Кіріспе
Автомобильдердің аэродинамикасы – жол көліктерінің аэродинамикасын зерттеу саласы. Оның басты мақсаттары – соққы қарсылығын және жел шуын азайту, шу эмиссиясын төмендету, жоғары жылдамдықтардағы аэродинамикалық тұрақсыздыққа себеп болатын көтерілу күштерінің және басқа да факторлардың алдын алу. Бұл жағдайда ауа да сұйықтық ретінде қарастырылады. Жарыс машиналарын кейбір түрлері үшін, жабысқақтықты арттырып, соның арқасында бұрылыс кезіндегі мүмкіндіктерді жақсарту үшін, төмен бағытталған күшті жасау да маңызды болуы мүмкін.
Automotive aerodynamics is the study of the aerodynamics of road vehicles. Its main goals are reducing drag and wind noise, minimizing noise emission, and preventing undesired lift forces and other causes of aerodynamic instability at high speeds. Air is also considered a fluid in this case. For some classes of racing vehicles, it may also be important to produce downforce to improve traction and thus cornering abilities.
Тарих
Аэродинамикалық соққының үйкеліс күші көлік жылдамдығымен бірге күрт өседі. Ең ерте 1920 жылдары инженерлер жоғары жылдамдықтарда аэродинамикалық соққыны азайту үшін автомобильдің пішінін қарастыра бастады. 1950 жылдары неміс және британдық автокөлік инженерлері жоғары қуатты көліктердегі аэродинамикалық соққының әсерін жүйелі түрде зерттеді. 1960 жылдардың соңында ғалымдар автомобильдердің жоғары жылдамдықпен қозғалғанда шығаратын дыбыс деңгейінің едәуір артқанын анықтады. Бұл әсердің жақын жердегі жерлерге дыбыс деңгейінің қарқындылығын сызықты емес түрде арттыратыны түсінілді. Осыдан кейін тас жолдарды жобалаушы инженерлер аэродинамикалық соққының жылдамдық әсерін ескере бастады, ал автомобиль өндірушілері де көлік құрылымында осы факторларды қарастырды.
Қимылға қарсылықты азайту стратегиясы
Көлік құралының бөліктерін жою – конструкторлар мен көлік иелері үшін көліктің паразиттік және майсыл соққысын аз шығынмен және еңбекпен азайтудың оңай жолы. Бұл жою операциясы кейбір қосымша бөлікті алып тастау сияқты қарапайым болуы мүмкін, ал кейде өндірістен кейін орнатылған бөлікті немесе бастапқыда көлік құралында орнатылған OEM бөлігін өзгертіп, алып тастау қажет болады. Көптеген спорттық автомобильдер мен жоғары тиімділікке ие көліктер автомобиль және жарыс нарығында бәсекеге қабілетті болу үшін осы бөліктерсіз жабдықталған күйімен шығады, ал кейбіреулер көліктің аэродинамикасын нашарлататын элементтерін сыртқы түрі үшін немесе клиенттердің қажеттіліктеріне сәйкес қалдыруды жөн көреді.
СПОЙЛЕРлер
Артқы спойлер көбінесе көптеген спорттық көліктерде стандартты болып келеді және көліктің артқы бөлігінде көтерілген қанат пішініне ұқсайды. Артқы спойлердің басты мақсаты – көліктің дизайнындағы көтерілу күшін тежеу, осы арқылы жоғары жылдамдықтардағы тұрақтылықты арттыру. Ауаның мүмкіндігінше аз қарсылыққа ұшырауы үшін, көліктің аэродинамикалық корпусынан тегіс ағып өтуі керек және турбуленттілік пайда болатын жерлерге тимеуі тиіс. Артқы қақпақтың үстінен орналасқан артқы спойлердің дизайны төмен қарай бағытталған күшті арттырады, жоғары жылдамдықтарда көтерілу күшін азайтады, бірақ соның салдарынан қарсылық күші артады. Сәл төмен бұрышпен орналасқан жалпақ спойлерлер турбуленттілікті азайтып, қарсылық коэффициентін төмендетуі мүмкін. Кейбір көліктерде автоматты түрде реттелетін артқы спойлерлер орнатылған, сондықтан төмен жылдамдықтарда қарсылықтың әсері азаяды, егер көтерілу күшін азайтудың қажеті болмаса.
Айналар
Бүйіргі айналар көліктің алдыңғы бетін ұлғайтып, соққы коэффициентін арттырады, себебі олар көліктің қабырғасынан шығып тұрады. Көліктің соққысына бұйіргі айналардың тигізетін әсерін азайту үшін оларды кішкентайрақ айналармен немесе басқа пішіндес айналармен алмастыруға болады. 2010 жылдардағы бірнеше концепт-автомобильдер айналарды кішкентай камералармен алмастырды, бірақ бұл нұсқа өндірістік автомобильдер үшін кең таралған емес, өйткені көптеген елдер бүйіргі айналарды міндетті деп санайды. Айналарды камералармен алмастырған алғашқы өндірістік жолаушылар автомобильдерінің бірі Honda e болды, және Honda компаниясының мәлімдемесіне сәйкес, камералар аэродинамикалық соққыны «дәстүрлі есік айналарымен салыстырғанда шамамен 90%-ға дейін» азайтты, бұл бүкіл көлік үшін соққыны шамамен 3,8%-ға төмендетуге мүмкіндік берді. Екі бүйіргі айна моторлық көліктің жалпы аэродинамикалық соққысының 2-7%-ын құрайды және оларды алып тастау отынның үнемділігін 1,5–2 миль/галлонға арттыруға септігін тигізеді деп есептеледі.
