Сила сопротивления воздуха. Мощность сопротивления

Воздуха

При движении автомобиля в воздушной среде в результате взаимодействия частиц воздуха с поверхностью автомобиля возникают элементарные силы, действующие в каждой точке поверхности автомобиля. Нормальные составляющие этих сил создают давление на поверхность автомобиля, различное по величине и направлению в различных точках. В передней части автомобиля силы давления направлены против движения, и значительно больше, чем в задней, где они направлены по движению. Касательные к поверхности автомобиля, составляющие элементарных сил взаимодействия автомобиля с воздухом (силы трения), всегда направлены против движения.

Если автомобиль движется при наличии ветра, то в общем случае, когда направление ветра составляет некоторый угол с направлением движения, различные по величине давления действуют и на боковые части автомобиля.

Равнодействующую всех элементарных сил взаимодействия воздуха с автомобилем будем называть полной аэродинамической силой.

Согласно законам аэродинамики полная аэродинамическая сила, действующая на любое тело, движущееся с относительной скоростью V м/с в воздушной среде, может быть найдена по формуле:

, (33)

где G_w – безразмерный коэффициент аэродинамической силы, зависящий от формы тела и направления воздушного потока;

ρ_в – плотность воздуха, НС²/м^4;

F – Миделево сечение тела, м².

При изучении движения автомобиля действующая на него полная аэродинамическая сила разлагается на три составляющие:

1) Сила сопротивления воздуха Р_в, параллельная плоскости дороги и продольной оси автомобиля:

, (34)

где C_x – коэффициент лобового сопротивления воздуха.

2) Боковая аэродинамическая сила Р_ву, параллельная плоскости дороги и перпендикулярная к продольной оси автомобиля:

, (35)

где С_у – коэффициент боковой аэродинамической силы.

3) Подъемная сила Р_вz, перпендикулярная к плоскости дороги:

, (36)

где С_z – коэффициент аэродинамической подъемной силы.

Коэффициенты С_х, С_у и С_z определяются опытным путем. Наиболее точным способом определения этих коэффициентов является продувка автомобилей или их моделей в аэродинамической трубе. Возможно также определение некоторых или всех указанных коэффициентов путем дорожных испытаний, однако такие испытания дают менее точные результаты.

В процессе испытаний в аэродинамической трубе при неизменной скорости и направлении воздушного потока автомобиль (или его модель) поворачивается под различными углами, что позволяет определить коэффициенты С_х, С_у и С_z при различных углах набегания воздушного потока.

В качестве менделеева сечения F у автомобилей принимается площадь лобового сопротивления, равная площади проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси.

Для изучения тяговых свойств автомобиля основное значение имеет сила сопротивления воздуха ρ_в.

Принимая плотность воздуха постоянной (согласно ГОСТ4401–64 на уровне моря считается ρ_в=1,225 Н с²/м⁴), можно произведение считать зависящим только от формы автомобиля (в основном от формы и качества поверхности кузова) и угла между продольной осью автомобиля и направлением относительной скорости воздушного потока. Это произведение называют коэффициентом обтекаемости автомобиля.

Если рассматривать движение автомобиля в неподвижной среде, то V – скорость движения автомобиля в м/с и, следовательно,

. (37)

Если же скорость автомобиля V_a задана в км/ч, то вместо V_a² в формулу (37) нужно подставить

. (37а)

При движении в неподвижной воздушной среде направление скорости воздушного потока совпадает с продольной осью автомобиля. Для этого случая можно принимать коэффициент обтекаемости К_в равным:

для легковых автомобилей 0,15…0,3 Н с²/м⁴ (кг/м³);

для автобусов 0,25…0,5 Н с²/м⁴ (кг/м³);

для грузовых автомобилей 0,5…0,7 Н с²/м⁴ (кг/м³);

Площадь лобового сопротивления приближенно может быть найдена по формулам:

для грузовых автомобилей F = BH_г; (38)

для легковых автомобилей

F = 0,78 B_гH_г, (38а)

где В – колея автомобиля (м);

Н_г – габаритная высота автомобиля (м);

В_г – габаритная ширина автомобиля (м).

Произведение называют фактором обтекаемости.

Формула (37) может быть использована и для подсчета силы сопротивления воздуха автопоезда. В этом случае в формулу подставляется величина F для звена, имеющего наибольшую площадь лобового сопротивления, а коэффициент обтекаемости определяется по тягачу и увеличивается на 25% на каждый прицеп.

При наличии ветра, направление которого составляет угол β с направлением движения автомобиля, в формулу (37) надо вместо V_a подставить относительную скорость V_p воздушного потока, равную геометрической сумме скорости ветра V_b м/c и скорости движения автомобиля V_a м/с. Величина относительной скорости воздушного потока может быть найдена по формуле:

. (39)

Коэффициент обтекаемости имеет различное значение в зависимости от угла τ между вектором равнодействующей скорости V_р и продольной осью автомобиля. Этот угол может быть найден по формуле:

. (40)

С увеличением угла τ коэффициент обтекаемости, как правило, увеличивается.

При встречном ветре (β = 0); V_p = V_a+V_b и формула (37) принимает вид:

. (41)

При попутном ветре β = 180°; V_p = V_a–V_b и

. (41а)

Коэффициент обтекаемости К_в в обоих этих случаях такой, как и при движении автомобиля в неподвижной воздушной среде. Мощность N_в, расходуемая на преодоление сопротивления воздуха,

(42)

В неподвижной воздушной среде, подставляя значение P_в из формул (37) и (37а), получим:

. (42а)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: