Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследований в области автомобильной аэродинамики. постановка задач исследования 10
ГЛАВА 2. Аналитическое исследование влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на аэродинамику автопоезда 33
2.1. Исследование процесса обтекания магистрального автопоезда 33
2.2. Влияние типа, формы и расположения кабины на аэродинамику головной части автопоезда 39
2.3. Зависимость коэффициента Сх автопоезда от превышения кузова над кабиной и расстояния между тягачом и прицепом 52
2.4. Зависимость коэффициента Сх от радиуса закругления фронтальных кромок кабины и кузова 60
2.5. Влияние расположения кузова относительно поверхности дороги на аэродинамические характеристики автопоезда 73
2.6. Влияние конструктивных параметров колёсного движителя на Сх автопоезда 83
2.7. Расчётное определение лобовой площади автопоезда 86
2.8. Влияние параметров воздушной среды на обтекаемость автопоезда 89
2.9. Краткие выводы по главе 2 94
ГЛАВА 3. Расчётный метод определения составляющих аэродинамического сопротивления магистрального автопоезда 96
3.1. Научное обоснование и структурная схема разработанного метода 96
3.2. Методика определения аэродинамического сопротивления головной части автопоезда 102
3.3. Расчёт аэродинамического сопротивления кузова (системы кузовов) 107
3.4. Расчёт аэродинамического сопротивления подднищевой зоны автопоезда 119
3.5. Расчёт сопротивления подкапотного пространства тягача автопоезда 127
3.6. Определение аэродинамического сопротивления дополнительных конструктивных элементов на кабине и кузове 137
3.7. Краткие выводы по главе 3 139
ГЛАВА 4. Методика расчёта конструктивных и установочных параметров внешних аэродинамических устройств 140
4.1. Обоснование установки, места расположения и типа аэродинамических устройств 140
4.2. Расчёт параметров лобового обтекателя на крыше кабины... 146
4.3. Расчёт параметров дополнительных аэродинамических элементов на кабине и кузове 156
4.4. Влияние внешних аэродинамических устройств на обтекаемость автопоезда 170
4.5. Краткие выводы по главе 4 172
ГЛАВА 5. Методика аэродинамического проектирования магистрального автопоезда 173
5.1. Алгоритм и задачи аэродинамического проектирования автопоезда 173
5.2. Требования к масштабным моделям и макетам автопоездов при испытаниях в аэродинамических трубах 178
5.3. Способ учёта влияния загромождения рабочей части трубы на аэродинамические характеристики модели или макета автопоезда 187
5.4. Метод последовательной аэродинамической оптимизации автопоезда на основе модельных исследований 194
5.5. Методика переноса результатов испытаний масштабных моделей и макетов на натурные автопоезда 200
5.6. Краткие выводы по главе 5 208
ГЛАВА 6. Повышение технико-экономических и экологических показателей путём улучшения обтекаемости автопоезда 209
6.1. Влияние фактора обтекаемости на расход топлива автопоезда 209
6.2. Возможности повышения топливной экономичности и производительности магистральных автопоездов 212
6.3. Повышение безопасности движения и экологических показателей автопоезда 231
6.4. Краткие выводы по главе 6 240
ГЛАВА 7. Экспериментальные исследования аэродинамических свойств магистральных автопоездов 241
7.1. Весовые испытания масштабных моделей автопоездов с мероприятиями по улучшению обтекаемости 241
7.2. Дренажные испытания моделей автопоездов с аэродинамическими элементами и кабинами различного типа 262
7.3. Дорожные испытания магистральных автопоездов 275
7.4. Краткие выводы по главе 7 282
ГЛАВА 8. Реализация созданных методик и разработок при проектировании перспективных автотранспортных средств и прогнозировании их аэродинамических свойств 284
8.1. Совершенствование аэродинамических показателей модернизируемых и перспективных магистральных автопоездов 284
8.2. Прогнозирование аэродинамических свойств перспективных автотранспортных средств 296
8.3. Краткие выводы по главе 8 304
ГЛАВА 9. Методы, научное оборудование и аппаратура, разработанные и использовавшиеся при экспериментальных исследованиях 306
9.1. Методика испытаний масштабных моделей автопоездов в аэродинамической трубе 306
9.2. Методика исследований масштабных моделей и макетов автопоездов в большой аэроклиматической трубе 321
9.3. Методика дорожных аэродинамических испытаний натурных автопоездов 324
Общие выводы и основные результаты работы 328
Заключение 332
Библиографический список 336
Приложения 351
- Влияние типа, формы и расположения кабины на аэродинамику головной части автопоезда
- Расчёт аэродинамического сопротивления подднищевой зоны автопоезда
- Расчёт параметров дополнительных аэродинамических элементов на кабине и кузове
- Способ учёта влияния загромождения рабочей части трубы на аэродинамические характеристики модели или макета автопоезда
Введение к работе
Аэродинамика в значительной степени влияет на такие важные показатели автомобиля как: топливная экономичность, динамика, безопасность, производительность, экологичность, а также на уровень его потребительских качеств. Поскольку влияние аэродинамики проявляется при высоких скоростях движения, то основное внимание уделяется исследованию и улучшению аэродинамических характеристик скоростных автотранспортных средств.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к аэродинамике
автомобиля. На сегодня насчитывается более двадцати сложных
аэродинамических и аэроклиматических комплексов, которые стали
неотъемлемой частью некоторых автомобильных фирм или научно-
технических центров, занимающихся постройкой и доводкой автомобилей.
