Аэродинамика грузовых автомобилей и автопоездов

В современных условиях значительная часть грузооборота между городами и странами обеспечивается автопоездами, и если грузовые автомобили в городах передвигаются относительно медленно, то на магистралях их скорость соизмерима со скоростью легковых автомобилей. Поэтому снижение аэродинамического сопротивления -весьма важная задача, ведь каждые 2% снижения лобового сопротивления автомобиля приносят 1% улучшения топливной экономичности. По сравнению с легковыми автомобилями грузовые имеют значительно большее поперечное сечение (мидель) и более угловатые очертания. Это вызвано особенностями их назначения и использования. При создании универсального грузового автомобиля стараются получить возможно больший объем для размещения груза при минимальной площади, занимаемой автомобилем на дороге, а поскольку часть этой площади приходится на двигатель и кабину, то естественно, что кузов получается высоким (имеется в виду именно грузовой кузов, закрытый тентом или ограниченный жесткими стенками). Таким образом, если одним из путей снижения аэродинамического сопротивления легкового автомобиля является уменьшение его поперечного сечения, прежде всего высоты, то для магистрального грузового автомобиля или автопоезда этот путь отпадает. Возможности улучшения аэродинамики грузового автомобиля и автопоезда, предназначенного для движения с большой скоростью, ограничены оптимизацией деталей и применением различных накладных элементов.

Аэродинамичные конструкции не являются новинкой в грузовом автомобилестроении. С 30-х по 50-е годы в Канаде был организован парк грузовых автомобилей обтекаемой конструкции «Art Deco» для перевозки пива. На рис. 2.29 показан автопоезд «Labatts Streamliner» 1948 г. выпуска, восстановленный в 1984 г., который был

спроектирован на базе шасси «White» с кабиной над двигателем.

В 1935 г. концерн Chrysler создал автомобиль «Airflow». На рис. 2.30 представлен автопоезд «O’Keefe’s», созданный в 1937 г. Тягач этого автопоезда был изготовлен на базе автомобиля ЕС фирмы Mack и имел наклонную переднюю часть, изогнутое ветровое стекло и обтекаемую кабину и крылья.

Автопоезд «O’Keefe’s», 1937 г

Рис. 2.30. Автопоезд «O’Keefe’s», 1937 г.

Самой высокой оценки заслуживает разработка с использованием аэродинамической трубы компанией РАССАЯ обтекаемой конструкции большегрузного автомобиля с кабиной за двигателем.

В дальнейшем все фирмы, выпускающие грузовые автомобили, показывали сверхобтекаемые конструкции тягачей, но не организовывали их серийного производства, пока этого не сделала компания РАССАЯ.

Расположенное в городе Сиэтле отделение Kenworth компании PACCAR в 1980-х годах начала выпускать современный обтекаемый тягач с кабиной за двигателем Т600А, пользующийся большим спросом. При разработке этого автомобиля было затрачено много времени на продувку в аэродинамической трубе фирмы Boeing, также расположенной в Сиэтле.

Корпорация Volvo White Truck в этот период начала выпуск тягачей 8-го класса серии «Аего» с кабиной за двигателем (рис. 2.31). Эта серия состоит из трех моделей «White»: «Conventional Aero», «Integral Sleeper Aero» и «Integral Sleeper Aero ES».

Тягач Volvo серии «Аего» с кабиной за двигателем

Рис. 2.31. Тягач Volvo серии «Аего» с кабиной за двигателем

Автомобиль был разработан как пример современного грузового автомобиля максимальной грузоподъемности с низким расходом топлива и высокой комфортабельностью. Желанием было получить автомобиль с расходом топлива 23,5 л/100 км, а автомобиль корпорации расходует 20,5 л/ 100 км при скорости 88,5 км/ч. Это очень важно, так как эксплуатирующиеся грузовые автомобили обычно имеют расход топлива 30 л/100 км и более. Это было достигнуто частично за счет аэродинамики автомобиля (46%), а частично за счет экспериментального двигателя Volvo модели 10L и девятиступенчатой механической коробки передач с электронным управлением (54%).

Современная тенденция к улучшению аэродинамических показателей автомобиля включает в себя гораздо больше, чем просто применение формованных пластмассовых деталей и изогнутых соответствующим образом деталей из листового металла. Она влияет фактически на все производство грузовых автомобилей и охватывает даже двигатели. В целях улучшения аэродинамических показателей автомобилей и, следовательно, уменьшения сопротивления воздуха (в результате уменьшения расхода топлива) компания Volvo White Truck рекомендует применять двигатели меньших размеров.

Считается, что тягач Т600А отделения Kenworth, который американские водители из-за стайлинга кабины с вытянутым капотом прозвали «муравьедом», является первым значительным достижением в аэродинамике грузового автомобиля. Но корпорация Volvo White Truck не согласна с этим мнением и заявляет, что начало тенденции аэродинамичного стайлинга и повышения производительности труда водителя грузового автомобиля в США положила в 1983 г. модель «Integral Sleeper» с кабиной за двигателем.

Слово «Integral» в названии этой модели означает, что спальное отделение сконструировано как неотъемлемая часть кабины грузового автомобиля, а не отдельная секция, прикрепляемая к задней части кабины. Считается, что выпуск этой модели был крупным достижением корпорации.

Работы по аэродинамике большегрузных автомобилей иногда вызывали насмешки, хотя и не очень большие, и считались почти бессмысленными.

Переднюю часть большегрузных автомобилей, особенно с кабиной над двигателем, многие сравнивают с амбарной дверью, которую открывают против ветра. Годами при оценке потребительских свойств большегрузных автомобилей стайлинг ставили гораздо ниже других параметров.

У автомобилей семейства «White Аего» капот наклонен на 15° и снижен еще на 178 мм, установлены скругленные крылья с вмонтированными заподлицо фарами и сигналами поворота, применен бампер, объединенный со спойлером. Крыло и нижние панели кабины подходят вплотную к топливным бакам, ветровое стекло выгнуто и установлено с наклоном, боковые поверхности кабины сглажены и не имеют выступов для установки воздухоочистителей, которые крепятся непосредственно к кабине. В результате расход топлива снижен на 5-6% по сравнению с моделями «White» с кабиной за двигателем.

Концерн Ford в этот период выпускал модификацию «Aero Bullet» своего тягача с кабиной за двигателем L-9000. Спальное место вместе со встроенными боковыми обтекателями, регулируемыми в диапазоне от 2440 до 2590 мм в зависимости от ширины полуприцепа, расположено за кабиной.

Тягачи магистральных автопоездов чаще всего имеют бескапотную компоновку, т.е. передняя стенка кабины в нижней части расположена почти вертикально, а в верхней - с некоторым наклоном назад. Передняя стенка кузова-фургона вертикальная, плоская, существенно выступающая вверх над крышей кабины. Ширина этой стенки больше ширины кабины.

Особенно в случае бескапотной компоновки при движении поток воздуха поднимается лобовой частью кабины, образует завихрения и зону пониженного давления над ее крышей, затем наталкивается на переднюю стенку кузова, на которой создается повышенное давление, поднимается над крышей кузова, где так же, как над крышей кабины, образуются вихри и зона разрежения. Большое влияние на формирование процесса обтекания воздухом автопоезда имеет величина зазоров между кабиной и кузовом и между автомобилем-тягачом и прицепом, если автопоезд многозвенный. Картина усложняется, если движение происходит при боковом ветре, когда поток воздуха набегает под некоторым углом к продольной оси автопоезда. Схема обтекания воздухом седельного и прицепного автопоездов показана на рис. 2.32.

Ко

а)

Схема обтекания встречным потоком воздуха магистральных

Рис. 2.32. Схема обтекания встречным потоком воздуха магистральных

автопоездов:

а - седельного; б - прицепного

Ко

Распределение давлений по кузову грузового автомобиля с кузовом-фургоном при симметричном обтекании поясняется рис. 2.33. Видно, что передняя стенка грузового кузова в значительной степени формирует и сопротивление формы, и индуктивное сопротивление автомобиля.

Ко

-?

а) б)

Рис. 2.33. Распределение давления по поверхности грузового автомобиля

при симметричном обтекании:

а - в продольной плоскости симметрии; б - в плоскости поясной линии

Ситуацию можно улучшить, например, установкой над крышей кабины наклонного козырька, который «поднимает» поток воздуха и направляет его поверх кузова, как показано на рис. 2.34. Это уменьшает избыточное давление на переднюю стенку кузова и разрежение на его крыше. Разумеется, это снижает общее аэродинамическое сопротивление автомобиля, и применение подобного простейшего аэродинамического устройства может улучшить общую картину обтекания.

