Category Archives: Разное

Аэродинамика и экология

Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. Она зависит от двух параметров автомобиля: площади поперечного сечения (S) и коэффициента аэродинамического сопротивления (Cx). Например, автомобиль с S=2,73 кв.м и Cx=0,34 при скорости 150 км/ч будет тратить 50л.с. мощности на преодоление сопротивления воздуха. Таким образом, снизив лобовое сопротивление, можно добиться заметного снижения расхода топлива и выбросов токсичных веществ. Но уменьшить площадь поперечного сечения означает уменьшить высоту и ширину автомобиля, что нежелательно. Поэтому усилия инженеров направлены в основном на улучшение обтекаемости кузова, то есть коэффициента Cx.

Величина Cx зависит от трех факторов: сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон (12%); сопротивления трения между воздушным потоком и поверхностью кузова (10%); и сопротивления формы кузова (78%), проявляющееся в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Последний фактор возникает вследствие того, что спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова.

Аэродинамика различных типов кузовов

Главный элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова.

Наименее эффективным является кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. И лишь слегка поправить положение может дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – разряжение слегка упадет.

Хэтчбеки, с точки зрения аэродинамики, немного предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Но большинство хэтчбеков имеют гораздо больший угол наклона, а потому по обтекаемости практически не отличаются от универсалов.

На седанах и купе оторвавшийся с крыши поток вначале опускается на крышку багажника, а затем уже отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx. Дополнительный эффект дает и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации гораздо больше, а потому на практике именно седаны и купе, особенно больших размеров, имеют наилучшую обтекаемость.

Как улучшают Cx

Коэффициент Cx определяется в аэродинамической трубе при обдувании воздухом строго по направлению продольной оси автомобиля. Чтобы изучить реакции автомобиля при появлении бокового ветра, машину поддувают под небольшим углом, определяя действующий на неё поворачивающий момент и момент крена. Парадокс состоит в том, что автомобили с минимальным Cх оказываются наименее устойчивыми, а модели с плохой обтекаемостью, наоборот, почти не реагируют на подобные воздействия.

Неоптимальная с точки зрения аэродинамики форма кузова имеет еще одно неприятное последствие – низкую прижимную силу. Нижний поток воздуха под днищем проходит по прямой, а верхний вынужден ускоряться, чтобы обогнуть автомобиль сверху. Возникающая разница в давлении создает подъемную силу. Большая ее часть компенсируется давлением воздуха на капот и лобовое стекло. Но если передок автомобиля догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова оказывается в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса.

Как борются с этим явлением? Стремление к плавному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает областей резко пониженного давления. К тем же последствиям приводит и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает.

С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, необходимо найти нужный баланс – слишком большой спойлер, наоборот, увеличит область разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он делается выдвижным, чтобы вступать в работу только в нужный момент.

Снижение веса автомобилей

Законодательные ограничения выбросов вредных веществ заставляют автопроизводителей искать все новые и новые средства снижения расхода топлива. Одним из направлений является уменьшение массы автомобиля. Большой автомобиль имеет свои преимущества – прежде всего в безопасности и комфорте. Но вектор развития поменялся в направлении экономии и экологии. Поэтому внимание потребителя обращается на преимущества легкого автомобиля: его проще разогнать и остановить, им легче управлять, при ДТП он наносит меньший вред другим машинам. Снижение веса автомобиля на каждые десять процентов дает топливную экономию в шесть процентов.

Противники утверждают, что применение алюминия и углепластика повышает стоимость машины и производители, таким образом, больше заботятся о своей прибыли. А производство того же алюминия далеко не экологично, и сводит на нет снижение выбросов автомобилей.

Но факт остается фактом: все крупные автоконцерны взяли курс на снижение массы. И в первую очередь это касается кузова. Его облегчённая конструкция означает возможность применения более компактных тормозной системы и двигателя, топливного бака меньшего размера и так далее.

Облегчение кузовов идет по нескольким направлениям: оптимизация структуры кузова, применение легких материалов и внедрение новых производственных процессов. К последним относятся, например, технологии сваривания лазером, трением, или способы изготовления деталей методом горячей штамповки или гидроформовки.

Основные материалы для производства современных кузовов – это сверхпрочные стали и алюминий. Причем, прочность стали за последние два десятка лет возросла в разы, а алюминиевых сплавов – на четверть. Более широкое применение алюминия сдерживает его высокая цена. Но такие гиганты как Audi, BMW, Mercedes все большее внимание уделяют разработке и внедрению композитных материалов. Композит – материал, состоящий из армирующего и связующего компонентов. Армирующий придает детали прочность и жесткость, а связующий – нужную форму. Важным условием является расположение армирующих волокон строго в направлении приложенной нагрузки. Если же сила будет направлена поперек волокон, композит не выдержит. Поэтому если направления прикладываемых нагрузок известны, то, изменяя положение волокон, легко можно создать деталь с нужными характеристиками. Композиты имеют лучшие показатели жесткости и прочности, чем высокопрочная сталь. При ударном сжатии труба из армированного пластика не сминается, как стальная, а полностью разрушается. Удельная энергия, поглощаемая углепластиком, при этом вчетверо выше. Почему же такой идеальный со всех точек зрения материал до сих пор широко не применяется при создании кузовов? Причин несколько: высокая цена, низкая технологичность, нет существенного выигрыша в весе. Например, в углепластике нежелательно сверлить отверстия, так как прочность от этого падает намного больше, чем у стали.