Затраты на строительство таких комплексов и стоимость проведения
исследований в них значительны. Так, например, стоимость аэродинамического
комплекса на фирме "Порше" составляет около 37 млн. немецких марок, а один
час испытаний в аэродинамической трубе там обходится в 3 тыс. марок.
Однако, несмотря на высокую стоимость, строительство подобных комплексов
расширяется, поскольку сегодня автомобильная техника стала показателем
технического уровня не только фирмы, но и государства в целом.
Автомобильное оборудование базируется на сложной электронной технике, к
разработке автомобиля привлекаются специалисты из различных областей
науки и техники. Одним из важнейших направлений этой работы стало
аэродинамическое проектирование автомобиля, основанной на системной
оптимизации его аэродинамических свойств, позволяющей существенно
повысить топливную экономичность, динамические качества,
производительность автомобиля, снизить загрязняемость и уровень шума. При этом достижение минимального значения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх кузова не является единственной задачей аэродинамического проектирования автомобиля. В ходе его решается целый ряд важных задач, влияющих на технико-экономические, потребительские и экологические качества автомобиля.
Наряду с экспериментальной аэродинамикой развиваются и совершенствуются численные методы определения аэродинамических характеристик автотранспортных средств с разработкой соответствующих
алгоритмов и программ расчётной оптимизации их параметров обтекаемости. Разрабатываются новые методы определения и доводки аэродинамических характеристик автомобилей в дорожных условиях, когда обеспечивается полное геометрическое и кинематическое аэродинамическое подобие.
Исследованиями установлено, что снижение аэродинамического сопротивления на 4% обеспечивает уменьшение расхода топлива автотранспортным средством примерно на 1%. Учитывая имеющуюся в настоящее время необходимость повышения уровня аэродинамических качеств отечественных легковых и грузовых автомобилей, а также автопоездов, можно ожидать, что совершенствование их позволит обеспечить снижение расхода топлива на 4-5%. При этом за счет разработки постановки на производство и накопления в автомобильном парке страны автотранспортных средств со сниженным на 15-20% аэродинамическим сопротивлением ориентировочно может быть достигнута экономия топлива около 2 млн.т.
Наряду с экономией топлива весьма остро стоит проблема повышения производительности автотранспортных средств, улучшения их аэродинамической устойчивости и управляемости, снижения уровня загрязнения и аэродинамического шума. Таким образом, вопросы исследования и совершенствования аэродинамики автотранспортных средств следует отнести с числу важных для нашей страны технико-экономических проблем.
Одним из-за основных направлений работ, обеспечивающих их решение
являются экспериментальные исследования автотранспортных средств в
аэродинамических трубах. При этом, учитывая необходимость достаточно
быстрого повышения технического уровня и качества отечественной
автомобильной продукции, что возможно при сокращении сроков исследований
и разработок в 3-4 раза с максимальным использованием стендового
оборудования, возрастает роль модельных исследований, поскольку
масштабное моделирование позволяет значительно интенсифицировать
аэродинамические исследования и существенно уменьшить
продолжительность аэродинамического проектирования. Это подтверждается и мировой практикой, где при аэродинамическом проектировании первым обязательным и наиболее ответственным этапом являются модельные исследования. Если стоимость одного часа работы в большой зарубежной аэродинамической трубе составляет от 1000 до 1500 долларов, а стоимость
одного поточного часа работы в большой трубе Т-104 ЦАГИ, в которой могут испытываться натурные автомобили, составляет 30000 руб., то стоимость одного часа работы на моделях в аэродинамической трубе А-6 Института механики МГУ составляет около 3000 руб. Таким образом, экономическая выгода от применения модельных аэродинамических исследований очевидна. Важно отметить, что если легковые и небольшие по габаритам грузовые автомобили можно испытывать в больших трубах в натуральную величину, то для магистральных автопоездов, особенно многозвенных, имеющих значительную длину, такой вид испытаний невозможен. Потому применительно к магистральным автопоездам, являющимся одним из-за основных потребителей жидкого топлива, модельные испытания в аэродинамических трубах служат основным видом экспериментальных исследований в процессе их аэродинамического проектирования. Одним из важных направлений совершенствования аэродинамических показателей магистральных автопоездов является широкое применение внешних аэродинамических устройств. Отработка их конструктивных и установочных параметров требует постановки многофакторного эксперимента, что также возможно путем проведения модельных испытаний в трубе.
Наряду с модельной аэродинамической доводкой остро стоит вопрос о развитии и совершенствовании численных методов определения аэродинамических характеристик автотранспортных средств. Как известно, применительно к отечественному автомобильному транспорту это направление аэродинамического проектирования проходит период развития. В этой связи также значительна роль модельных испытаний в аэродинамической трубе, поскольку в ней можно быстро и качественно смоделировать процесс или вид обтекания той или иной зоны автомобиля и его кузова для последующего правильного математического описания взаимодействия потока с автомобилем. В трубе возможна также достаточно быстрая проверка правильности предлагаемых математических моделей по определению характера обтекания автомобиля воздушным потоком. При этом важно обеспечение получения высокоточных результатов трубного аэродинамического эксперимента.
Цель данной работы - разработка методологических основ аэродинамического проектирования магистральных автопоездов и совершенствование их аэродинамических свойств для повышения производительности, топливной
экономичности, безопасности, эргономичности и экологичности. Для достижения этой цели в диссертации выполнены следующие разработки, которые выносятся на защиту:
математическая модель процесса обтекания магистрального автопоезда с высоким кузовом;
аналитическое исследование влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на аэродинамические характеристики автопоезда;
расчётный метод определения аэродинамического сопротивления автопоезда и алгоритмы расчёта отдельных элементов его конструкции;
методика расчета сопротивления головной части автопоезда;
методика расчета аэродинамического сопротивления кузова (системы кузовов);
методика расчёта аэродинамического сопротивления подднищевой зоны автопоезда;
методика расчёта сопротивления подкапотного пространства тягача автопоезда;
методика расчёта конструктивных и установочных параметров внешних аэродинамических устройств для автопоездов с высокими кузовами;
методика аэродинамического проектирования магистрального автопоезда;
способ учёта влияния загромождения рабочей части трубы на аэродинамические характеристики крупномасштабных моделей автопоездов;
метод определения расхода топлива автопоезда при различных углах натекания воздушного потока.
Влияние типа, формы и расположения кабины на аэродинамику головной части автопоезда
При движении седельного автопоезда (рис. 2.1,а) натекающий на него воздушный поток вначале взаимодействует с передней стенкой кабины тягача, результатом чего является лобовое сопротивление кабины. Обтекая далее фронтальные кромки кабины, которые, как отмечалось выше, зачастую выполняются с малыми радиусами закругления, воздушный поток уплотняется и срывается по периметру её лобовой части, с образованием выступающих сверху и по бокам зон оторвавшегося завихрённого и уплотнённого воздуха, который вынужден огибать основной натекающий на автопоезд поток воздуха. При этом натекающий воздушный поток дробится, завихрясь сзади кабины, попадая на боковые стенки кузова и под него, где взаимодействует с элементами ходовой части и трансмиссии. Другая часть натекающего на автопоезд воздушного потока, «ударившись» о выступающую над кабиной переднюю стенку кузова, создаёт сопротивление давления этой его части. При этом, в результате взаимодействия потока воздуха с фронтальными кромками передней стенки кузова по её периметру, также как на кабине, образуются зоны уплотнённого и завихрённого воздуха. Подобные воздушные зоны достаточно устойчивы и перемещаются вместе с автопоездом. По результатам наших исследований протяжённость таких зон турбулентного и уплотнённого воздуха в зависимости от скорости автопоезда, составляет от 0,2 до 0,3 длины кабины и кузова. Наличие отмеченных зон уплотнённого воздуха увеличивает лобовую площадь автопоезда. При высоких скоростях движения, порядка 100 км/ч, реальная фронтальная площадь взаимодействия имеющего малозакруглённые передние кромки на кабине и кузове седельного автопоезда с натекающим воздушным потоком увеличивается против его геометрической лобовой площади на 1,5 2,0%. По мере движения вдоль кузова оторвавшийся поток присоединяется к его поверхности, восстанавливается структура пограничного слоя. Далее воздушный поток при приближении к задней стенке кузова ускоряется и срывается с его крыши и боковых стенок, образуя на ней зону пониженного давления, а за автопоездом длинный завихрённый спутный след.