а)

єРг~г

6)

Г

Рис. 2.34. Влияние направляющего щитка на распределение давления

воздуха на поверхности грузового кузова а - в продольной плоскости симметрии; б - в плоскости поясной линии

Если автомобильный завод или фирма выпускает грузовые автомобили одного типа, то целесообразно разработать такие формы кабины и грузового кузова, которые обеспечили бы относительно низкое аэродинамическое сопротивление. К сожалению, на практике это сложно, потому что, в зависимости от рыночного спроса, фирма вынуждена производить автомобили с разными кузовами, которые требуют, конечно, кабины разной формы. Иметь на производстве одновременно несколько вариантов кабин нецелесообразно по экономическим соображениям, поэтому особое значение приобретает иной путь совершенствования аэродинамики - применение различных накладных устройств, которые монтировались бы на серийную кабину в зависимости от того, с каким кузовом эта кабина будет сочетаться.

На рис. 2.35 показано влияние установки дополнительных накладных элементов на уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления (АСХ).

Асх =117. АСх = 287. Асх = 307.

Ас„ = 97,

Ас„ = 307,

Асх = 177.

Рис. 2.35. Уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления АСХ установкой дополнительных накладных элементов

В верхнем ряду изображений на рисунке показаны накладные элементы, установленные на крыше кабины, а в нижнем - на передней стенке грузового кузова (на правой позиции - кузов надвинут на кабину).

Для улучшения аэродинамических характеристик автопоездов могут применяться различные внешние аэродинамические устройства. Для седельных автопоездов это верхний и нижний обтекатели на кабине; задние закрылки на кабине, перекрывающие зазор между кабиной и грузовым кузовом; боковые щитки, закрывающие шасси тягача и полуприцепа. Для прицепных автопоездов используются, также, как и на седельных, щитки и обтекатели на кабине и боковые щитки на тягаче и прицепе, закрывающие шасси, и, кроме того, дефлектор на задней оконечности кузова тягача. Заднюю стенку кузова полуприцепа и прицепа целесообразно делать скругленной.

Наибольшее распространение для грузовых автомобилей и автопоездов получили лобовые обтекатели, устанавливаемые на крыше кабины (верхние обтекатели) и позволяющие направить встречный поток воздуха или на крышу, или на боковые стенки кузова, или на то и другое одновременно. Благодаря этому улучшается обтекаемость кузова и уменьшаются вихреобразсивания в зазоре между кабиной и кузовом.

Среди верхних лобовых обтекателей массовое применение нашли обтекатели щитового типа, снижающие аэродинамическое сопротивление на 20-30%. Кривизна их лобовой поверхности бывает различной, форма также (рис. 2.36).

Формы лобовых поверхностей щитовых обтекателей

Рис. 2.36. Формы лобовых поверхностей щитовых обтекателей: а - плоская; б, в - выпуклые цилиндрические; г - двояковыпуклые; д, е-

вогнутые цилиндрические

Чтобы обеспечить максимальную производительность обтекателя, его ширину, как правило, выбирают равной ширине кабины.

При плоском экране практически весь поток, идущий над кабиной, направляется на крышу кузова полуприцепа, обеспечивая так называемое верхнее обтекание. При движении воздушного потока по плоскому щиту, особенно в его нижней части, возникают зоны срыва пограничного слоя, что приводит к турбулизации потока и снижению эффективности обтекателя.

Более эффективны, хотя более сложны в изготовлении выпуклые щитовые обтекатели. Их лобовые поверхности могут быть цилиндрическими, эллиптическими, параболическими, сферическими. Есть и более сложные, рассчитанные на безотрывное обтекание воздушным потоком. Однако на практике чаще всего применяются цилиндрические щитовые обтекатели двух типов: обтекатели, у которых образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна (рис. 2.36 б) центральной продольной плоскости автомобиля, и обтекатели, у которых она параллельна (рис. 2.36 ё) этой плоскости.

Выпуклые цилиндрические обтекатели первого типа устанавливают, как правило, под углом к крыше кабины и имеют равную с ней ширину. Воздушный поток направляется таким обтекателем в основном на крышу кузова.

Щитовые обтекатели с вогнутым экраном подразделяются на два типа: обтекатели, у которых образующая вогнутой поверхности либо перпендикулярна продольной плоскости автомобиля, либо параллельна этой плоскости. Обтекатели первого типа (рис. 2.36 д) просты по конструкции, однако имеют сравнительно низкую эффективность: двигаясь по вогнутой поверхности, воздушный поток закручивается и «подбрасывается» вверх, над верхней кромкой обтекателя.

Обтекатели второго типа (рис. 2.36 е) особенно эффективны при больших расстояниях между кабиной тягача и передней стенкой полуприцепа, поскольку в этом случае удается сконцентрировать воздушный поток, идущий над кабиной, в одну направленную струю, исключив его растекание по лобовой поверхности щита.

При этом существенно возрастает кинетическая энергия воздушного потока, сбрасываемого на крышу кузова при больших расстояниях между ним и кабиной (порядка 1,5-2,0 м), при которых эффективность обычных обтекателей снижается. Следует отметить, что угол наклона вогнутого обтекателя может быть меньше, чем у остальных щитовых обтекателей, что дополнительно снижает лобовое сопротивление самого обтекателя.

Широко используется на европейских грузовых автомобилях выпуклый цилиндрический щитовой обтекатель типа «Европа спойлер», разработанный фирмой Шпиир (Германия) (рис 2.37 а). Обтекатель регулируется по углу наклона, имея шесть фиксированных положений.

О)

Рис. 2.37. Показаны различные типы лобовых обтекателей

Обтекатели второго типа (рис. 2.37 б) устанавливают почти вертикально по отношению к крыше кабины, и основная часть воздушного потока, идущего над кабиной тягача, направляется на боковые стенки кузова (так называемое боковое обтекание).

Еще более эффективны щитовые обтекатели, имеющие кривизну в двух плоскостях (рис. 2.36 г). Такой обтекатель направляет воздушный поток, идущий над кабиной, как на крышу, так и на боковые станки кузова. На рис. 2.37 в показан обтекатель «Аиршилд». Обтекатели этого типа производятся рядом свропейких фирм, в том числе во Франции, Англии, Бельгии.

Представляет интерес разработанный в США фирмой Юниройял щитовой выпуклый обтекатель, имеющий специально рассчитанную из условия отсутствия срыва пограничного слоя лобовую поверхность, выполненный из стекловолокна горячим литьем с усиленной ребрами жесткости внутренней поверхностью. Обтекатель регулируется по углу наклона, поэтому оказывается эффективным для различных превышений кузова над кабиной (от 0,46 до 1,91 м) и расстояний между ними (от 0,58 до 2,10 м).

На рис. 2.37 г показан выпуклый щитовой обтекатель фирмы Мерседес-Бенц. Он изготовлен из пластмассы, имеет массу около 25 кг и при скорости 80 км/ч обеспечивает снижение расхода топлива на 5-10%. Обтекатель регулируется по углу наклона - на внутренней поверхности изгиба имеется таблица с координатами его установки в зависимости от превышения кузова над кабиной тягача.

Известны объемные обтекатели (рис. 2.38), позволяющие снизить аэродинамическое сопротивление на 25-35%, но получившие меньшее распространение, чем щитовые, что объясняется соображениями стоимости, материалоемкости и массы. Тем более, что при оптимизации основных конструктивных параметров щитового обтекателя (ширины, высоты, угла наклона и кривизны лобовой поверхности щита), а также места его расположения по длине кабины, его эффективность близка к эффективности объемного. Кроме того, щитовой обтекатель универсален, а объемный проектируется для конкретного автотранспортного средства.

Объемные лобовые обтекатели на кабине

Рис. 2.38. Объемные лобовые обтекатели на кабине

Существуют разработки объемных обтекателей, выполняющих одновременно функции спальных мест водителей. Такое конструктивное решение позволяет за счет эквивалентного увеличения объема кабины вверх сделать ее короче. При этом создается возможность улучшения компоновки автомобиля тягача, увеличения нагрузки на его переднюю ось за счет приближения к ней кузова.

Нижние обтекатели на кабине, предназначенные для снижения вихреобразований под автомобилем, применяются редко. Однако, учитывая интенсивные поиски путей дальнейшего снижения расхода топлива автомобилями и автопоездами, следует отметить, что это конструктивное мероприятие является перспективным. Установка нижнего обтекателя обеспечивает снижение аэродинамического сопротивления на 10-15%.