Но, по всей видимости, технологический прорыв произойдет именно в композитных материалах. В BMW, например, считают, что несущие обшивки вполне можно изготавливать из двух тонких композитных листов, пространство между которыми заполнено алюминиевыми сотами или вспененным полимером. Капот для М3, изготовленный по такой экспериментальной технологии, весит всего 5 кг! Пока же из композитов изготавливают менее нагруженные элементы, например, разного рода кронштейны. При той же прочности они получаются гораздо легче стальных и алюминиевых. Углепластиковые тормоза вдвое легче стальных, но намного дороже, а главное, эффективны только после разогрева.

Резервы снижения веса инженеры находят не только в кузове. Например, инженерам Форда удалось снизить даже вес пластика! Суть идеи в том, чтобы при производстве пластиковых деталей производится инъекция пузырьков газа: они создают структуру, схожую с пористым шоколадом. Благодаря крошечным «пустым» пространствам деталь становится легче без потери целостности.

А теперь — только факты, наглядно иллюстрирующие изобретательность специалистов в вопросе снижения веса (без указания конкретных моделей и производителей).

Каталитический нейтрализатор весом 24 кг стал легче на 10 кг за счёт применения нержавеющей стали с высоким содержанием хрома. Замена электромоторчика в кондиционере позволила выиграть 317 грамм. Армирование алюминиевых панелей передка стекловолокном позволило снизить вес автомобиля на 100 грамм. Соединение алюминиевых профилей фрикционной сваркой облегчило машину на 600 грамм. Магний, примененный в конструкции рулевого колеса, сэкономил 400 грамм. В коробке передач замена отдельных алюминиевых деталей магниевыми отняло 760 грамм. Оптимизация расположения проводки помогла уменьшить её длину и сэкономить 2,68 кг, пластиковые корзины и неодимовые магниты динамиков акустической системы сберегли еще килограмм. Комбинация алюминиевой ступицы и чугунного диска позволила снизить массу на 20% по сравнению со стальными тормозами. Вставки из вспененного полимера привели к снижению веса колеса на 1,5 кг.

Необычные концепции экологичных автомобилей

К электромобилям, которые работают от батарей и топливных элементов уже все привыкли. Но существует и множество необычных конструкций экологичных автомобилей, которые не так широко известны.

Например, электромобили на солнечных батареях. Днем им хватает энергии солнца, а в темное время они передвигаются как обычные электромобили. Дальше всех продвинулись в этом направлении австралийцы. Еще в 1982 году «солнцемобиль» «Quiet Achiever» пересек Австралию с запада на восток со скоростью всего лишь 20 км/ч. А уже в 1996 г. победитель IV Международного ралли солнцемобилей — «Dream» проехал 3000 км между Дарвином и Аделаидой со скоростью почти 90 км/ч, на отдельных участках 135 км/ч.

Фольксваген разрабатывает гибридный автомобиль L1, который рассчитывает запустить в серийное производство в 2012 году. Ну и что, скажете вы? Кого сейчас удивишь гибридами? Все дело в том, что расход топлива у него будет 1,5 литра на 100 км. По замыслу, L1 будет двухместным городским автомобилем. Для достижения сверхнизкого расхода топлива конструкторы VW работают в трех направлениях: облегчение кузова, усовершенствованная аэродинамика и применение энергосберегающих технологий. Кузов весом 124 кг выпекается из углепластика по «формульным» технологиям, в угоду аэродинамике автомобиль получил закрытые арки задних колес и видеокамеры вместо наружных зеркал, при остановке глушится двигатель, а насос, гоняющий охлаждающую жидкость, — электрический, и включается только на повышенной температуре. Разумеется, это лишь капля в море всех тех технологий, которые использованы при создании L1, — высокотехнологичного чуда, которое бдительно контролирует каждый свой шаг и движение, дабы не потерять лишнюю калорию, если так, конечно, можно выразиться об автомобиле. При этом машина — не ленивая улитка! L1 способен развивать скорость до 160 км\ч, и динамика вполне приемлемая — до сотни он добирается за 14,3 секунды.

Экспериментальный автомобиль под названием Lotus Exige 270E Tri-Fuel может ездить на этаноловом топливе, сделанном из вина, которое нельзя пить, а оно, в свою очередь, является побочным продуктом процесса производства сыра или шоколада. Автомобиль может также ездить и на обычном бензине (исключительно для случаев, когда топливо закончилось, а вы все еще далеко от районов виноградарства и виноделия), а также на метаноле – топливе, которое можно получить путем извлечения углекислого газа прямо из атмосферы, из-за чего оно считается с абсолютно нейтральным уровнем эмиссии углерода. Авто также может достигать скорости 100 км/ч менее чем за четыре секунды, что вносит его в список самых быстрых автомобилей в мире.

Компания Geneco (Великобритания) представила новый концепт экологического автомобиля Bio-Bug-е, двигатель которого приводится в действие газом из человеческих фекалий. Свою идею сотрудники компании реализовали на базе автомобиля Volkswagen Beetle, причем среди английской общественности он сразу же получил прозвище «Навозный жук».

Основа данной экологической концепции – переработка стоков жилых домов на специальных установках и получение конечного продукта – биометана. По расчетам Geneco представленный экологический концепт автомобиля может целый год ездить на биометане, произведенном всего из 70 городских унитазов!