Более сложным является взаимодействие с воздушной средой прицепного автопоезда, особенно многозвенного (рис. 2.1,6). В отличии от седельного, у которого одна зона разрыва потока - между кабиной и кузовом, двухзвенный прицепной автопоезд имеет две такие зоны: одну - между кабиной и кузовом тягача, вторую - между кузовами тягача и прицепа. Наличие работающих в сцепке двух плохообтекаемых кузовов, дополняемых низкой и сравнительно короткой кабиной, имеющих каждый в отдельности меньшую, чем полуприцеп длину, в сочетании с двумя зонами разрыва потока увеличивает количество и энергоёмкость вихреобразований при обтекании прицепного автопоезда в сравнении с седельным. Это является причиной больших затрат мощности на преодоление аэродинамического сопротивления прицепного автопоезда. При этом с ростом количества прицепов аэродинамическое сопротивление прицепного автопоезда будет увеличиваться.
Большое влияние на величину аэродинамического сопротивления автопоездов оказывает боковой ветер. На рис. 2.1,а и 2.1,6 показаны схемы взаимодействия седельного и прицепного автопоездов при кососимметричном натекании воздушного потока. Когда поток натекает на автопоезд спереди под углом р, то правильное периметрическое расположение мелких завихрений в пространстве между кабиной и кузовом (между кузовами) нарушается, они выходят наружу с подветренной стороны и начинают перемещаться вдоль боковой стенки кузова (кузовов), образуя значительную по ширине зону завихрённого и уплотнённого воздуха. Это заметно увеличивает фронт лобового сопротивления кузова (кузовов) и силу аэродинамического сопротивления автопоезда. Особенно сильно влияние бокового ветра сказывается на многозвенных автопоездах с большим (1,5 - 2,0 м) расстоянием между кузовами, а также на автопоездах - контейнеровозах с низкими капотными кабинами.
Сложный характер носит протекание воздушного потока под автопоездом -в подднищевой зоне. При натекании потока на передний бампер, из-за его прямоугольной формы и наличия незакруглённой нижней фронтальной кромки происходит срыв пограничного слоя и возникают вихреобразования. При этом воздушный поток отбрасывается под углом вниз, где образуется зона завихрённого и уплотнённого воздуха, в которую "ударяет" встречный поток воздуха, идущий ниже бампера. В результате сложного взаимодействия потока, отброшенного от бампера и встречного воздуха, происходит их перемешивание и завихрённый турбулентный поток воздуха устремляется под автопоезд, где наталкивается на балку передней оси тягача, элементы подвески, тормозов, рулевого управления, колёсного движителя и т.д. Одновременно на днище автопоезда образуется утолщающийся к его корме пограничный слой. Это приводит к торможению потока в подднищевой зоне, образованию многочисленных локальных отрывных течений, что увеличивает аэродинамическое сопротивление и действующую на автопоезд подъёмную силу.
Такой сложный характер обтекания отрицательно сказывается на аэродинамических характеристиках автопоезда. В соответствии с приведённой на рис. 2.2 схемой приложения в привязанной к центру тяжести системе координат аэродинамических сил и моментов, действующих на автопоезд, из-за увеличения сопротивления давления и отрывных течений возрастает действующая вдоль оси X сила лобового сопротивления Рх, обычно обозначаемая Pw, и величина характеризующего её коэффициента аэродинамического сопротивления Сх. Значение коэффициента Сх интенсивно растёт по мере увеличения угла натекания воздействующего на автопоезд воздушного потока.
Одновременно с ростом аэродинамического сопротивления увеличивается действующая на автопоезд подъёмная сила Pz и величина её коэффициента Cz. Кроме того увеличение подъёмной силы ведёт к росту моментов рысканья Mz и тангажа My, что отрицательно сказывается на аэродинамической устойчивости и управляемости автопоезда, ухудшает его курсовую устойчивость. Наличие высокого кузова в сочетании с большой подъёмной силой увеличивает действующую на автопоезд, особенно при порывах бокового ветра на открытых участках шоссе, боковую силу Ру и величину опрокидывающего момента Мх. Всё это снижает показатели активной безопасности автопоезда при движении с высокой скоростью по скользкой и увлажнённой дороге в условиях воздействия сильного бокового ветра со значительным по величине углом р его натекания.
Изучение характера взаимодействия двигающегося автопоезда с воздушной средой показывает, что уровень его обтекаемости при осесимметричном и кососимметричном натекании воздушного потока в значительной степени определяется аэродинамическими свойствами головной части, которые в свою очередь зависят от совершенства формы кабины и её конструктивных и установочных параметров.