Выпускаемые нижние обтекатели изготовляются или из пластмассы, или из армированной резины. Масса нижних обтекателей составляет 20-25 кг.

Получили достаточно широкое распространение обтекатели типа «носовой конус» (рис. 2.39). Например, фирма Теско (США) разработала, изготовляет и продает пластмассовые обтекатели типа «носовой конус» различной высоты (0,97; 1,22; 1,47 и 1,73 м). Транспортные фирмы США успешно эксплуатируют их на своих автопоездах. При этом наряду с существенной экономией топлива отмечается значительное повышение курсовой устойчивости автопоездов.

Лобовые обтекатели типа «носовой конус» на передней стенке

Рис. 2.39. Лобовые обтекатели типа «носовой конус» на передней стенке

кузова

На рис. 2.40 показано, на какую величину может быть снижен коэффициент аэродинамического сопротивления автопоезда Сх за счет установки дополнительных аэродинамических устройств при нулевом угле натекания потока воздуха. Применение полного комплекта таких устройств позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление седельного автопоезда на 41%, а прицепного - на 45%.

Снижение аэродинамического сопротивления (ЛС) за счет установки внешних аэродинамических устройств на седельном и

Рис. 2.40. Снижение аэродинамического сопротивления (ЛСА) за счет установки внешних аэродинамических устройств на седельном и

прицепном автопоезде

В таблице 2.6 показано влияние некоторых элементов большегрузного автопоезда на уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления.

Таблица 2.6

Влияние некоторых элементов большегрузного автопоезда на уменьшение _коэффициента аэродинамического сопротивления_

Форма передней части автопоезда

Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх

Уменьшение

Сх, %

Серийная

кабина

0,86

Серийная кабина с установленным на крыше обтекателем

ф

0,65

-24,4

Серийная кабина с обтекателем и боковой обтекатель

шасси

ф

0,63

-27

Кабина улучшенной формы, закрытое обтекателем пространство между кабиной и фургоном-полуприцепом

ф

0,48

-44

Теоретическая

модель

е>

0,4

-53

Из данных таблицы 2.6 следует, что для теоретической модели автопоезда минимальный коэффициент аэродинамического сопротивления СЛ=0,4.

Однако еще в конце прошлого века были созданы концептуальные автопоезда с очень малым значением коэффициента аэродинамического сопротивления Сх, сравнимым с Сх легковых автомобилей и даже меньше.

Одним из первых такой магистральный седельный автопоезд, спроектировал итальянский конструктор Колани, у которого коэффициент аэродинамического сопротивления Сх=0,38, т.е. такой же как у легкового автомобиля ВАЗ-2108 (полученный в аэродинамической трубе ЦАГИ). Характерной особенностью автопоезда Колани (рис. 2.41) является кабина обтекаемой формы со сферическим лобовым стеклом с центральным круговым стеклоочистителем; максимальная скорость 155 км/ч, расход топлива 26,9 л/100 км.

Другая революционная конструкция, МАЗ-2000 "Перестройка", была создана в СССР.

Этот концептуальный автопоезд модульного типа (рис. 2.42, 2.43) был представлен в 1988 г. на Парижском автосалоне, где получил золотую медаль за выдающиеся технические решения.

Автопоезд МАЗ-2000 "Перестройка" (выставочный образец)

Рис. 2.42. Автопоезд МАЗ-2000 "Перестройка" (выставочный образец)

Автопоезд МАЗ-2000 "Перестройка" (последний образец-

Рис. 2.43. Автопоезд МАЗ-2000 "Перестройка" (последний образец-

памятник перед проходной завода)

Снаряжённая масса базового автопоезда с двухосной тележкой полуприцепа составила 12 т, полная масса - 33 т (41 тс трёхосной тележкой полуприцепа).

Объём грузовой платформы составлял 83 м3, что на 5... 10 м3 больше, чем у автопоездов классической конструкции той же длины (14900 мм).

В результате аэродинамической доводки головной части автопоезда (рис. 2.44) и применения оригинальной компоновочной схемы (рис. 2.45) было практически исключено влияние промежутка между кабиной и полуприцепом на характер обтекания автопоезда воздушным потоком. Кабина составляла единое целое с кузовом. Кроме того, установка аэродинамических обтекателей всех колёс, а также обеспечение конфузорности днища задней части кузова полуприцепа позволили получить очень хорошую аэродинамику автопоезда, что способствовало существенному улучшению его топливной экономичности и динамических свойств.

Головная часть автопоезда

Рис. 2.44. Головная часть автопоезда

Схема автопоезда

Рис. 2.45. Схема автопоезда:

1 - кабина; 2- рама полуприцепа; 3 - седельная плита; 4 - передний тяговый модуль; 5 - двигатель; 6 - надрамник

Кабина была изготовлена из стеклопластиковых панелей, имела высокую крышу, выполняющую роль спойлера, панорамное лобовое стекло, ровный пол и аэродинамические обводы. Коэффициент обтекаемости головной части автопоезда составил Схгч=0,20, а всего автопоезда - СЛ=0,33 (без зеркал, стеклоочистителей и др. выступающих элементов).

В переднем силовом (тяговом) модуле были установлены 6-и цилиндровый двигатель MAN 2866 TUH с горизонтальным расположением цилиндров мощностью 213,2 кВт (290 л.с.), 12-и ступенчатая коробка передач МАЗ, переключение которой осуществлялось электронным джойстиком, главная передача, независимая пневматическая подвеска колёс и рулевое управление.

Тяговый модуль соединялся с рамой поворотным кругом подшипником и с помощью мощных гидроцилиндров поворачивался относительно кабины и рамы полуприцепа, за счет чего осуществлялся поворот автопоезда (рис. 2.46).

Надрамник кабины соединялся с рамой полуприцепа с помощью запорного механизма (рис. 2.47).

Соединение надрамника кабины с рамой полуприцепа

Рис. 2.47. Соединение надрамника кабины с рамой полуприцепа:

1 - запорное устройство; 2 - рама полуприцепа; 3 - седельная плита; 4 -

шкворень; 5 - надрамник

Максимальная скорость автопоезда составляла 130 км/ч.

Шины имели размерность 18R22.5. Подвеска всех колёс независимая пневматическая. Тормоза — пневматические, с АБС.

Необходимо отметить, что компоновочная схема с поворотом тягача (автопоезда) с помощью тягового модуля не явилась новым конструкторским решением в автомобилестроении. В 40-е годы XX века в Австралии эксплуатировались автобусы производства Fowler Constructions Pty Ltd (рис. 2.48), которые представляли собой активный полуприцеп с передним тяговым модулем, обеспечивающим поворот автобуса посредством гидроприводов (рис. 2.49).

На автобусе устанавливались два одинаковых карбюраторных двигателя мощностью 62,5 кВт (85 л.с.) каждый. Кабина водителя располагалась в передней части полуприцепа (над тяговым модулем), а его рабочее место располагалось по центру автобуса. Определенный интерес представляла и тормозная система автобуса, которая для того времени была весьма прогрессивна. Рабочая система - двухконтурная, с раздельными контурами на колеса тягового модуля и полуприцепа, аварийная система на колеса полуприцепа - гидравлическая с вакуумным усилителем. Автобус, по-видимому, обладал хорошей

аэродинамикой.

Автобус с передним тяговым модулем

Рис. 2.48. Автобус с передним тяговым модулем

В 1992 г. на автосалоне во Франкфурте была представлена концептуальная разработка автопоезда Mercedes-Benz ЕХТ-92 (Euro Experimental Truck).

Автопоезд (рис. 2.50) обладал футуристическим аэродинамическим дизайном и оснащался следующими элементами:

  • • радаром, следящим за дистанцией до впереди идущего автомобиля (система Distronic);
  • • шестью установленными по периметру автопоезда видеокамерами вместо зеркал заднего вида, обеспечивающими обзор спереди, сзади и в не просматриваемых зонах автопоезда;
  • • передними ксеноновыми фарами, задними светодиодными фонарями и системой светодиодного оповещения водителей автомобилей, движущихся позади автопоезда;
  • • сиденьем водителя по центру кабины;
  • • чип-картой вместо ключа зажигания,
  • • автоматически затемняющимися стеклами.
Полуприцепной автопоезд Mercedes-Benz ЕХТ-92

Рис.2.50. Полуприцепной автопоезд Mercedes-Benz ЕХТ-92

Концепция ЕХТ-92 подразумевала унификацию грузовых контейнеров при перевозке их автомобильным, морским и воздушным транспортом.

