OPÓR POWIETRZA (OPÓR AERODYNAMICZNY SAMOCHODU)

Bryle poruszającej się w lepkim ośrodku, o określonej gęstości stawiany jest opór, przeciwstawiający się jej ruchowi. Opór ten w miarę zwiększania prędkości szybko rośnie, osiągając znaczne wartości dla prędkości eksploatacyjnych. Ośrodkiem jest powietrze, a więc opór, o którym mówimy jest oporem powietrza. Oczywiście ze względów praktycznych można odwrócić zagadnienie i wywołać opływ powietrza wokół nieruchomej bryły pojazdu. Skutek jest ten sam, ale wówczas mówimy o oporze aerodynamicznym samochodu. Ilościowo zjawisko jest takie same, jakościowo inne. Łatwiej realizować badania w nieruchomym tunelu aerodynamicznym niż w warunkach rzeczywistych.

Opór, jaki stawia powietrze poruszającej się bryle pojazdu przy przepływach turbulentnych jest proporcjonalny do gęstości ośrodka i prędkości w kwadracie (
).

Wielkość siły oporu określa się:

dla warunków normalnych p_ot = 0,1 MN/m² (1,019 kG/cm²) (1 bar = 1,019 at) i T_ot = 273°K (0°C)

gęstość ρ_pow = 1,293 kg/m³,

wówczas F_a = 0,047⋅C_x⋅A⋅V² [N]

V - km/h

A - m²

C_x - bezwymiarowy

lub F_a = 0,646⋅C_x⋅A⋅V² [N]

A - m²

V - m/s

Zmiana gęstości powietrza w warunkach zimowych lub wysokiego ciśnienia wpływa w nieistotny sposób na całkowity opór.

- przekrój poprzeczny wyznaczony metodą rzutowania lub planimetrowania pola przekroju

w obliczeniach przyjmuje się A≈ (0,8 ÷ 0,9) b⋅h

dla samochodów osobowych i pełnym kształtów samochodzie ciężarowym.

Średnie wartości współczynnika oporów aerodynamicznych - C_x

(„C_x” podobnie jak „A” są współczynnikami proporcjonaloności).

Rodzaj nadwozia	Cx	Rodzaj nadwozia	Cx
kabriolety	0,5 ÷ 0,7	ciężarowe	0,8 ÷ 1,5
kombi	0,5 ÷ 0,6	autobusy	0,6 ÷ 0,7
sedan (3 brył.)	0,4 ÷ 0,55	autobusy opływowe	0,3 ÷ 0,4
coupe	0,3 ÷ 0,4	motocykle	0,6 ÷ 0,7
sportowe	0,2 ÷ 0,25	kształt kropki	0,15 ÷ 0,2
		profil lotniczy	0,05

Współczynnik oporów aerodynamicznych - C_x wyznacza się doświadczalnie w tunelu aerodynamicznym lub wstępnie w tzw. próbie wybiegu.

Zasadniczy wpływ na C_x ma kształt nadwozia (stąd dawna nazwa współczynnik kształtu), ale są także inne źródła oporów:

1. Opór profilowy ~ 60% (kształt podłużny)

2. Opór indukcyjny ~ 8% (zawirowania na bokach)

3. Opór tarcia ~ 10%

4. Opór zakłóceń ~ 12% (klamki, krawędzie, listwy, itp.)

5. Opór układów chłodzenia i wentylacji ~ 10%

Jak z tego bilansu wynika olbrzymim źródłem rezerw jest opór indukcyjny i zakłóceń. Nawet małe zmiany detali nadwozia (dotyczące krawędzi) przynoszą znaczną korzyść, np. trzy zmiany, które obniżyły C_x o 21%.

Wpływ zmian w wybranych punktach nadwozia na wartość współczynnika c_x

Nie zawsze jednak możliwe jest optymalizowanie kształtu ze względu na minimalny współczynnik C_x, np. zejście szyby tylnej.

Opór aerodynamiczny przy działaniu bocznego naporu wiatru.

Wartość C_x dotyczy jazdy na wprost przy bezwietrznej pogodzie lub szczególnego przypadku wiatru od czoła (kąt τ = 0) gdy sumują się prędkości wiatru i samochodu (V+V_W)

Opór aerodynamiczny jest funkcją sumy prędkości. Podobnie jest przy wietrze wiejącym z tyłu (wówczas do wyznaczenia prędkości bezwzględnej bierzemy różnicę tych prędkości)

dla τ_p = 0 V_p = V ± V_w

( δ = 0; δ = 180°) δ - kąt napływu wiatru.

C_xy tzw. C_w = C_x dla τ≠0 C_xy = C_w ≠ C_x

Jeżeli kąt napływu wiatru - δ jest różny od zera i 180°, wypadkowy kąt naporu powietrza - „τ_p” ≠0 wówczas wypadkowy współczynnik oporów jest różny od C_x

V - prędkość samochodu (ujemna)

V_w - prędkość wiatru

δ - kąt napływu powietrza

V_p - wypadkowa prędkość powietrza

τ_p - kąt naporu powietrza

Prędkość i działanie wiatru muszą być brane pod uwagę przy projektowaniu samochodu, gdyż analizy statystyczne warunków klimatycznych np. dla Europy wykazują, że średnia prędkość wiatru w warunkach europejskich (stale działająca) wynosi:

V_śr = 4,7 m/s ≈ 17 km/h

Zaproponowano, aby siłę oporu aerodynamicznego z uwzględnieniem wiatru podobnie jak każdą inną siłę aerodynamiczną przyjmować:

Nie uwzględnia się przekroju innego niż poprzeczny, ale koryguje to współczynniki

wartość C_w(τ_p) można określić w badaniach (tunelowych) podstawowych.

Współczynnik oporu C_x, a także f_t można wyznaczyć z mniejszą dokładnością za pomocą próby wybiegu. Próbę tą przeprowadza się na płaskiej nawierzchni, przy bezwietrznej pogodzie. Konieczna jest znajomość masy całkowitej w trakcie próby i powierzchnia czołowa - A. Wykonuje się dwie próby, które można kilkakrotnie powtórzyć.

m = 1450 kg A = 2,5 m^2	1 - sza próba	2 próba
Prędkość początkowa Prędkość końcowa Czas próby Prędkość średnia Średnie opóźnienie	V01 = 60 km/h VK1 = 55 km/h t1 = 4 sec = 57,5 km/h = 1,25 km/h	V02 = 15 km/h VK2 = 10 km/h t2 = 7,6 sec = 12,5 km/h = 0,66 km/h
Współczynnik oporu aerodynamicznego Cx
Współczynnik oporu toczenia

Współczynnik f_t = f_o jeśli stan techniczny jest bardzo dobry.

Profil nadwozia wpływa na prędkość w warstwie przyściennej, a więc i ciśnienia.

Opływ powietrza wokół pojazdu powoduje powstawanie stref pod i nadciśnienia na nadwoziu i podwoziu, co prowadzi do powstawania aerodynamicznej siły unoszenia, która zmniejsza docisk kół do jezdni i staje się przyczyną obniżenia się siły przyczepności koła do jezdni.

Przykłady rozkładu ciśnienia na samochodzie osobowym i ciężarowym.

Świadome kształtowanie płyty podłogowej umożliwia zwiększenie podciśnienia, a więc spotęgowanie efektu przyssawania samochodu do jezdni.

Jednakże w większości samochodów wypadkowa siła działa do góry, a więc jest siłą wyporu aerodynamicznego.

Tak więc, teoretycznie można określać Cx, Cy, Cz aczkolwiek praktycznie wyznacza się Cx i Cxy.

A

---