица 3

Содержание