Основные технические решения были направлены на снижение аэродинамического сопротивления, обеспечение безопасности движения и организацию рабочего места водителя и интерьера кабины.

Коэффициент аэродинамического сопротивления автопоезда составлял всего 0,35 - практически как у легкового автомобиля, что достигалось рядом конструкционных решений:

  • • при прямолинейном движении автопоезда специальное устройство подтягивало полуприцеп к тягачу примерно на 10 см, тем самым уменьшая промежуток между ними и снижая аэродинамическое сопротивление;
  • • в задней части полуприцепа автоматически выдвигались спойлеры для снижения турбулентности воздушных потоков в процессе движения;
  • • нижний аэродинамический обвес по всему периметру автопоезда и полностью закрытые колесные арки не только способствовали экономии топлива, но и уменьшали водяную пыль (разбрызгивание) от колес во время дождя.

Аэродинамическое совершенство магистральных (полуприцепных) автопоездов в значительной степени влияет на их топливную экономичность, так как они передвигаются с высокой скоростью.

На их аэродинамику в наибольшей степени влияют:

  • • аэродинамика седельного тягача;
  • • промежуток между кабиной тягача и передней частью полуприцепа, который оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автопоезда при маневрировании (повороте, перестроении), когда передняя вертикальная панель полуприцепа начинает функционировать как аэродинамический тормоз (рис. 2.51);
  • • нижняя часть и подвеска седельного тягача, и особенно зона под днищем полуприцепа;
  • • зона разрежения за задней панелью (бортом) полуприцепа.

На автопоездах эти проблемы решаются либо по отдельности для седельного тягача и полуприцепа, либо в совокупности, поэтому технические решения, касающиеся улучшения аэродинамических свойств, могут существенно различаться.

Особенностями конструкции седельного тягача, существенно влияющими на его аэродинамические характеристики, являются:

  • • значительное превышение высоты полуприцепа над высотой кабины тягача, достигающее у современных тягачей с низкой кабиной КамАЗ-6460 - 0,85 м, 65206 - 0,86 м, 65225 - 0,87 м, Урал-63674 - 0,88 м (у тягачей предыдущего поколения типа КамАЗ-54115, 53215 -0,9...1,2 м);
  • • большой промежуток между кабиной и полуприцепом, достигающий 1,0 м;
  • • довольно значительное расстояние от нижней кромки переднего бампера до поверхности дороги, изменяющееся в зависимости от нагрузки в пределах 0,5...0,7 м (у КамАЗ-5410 - 0,63 м);
  • • незакругленные или мало закругленные фронтальные обводы (углы) кабины.
Положение кабины тягача и передней части полуприцепа при

Рис. 2.51. Положение кабины тягача и передней части полуприцепа при

движении на повороте

В результате существенно ухудшаются аэродинамические

характеристики автопоездов, возрастает сопротивление их движению и повышается расход топлива.

На тягачах магистральных автопоездов устанавливаются

бескапотные и капотные кабины (рис. 2.52).

г) д)

Рис. 2.52. Схема обтекания воздухом различных кабин, устанавливаемых

на магистральные автопоезда:

а, б, в - низких бескапотных и капотной; г - увеличенной высоты с наклонной крышей; д-с высокой обтекаемой крышей

Особенностью бескапотной кабины с низкой крышей тягачей прошлого поколения (рис. 2.52 а) является наличие избыточного давления на лобовую панель, а также высокая степень отрыва воздушного потока у верхней и нижней фронтальных кромок кабины.

Капот капотной кабины (рис. 2.52 б) рассекает встречный поток воздуха и уменьшает давление на лобовую панель кабины, обеспечивая лучшую обтекаемость её крыши и боковин.

Обе эти кабины имеют мало закругленные фронтальные обводы, что способствует отрыву воздушного потока от их поверхностей.

Появившиеся позже кабины клинового типа (рис. 2.52 в) обеспечивали перетекание воздушного потока вверх и вниз и способствовали снижению давления на лобовую панель и отрыва воздушного потока у верхней и нижней фронтальных кромок кабины.

В 90-е годы XX века начали производиться магистральные автопоезда с кабинами увеличенной высоты с наклонной крышей (рис.

  • 2.52 г; рис. 2.53 а) и высокими обтекаемыми кабинами (рис. 2.52 д; рис.
  • 2.53 б).

а) б)

Рис. 2.53. Магистральные тягачи:

IVEKO Stralis с кабиной увеличенной высоты; б - Mercedes-Benz Actros 1845 с высокой обтекаемой кабиной

а -

Существенно лучшие показатели их обтекаемости связаны:

  • • с усовершенствованной формой и размерами кабины, в том числе, лобовой панели кабины и установкой лобового стекла под наиболее рациональным углом;
  • • с большими радиусами закругления фронтальных углов;
  • • с установкой невысокого спойлера на крыше увеличенной по высоте кабины тягача (рис. 2.53 а) для снижения влияния несколько большей высоты полуприцепа по сравнению с высотой кабины.
  • • с установкой, при необходимости, невысокого спойлера (~0,6 м у КамАЗ-5490) на задней кромке высокой обтекаемой кабины, частично закрывающего сверху промежуток между тягачом и полуприцепом (рис. 2.53 б).
  • • с установкой дополнительных боковых панелей кабины (рис. 2.51, 2.53), которые закрывают промежуток между тягачом и полуприцепом до минимально необходимого расстояния, обеспечивающего кинематику поворота автопоезда, и дефлекторов кабины, обеспечивающих снижение сопротивления воздуха на 1 %;
  • • с установкой переднего бампера с нижним обтекателем (рис. 2.54), обеспечивающим минимально возможное расстояние до дороги (Урал-63674 - 0,39 м, КамАЗ-65206 - 0,31 м, КамАЗ-5460 - 0,36 м, МАЗ-544008 - 0,40 м, КамАЗ-5490 — 0,22 м) и снижающим аэродинамические потери под днищем тягача;
Передний бампер с нижним обтекателем

Рис. 2.54. Передний бампер с нижним обтекателем

• с отработкой систем охлаждения двигателя и отопления и вентиляции кабины (организация наиболее рационального прохождения потоков воздуха).

Необходимо отметить, что фирма Freight Wing (США) применяет несколько иную концепцию для сокращения расстояния между магистральным тягачом и полуприцепом, заключающуюся в том, что на заднюю панель кабины тягача устанавливается обтекатель, а на фронтальную стенку полуприцепа - отражатели (рис. 2.55). Система (по информации фирмы), общая масса которой с крепёжными элементами составляет 65 кг, обеспечивает автопоезду около 2% экономии топлива.

Отражатели фирмы Freight Wing (США) на передней панели

Рис. 2.55. Отражатели фирмы Freight Wing (США) на передней панели

полуприцепа

Схема обтекания воздухом седельного и прицепного автопоездов, оснащенных комплектом внешних аэродинамических устройств, при симметричном и несимметричном обтекании показана на рис. 2.56.

Схема обтекания седельного (а) и прицепного (б) автопоездов с

Рис. 2.56. Схема обтекания седельного (а) и прицепного (б) автопоездов с

внешними аэродинамическими устройствами

Кабина - основной формообразующий элемент, определяющий характер обтекания носовой части и автопоезда в целом. Именно она формирует структуру значительной части воздушного потока, взаимодействующего с кузовом и другими элементами конструкции автопоезда, а, следовательно, от нее зависит и общее аэродинамическое сопротивление.

Как было сказано выше, на автопоездах используют кабины двух типов - переднего расположения (бескапотная) и заднего расположения (капотная). Первыми, например, оборудуются тягачи автопоездов МАЗ и КамАЗ, вторыми - тягачи ЗИЛ.

В общем случае исследования характера обтекания в аэродинамической трубе показали, что отдельно взятая кабина заднего расположения имеет лучшую обтекаемость, чем кабина переднего расположения, поскольку у нее есть выступающий вперед капот двигателя. Капот служит своеобразным клином: он рассекает

натекающий на кабину воздушный поток. При этом реализуется и эффект экранирования малой площади (фронтальная поверхность капота) площадью большой (лобовая поверхность кабины).

Каждая конструкция капота влияет на показатели обтекаемости кабины по-своему - в зависимости от радиуса скругления передних кромок и углов наклона верхней и боковых панелей, а также угла наклона лобового стекла. Это наглядно иллюстрирует рис. 2.57, где приведены зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления автопоезда для кабины заднего расположения (капотной) от углов наклона верхней и боковых панелей капота.

