4.4. Спойлеры

Спойлеры начали применять в первую очередь на гоночных автомобилях для увеличения сцепного усилия колес, сохраняя при этом массу автомобиля. Для объяснения механизма действия спойлеров, независимо от того, где они установлены, можно использовать опыты Ф. Шенкеля из фирмы "Дженерал Моторс", результаты которых были сообщены на конгрессе SAE в г. Детройте [2]. В экспериментах определялось изменение нагрузки на передний и задний мосты в зависимости от высоты спойлера h.

Размеры переднего спойлера приведены на рис. 21. Спойлер представляет собой поперечный лист длиной 1105 мм, расположенный на расстоянии 635 мм от передней оси. Высота h обозначает расстояние от нижней кромки спойлера до днища кузова. График, приведенный на этом рисунке, показывает изменение Δc_F от размера h в сравнении с вариантом без спойлеров, причем коэффициент c_F характеризует степень аэродинамической нагружены ости оси автомобиля:

где F - сила (нагрузка) на переднюю или заднюю ось; А - лобовая поверхность автомобиля, м²; р - плотность воздуха, кг/м³; v - скорость автомобиля, км/ч.

Изменение этих параметров на рис. 21 показано в зависимости от h. Коэффициент аэродинамического сопротивления с_х сначала (до h = 100 мм) снижается, а затем снова возрастает. Коэффициент аэродинамической разгрузки передней оси Δc_F непрерывно уменьшается вплоть до предельного значения h = 300 мм, когда спойлер выдвинут почти до поверхности дороги. Коэффициент аэродинамической разгрузки задней оси до h = 150 мм возрастает, а далее уже не изменяется.

Рис. 21. Влияние переднего спойлера на аэродинамическую нагруженность осей автомобиля: 1 - задняя ось; 2 - передняя ось; Δс_х - изменение коэффициента аэродинамического сопротивления; Δс_F - изменение коэффициента аэродинамической разгрузки; с_р - относительное изменение аэродинамического давления

Прежде чем применять передний спойлер, необходимо уточнить, чего можно достичь с его помощью. В первую очередь - это увеличение прижатия передней оси к поверхности дороги с целью обеспечения хорошей управляемости автомобиля. На снижение аэродинамического сопротивления такой спойлер оказывает весьма малое влияние. Многое, конечно, зависит от исполнения спойлера и его сочетания, вписываемости в форму кузова.

Снижение аэродинамического сопротивления заключается главным образом в том, что уменьшается его количество, продуваемое под автомобилем. Уменьшенная скорость протекания воздуха по весьма неровному днищу кузова оказывает решающее влияние на снижение сопротивления воздуха.

С этой точки зрения также интересной представляется изображенное на рис. 21 распределение давления воздуха на поверхности кузова и направления его изменения. Величины давления воздуха на поверхности кузова автомобиля без спойлера обозначены черными точками, а направления аэродинамических сил иллюстрируются наклоном линий к поверхности кузова. В кружках обозначено, идет ли речь об избыточном давлении (плюс) или о разрежении (минус).

Главным назначением переднего спойлера является снижение давления под кузовом в передней части автомобиля. Величины давления при выдвижении спойлера обозначены светлыми кружками и треугольниками. Увеличение разрежения в передней части автомобиля наблюдается до половины его длины, затем оно уменьшается, что способствует увеличению нагрузки на переднюю ось. В задней части автомобиля изменения при этом незначительны.

Аналогичная картина имеет место и при использовании спойлеров в задней части автомобиля. Размеры и влияние спойлеров показаны на рис. 22. И в этом случае сопротивление сначала несколько снижается, а начиная с h = = 20 мм, - увеличивается. При этом аэродинамическая разгрузка передней оси мало зависит от возникающего перераспределения давлений. При этом наибольшее влияние спойлеры оказывают на прижатие задней оси к дороге и на увеличение сцепного усилия колес.