Расчёт аэродинамического сопротивления подднищевой зоны автопоезда
Процесс обтекания фронтальных кромок кабины и кузова определяется характером распределения давлений и структурой пограничного слоя на их поверхности. Как H3BecTHofHj], структура пограничного слоя зависит от числа Рейнольдса (Re). При малых числах Рейнольдса (Re 2-Ю5) наблюдается ламинарное течение потока в пограничном слое, т.е. струйное - без перемешивания воздушных частиц. Поскольку ламинарный пограничный слой обладает малым запасом энергии, то происходит ранний его отрыв от поверхности плохообтекаемого тела и образования вихревой спутной струи. При увеличении числа Re за счёт роста скорости потока (Re 2-Ю6) происходит переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Это связано с ростом энергии потока в пограничном слое и невозможностью удержать его от перемешивания за счёт сил вязкости. Число Рейнольдса, при котором происходит переход пограничного слоя из-за ламинарного в турбулентный, называется критическим числом ReKp для данного тела. При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса существующий пограничный слой получает большую энергию, поэтому отрыв его задерживается, а точка отрыва смещается назад по длине тела. Описанное явление объясняет физически механизм обтекания острых и закруглённых фронтальных кромок кабины и кузова автопоезда. По мере увеличения радиуса закругления фронтальных кромок число Re потока, обтекающего кромки, возрастает и на них образуется энергоёмкий пограничный слой, который стремится удержаться на закруглённых кромках. В результате по мере увеличения закругления фронтальных кромок отрыв пограничного слоя задерживается, а линия его отрыва смещается назад.
Для изучения механизма взаимодействия фронтальной кромки с натекающим на неё воздушным потоком были проведены специальные исследования, в ходе которых моделировалось обтекание параллелепипеда с удлинением, равным 3. Исследования включали дренажные и весовые испытания при числе Re = 2-Ю6.
На рис. 2.10 показана схема обтекания фронтальной кромки параллелепипеда. Основанием для её построения явились результаты проведённых в аэродинамической трубе Института Механики МГУ исследований распределения давлений на фронтальной кромке при закруглении её с различным радиусом (см. главу 7). При натекании на переднюю стенку параллелепипеда с острыми незакруглёнными кромками происходит торможение потока и сразу же наблюдается отрыв пограничного слоя с возникновением струйных и отрывных течений. По мере увеличения радиуса закругления фронтальных кромок параллелепипеда число Re в этой зоне при натекании воздушного потока возрастает и на закруглённых кромках образуется энергоёмкий пограничный слой, который стремится удержаться на них.
Как известно, особенностью пограничного слоя, возникающего на перемещающемся в воздушном потоке теле, является наличие сил трения между частицами воздуха, в то время как основной обтекающий поток принято считать невязким. При натекании потока на параллелепипед, воздушная частица находящаяся в образующемся пограничном слое, должна переместиться через его фронтальную кромку - с лобовой части на боковую поверхность. При этом в процессе движения частицы по периметру фронтальной кромки её энергия давления вначале - на участке Г-Д переходит в кинетическую энергию, а затем, после перемещения на участке Д-Е, за счёт накопленной кинетической энергии в т. Е, снова стремится перейти в энергию давления. Если частички воздуха основного потока, где практически нет сил вязкости, могут обтекать даже острую фронтальную кромку, то частичкам в пограничном слое - из-за влияния сил трения, энергии нахватает, они начинают тормозиться, а затем двигаться в зону пониженного давления - за острой кромкой. В результате происходит отрыв пограничного слоя от фронтальной кромки параллелепипеда, увеличение спутной струи за ним и повышение аэродинамического сопротивления. Закругление фронтальной кромки позволяет устранить отрыв пограничного слоя. При движении частиц пограничного слоя по закруглённой фронтальной кромке торможение их уменьшается и возникают предпосылки для уменьшения степени отрыва пограничного слоя за счёт переформирования его из ламинарного в турбулентный, а при большом радиусе закругления возможно достижение безотрывного обтекания фронтальной кромки. По мере увеличения радиуса закругления фронтальной кромки, степень отрыва потока уменьшается, а линия отрыва смещается назад - по потоку. Если при острой кромке линия отрыва пограничного слоя проходит через т. Д, то по мере увеличения радиуса закругления она перемещается в т.т. Ді, Д2, Дз На рис. 2A0fi представлена зависимость относительного снижения коэффициента Сх параллелепипеда от относительного радиуса закругления верхней фронтальной кромки, полученная путём обработки результатов экспериментальных исследований его в аэродинамической трубе. Обращает внимание наличие трёх характерных зон изменения функции АСх = / (R / В ). Зона А - это интенсивное линейное снижение коэффициента Сх параллелепипеда в диапазоне изменения аргумента: 0 (R - / Вл) 0,05. В этой зоне происходит переформирование пограничного слоя на фронтальной кромке из ламинарного в турбулентный, который за счёт градиента давлений держится на ней плотнее. При этом резко уменьшаются пики отрывных течений и сопровождающие их энергозатраты. В зоне Б с диапазоном изменения аргумента 0,05 (R / Вп) 0,12 завершается переформирование ламинарного пограничного слоя на фронтальной кромке в турбулентный. Достигаемое в этой зоне снижение коэффициента Сх меньше, чем в зоне А, но достаточно заметное. В конце зоны Б создаются предпосылки к безотрывному обтеканию фронтальной кромки, о чём свидетельствует незначительное, примерно на пять порядков меньше, чем в зоне А, приращение коэффициента Сх модели, обеспечиваемое при дальнейшем увеличении радиуса закругления в зоне В с диапазоном изменения аргумента 0,12 (R / Вл) 0,50. Следует отметить, что характер обтекания остальных фронтальных кромок параллелепипеда аналогичен верхней.
Как показал проведённый нами анализ технической литературы, соответствующая обработка приведённых в ней данных о влиянии на коэффициента Сх степени закругления фронтальных кромок, характер протекания зависимости ДС = / (R3A/ В) адекватен приведённому на рис. 2.10/Г практически для всех типов автотранспортных средств. Сказанное выше даёт основание рекомендовать, при реализации закругления фронтальных кромок в качестве конструктивного мероприятия по улучшению обтекаемости автотранспортного средства, ограничиваться численными значениями функции
Для получения расчётных зависимостей коэффициента Сх автопоезда от радиуса закругления фронтальных кромок кабины и кузова были соответствующим образом обработаны результаты экспериментальных исследований. Экспериментальные зависимости Сх = / (R3/1). полученные при испытаниях масштабной модели автопоезда с различным закруглением фронтальных кромок кабины кузова были пересчитаны и построены в относительных координатах: ДС = / (R ВКб, кз)
Расчёт параметров дополнительных аэродинамических элементов на кабине и кузове
При определении аэродинамических характеристик автомобиля в аэродинамической трубе, по результатам дорожных испытаний или численным методом необходимы данные о его лобовой площади. Лобовая площадь или площадь миделя - это площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля. Наиболее точное определение площади миделя - это математический обсчёт площади поперечной проекции автомобиля, спроецированной посредством огибающих его плоскопараллельных световых лучей на установленный на определенном расстоянии экран. Однако, применение этого метода затруднительно для крупногабаритных автопоездов. Поэтому представляет интерес численный метод определения лобовой площади автопоезда.
Широкое распространение получило численное определение лобовой площади в виде произведения колеи автомобиля Вк на его габаритную высоту На (рис. 2.20). Однако, применение этого способа даёт существенную погрешность при определении лобовой площади автомобиля. Площадь, подсчитанная как произведение колеи на высоту, оказывается для легковых автомобилей на 4 v 12% больше, для автобусов - на 4 - 7% меньше, для грузовых автомобилей и автопоездов - на 10 + 20% меньше миделевой площади. Столь заметное отклонение от действительной лобовой площади приводит к соответствующему занижению для легковых автомобилей и завышению для автобусов, грузовых автомобилей и автопоездов коэффициента аэродинамического сопротивления Сх.
Наряду с изложенным методом иногда лобовую площадь определяют как произведение габаритной ширины на величину (На - Пб), представляющей собой высоту автомобиля до его днища. При этом положении днища по высоте определяется расстоянием he от дороги до переднего бампера автомобиля. Недостатком данного метода является исключение из-за лобовой площади колёс и выступающих элементов ходовой части и трансмиссии. При использовании этого метода лобовая площадь оказывается: для легковых автомобилей на 5 + 7% больше, для автобусов - на 2 4% меньше, для грузовых автомобилей и автопоездов - на 5 н-10% меньше миделевой площади.
Для определения лобовой площади легковых автомобилей используется формула, в которой площадь миделя является функцией произведения габаритной ширине на высоту автомобиля с введением поправочного коэффициента 0,78. Опытная проверка этой зависимости на ряде отечественных и зарубежных легковых автомобилей показала, что она даёт погрешность порядка 4 - 6%.