Влияние углов наклона капота

Рис. 2.57. Влияние углов наклона капота

На коэффициенте СЛ автопоезда наиболее заметно сказывается угол к наклона верхней панели капота. Установлено, что за счет оптимизации этого угла можно значительно (до 7%) снизить Сх. Несколько меньший (6%) выигрыш в Сх можно получить и за счет углов наклона боковых панелей капота. Суммарный выигрыш в аэродинамическом сопротивлении автопоезда может составить 12%. Если учесть еще и угол наклона лобового стекла, то оказывается, что аэродинамическое сопротивление автопоезда с кабиной заднего расположения на 15-20% меньше, чем с кабиной расположения переднего.

Однако рассматривать влияние расположения и формы кабины на аэродинамические характеристики автопоезда без учета кузова неправильно, так как кабина и кузов связаны не только конструктивно, но и с точки зрения аэродинамики.

В итоге получается, что при установке на бортовом автопоезде капотной кабины его Сх, действительно, на 10-12% меньше, чем при втором варианте кабины. Это потому, что у бортового автопоезда характер обтекания носовой части в основном определяется именно формой и расположением кабины, поскольку кузов низкий, следовательно, располагается в ее тени. Кроме того, капотная кабина, как правило, несколько ниже бескапотной, т.е. у нее меньше лобовое сечение (мидель). Все это и обеспечивает заметное снижение аэродинамического сопротивления бортового автопоезда.

Но при установке кабины заднего расположения на автопоезде с высоким кузовом картина иная (рис.2.58).

777 777 /// /77 777777 777 777 777 777 77 ///

Рис. 2.58. Схема обтекания автопоезда с кабиной заднего расположения

Из-за лучшей ее обтекаемости и меньшей высоты, существенно большая, чем при установке кабины переднего расположения, часть натекающего на автопоезд воздушного потока «ударяется» в выступающую над кабиной поверхность передней стенки кузова. В результате - резкий, достигающий 18-22%, рост Сх автопоезда, что на 8-10% выше, чем при кабине переднего расположения.

При высоком кузове кабина переднего расположения, безусловно, выгоднее: у такого автопоезда аэродинамическое сопротивление на 8-10% ниже, следовательно, уменьшается на 2-3% и расход топлива. Преимущество бескапотной кабины может быть еще больше и достигать 15-20 %, если у капотной кабины углы аэродинамически не оптимизированы.

Следовательно, кабины заднего расположения нужно применять на автопоездах с низкими кузовами; на автопоездах же с высокими кузовами предпочтительнее кабины переднего расположения (бескапотные).

На рис. 2.59 показан вариант обтекаемого автопоезда МАЗ-6422+9398, на котором установлены аэродинамические устройства, в том числе объемный лобовой обтекатель с цилиндрической поверхностью и изменена форма передней панели кабины (увеличены радиусы боковых переходов, поверхность панели сделана более выпуклой).

Купе Porsche 911 Carrera

Рис. 2.21. Купе Porsche 911 Carrera

/ - измененная передняя панель; 2 - объемный лобовой обтекатель; 3 -закрылки увеличенной высоты; 4, 5 -нижние боковые щитки; б -

параболический нижний обтекатель

Благодаря этим мерам удалось снизить коэффициент СЛ модели на 36%. Поэлементно (ДСХ): измененная передняя панель - на 9%, объемный лобовой обтекатель - 12%, закрылки увеличенной высоты -5%, нижние боковые щитки на полуприцепе и тягаче - по 2%, нижний обтекатель - на 6%.

Зазор между звеньями автопоезда существенно влияет на его аэродинамику. Дело в том, что, обтекая автопоезд (рис. 2.60), воздушный поток, двигающийся вдоль крыши и боковых стенок кузова прицепа, достигая зазора, срывается с них и образует вихри. При этом на задней стенке кузова тягача возникает зона отрицательного, а на передней стенке кузова прицепа - зона положительного давления, что, в совокупности с достаточно большим объемом сильно завихренного воздуха в зазоре между тягачом и прицепом, а также перетеканием в него потоков из подднищевой зоны тягача, значительно увеличивает аэродинамическое сопротивление автопоезда.

Отрицательно сказывается зазор между тягачом и прицепом также и при кососимметричном натекании воздушного потока на автопоезд. При этом часть потока выходит с подветренной стороны и начинает перемещаться вдоль борта прицепа, образуя значительную по ширине зону завихренного и уплотненного воздуха, что заметно увеличивает лобовое сопротивление автопоезда. Причем особенно сильно увеличивается аэродинамическое сопротивление из-за зазора между тягачом и прицепом при больших расстояниях между ними применительно к многозвенным прицепным автопоездам-контейнеровозам.

Картина образования вихрей в зазоре автопоезда

Рис. 2.60. Картина образования вихрей в зазоре автопоезда

Для того, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление прицепного автопоезда, можно, например, воспользоваться устройствами, разработанными в НАМИ. Это задние боковые закрылки (рис. 2.61) и верхний дефлектор (рис. 2.62), закрепляемые на задней стенке и крыше кузова тягача соответственно.

Влияние боковых закрылков

Рис. 2.61. Влияние боковых закрылков

Влияние верхнего дефлектора / - длина дефлектора 0,28 м; 2 - длина дефлектора 0,56 м

Рис. 2.62. Влияние верхнего дефлектора / - длина дефлектора 0,28 м; 2 - длина дефлектора 0,56 м

Установка таких устройств позволяет направить воздушный поток, обтекающий кузов тягача, на боковые стенки и крышу кузова прицепа, практически исключив тем самым срыв и попадание потока в зазор между кузовами.

Экспериментальные исследования таких устройств на модели автопоезда, выполненной в масштабе 1:7, были проведены в аэродинамической трубе института механики МГУ и подтвердили их эффективность.

Так, при установке закрылков длиной 0,7, 1,05 и 1,4 м Сх снижается соответственно на 3, 5,5 и 9,5%.

О том же свидетельствуют и зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления модели автопоезда от угла наклона лобовой панели верхнего дефлектора кузова при двух значениях ее длины. Оптимальный угол наклона панели лежит в интервале 20-30°, а увеличение се длины повышает эффективность устройства. Например, если дефлектор длиной 0,28 м снижает Сх автопоезда на 4%, то при длине панели 0,56 м - на 7%.

Выявлено также, что одновременное использование задних боковых закрылков и верхнего дефлектора практически суммирует их аэродинамическую эффективность: при закрылках длиной 1,05 м и верхнем дефлекторе длиной 0,56 м, установленном под углом 25°, аэродинамическое сопротивление автопоезда уменьшается более чем на 12%.

Аэродинамическое сопротивление прицепного автопоезда можно снизить и за счет уменьшения зазора между тягачом и прицепом. По мере сближения тягача и прицепа характер распределения статического давления на задней стенке тягача и передней стенке прицепа тоже меняется. На задней стенке тягача оно увеличивается, а на передней стенке прицепа уменьшается. Значит, снижается разность этих давлений. Кроме того, уменьшается объем завихренного воздуха в зазоре и перетекания воздуха в него из подднищевой зоны тягача. В итоге - меньше аэродинамическое сопротивление.

Его величину можно подсчитать по эмпирическим зависимостям, учитывающим влияние зазора через изменение как статического давления на стенках кузовов тягача и прицепа, так и трения находящегося в зазоре завихренного воздуха о поток, обтекающий автопоезд. Результаты расчета можно использовать для предварительной инженерной оценки снижения коэффициента аэродинамического сопротивления прицепного автопоезда по мере уменьшения длины сцепки.

В частности, такие расчеты показывают, что для автопоездов с высокими кузовами тягача и прицепа приращение коэффициента аэродинамического сопротивления составляет 0,044, а для бортовых -0,073 на каждый метр изменения зазора. Если исходить из сопротивления нынешних автопоездов, то уменьшение длины сцепки между тягачом и прицепом с 2 м до 1 м и до 0,5 м снижает коэффициент аэродинамического сопротивления прицепного автопоезда соответственно на 2, 6 и 11%. Другими словами, темп снижения аэродинамического сопротивления оказывается больше, чем темп снижения зазора. Это очень важная в практическом смысле закономерность. Ее, как и другие рассмотренные выше закономерности, нельзя не использовать при разработке новой техники и мероприятий, направленных на снижение расхода топлива магистральными автопоездами за счет улучшения их обтекаемости.

