4.3. Аэродинамически совершенная форма кузова

Форма кузова должна обеспечивать как можно меньшее сопротивление воздуха и в то же время аэродинамическую устойчивость автомобиля. Во время первых опытов, проведенных профессором В. Каммом, передняя часть модели автомобиля была тщательно скруглена, а задняя - удлинена настолько, чтобы не допустить срыв с нее воздушного потока. Эта каплеобразная форма показана штриховой линией на рис. 16, а, где также изображена форма кузова автомобиля, полученная из каплеобразной с небольшими изменениями лобовой и хвостовой частей для уменьшения длины автомобиля и обзорности.

Рис. 16. Формы обтекаемого кузова; а - по В. Камму; б - по П, Джерею

Для обеспечения аэродинамической устойчивости при боковом ветре необходимо было увеличить боковую поверхность за счет двух рулей управления, как это показано на рис. 17. Внешний вид автомобиля в результате значительно ухудшился и поэтому рули оставили лишь на опытных образцах.

Рис. 17. Кузов В. Камма с двумя крыльями - рулями направления Большего увеличения боковой поверхности достигал кузов, выполненный по патенту П. Джерея, за счет использования нижней его части в форме крыла, а верхней - в форме симметричной, вытянутой в горизонтальной проекции капли (рис. 16, б). Более привлекательный внешне, этот кузов был снабжен вертикальным крылом, расположенным посредине. Такие кузова были испытаны на нескольких спортивных автомобилях.

Предприятием "Татра" был разработан собственный вариант кузова для автомобиля "Татра-87", обеспечивший очень хороший коэффициент с_х = 0,32. Эти автомобили с небольшими изменениями выпускались 20 лет (рис. 18).

Рис. 18. Аэродинамический кузов автомобиля 'Татра-87'

Требования к аэродинамическим свойствам кузова постоянно растут. Должны быть обеспечены и низкое сопротивление воздуху и устойчивость при боковом ветре. Необходимо, чтобы равнодействующая аэродинамических сил, действующих на кузов, располагалась как можно ближе к центру тяжести автомобиля или проходящей через него оси автомобиля. Если боковая сила действует по оси, то автомобиль только слегка сдвигается, но не поворачивается.

Если равнодействующая аэродинамических боковых сил проходит впереди оси, то автомобиль поворачивается по направлению ветра, т. е. он аэродинамически неустойчив. Если равнодействующая приложена сзади оси, то автомобиль поворачивается против направления ветра, но так как одновременно он продолжает движение вперед, то через определенное время, за которое водитель поворотом руля обеспечивает сохранение направления движения, машина возвращается в исходное (по движению) положение. Первая реакция на боковой удар ветра - автоматическая, без действия водителя. При нем автомобиль поворачивается и начинает двигаться под углом к осевой линии дороги. Водитель имеет достаточно времени для воздействия на рулевое управление и поэтому можно считать такой автомобиль аэродинамически устойчивым.

У хорошо обтекаемых кузовов равнодействующая аэродинамических сил приложена обычно в передней части автомобиля, и, следовательно, если центр тяжести в задней половине, то автомобиль аэродинамически неустойчив. Этому, однако, препятствует большая боковая площадь задней части, например, как у автомобилей с грузопассажирским кузовом типа "универсал". Автомобили с малым уклоном крыши, имеющие к тому же скругленную заднюю часть, предрасположены к аэродинамической неустойчивости.

Уклон задней части крыши должен быть небольшим, чтобы поток воздуха не отрывался от кузова. Поэтому крыша с малым уклоном задней части более выгодна, а в местах, где происходит отрыв потока воздуха, кузов необходимо завершить вертикальной стенкой. Сопротивление воздуха в этой части можно снизить с помощью спойлера, как показано на рис. 19. При использовании кузова такого типа возникают проблемы с обеспечением заднего обзора, в особенности, если уклон задней части крыши небольшой. При устранении заднего окна водитель получает информацию о состоянии движения сзади только с помощью зеркал заднего вида, располагаемых на передних крыльях или на боковинах передних дверей. Но эти элементы значительно увеличивают аэродинамическое сопротивление автомобиля. Задние спойлеры способствуют повышению устойчивости машины; речь о них пойдет в отдельной главе.

Рис. 19. Кузов с задним спойлером

Для сохранения хорошей управляемости автомобиля очень важны нагрузки на переднюю и заднюю подвески. Приближенно их можно установить по распределению массы автомобиля на оси. Однако определенное значение имеет и аэродинамическая нагрузка подвесок.

Аэродинамическое нагружение обеспечивает возможность переноса большей силы с шин на поверхность дороги, в первую очередь при ускорении и торможении автомобиля, что важно для сохранения его управляемости. Аэродинамическая нагрузка на ведущую ось важна прежде всего для гоночных автомобилей, так как это улучшает динамику разгона и способствует повышению скорости прохождения поворотов. При аэродинамическом нагружении осей во время торможения сопротивление спойлера помогает этому процессу и разгружает тормоза колес, уменьшая их нагрев и, соответственно, нагрев шин. От гоночных автомобилей спойлеры перешли и на серийные модели автомобилей спортивного типа.

У некоторых гоночных автомобилей угол наклона спойлера можно менять во время движения, т. е. он действует как руль высоты у самолета. Если требуется увеличение нагрузки на ось, то угол наклона спойлера уменьшается. Спойлером можно снизить аэродинамическое сопротивление автомобиля, а также и его сопротивление качению, поскольку оно зависит от силы, прижимающей колесо к дороге.

Передняя подвеска должна обеспечивать хорошую управляемость автомобиля и на больших скоростях. Это не всегда удается, в особенности при скругленном и высоко поднятом капоте. Точно так же, как и на профиле крыла самолета, над капотом возникает зона пониженного давления и тем самым нагрузка на переднюю ось уменьшается. Эта разгрузка оси на большой скорости может достичь такой величины, что автомобиль перестанет реагировать на управление. Поэтому передние части у скоростных автомобилей делают низкими и длинными, поднимающимися к лобовому стеклу под малым углом.

Итак, кузов автомобиля оказывает существенное влияние на достижение минимальных величин сопротивления движению, но при этом он должен обеспечивать безопасность, комфортные условия для водителя и пассажиров и, кроме того, кузов как бы представляет автомобиль, это его одежда. Передовые художники-конструкторы по кузовам должны постоянно повышать не только свой творческий уровень, но и расширять технические знания, так как кузов в настоящее время - не только произведение художника, а является важнейшим техническим элементом современного автомобиля, в конструкции которого нужно учитывать все достижения научно-технического прогресса, способствующие повышению экономичности автомобиля.

Одним из самых известных конструкторов кузовов является П. Фарина, построивший собственную аэродинамическую трубу. Для поддержки его работ итальянский исследовательский клуб CNR заказал у П. Фарина разработку и изготовление прототипа кузова автомобиля среднего класса с минимальным аэродинамическим сопротивлением и соответствующим ему низким расходом топлива, пригодного для массового производства. Кузов должен быть аэродинамически устойчивым, обеспечивать размещение водителя и четырех пассажиров, двигателя и агрегатов, а также иметь большой багажник.

Прежде всего искалась форма кузова, который на малом расстоянии от земли имел бы наименьший коэффициент с_х и при этом к кузову не были бы приложены никакие вертикальные результирующие силы. Эта форма кузова разрабатывалась без учета колес, размещения двигателя и других силовых агрегатов. В результате была найдена оптимальная форма кузова, который при размещении вблизи земли имел наименьший из известных коэффициент аэродинамического сопротивления сх = 0,049.

Затем к кузову были прикреплены колеса, что оказало значительное влияние на аэродинамику. Колеса при измерении не вращались, поверхность пола также была неподвижна. Это обычный способ, используемый при измерениях сопротивления автомобиля в аэродинамической трубе. Масштаб продуваемого макета составлял 1:1. После тщательной доводки был достигнут коэффициент с_х = 0,16, что является наименьшим из всех значений, полученных до настоящего времени для автомобилей и их макетов с колесами.

Характерным показателем хорошего аэродинамического решения кузова автомобиля является скорость воздуха, при которой сопротивление качению равно аэродинамическому сопротивлению. Для современных автомобилей эта скорость составляет 50-60 км/ч. Для автомобиля с кузовом "Пининфарина" эта скорость была около 90 км/ч.

Окончательная форма кузова автомобиля должна соответствовать правилам дорожного движения в различных странах, включая размещение фар, бамперов, номерных знаков, а также отвечать требованиям при проведении испытаний на безопасность. П. Фарина отвергает различные спойлеры и утверждает, что они служат только целям устранения недостатков или допущенных ошибок при проектировании аэродинамической формы кузова.

Форма кузова, показанная на рис. 20, весьма необычна и напоминает дельфина в прыжке. У последнего варианта кузова передняя и задняя части были сменными. Размеры модели составляли в мм:

Рис. 20. Кузов автомобиля с минимальным аэродинамическим сопротивлением фирмы 'Пининфарина'

Предусмотрен четырехдверный вариант кузова. Предполагается, что двигатель и ведущий мост также размещены в передней части. Автомобиль имеет независимую подвеску передних и задних колес. Колеса выполнены в виде сплошных дисков, причем передние закрыты обтекателями.

Опыт показывает, что коэффициент с_х у реальных автомобилей на 10-20 % выше, чем у их макетов, так как на последних отсутствуют детали подвески, дверные ручки, замки и т. д. Из-за сводчатой формы пола коэффициент с_х ухудшился на 45 %, т. е. достиг значения с_х = 0,23. Это составляет примерно половину с_х сегодняшнего среднего автомобиля и соответствует снижению потребления им топлива на 15-20 %.