Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобилей таблица

Что такое аэродинамика автомобиля

Как бы странно это ни звучало, чем с большей скоростью автомобиль движется по дороге, тем сильнее он будет стремиться оторваться от земли. Причина в том, что поток воздуха, с которым сталкивается транспортное средство, разрезается кузовом авто на две части. Одна проходит между днищем и дорожным покрытием, а вторая – над крышей, и огибает контур машины.

Если посмотреть на кузов автомобиля сбоку, то визуально он будет отдаленно напоминать крыло самолета. Особенность этого элемента летательного аппарата заключается в том, что воздушный поток над изгибом проходит больше пути, чем под прямой частью детали. Из-за этого над крылом создается разряжение, или вакуум. С увеличением скорости эта сила сильнее приподнимает корпус.

Подобный подъемный эффект создается и у автомобиля. Верхний поток огибает капот, крышу и багажник, а нижний – только днище. Еще один элемент, который создает дополнительное сопротивление, это приближенные к вертикали детали кузова (радиаторная решетка или лобовое стекло).

Скорость транспорта напрямую влияет на подъемный эффект. Причем форма кузова с вертикальными панелями создает дополнительное завихрение, которое снижает сцепление транспорта с дорогой. По этой причине владельцы многих классических автомобилей с угловатыми формами при тюнинге обязательно крепят к кузову спойлер и другие элементы, позволяющие увеличивать прижимную силу машины.

Основные понятия аэродинамики

Чтобы легче разобраться в аэродинамике, определимся с терминами, принятыми в этой науке.

Сила аэродинамического сопротивления (Рх) — сила, с которой поток воздуха «давит» на движущийся автомобиль. Всегда действует в сторону, противоположную движению. Чем больше, тем ниже максимальная скорость и динамика автомобиля при прочих равных условиях.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх). Безразмерная величина, обычно меньше единицы. Определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помочью расчетов. Физический смысл — отношение аэродинамической силы к скоростному напору и характерной площади. У современных автомобилей значение Сх в районе 0,30. Внедорожники имеют чуть больший коэффициент Сх из-за большей площади кузова.

Подробнее про коэффициент Сх в данной статье.

Короли аэродинамики в автомире.

Аэродинамика – это загадка мироздания, которую, конечно, уже давно разгадали ученые, конструкторы и инженеры автопромышленности. С самого начала появления автомобилей в нашем мире аэродинамика идет с ними бок о бок

Да, было время, когда автопроизводители забыли про важность аэродинамики. Особенно когда топливо стоило дешевле, чем алкоголь

Но сегодня, когда бензин и дизельное топливо не радуют своими ценниками на АЗС многих стран, физика твердого тела, движущегося в воздухе, имеет фундаментальное значение для ускорения и повышения эффективности автомобилей.

Напомним, что коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха влияет на то, как автомобиль потребляет топливо на скорости. Это же касается и электрических автомобилей, для которых аэродинамика играет первостепенную роль, поскольку чем меньше сопротивление воздуха, тем меньше расходуется электричество для питания электромотора.

Благодаря развитию аэродинамики в автопромышленности многие автомобили стали обтекаемы по сравнению со своими предшественниками. Но в истории автомира было немало примеров, когда автомобильные компании пытались экспериментировать с необычными аэродинамическими формами. К сожалению, в большинстве случаев потребители не оценили то, что получалось, по причине того, что форма не соответствовала духу времени.

Мы собрали для вас самые интересные и необычные автомобили, имеющие странные аэродинамические кузова. Некоторые проекты неудачны, некоторые вполне удивляют даже сегодня.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.

Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

Автомобильная аэродинамика

Все знают, для чего нужна автомобильная аэродинамика. Чем проще его корпус, тем ниже стабильность движения и расход топлива. Такой автомобиль не только экономит ваши деньги, но и выбрасывает меньше мусора в окружающую среду. Ответ прост, но далеко не полон

Рассчитайте распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом значительных скоростей современных автомобилей. Обеспечьте доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозов

Рассмотрите точки впуска и выпуска для системы вентиляции кабины. Стремитесь снизить уровень шума в салоне. Оптимизируйте форму частей тела, чтобы уменьшить загрязнение стекла, зеркал и освещения. Кроме того, решение одной проблемы часто противоречит применению другой.

Прижимная и подъемная силы

Вот еще один нюанс, который влияет на управляемость транспорта. В некоторых случаях лобовое сопротивление не удается снизить до минимума. Пример тому – болиды F1. Хотя их кузов идеально обтекаемый, колеса в них открыты. Эта зона создает больше всего проблем для производителей. У такого транспорта Сх находится в пределах от 1,0 до 0,75.

Если задний вихрь в этом случае не удастся устранить, то потоком можно воспользоваться, чтобы увеличить сцепление с треком. Для этого на кузов устанавливают дополнительные детали, которые создают прижимную силу

Например, передний бампер оснащают спойлером, который препятствует отрыву от земли, что крайне важно для спорткара. Подобное антикрыло закрепляется и на задней части болида

Переднее антикрыло направляет поток не под машину, а на верхнюю часть кузова. Из-за этого нос транспорта всегда направляется в сторону дороги. Снизу образуется вакуум, и машина будто прилипает к трассе. Задний спойлер препятствует образованию вихря позади авто – деталь срывает поток, прежде чем он начнет всасываться в зону разрежения за транспортом.

На уменьшение лобового сопротивления также влияют мелкие элементы. Например, кромка капота практически всех современных автомобилей закрывает щетки дворников

Так как передняя часть машины больше всего сталкивается со встречным потоком, то внимание уделяется даже таким мелким элементам, как дефлекторы воздухозаборников

Устанавливая спортивные обвесы, нужно учесть, что дополнительная прижимная сила делает машину более уверенной на дороге, но при этом направленный поток увеличивает лобовое сопротивление. Из-за этого пиковая скорость такого транспорта будет ниже, чем без аэродинамических элементов. Еще один отрицательный эффект – автомобиль становится более прожорливым. Правда, эффект от спортивного комплекта обвесов будет ощущаться при скорости от 120 километров в час, поэтому в большинстве ситуаций на дорогах общественного пользования такие детали .

Основные понятия аэродинамики

Чтобы легче разобраться в аэродинамике, определимся с терминами, принятыми в этой науке.

Подробнее про коэффициент Сх в данной статье.

Подъемная сила (Рz) — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. При обтекании автомобиля частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, то есть более выпуклую поверхность. А согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.

Преимущества кованых дисков перед литыми. Что выбрать?

Коэффициент подъемной силы (Су). Тоже безразмерный, определяется аналогично Сх. Зависит от форм автомобиля, его ориентации в пространстве, чисел Рейнольдса и Маха.

Мидель (от middel — средняя) – наибольшая площадь сечения автомобиля, перпендикулярная направлению движения.

Опрокидывающий момент (Му) — определяет перераспределение нагрузок между передними и задними осями автомобиля. Возникает из-за того, что Рх всегда действует под углом к продольной оси автомобиля. По Му можно судить о возможном изменении управляемости на высоких скоростях, а нулевое значение говорит о том, что независимо от скорости автомобиля тот будет управляться одинаково, а заложенный производителем баланс нагрузок на колеса не нарушится.

Момент крена (Мх) и разворачивающий момент (Мz) – характеризуют способность автомобиля противостоять порывам бокового ветра. Чем меньше абсолютные значения, тем меньше водитель чувствует влияние капризов природы.

Как меняют аэродинамику автомобиля?

Задача специалистов по аэродинамике состоит в уменьшении паразитных сил и моментов (Рх, Рz, Му, Мх и Мz). Добиться можно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, что ведет к увеличению площади миделя и как следствие – к увеличению силы лобового сопротивления. Тупик? Нет, оказывается, грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы позволяют уменьшить Сх! Что это за устройства? Обычно при слове обвес речь идет о бамперах, порогах, спойлерах и антикрыльях.