В процессе эксплуатации автомобилей представляет интерес зависимость скорости их движения и расхода топлива от коэффициента обтекаемости Сх. Например, на динамометрической дороге ФГУП «НИЦИАМТ» с этой целью были проведены сравнительные испытания грузового автомобиля КамАЗ-4325 с тентом (рис. 2.63) и автомобиля-фургона с изотермическим кузовом на шасси ГАЗ-31105 (рис. 2.64) с аэродинамическими обтекателями, установленными на крыше кабины, и без них.

Автомобиль КамАЗ-4325 с обтекателем на крыше кабины

Рис. 2.63. Автомобиль КамАЗ-4325 с обтекателем на крыше кабины

Автомобиль ГАЗ-31105 «Трофим» с обтекателем

Рис. 2.64. Автомобиль ГАЗ-31105 «Трофим» с обтекателем

В результате испытаний автомобиля КамАЗ-4325 (без груза) с обтекателем и без него расход топлива составил, соответственно:

  • • на установившейся скорости 60 и 90 км/ч - 20,0 и 22,0 (экономия 9,0%) и 31,2 и 34,6 л/100 км (экономия 9,8%);
  • • в режиме магистрального ездового цикла 26,9 и 28,3 л/100 км (экономия 4,9%).

Топливная характеристика установившегося движения автомобиля КамАЗ-4325 приведена на рис. 2.65. Максимальная скорость автомобиля была одинаковой (110 км/ч).

Топливная характеристика установившегося движения

Рис. 2.65. Топливная характеристика установившегося движения

автомобиля КамАЗ-4325

У автомобиля-фургона на шасси ГАЗ-31105 «Трофим» (полная масса 1900 кг) (рис. 64) максимальная скорость с обтекателем составила 120,5 км/ч, а без него - 111,3 км/ч (разница - 9,2 км/ч или 7,6%). На установившейся скорости движения 40, 70 и 100 км/ч расход топлива с обтекателем и без него составил 6,3 и 6,5 (экономия 3,0%); 8,0 и 8,8 (экономия 9,1%) и 12,0 и 14,0 л/100 км (экономия 14,3%), соответственно.

Топливная характеристика установившегося движения приведена на рис. 2.66.

  • <>*
  • 16
  • 12

Н

Топливная характеристика установившегося движения

Рис. 2.66. Топливная характеристика установившегося движения

автомобиля-фургона "Трофим"

Таким образом, установка одного лишь обтекателя на кабину автомобиля приводит к положительному экономическому эффекту его использования. Установка же на автомобиль, а тем более на автопоезд, комплекта аэродинамических устройств (спойлеров, обвесов) позволяет существенно снизить коэффициент Сх.

Задний обтекатель, «хвост» полуприцепов

Продолжая разговор о взаимодействии кузовов тягачей, прицепов, полуприцепов с возмущенным воздушным потоком следует обратить внимание на некоторые обстоятельства. Улучшая аэродинамику грузовых автомобилей, особенно автопоездов, нельзя в полной мере использовать наработки, принятые для легковых автомобилей. Например, при проектировании легкового автомобиля, тем более спортивного или гоночного, конструктор стремится придать кузову обтекаемую форму близкую к форме капли. Но для грузового автомобиля это не годится в принципе, так как он, в первую очередь, предназначен для перевозки грузов, а, следовательно, необходимо обеспечить возможно большую грузоподъемность и главное вместимость кузова. Поэтому кузов и представляет собой некий угловатый контейнер. Кроме этого конструктор должен учитывать принятые габаритные ограничения, должен обеспечить маневренность автопоезда.

Тем не менее, в настоящее время проблема снижения расхода топлива полуприцепных автопоездов, главным образом, решается за счет навесных устройств (спойлеров, обвесов панелями),

устанавливаемых на седельные тягачи и полуприцепы и

обеспечивающих снижение аэродинамического сопротивления, а также установки на полуприцепы современных односкатных колес с низкопрофильными цельнометаллокордными (ЦМК) шинами.

Среди таких конструкций, например, простое относительно дешевое устройство Trailer Tail («хвост» полуприцепа) фирмы ATDynamics (США), известное достаточно давно (рис. 2.67, 2.68). К настоящему времени в США им оборудованы более 12 тысяч автопоездов.

а) б)

Рис. 2.67. Устройство Trailer Tail фирмы ATDynamics: а - модель Есо-120; б - модель Есо-50

Варианты конструкций полуприцепов с задними обтекателями

Рис. 2.68. Варианты конструкций полуприцепов с задними обтекателями.

Фактически это набор дополнительных обтекателей для установки на заднем борту стандартного полуприцепа. Его монтаж в условиях АТП занимает не более 60 минут для любой из представленных конструкций. На стоянке или перед проведением погрузочно-разгрузочных работ «хвост» складывается в течение двух минут без использования инструментов и надежно фиксируется в этом положении (рис. 2.69).

Складывание устройства Trailer Tail

Рис. 2.69. Складывание устройства Trailer Tail

При наезде сзади на полуприцеп панели «хвоста» легко деформируются, а затем так же легко восстанавливают свою форму, так как изготовлены из композитного материала со специальными свойствами.

Фирма ATDynamics выпускает две модели задних аэродинамических обтекателей:

  • • Есо-120 шириной 1220 мм и массой 75 кг, которая применяется только в США, так как там разрешена эксплуатация автопоездов с обтекателями шириной до 5 футов (1524 мм). Размер ограничен только исходя из удобства их складывания. Экономия топлива при скорости движения 90 км/ч составляет 5... 7 %. Опыт использования модели Есо-120 в США показал, что средняя экономия топлива составляет 1,65 л /100 км при скорости движения 80 км/ч.
  • • Есо-50 шириной 500 мм и массой 40 кг, которая разработана специально для Европы, где длина полуприцепных автопоездов (за исключением Финляндии, Швеции и России) ограничена (18,75 м), но допускается дополнительная установка «хвоста» шириной до 500 мм. Экономия топлива при скорости движения 90 км/ч составляет 2...4%.

Иной подход к решению проблемы турбулентности воздушных потоков сзади полуприцепа принят фирмой ATS (Aerodynamic Trailer Systems, США).

Она устанавливает надувной воздушный спойлер SmartTail («хвост» с программным управлением), который автоматически разворачивается или складывается во время движения автопоезда. В состав устройства входят:

  • • собственно надувной спойлер (рис. 2.70; 2.71.), стеганые лепестки которого выполнены из очень гибкого термопластичного композита (полиэфирной ткани, пропитанной смолой ПВХ) и верхнего гладкого полимерного покрытия. Это гарантирует герметичность устройства, хорошую аэродинамику, лёгкость чистки и мойки и сопротивление налипанию снега и образованию ледяной корки;
  • • два воздушных насоса (один надувает систему, другой выкачивает воздух), которые автоматически активируются при определенной (заданной) скорости автопоезда;
  • • современная система управления с бортовым микрокомпьютером и GPS, которая при запрограмированных значениях скорости движения обеспечивает автоматическое разворачивание спойлера и наполнение его воздухом (рис. 2.71 а) или удаление воздуха (до создания вакуума) и последующее сворачивание и складывание (сжимание) спойлера примерно до 3” (76 мм) (рис. 2.71 б). Система управления обеспечивает возможность полного открывания дверей полуприцепа.
Надувной спойлер БтайТаП

Рис. 2.70. Надувной спойлер БтайТаП

Хвост полуприцепа

Рис. 2.71. Хвост полуприцепа:

а - спойлер в развернутом (рабочем) положении; б - спойлер в сложенном

(сжатом) положении

Система управления работает только при движении автопоезда, контролируя скорость автопоезда, высоту над уровнем моря,

температуру наружного воздуха, атмосферное давление, а также скорость и направление ветра.

Масса устройства составляет 59 кг (130 фунтов), ширина - 500...610

мм.

Преимущества надувного спойлера SmartTail следующие:

  • • обеспечивает 4...7 % экономии топлива, что одновременно снижает объем вредных выбросов в атмосферу;
  • • автоматически наполняется воздухом и опорожняется;
  • • автоматически опорожняется, если автопоезд движется задним ходом;
  • • не требует технического обслуживания (за исключением системы наполнения и опорожнения спойлера), так как в нем отсутствуют движущиеся механические части, подверженные воздействию дождя, снега и льда.

В табл. 2.7 приведены данные по экономии дизельного топлива и денежных средств при установке устройства SmartTail за пробег 100 тыс. миль по шоссе (highway) при цене топлива 4,0 $/gal.

Таблица 2.7

Расчет экономии дизельного топлива полуприцепным автопоездом при _установке устройства БтагГГай за пробег 100000 миль_

Скорость автопоезда, км/ч

Экономия топлива, л

(gal)

Экономия денежных средств, $

50

2165 (572)

2289

55

2403 (635)

2538

60

2706 (715)

2859

65

3024 (799)

3195

70

3762 (994)

3977

75

4516(1193)

4771

Примечания:

  • 1. Экономия топлива рассчитана с учётом испытаний, проведенных по заданной программе на овальном треке по типу SAE II, в аэродинамической трубе и в процессе дорожных испытаний.
  • 2. Шины полуприцепа - односкатные фирмы Continental.

В Европе компанией AIR WIN разработан задний спойлер для полуприцепа шириной 50 см, который управляется автоматически и при остановке складывается (рис. 2.72).

Задний спойлер компании AIRWIN

Рис. 2.72. Задний спойлер компании AIRWIN

При его установке обеспечивается экономия топлива до 4,5% (1,35 л/100 км при скорости движения 90 км/ч).

Более существенная экономия топлива автопоезда обеспечивается, если задний спойлер используется совместно с боковыми аэродинамическими спойлерами (юбками) на днище полуприцепа или нижним спойлером типа WindTamer (укротитель ветра), отводящим поток воздуха под балки колес полуприцепа.

Так, в сочетании с юбками, задний спойлер Trailer Tail обеспечивает снижение расхода топлива на 10... 12%.

В этой связи представляет интерес оригинальный способ улучшения аэродинамики автопоезда с использованием эластичных надувных оболочек, искусственно придающих кузову обтекаемую форму.

В систему входят две надувные оболочки, изготовленные из легкой и прочной ткани и наполняемые воздухом из пневмосистемы грузового автомобиля.

Чтобы уменьшить интенсивность турбулизации воздуха в промежутке между тягачом и прицепом, в нем устанавливают первую оболочку в виде трубы, как бы образуя букву и, перевернутую вниз (рис. 2.73).

Обтекатель в промежутке между тягачем и прицепом

Рис. 2.73. Обтекатель в промежутке между тягачем и прицепом

Труба, полностью заполняя промежуток, позволяет в то же время совершать тягачу вместе с прицепом крутые повороты. При снижении давления воздуха в оболочке она убирается.

С тем, чтобы уменьшить турбулизацию воздушного потока, вызываемую зоной низкого давления в кормовой части прицепа, здесь монтируется вторая надувная оболочка, заставляющая поток воздуха стекаться так, чтобы турбулентность свести к минимуму (рис. 2.74).

Обтекатель в задней части кузова

Рис. 2.74. Обтекатель в задней части кузова

Прицеп

Для достижения оптимальных условий течения воздушного потока задняя оболочка должна быть очень длинной, должна образовывать «хвост» капли. Однако эксперименты показали, что длина надувной оболочки может составлять лишь часть оптимальной и, тем не менее, обеспечивать большую долю снижения аэродинамического сопротивления.

Согласно проведенным оценкам в случае использования такой системы при пробеге 240000 км можно сэкономить до 16,6% топлива.

Предложенные конструкции эффективны и в то же время не затрудняют водителю выполнение маневров. Формально задний обтекатель увеличивает длину автопоезда, но фактически не мешает и не опасен при движении задним ходом.

Возможно, дальнейшие исследования этого устройства позволят автоматизировать степень наполнения воздухом в зависимости от скорости движения, использовать для наполнения воздух не из пневмосистемы тягача, а окружающий автомобиль, применить другие усовершенствования, повышающие эффективность использования.

Нижний аэродинамический спойлер полуприцепов Нижний аэродинамический спойлер Ушс1Татег (рис. 2.75) обеспечивает улучшение аэродинамики полуприцепа за счет рационального направления воздушного потока, возникающего под днищем полуприцепа, под его оси и вокруг колес, что даёт до 2% экономии топлива.

Спойлер ?іпс1Татег

Рис. 2.75. Спойлер ?іпс1Татег

Прочная легкая конструкция из пластика шириной менее 2,1 м и массой менее 22,7 кг обеспечивает дорожный просвет около 508 мм и удобный доступ к шасси полуприцепа. Установка спойлера занимает менее 1 часа. В процессе эксплуатации устройство не требует обслуживания.

Сочетание устройств БшаїїТаіІ и WindTalTler обеспечивает 5...8% экономии топлива и уменьшает объем вредных выбросов в атмосферу.

Аэродинамический боковой обвес (юбка) на днище полуприцепов В Европе, как правило, нижний боковой обвес (юбку) делают "глухим" (рис. 2.76, 2.77). При этом под полуприцепом создается разрежение, которое «подсасывает» его к дороге. Юбка, изготовленная из полимерного материала после наезда, например, на сугроб может изгибаться, а затем восстанавливать свою форму.

Нижний боковой обвес (юбка) полуприцепа из навесных панелей

Рис. 2.76. Нижний боковой обвес (юбка) полуприцепа из навесных панелей

в совокупности с задним спойлером

Автопоезд начала третьего тысячелетия со спойлерами, дефлекторами и низко опущенным бампером кабины тягача, "глухой" юбкой полуприцепа и арками колес полуприцепа закрытыми съемными

Рис. 2.77. Автопоезд начала третьего тысячелетия со спойлерами, дефлекторами и низко опущенным бампером кабины тягача, "глухой" юбкой полуприцепа и арками колес полуприцепа закрытыми съемными

панелями

В США с учетом более высоких средних скоростей движения поток воздуха направляется под полуприцеп в район задних осей. Образующаяся воздушная подушка чуть-чуть «приподнимает» заднюю часть автопоезда, шины разгружаются, и уменьшается пятно их контакта с дорогой, а, следовательно, сопротивление качению и расход топлива. Уровень безопасности движения при этом не снижается, так как эффект пропадает при уменьшении скорости. Нижний боковой обвес не "глухой" (рис. 2.67 а).

Пластиковый боковой обвес на днище полуприцепа по данным эксплуатирующих компаний снижает сопротивление воздуха до 8%.

Для полной иллюстрации конструкции автопоезда с аэродинамическими устройствами на рис. 2.78 приводится общий вид автопоезда с аэродинамическими устройствами.

Общий вид автопоезда с аэродинамическими устройствами

Рис. 2.78. Общий вид автопоезда с аэродинамическими устройствами

Аэродинамика малых грузовых автомобилей

Грузовые автомобили малой и средней грузоподъемности обычно используются для перевозки грузов на относительно небольшие расстояния, часто в условиях городов, и поэтому для них характерны меньшие скорости движения, чем для магистральных автопоездов. На шасси этих автомобилей устанавливаются самые разнообразные кузова, иногда различное специальное оборудование - подъемные краны, устройства для уборки городских улиц, компрессоры и много другое. Аэродинамика для этих автомобилей имеет меньшее значение, чем для магистральных автопоездов. Такие автомобили часто имеют капотную или полукапотную компоновку. Разумеется, это не означает, что дизайнеры и конструкторы игнорируют требования аэродинамики, но зачастую более важное значение приобретают эстетические факторы. Примером удачного сочетания утилитарности и эстетики может служить автомобиль с капотной компоновкой Татра-13 7, показанный на рис. 2.79.

Автомобиль капотной компоновки с хорошей обтекаемостью

Рис. 2.79. Автомобиль капотной компоновки с хорошей обтекаемостью

В настоящее время для перевозки мелких партий грузов широко применяются малотоннажные грузовые автомобили с кузовами фургонного типа и микроавтобусы, выполненные на их шасси. Поэтому проблеме снижения аэродинамического сопротивления таких автомобилей уделяется большое внимание.

В этой связи интересны результаты, полученные при испытании в аэродинамической трубе двух вариантов масштабной модели автомобиля с плоским днищем. Испытывали модели в масштабе 1:5 грузового автомобиля-фургона, отличающиеся исполнением носовой части, углами наклона лобовой панели, радиусами перехода в боковые панели и крышу (рис. 2.80).

Оценивалось также влияние на аэродинамическое сопротивление модели спойлера и обтекателя на переднем бампере, наружных зеркал заднего вида и углублений боковых окон в кузове (в варианте микроавтобуса).

