Введение

Автомобильная аэродинамика – это изучение аэродинамики дорожных транспортных средств. Её основными задачами являются снижение сопротивления и шума ветра, минимизация выбросов шума, а также предотвращение нежелательной подъёмной силы и других причин аэродинамической неустойчивости на высоких скоростях. В данном случае воздух рассматривается как жидкость. Для некоторых классов гоночных автомобилей также может быть важно создание прижимной силы для улучшения сцепления с дорогой и, следовательно, управляемости на поворотах.

История

Сила трения аэродинамического сопротивления значительно возрастает с увеличением скорости транспортного средства. Уже в 1920-х годах инженеры начали учитывать форму автомобиля для снижения аэродинамического сопротивления на высоких скоростях. К 1950-м годам немецкие и британские автомобильные инженеры систематически анализировали влияние аэродинамического сопротивления на автомобили с повышенной производительностью. К концу 1960-х годов ученые также осознали значительное увеличение уровня шума, производимого автомобилями на высокой скорости. Было установлено, что эти эффекты приводят к нелинейному увеличению интенсивности звука для прилегающих территорий. Вскоре инженеры дорожного строительства стали проектировать дороги с учетом влияния скорости на уровень шума, создаваемого аэродинамическим сопротивлением, а автопроизводители учитывали те же факторы при разработке конструкции транспортных средств.

Стратегии снижения сопротивления

Удаление деталей с автомобиля – простой способ для конструкторов и владельцев снизить паразитное и аэродинамическое сопротивление автомобиля с минимальными затратами и усилиями. Удаление может быть таким же простым, как снятие детали, установленной после производства, или потребовать модификации и удаления оригинальной детали (OEM), то есть любой детали, изначально установленной на автомобиль. Большинство серийных спортивных автомобилей и автомобилей с высокой эффективностью уже оснащаются многими из этих удаленных элементов, чтобы быть конкурентоспособными на автомобильном и гоночном рынках, в то время как другие предпочитают сохранять эти элементы, увеличивающие сопротивление, из-за их внешнего вида или для соответствия типичным потребностям своей целевой аудитории.

Спойлеры

Задний спойлер обычно входит в стандартную комплектацию большинства спортивных автомобилей и имеет форму приподнятого крыла в задней части транспортного средства. Основное назначение заднего спойлера в конструкции автомобиля – противодействовать подъёмной силе, тем самым повышая устойчивость на высоких скоростях. Для достижения минимально возможного сопротивления воздуха, поток воздуха должен обтекать обтекаемый кузов автомобиля, не соприкасаясь с областями возможной турбулентности. Конструкция заднего спойлера, выступающая над крышкой багажника, увеличивает прижимную силу, снижая подъёмную силу на высоких скоростях, но при этом увеличивает сопротивление. Плоские спойлеры, возможно, слегка наклоненные вниз, могут уменьшить турбулентность и, следовательно, снизить коэффициент сопротивления. Некоторые автомобили теперь оснащаются автоматически регулируемыми задними спойлерами, благодаря чему на низких скоростях влияние на сопротивление уменьшается, когда снижение подъёмной силы не требуется.

Зеркала

Боковые зеркала увеличивают лобовую площадь транспортного средства и повышают коэффициент аэродинамического сопротивления, поскольку они выступают за боковину автомобиля. Чтобы уменьшить влияние боковых зеркал на сопротивление воздуха, их можно заменить на зеркала меньшего размера или другой формы. В нескольких концепт-карах 2010-х годов зеркала заменены крошечными камерами, но это решение пока не получило широкого распространения в серийном производстве, так как большинство стран требуют наличия боковых зеркал. Одной из первых серийных легковых машин, отказавшихся от зеркал в пользу камер, стала Honda e, и, по заявлению Honda, камеры позволили снизить аэродинамическое сопротивление "примерно на 90% по сравнению с традиционными боковыми зеркалами", что привело к снижению общего сопротивления автомобиля примерно на 3,8%. По оценкам, два боковых зеркала создают от 2 до 7% общего аэродинамического сопротивления автомобиля, и их удаление может повысить экономию топлива на 1,5–2 мили на галлон (США).

Радиоантенны

Хотя они и не оказывают существенного влияния на коэффициент аэродинамического сопротивления из-за небольших размеров, радиоантенны, обычно выступающие спереди автомобиля, могут быть перенесены и изменены в конструкции для снижения дополнительного сопротивления. Наиболее распространенной заменой стандартной автомобильной антенны является антенна типа "акулий плавник", которую часто можно встретить в высокоэффективных транспортных средствах.

Колеса

Когда воздух обтекает колесные арки, он испытывает возмущения от дисков и образует зону турбулентности вокруг колеса. Чтобы поток воздуха вокруг колесной арки стал более плавным, часто используются гладкие колпаки на колеса. Гладкие колпаки – это колпаки без отверстий для прохождения воздуха. Такая конструкция снижает аэродинамическое сопротивление, однако может привести к более быстрому нагреву тормозов, так как колпаки препятствуют обдуву тормозной системы. В результате, эта модификация чаще встречается на высокоэффективных автомобилях, чем на спортивных или гоночных машинах.

Воздушные шторы

Воздушные шторы отклоняют воздушный поток от прорезей в кузове и направляют его к наружным краям колёсных арок.

Частичные блоки решетки

Передняя решётка автомобиля используется для направления воздуха через радиатор. В аэродинамичном дизайне воздух обтекает автомобиль, а не проходит сквозь него; однако решётка автомобиля перенаправляет воздушный поток с обтекания автомобиля на прохождение сквозь него, что увеличивает сопротивление. Для снижения этого эффекта часто используется заглушка решётки. Заглушка решётки закрывает часть или всю переднюю решётку автомобиля. В большинстве высокоэффективных моделей или в автомобилях с низким коэффициентом аэродинамического сопротивления в конструкцию автомобиля уже встроена небольшая решётка, что делает заглушку решётки ненужной. Решётка в большинстве серийных автомобилей обычно спроектирована для максимального потока воздуха через радиатор, который затем выходит в моторный отсек. Эта конструкция может создавать избыточный поток воздуха в моторный отсек, препятствуя его быстрому прогреву, и в таких случаях заглушка решётки используется для повышения производительности двигателя и одновременного снижения сопротивления автомобиля.

Под поддонами

Нижняя часть автомобиля часто захватывает воздух в различных местах и создает турбулентность вокруг него. В большинстве гоночных автомобилей это устраняется путем установки поддона, закрывающего всю нижнюю поверхность. Этот поддон предотвращает задержку воздуха под автомобилем и снижает сопротивление. Камбэк – это усеченный "хвост лодки". Он создается как продолжение задней части автомобиля, отодвигая ее назад под небольшим углом к бамперу. Это может уменьшить сопротивление, однако полноценный "хвост лодки" снизит его еще больше. Тем не менее, по практическим и стилистическим соображениям, камбэк чаще встречается в гонках, высокоэффективных автомобилях и грузовиках.

Методы изучения аэродинамики

Автомобильная аэродинамика изучается с использованием компьютерного моделирования и испытаний в аэродинамической трубе. Для получения наиболее точных результатов испытаний в аэродинамической трубе, туннель иногда оснащается движущимся полом. Это подвижный пол для рабочей секции, который движется с той же скоростью, что и воздушный поток. Это предотвращает образование пограничного слоя на полу рабочей секции и влияние на результаты.

Прижимная сила

Прижимная сила описывает силу давления вниз, создаваемую аэродинамическими характеристиками автомобиля, которая позволяет ему проходить повороты на более высокой скорости, обеспечивая лучшее сцепление с трассой или дорогой. Некоторые элементы, увеличивающие прижимную силу автомобиля, также могут увеличивать сопротивление воздуха. Важно добиваться высокой прижимной силы, поскольку она влияет на скорость и тяговое усилие автомобиля.