Антикрыло. Создано для борьбы с подъемной силой. Первостепенная задача – создать прижимную силу, чтобы колеса не теряли контакт с дорогой ни при каких условиях. Взгляните на болиды Ф1. Вот где антикрылья – усилия работы специалистов по аэродинамике! Но перебарщивать с размерами нельзя – резко растет аэродинамическое сопротивление, а значит – падает скорость, увеличивается расход топлива. Практически на всех спортивных автомобилях рабочая часть крыла выполнена регулируемой для возможности изменения угла атаки и возможности настройки.

Основы аэродинамики автомобиля. Что влияет на аэродинамику авто?

Спойлер (от spoil — портить). Аэродинамический элемент с одной рабочей поверхностью для изменения направления движения воздушного потока. Основная задача «правильного» спойлера – организация безотрывного и «плавного» обтекания воздушным потоком всей поверхности автомобиля, что повышает устойчивости при движении с высокими скоростями. Спойлер может бороться с подъемной силой, отсюда его сложные формы. Но эта деталь всегда примыкает к кузову автомобиля. По большому счету, бамперы и пороги это тоже большие спойлеры.

Спойлер и антикрыло – основные, но не единственные элементы, улучшающие аэродинамику. Если заглянуть под днище современного авто, то увидим большое количество специальных щитков. Их задача – уменьшить сопротивление, исключить завихрения и направление потока в нужном направлении. Иногда проработка днища дает потрясающие результаты.

Диффузор. Дальше всех пошли спортсмены – они решили присосать автомобиль к трассе! Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила. Плодами этого открытия норовит воспользоваться каждый автопроизводитель: диффузоры, обеспечивающие ускорение потока, появляются в задней части гражданских машин.

Проблема, что для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны по возможности плоское днище и минимальный дорожный просвет. Если строители спортивных машин могут это позволить, то, к примеру, на Evolution диффузор служит скорее украшением, чем полноценным аэродинамическим элементом.

Парктроник – главный помощник автовладельца. Устройство и монтаж

Уменьшаем аэродинамическое сопротивление

Мы показали, что такое аэродинамическое сопротивление, от чего он зависит, но не указали, как можно самому влиять на эту характеристику в лучшую или худшую сторону.

Помимо дверных ручек, противотуманных фар, радиоантенны и боковых зеркал есть следующие элементы автомобиля, влияющие на аэродинамику:

открытые окна ухудшают характеристики на 5%
доп. установленные грязезащитные фартуки колес на 3%
багажник на крыше на 10-12%
шины с широким профилем на 3%
открытый люк на крыше на 5%
выпирающие колпаки колес также ухудшают аэродинамику.

От грамотно сбалансированной аэродинамики зависят не только скорость и разгон, но и устойчивость автомобиля, плавность движения.

Подъемная и прижимная сила

Действующие подъемная и прижимная силы

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

Формой кузова;
Трением потока о поверхности при обтекании;
Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Подъемная и прижимная сила

Действующие подъемная и прижимная силы

Уменьшение завихрений при установке спойлера

Компоновка – среднемоторная, привод – задний

Особенность таких автомобилей – центр тяжести, который находится где-то в центральной части автомобиля.

Передок машины намного легче, что может привести к неконтролируемому заносу задней части авто или перевороту последнего.

Но столь негативные явления можно сбалансировать, если установить подходящие аэродинамические детали на передке машины (о них мы уже упоминали выше).

Не стоит забывать о задней части автомобиля, где диффузоры, спойлеры и антикрылья также могут пригодиться. С их помощью создается прижимная сила на заднюю ось.