Рис. 22. Влияние заднего спойлера на аэродинамическую нагруженность осей автомобиля: 1 - задняя ось; 2 - передняя ось; Δс_х - изменение коэффициента аэродинамического сопротивления; Δс_F - изменение коэффициента аэродинамической разгрузки; ср - относительное изменение аэродинамического давления

Распределение давления воздуха по поверхности кузова показано в нижней части рис. 22. Для простоты на нем не приводятся значения давления в передней части кузова, которые практически неизменны. Задний спойлер несколько повышает давление в месте его размещения и увеличивает разрежение под задней частью автомобиля. Места на кузове, где имеется повышенное давление, выгодно использовать для забора воздуха в целях обеспечения вентиляции и отопления. В местах разрежения следует размещать отверстия для отвода воздуха из кузова. Тем самым обеспечивается прохождение воздуха через внутренний объем кузова без принудительной вентиляции, хотя при этом и ухудшается коэффициент с_х.

Влияние спойлеров на потребление топлива различно. Оно невелико для аэродинамически хорошо спроектированных и более значимо для плохо обтекаемых кузовов. В качестве среднего значения оценки этого влияния можно было бы принять улучшение коэффициента с_х, достигнутое при использовании переднего спойлера на автомобиле "Остин Аллегро ВL", у которого изменение с_х от 0,44 до 0,40 привело к снижению расхода горючего на 11 %.

Для справки целесообразно привести несколько значений коэффициента с_х различных автомобилей. Среднее значение с_х для моделей автомобилей 1980 г. равно 0,46; у "Ауди-100" - с_х = 0,42; "NSU Ro-80" - 0,37; "Форд Фиеста" - 0,42; "Форд Гранада" - 0,435.

Интересен процесс разработки и применения решетки перед радиатором у автомобилей "Форд Капри" и "Форд Гранада" (ФРГ), показанный на рис. 23. Обычно при большой скорости автомобиля радиатор обтекает большее количество воздуха, чем нужно для охлаждения. Разместив перед радиатором направляющую решетку с профилем шторок в виде лопаток турбины, достигли следующего: при малых скоростях автомобиля через решетку протекает больше воздуха (см. рис. 23, а), чем на больших, когда направляющая решетка отклоняет поток набегающего воздуха вверх и он обтекает капот (рис. 23, б).

Рис. 23. Течение воздуха через направляющую решетку перед радиатором автомобилей 'Форд' при малых (а) и больших (б) скоростях движения автомобиля

Конструкторам фирмы "Гиа" удалось достичь при создании спортивного варианта кузова автомобиля "Форд Фиеста" коэффициента с_х = 0,38. Тщательная проработка деталей кузова автомобилей "Мерседес-Бенц" серии S позволила улучшить коэффициент с_х на 14 %: от с_х = 0,37 до с_х = 0,36. Одним из примеров было изготовление стекол задних фонарей с продольным оребрением, что обеспечило лучшее обтекание воздухом и меньшую их загрязняемость при движении.

У американского автомобиля "Крайслер" малого класса коэффициент с_х был улучшен с 0,46 до 0,41, на автомобилях "Рено R-14" и "Фольксваген Гольф" удалось получить с_х = 0,42; на итальянском "Фиат Ритмо" - 0,44. Одного из лучших значений этого показателя достигли французские специалисты на автомобиле "Ситроен СХ", у которого с_х = 0,30. Автомобиль "Ровер 3500" (Англия) имеет с_х = 0,32.

Еще один пример аэродинамического улучшения формы кузова путем тщательной проработки его деталей показан на рис. 24. Изменением оформления кузова (последовательность стадий показана на рисунке слева направо) было достигнуто улучшение с_х на 15 %. Сначала путем скругления оперения был устранен срыв потока воздуха с капота, что позволило улучшить с_х на 16 %. Однако, чтобы сохранить художественное решение кузова, была скруглена только часть оперения, в том числе углы крыльев в горизонтальной проекции, при этом был потерян только 1 % достигнутого улучшения.

Рис. 24. Улучшение коэффициента аэродинамического сопротивления с_х кузова автомобиля 'Фольксваген' изменением формы оперения кузова [21]

Были испытаны пять видов заднего спойлера и выбран вариант с минимальной высотой 40 мм, обеспечивший снижение с_х с 0,41 до 0,378, а коэффициента аэродинамической нагруженности задней оси - с 0,25 до 0,19.