Исследования показали, что характер обтекания модели автомобиля-фургона существенно зависит от геометрических параметров (формы, угла наклона, радиусов округлений боковых и верхней граней в местах перехода в боковые панели и крышу) лобовой панели. Так, уменьшение угла ее наклона с 75 до 55° при угле натекания потока, равном нулю снижает Сх модели более чем на 20%, так как в этом случае создаются более благоприятные условия для безотрывного обтекания модели воздушным потоком.

Автомобиль фургон

Рис. 2.80. Автомобиль фургон: а - плоская лобовая часть; в - лобовая часть с изломом

Увеличение с 5 до 15 мм радиусов скругления при переходе лобовой панели в боковые панели и крышу уменьшает на 10% Сх модели во всем исследованном диапазоне углов натекания потока.

Значительно влияет на аэродинамическое сопротивление модели форма лобовой панели. Например, у модели, выполненной по первому варианту, которая имеет более обтекаемую форму, коэффициент аэродинамического сопротивления во всем диапазоне углов натекания потока меньше, чем у второго варианта: при углах натекания 0 и 15° -соответственно на 18 и 20%. Зеркала заднего вида, наоборот, на 4% увеличивают Сх модели.

Ухудшают аэродинамические качества и выштамповки (углубления) для оконных стекол на боковых стенках кузова микроавтобуса, собранного на шасси малотоннажного автомобиля фургона. При обтекании такого кузова потоком воздуха возникает дополнительное аэродинамическое сопротивление, связанное с торможением потока и вихреобразованиями в местах углублений для стекол. При угле натекания потока, равном нулю, выштамповки увеличивают Сх на 2%, при 8-12° этот коэффициент возрастает на 5-6%.

Как показали исследования, спойлер, установленный на бампере, и нижний обтекатель уменьшают действующую на модель подъемную силу во всем диапазоне (от -20 до +20°) исследованных углов натекания потока. Так, если без них коэффициент С- подъемной силы модели составляет 0-0,1, то при спойлере и обтекателе он колеблется в пределах - 0,5-0,1, т.е. во всем диапазоне углов натекания потока на модель действует прижимающая сила (это особенно важно при движении автомобиля в условиях сильного ветра).

Исследования показывают, что основные факторы, определяющие величину аэродинамического сопротивления малотоннажного грузового автомобиля фургона это форма лобовой панели, угол ее наклона, радиусы округления в местах перехода лобовой панели в боковые панели и крышу. Путем их оптимизации коэффициент аэродинамического сопротивления модели можно довести до 0,32.

Загрязни ем ость грузовых автомобилей

Большое значение для грузовых автомобилей, в особенности для автопоездов, движущихся с большой скоростью, имеет фактор загрязнения. Это объясняется не столько эстетическими соображениями, сколько безопасностью движения. Речь идет не о забрызгивании, к примеру, пешехода, если автомобиль проехал по луже рядом с ним, а о других явлениях, непосредственно связанных с аэродинамикой.

Перед лобовой частью кабины грузового автомобиля при движении образуется зона повышенного давления воздуха, а у боковых стенок кабины, напротив, зона разрежения. В зону разрежения «подсасывается» воздух из других мест, а рядом как раз находится переднее колесо, которое при движении по мокрой дороге окружено брызгами воды с грязью, и воздух из колесной ниши вместе с содержимым устремляется вверх, «прилипая» к боковой стенке кабины. Грязь оседает на двери, боковом стекле и зеркале заднего вида с задней стороны, делая его непригодным для нормального использования. Картина загрязнения показана на рис. 2.81. Если не принимается специальных мер против загрязнения этой части автомобиля, то на стенке кабины можно видеть направление струек грязной воды, которые движутся вперед-вверх по двери и стеклу, попадая и на зеркало заднего вида.

Бороться с загрязнением кабины можно, оптимизируя форму брызговика переднего колеса, а также применяя специальные дефлекторы, как это показано на рис. 2.82.

На рис.2.82 а показана (при виде сверху) схема обтекания передней части кабины и эпюра распределения давлений по передней и боковым стенкам. На рис.2.82 б - то же, но с установленными дефлекторами. Эти дефлекторы (закрылки) устанавливаются в нижней части кабины, на ее передних «углах». Их задача - направить воздух из зоны высокого давления - с передней стенки кабины - на нижнюю часть боковых стенок. Тогда, во-первых, снижается разрежение на боковых стенках и, во-вторых, образуется струя незагрязненного воздуха, направленная назад вдоль боковых стенок, которая мешает брызгам подниматься по поверхности кабины. Применение дефлекторов позволяет также снизить аэродинамическое сопротивление.

7

Типичная картина отложений брызг с грязью на кабине грузового

Рис. 2.81. Типичная картина отложений брызг с грязью на кабине грузового

автомобиля:

1 и 2 - соответственно тонкий и толстый слой грязи (пунктирные стрелки показывают направление движения грязевых струек)

/

Применение дефлекторов на передних «углах» кабины для

Рис. 2.82. Применение дефлекторов на передних «углах» кабины для

уменьшения загрязнения боковых стенок: а - без дефлекторов: б-с дефлекторами

Боковые стенки грузовых кузовов автопоезда загрязняются по тем же причинам, что и стенки кабины, но это явление может иметь гораздо более неприятные последствия, чем просто ухудшение внешнего вида машины.

Выше говорилось об образовании вихрей позади движущегося легкового автомобиля. Подобное явление происходит и при движении большого грузового автомобиля или автопоезда, однако из-за большой длины транспортного средства вихри образуются не позади него, а немного позади передних колес и распространяются по всей его длине, продолжаясь в спутной струе. Схема их образования показана на рис. 2.83.

Схема образования вихрей у боковых поверхностей грузового

Рис. 2.83. Схема образования вихрей у боковых поверхностей грузового

автомобиля

Под днищем грузового автомобиля существует зона несколько повышенного давления, а на его боковых поверхностях - разрежение. Воздух из-под автомобиля, вместе с водой и грязью, поднимается в зону пониженного давления и одновременно перемещается назад относительно автомобиля, поскольку автомобиль движется. Так и образуются вихри. Их сечение соизмеримо с поперечными размерами автомобиля, и они, таким образом, загрязняют брызгами широкие зоны с боков автомобиля. При обгоне такого автомобиля или автопоезда другим автомобилем обгоняющий автомобиль движется в густой грязной пелене, его стеклоочиститель работает с максимальной частотой и не всегда справляется со своей задачей. Ситуация улучшается, если применяются боковые щитки, закрывающие пространство между передними и задними колесами грузовика.

Задняя поверхность кузова, конечно, также загрязняется, поскольку она находится в зоне разрежения, и брызги грязной воды поднимаются от дороги и оставляют на ней грязь. С точки зрения безопасности это явление имеет меньшее значение, чем боковые вихри, но и оно неприятно. На магистральных автопоездах большой грузоподъемности, к сожалению, специальные аэродинамические устройства, уменьшающие загрязнение задней поверхности кузова, применяются редко, а на небольших фургонах используются довольно успешно. Схема обтекания воздухом задней поверхности фургона показана на рис. 2.84, и поясняется действие дефлектора при его установке в задней части крыши. Характер потоков воздуха такой же, как и у задней стенки легкового автомобиля с кузовом «универсал», о чем сказано выше.

Схема обтекания воздухом задней части фургона; применение верхнего дефлектора уменьшает отложение грязи

Рис. 2.84. Схема обтекания воздухом задней части фургона; применение верхнего дефлектора уменьшает отложение грязи

В заключение следует упомянуть еще об одном устройстве, позволяющем уменьшить загрязнение задней стенки кузова. Речь идет о широком брызговике («юбке»), вырезанном чаще всего из толстой армированной (для прочности) резины. Это устройство подвешивается на кронштейнах в нижнеи задней части рамы тягача, прицепа, полуприцепа, являясь как бы продолжением вниз задней стенки кузова. Оно расположено низко и полностью перекрывает пространство между кузовом и дорогой.

В результате заметно уменьшается загрязнение задней стенки кузова, так как это устройство препятствует попаданию туда грязи снизу, из-под днища автомобиля. Устройство эффективно, однако его использование носит кустарный характер. Водители в инициативном порядке устанавливают такие «юбки» на грузовые автомобили, автобусы и даже на легковые автомобили с кузовом универсал. Серьезные научные исследования по этому вопросу не ведутся, нет рекомендаций по конструкции, по месту установки, а главное о влиянии этого устройства на аэродинамические характеристики автомобиля. Если для большого автопоезда это может оказаться несущественным, то для легкового автомобиля дополнительное сопротивление этого устройства может составлять значительный процент.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >