4.6. Снижение аэродинамического сопротивления грузовых автомобилей

Большая площадь фронтальной проекции и прямоугольная, плохо обтекаемая форма кузова грузового автомобиля и автобуса способствуют возникновению значительного аэродинамического сопротивления. Данный факт особенно важен, если учесть, что современная перевозка грузов требует больших скоростей, при которых это сопротивление еще больше возрастает.

Максимальная площадь фронтальной проекции грузового автомобиля или автопоезда ограничена соответствующими национальными и международными правилами и стандартами и обычно полностью используется. При этом кузова грузовых автомобилей и полуприцепов по размерам значительно превышают кабину автомобиля тягача, и, в частности, различие их высот оказывает отрицательное воздействие на процесс обтекания автопоезда воздухом. В Европе наиболее часто используются прицепы и особенно полуприцепы с высотой 3,6-3,8 м. Ширина их в соответствии с правилами дорожного движения большинства стран не должна превышать 2,5 м. Такой полуприцеп с острыми ребрами превышает тягач как по высоте, так и по ширине и нарушает безотрывное аэродинамическое обтекание всей системы "тягач - полуприцеп".

Еще одним фактором, ухудшающим обтекаемость, является широкий зазор между тягачом и прицепом. При движении в нем возникает сильное завихрение, вызывающее срыв воздушного потока, в особенности при боковом ветре.

Поэтому у таких грузовых автопоездов, имеющих большую полную массу, а также большую площадь фронтальной проекции, аэродинамическое сопротивление и сопротивление качению становятся одинаковыми при скорости порядка 80 км/ч. Коэффициент сх этих автопоездов достигает больших значений, главным образом из-за плохо обтекаемой формы. На рис. 25 приведены значения коэффициента с_х в зависимости от угла между направлением воздушного потока и продольной осью автомобиля (угла натекания) для грузового автомобиля с прицепом А, для седельного тягача с полуприцепом Б и автобуса В. Более обтекаемая форма автобуса без боковых зазоров, острых граней и ступеней менее подвержена влиянию бокового воздушного потока. Улучшению аэродинамики грузовых автомобилей и автопоездов в настоящее время уделяется повышенное внимание, так как без больших изменений можно снизить расход топлива на 8-10 %, что очень важно для экономичной транспортировки грузов. Исследования в аэродинамических трубах показывают, что перекрыванием зазоров между различными по высоте кабиной тягача и кузовом полуприцепа при одновременном улучшении формы кузова можно снизить аэродинамическое сопротивление предельно на 48 %. Однако на практике этот максимум недостижим. У обычного седельного автопоезда с_х = 0,8; установка аэродинамического щитка на крыше тягача улучшает его до 0,56, а полное перекрывание всех зазоров, устраняющее очаги завихрений, - до 0,48.

Рис. 25. Влияние угла натекания воздушного потока γ на коэффициент с_х

Основное внимание специалистов сосредоточено на аэродинамическом щитке, устанавливаемом на крыше тягача, который можно приспособить для полуприцепов различной высоты, меняя его угол наклона. Сравнительно небольшой щиток отклоняет воздушный поток таким образом, что он без завихрений переходит на обтекание крыши полуприцепа.

Важным является также обтекание нижней части грузового автомобиля, весьма ступенчатой и имеющей разновысокие выступы. Необходимо поэтому ограничить расход воздуха под автомобилем, что достигается при помощи переднего спойлера, установка которого в отличие от легкового автомобиля имеет целью, главным образом, уменьшение аэродинамического сопротивления. Спойлер устанавливается под передним бампером по всей ширине автомобиля так, чтобы его нижняя грань перекрывала нижнюю точку передней оси. На рис. 26 показано изменение с_х седельного тягача с полуприцепом в зависимости от направления воздушного потока у при использовании аэродинамического щитка и переднего спойлера, полученное в результате исследований фирмой МАН (ФРГ) [4]. Несмотря на то, что доля тягача в общем аэродинамическом сопротивлении увеличивается, само оно значительно снижается - до с_х = 0,5. Главной причиной такого снижения является уменьшение сопротивления полуприцепа.

Рис. 26. Улучшение коэффициента с_х седельного тягача (А - одиночного; Б - с полуприцепом) при использовании спойлеров и обтекателей: а - исходное состояние без спойлеров и обтекателей; б - со спойлерами и обтекателями

Большие аэродинамические потери вызывает завихрение воздуха в зазоре между автомобилем и прицепом. У обычного прицепного автопоезда (грузового автомобиля и прицепа) общий с_х = 0,76. Скруглением вертикальных ребер прицепа на его передней стороне можно достичь улучшения с_х на 5,5 %. Дальнейшим путем снижения с_х является установка вертикального стабилизатора потока на передней стенке кузова прицепа. Этот стабилизатор разделяет пространство между автомобилем-тягачом и прицепом на две части и ограничивает завихрение. В результате с_х снижается на 6,5 %.

Одновременной установкой стабилизатора и скруглением ребер достигается улучшение с_х на 10%. Еще большего улучшения - до 12 % - достигают полным закрыванием зазора между автомобилем и прицепом. Упругое соединение, сгибающееся при прохождении поворота, обеспечивающее быстрое расцепление автопоезда и сохраняющее гладкую поверхность кузова, позволяет получить еще 2 % улучшения с_х.

Описанными выше мерами можно уменьшить суммарное аэродинамическое сопротивление на 25-27 %, что дает экономию топлива до 6-8 %.

Для дальнейшего снижения значений с_х при высоких скоростях автомобилей необходимо понижать переднюю часть кузова, и, если возможно, заднюю. Такой метод был проведен на экспериментальном автомобиле "Форд Проба IV", у которого переднюю часть кузова постепенно опускали, изменяя дорожный просвет от 155 до 25 мм, что вызвало улучшение с_х до 0,157 при измерениях, проведенных на реальном автомобиле в аэродинамической трубе фирмы "Пинин Фарина".

Путем применения специальных шарикоподшипников на вертикальных шарнирах передней подвески "Макферсон", наклона двигателя на 70° и размещения радиатора за задними колесами удалось достичь требуемого снижения передней части автомобиля.