Снова-таки, рассмотрим два основных типа авто.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

Основные факты аэродинамики

Откуда берется это сопротивление? Все очень просто. Вокруг нашей планеты имеется атмосфера, состоящая из газовых соединений. В среднем плотность твердых слоев атмосферы (пространство от земли и до высоты птичьего полета) составляет около 1,2кг/квадратный метр. Когда предмет находится в движении, он сталкивается с молекулами газов, входящих в состав воздуха. Чем выше скорость, тем с большей силой эти элементы будут ударяться о предмет. По этой причине, входя в земную атмосферу, космический аппарат начинает сильно нагреваться от силы трения.

Самая первая задача, с которой пытаются справиться разработчики нового дизайна модели, это как снизить лобовое сопротивление. Этот параметр увеличивается в 4 раза, если транспорт ускорится в пределах от 60км/ч до 120км/ч. Чтобы понять, насколько это существенная величина, рассмотрим небольшой пример.

Вес транспорта составляет 2 тысячи кг. Транспорт разгоняется до 36 км/ч. При этом затрачивается всего 600 Ватт мощности на преодоление этой силы. Все остальное тратится на разгон. Но уже на скорости в 108 км/ч. на преодоление фронтального сопротивления уже используется 16 кВт мощности. При движении на скорости в 250км/ч. автомобиль тратит уже целых 180 лошадиных сил на силу сопротивления. Если водитель захочет разогнать авто еще сильнее, до 300 километров/час, помимо мощности для увеличения скорости мотору нужно будет расходовать уже 310 лошадей, чтобы справиться с фронтальным потоком воздуха. Вот зачем спортивному автомобилю требуется настолько мощный силовой агрегат.

Чтобы разработать максимально обтекаемый, но вместе с тем и достаточно комфортный транспорт, инженеры рассчитывают коэффициент Сх. Этот параметр в описании модели является самым важным, что касается идеальной формы кузова. Идеальной величиной в этой области обладает капля воды. У нее этот коэффициент составляет 0,04. Ни один автопроизводитель не согласится на столь оригинальный дизайн своей новой модели машины, хотя раньше встречались варианты в таком дизайне.

Уменьшать сопротивление ветра можно двумя методами:

Изменить форму кузова настолько, чтобы поток воздуха максимально обтекал машину;
Сделать автомобиль нешироким.

Во время движения машины на нее действует вертикальная сила. Она может иметь прижимный эффект, что положительно сказывается на сцеплении с дорогой. Если не увеличить давление на машину, образовавшийся вихрь будет обеспечивать отрыв транспорта от земли (этот эффект каждый производитель старается максимально устранить).

С другой стороны во время движения авто на него действует и третья сила – боковая. Эта область еще меньше поддается контролю, так как на нее влияет много непостоянных величин, например, боковой ветер при прямолинейном движении или на повороте. Силу этого фактора невозможно предугадать, поэтому инженеры не рискуют, и создают корпуса с шириной, которая позволяет пойти на определенный компромисс в коэффициенте Сх.

Чтобы определить, до какой степени можно учесть параметры вертикальных, фронтальных и боковых сил, ведущие производители автотранспорта создают специализированные лаборатории, в которых проводятся аэродинамические испытания. В зависимости от материальных возможностей, эта лаборатория может включать аэродинамическую трубу, в которой под большим потоком воздуха проверяется эффективность обтекаемости транспорта.

В идеале производители новых моделей авто стремятся либо довести свою продукцию до коэффициента в 0,18 (на сегодняшний день это идеал), либо превысить его. Но второе пока никому еще не удается, потому что невозможно устранить другие силы, воздействующие на машину.

Зачем это нужно

Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:

рассчитывают распределение по осям подъемной силы, что очень важно с учетом немалых скоростей современных автомобилей,
обеспечивают доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных механизмов,
продумывают места забора и выхода воздуха для системы вентиляции салона,
стремятся понизить уровень шумов в салоне,
оптимизируют форму деталей кузова для уменьшения загрязнения стекол, зеркал и светотехники.

Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.