Радио антенналары
Радиоантенналар көліктің алдыңғы бөлігінен шығып тұратынын көбінесе кездестіруге болады. Олардың кішкентай өлшемділігіне байланысты қарсыласу коэффициентіне үлкен әсер етпесе де, оларды орнын ауыстыруға және дизайнын өзгертуге болады, бұл көліктің қосымша қарсыласуын азайтуға мүмкіндік береді. Стандартты антеннаның орнына көбінесе жоғары тиімділіктегі көліктерде қолданылатын акула қанаты антеннасы қойылады.
Доңғалақтар
Дөңгелектердің ұңғымаларының айналасына ауа ағыны кезінде, ол көлік дөңгелектерінің жиектерімен бұзылып, дөңгелектің айналасында турбуленттік аймақ пайда болады. Ауаның дөңгелек ұңғымасының айналасында тегіс ағуы үшін көбінесе тегіс дөңгелек қақпақтары қолданылады. Тегіс дөңгелек қақпақтары – ауа өткізу үшін тесігі жоқ дөңгелек қақпақтары. Бұл конструкция кедергіні азайтады; алайда, қақпақтар тежегіш жүйесінің айналасындағы ауа ағынын тоқтату себепті, тежегіштердің жылдам қызуына әкелуі мүмкін. Осыған байланысты, бұл өзгеріс спорттық немесе жарыс көліктеріне қарағанда жоғары тиімділікке ие көліктерде жиі кездеседі.
Ауалы перделер
Ауа перделері корпустағы жарықтардан ауа ағынын бұрып, доңғалақ құдықтарының сыртқы жиектеріне қарай бағыттайды.
Жарым-жартылай тор блоктары
Көліктің алдыңғы торы радиатор арқылы ауа ағынын бағыттау үшін қолданылады. Аэродинамикалық (streamlined) конструкцияда ауа көліктің ішінде емес, сыртынан ағып өтеді; бірақ көліктің торы ауа ағынын көліктің сыртынан ішіне қайта бағыттайды, бұл кедергіні арттырады. Бұл әсерді азайту үшін көбінесе тор блокадасы (grille block) қолданылады. Тор блокадасы көліктің алдыңғы торының бір бөлігін немесе толығымен жабады. Көптеген жоғары тиімділік үлгілерінде немесе төмен кедергі коэффициентіне ие көліктерде кішкентай тор көліктің дизайнында болжамдалып жасалған, сондықтан тор блокадасының қажеті болмайды. Көбінесе өндірістегі көліктердің торы радиатор арқылы максималды ауа ағынын қамтамасыз ету үшін жасалады, ол қозғалтқыш бөліміне шығады. Бұл конструкция қозғалтқыш бөліміне тым көп ауа кіргізіп, оның уақтылы жылынуына кедергі келтіруі мүмкін, сондықтан мұндай жағдайларда қозғалтқыштың жұмысын жақсарту және көліктің кедергісін бірдей азайту үшін тор блокадасы қолданылады.
Төсектердің асты
Көліктің төменгі жағында әртүрлі жерлерде ауа қалып, көліктің айналасында турбуленттілік тудырады. Көптеген жарыс көліктерінде бұл мәселе көліктің бүкіл төменгі бөлігін "астыңғы тақта" деп аталатын жапқышпен жабу арқылы шешіледі. Бұл тақта көліктің астына ауаның қалып қоюына кедергі жасайды және кедергіні азайтады. Камбак – бұл қиылып қалған қайық тәрізді артқы бөлік. Ол көліктің артқы жағын ұзартатын сияқты жасалады, көліктің артқы бөлігін бамперге қарай сәл бұрыштап жылжытады. Бұл кедергіні азайтуға көмектеседі, бірақ толыққанды қайық тәрізді артқы бөлік көліктің кедергісін одан да көп азайтады. Дегенмен, практикалық және эстетикалық себептерге байланысты, камбак жарыс машиналарын, жоғары тиімділікке ие көліктерді және жүк тасымалдау машиналарын жасауда жиі қолданылады.
Аэродинамиканы зерттеу әдістері
Автомобиль аэродинамикасы компьютерлік модельдеу және жел туннеліндегі сынақтар арқылы зерттеледі. Жел туннелі сынағының ең дәл нәтижелерін алу үшін, туннель кейде қозғалмалы жолмен жабдықталады. Бұл жұмыс бөлігінің едені, ауа ағынымен бірдей жылдамдықпен қозғалады. Осылайша жұмыс бөлігі еденінде шекаралық қабат пайда болуының алды алынып, нәтижелерге әсер етуіне жол берілмейді.
Төменгі күш
Астығы күш – автомобильдің аэродинамикалық қасиеттері арқасында туындайтын төмен бағытталған күшті сипаттайды, ол автомобильді жолға жақын ұстап, бұрылыстарда жылдам жүруге мүмкіндік береді. Көліктің астығы күшін арттыратын кейбір элементтер соққы қарсылығын да арттыруы мүмкін. Автомобильдің жылдамдығы мен тұрақтанбасына әсер ететіндіктен, жақсы аэродинамикалық төмен бағытталған күш жасау өте маңызды.