Анализ формы современных легковых автомобилей, автобусов, грузовых автомобилей и автопоездов, а также характера их взаимодействия с воздушным потоком показывает, что для определения лобовой площади может быть использована следующая формула: где: С - коэффициент формы, равный для легковых автомобилей 0,89, для грузовых автомобилей, автопоездов и автобусов - 1,0 соответственно; Ьш - ширина колеса с шиной; п - количество колёс (при односкатных задних колёсах легковых автомобилей п=2, при двухскатных задних колёсах грузовиков, автопоездов и автобусов п=4) Сопоставление данных по лобовым площадям, подсчитанным по полученной формуле (2.37) для значительного количества легковых автомобилей, автобусов, грузовых автомобилей и автопоездов показало, что точность результатов по отношению к миделевой площади составляет 2 - - 4%. Аэродинамические характеристики автопоезда в значительной мере зависят от параметров воздушной среды, определяющих физическое, структурное и динамическое состояние воздуха - его давления, температуры, плотности, степени турбулентности, а также скорости и направления натекания воздушного потока. Для удобства аэродинамических расчётов и для возможности сравнения результатов испытаний условно принято считать, что для данной высоты над уровнем моря давление, температура и плотность воздуха остаются постоянными, не зависящими от места и времени проведения испытаний.
На аэродинамические характеристики плохообтекаемых тел, к числу которых относятся автопоезда, заметное влияние оказывает степень турбулентности натекающего на них воздушного потока. Наименьшая величина интенсивности начальной турбулентности, не оказывающая влияния на аэродинамические характеристики автотранспортного средства, составляет е0 = 0,2%.
Поскольку при движении в транспортном потоке возникает дополнительная турбулизация воздушного потока из-за возмущения придонных слоев воздуха перемещающимися автотранспортными средствами, то реальная величина интенсивности турбулентности будет выше указанной. Накопление данных по интенсивности турбулентности в реальных дорожных условиях движения позволит обоснованно оценить степень её влияния на аэродинамические характеристики скоростных автотранспортных средств, в том числе магистральных автопоездов.
При движении автопоезда в реальных условиях на него воздействуют ветровые нагрузки, особенно при движении на открытых участках шоссе. Сила и направление ветра определяются так называемой "розой ветров" для данной местности, согласно которой в разных географических точках страны господствуют ветры определённой силы и направления. Средняя скорость ветра на территории нашей страныы редко превосходит величину 10 м/с. При этом большие величины характерны для северных районов и морских побережий. Наиболее сильные ветры - на побережье Северного Ледовитого океана, на Дальнем Востоке и на Южном Урале. Скорость и направление ветра обычно изменяются в зависимости от времени суток и года. Наименьшая скорость ветра - в ночные часы.
Годовые изменения скорости в различных климатических зонах страны зависят от местных условий. Для большинства областей России за исключением Восточной Сибири, средняя скорость ветра в летние месяцы меньше, чем в зимние. По данным работы [5 наиболее высокие средние скорости ветра отмечаются в районах Камчатской области - 9,6 м/с; Приморского края - 9,4 м/с; Сахалинской и Магаданской областей - 9,0 м/с. Главными характеристиками ветра являются его скорость и направление.
Способ учёта влияния загромождения рабочей части трубы на аэродинамические характеристики модели или макета автопоезда
Более совершенными являются выпуклые щитовые обтекатели. Придание лобовой поверхности щита выпуклой формы повышает его эффективность за счёт уменьшения отрывных течений при движении по ней воздушного потока. Выпуклые цилиндрические щитовые обтекатели могут быть двух типов: обтекатели, у которых образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна (рис. 4.2,6) и параллельна (рис. 4.2,д) центральной продольной плоскости автопоезда. Выпуклые цилиндрические обтекатели первого типа должны устанавливаться под углом к крыше кабины и иметь равную с ней ширину. Воздушный поток направляется таким обтекателем в основном на крышу кузова, обеспечивая так называемое "верхнее обтекание". Выпуклые цилиндрические обтекатели второго типа должны устанавливаться почти вертикально по отношению к крыше кабины. В этом случае основная часть идущего над кабиной тягача воздушного потока направляется на боковые стенки кузова, обеспечивая так называемое "боковое обтекание".
Среди выпуклых щитовых обтекателей, более производительными являются обтекатели, имеющие кривизну в двух плоскостях (рис. 2., г). Двояковыпуклый обтекатель направляет идущий над кабиной воздушный поток как на крышу, так и на боковые стенки кузова. Для такого обтекателя весьма важно правильно выбрать угол наклона относительно крыши кабины и места расположения относительно передней стенки кузова.
Щитовые обтекатели, имеющие вогнутую лобовую поверхность, можно разделить на две группы: обтекатели, у которых образующая вогнутой поверхности перпендикулярна (рис. 4.2,в) и параллельна (рис. 4.2,е) центральной продольной плоскости автопоезда. Вогнутые обтекатели первого типа просты по конструкции, однако имеют сравнительно низкую эффективность. Это объясняется тем, что двигаясь по вогнутой поверхности, воздушный поток закручивается и, имея вихревую структуру, подбрасывается вверх над верхней кромкой обтекателя. При этом, поскольку над верхней кромкой щита образуется устойчивый вихрь, встречный поток воздуха вынужден двигаться над ним и направляться, таким образом, значительно выше передней кромки крыши кузова. Это приводит к повышенным энергозатратам и снижению эффективности такого обтекателя.
Вогнутые обтекатели второго типа особенно эффективны при наличии больших (1,5-2,0 м и более) расстояний между кабиной тягача и передней стенкой кузова. Это объясняется тем, что такая форма обтекателя позволяет сконцентрировать идущий над кабиной воздушный поток в одну направленную струю, существенно увеличивая при этом его кинетическую энергию. В результате этого воздушный поток отбрасывается на значительно большее расстояние, чем при обычном выпуклом обтекателе.
Объёмный обтекатель, как правило, дороже, тяжелее, более материалоёмкий, чем щитовой. При осесимметричном натекании воздушного потока, эффективность обтекателей обоих типов практически одинакова, однако при наличии боковой составляющей потока более эффективен, имеющий боковые панели, объемный обтекатель. Поэтому при эксплуатации автопоезда на трассах, где господствуют боковые ветры, предпочтительнее установка объёмного обтекателя. Использование объёмного обтекателя требует серьёзной проработки его конструктивных параметров применительно к автопоезду, на котором он будет эксплуатироваться. При этом необходимо отметить, что объёмный обтекатель не универсален, он проектируется для одного конкретного автопоезда и применение его на другом, с иными типоразмерами, может быть малоэффективным.
В значительной мере свободен от недостатков объёмного, так называемый, полуобъёмный обтекатель. Он конструируется на базе щитового обтекателя с сохранением его универсальности, путем добавления боковых закрылков, повышающих его эффективность при кососимметричном натекании воздушного потока. Отличительной чертой такого полуобъёмного обтекателя является наличие у него в дополнение к центральному лобовому обтекателю (экрану) двух боковых экранов, либо плавно сопряженных с центральным и изготовленным с ним заодно целое, либо установленных дополнительно. При этом центральный экран имеет возможность угловой регулировки как вместе с боковыми экранами, так отдельно от них - если он выполнен с ними не за одно целое. Полуобъёмный обтекатель существенно легче объёмного и меньше его по габаритам, он устанавливается ближе к задней кромке крыши кабины.
Поскольку полуобъёмный обтекатель устанавливается на расстоянии 1 м и более от передней кромки крыши кабины, над её фронтальной кромкой следует монтировать верхний аэродинамический закрылок. Наличие такого закрылка практически устраняет отрывные течения над передней фронтальной кромкой кабины и повышает производительность находящегося на ней лобового обтекателя.
Целесообразность применения нижнего лобового обтекателя определяется величиной расстояния от переднего бампера до дороги. При этом минимальное расстояние, начиная с которого применение нижнего обтекателя оправдано, составляет 0,5 м. Положение крайней нижней точки обтекателя определяется конструктивно, но расстояние от неё до дороги не должно быть меньше дорожного просвета автопоезда.
При установке задних боковых закрылков на кабине следует иметь в виду, что на их эффективность, наряду с длиной и углом наклона, существенно влияет высота закрылков. В этой связи желательно применение высоких закрылков, верхние кромки которых соответствуют высоте кузова. Выбор оптимальных углов наклона и длины задних закрылков для конкретного автопоезда требует проведения соответствующих исследований. При этом следует учитывать, что увеличение зазора между кабиной и кузовом, равно как и расхождения их по ширине, требует увеличения угла наклона и длины закрылков.
Выбор оптимальных геометрических и установочных параметров верхнего дефлектора кузова для прицепных автопоездов проводится по результатам расчётных исследований и определяется величиной зазора между кузовом тягача и прицепа, а также соотношениями их высот.
Применение нижних боковых щитков связано с установлением оптимальных зазоров между их нижними кромками и дорогой - для обеспечения продольной проходимости автопоезда и исключения поломки щитов.
Использование заднего обтекателя на кузове в настоящее время сдерживается требованиями эксплуатации в части технологии процесса быстрой погрузки и разгрузки автопоезда, что связано со свободным доступом к его задней стенке. Поэтому, в качестве заднего обтекателя нами рекомендуется использовать выпуклые двери кузова, выполненные таким образом, что в закрытом состоянии они образуют усечённый сверху и снизу полуцилиндр, диаметр которого равен ширине кузова. Такой цилиндрический обтекатель обеспечивает уменьшение разрежения на задней стенке кузова и спутного следа за автопоездом. В таблице 4.1 представлена номенклатура рекомендуемых для применения на магистральных автопоездах аэродинамических устройств.
