Влияние формы кузова на аэродинамическую

     устойчивость автомобиля                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

 

     Воздействие бокового ветра на автомобиль может привести к резкому изменению траектории его движения или даже к полной потере устойчивости, когда автомобиль становится неуправляемым. Аэродинамическая устойчивость во многом зависит от формы кузова, от положения так называемого метацентра – точки приложения равнодействующей силы бокового ветра.

     Рассмотрим три возможные ситуации движения легкового автомобиля. Первая ситуация – метацентр расположен внутри базы автомобиля ближе к задней оси. При этом (см. рис. 93, а) на шины задних колес действует поперечная сила Р _з, превосходящая Р _п. Соответственно угол увода задних колес d_з больше угла увода d_п передних. При таком соотношении указанных величин автомобиль будет двигаться с отклонением траектории в направлении действия боковой силы ветра и одновременным небольшим поворотом в противоположную от направления боковой силы ветра сторону, при этом угол поворота автомобиля a₁ = d_з - d_п. Такое движение следует считать устойчивым, почти не требующим коррекции со стороны водителя, поскольку боковое смещение автомобиля за счет увода шин в значительной степени будет компенсироваться поворотом автомобиля в противоположную сторону и продолжающимся его движением вперед.

     Вторая ситуация соответствует расположению метацентра внутри базы ближе к передней оси автомобиля (рис.93, б). При этом на шины передних колес боковое воздействие Р _п сильнее, чем на шины задних колес (Р _з). Соответственно, угол увода передних колес больше угла увода задних. Анализ показывает, что ситуация относится к менее устойчивым, поскольку боковое смещение движущегося автомобиля за счет увода шин усугубляется одновременным его поворотом в ту же сторону, причем угол поворота           a₂ = d_п - d_з. В этом случае от водителя требуется более активная коррекция направления движения.

     В третьей ситуации метацентр расположен впереди автомобиля вне пределов базы, и картина увода шин под действием боковой силы ветра показана на рис.93, в. При этом в чистом виде не наблюдается бокового смещения оси автомобиля, поскольку углы увода направлены в разные стороны, но происходит значительно более активный поворот автомобиля, чем в предыдущем случае, так как его угол поворота a₃ = d_п + d_з. Это самая неблагоприятная ситуация, грозящая потерей устойчивости движения.

            

Рис.93. Ситуации поведения автомобиля под действием бокового ветра

и при наличии бокового увода шин:

                       а - метацентр внутри базы автомобиля ближе к задней оси;

                       б - метацентр внутри базы автомобиля ближе к передней оси;

                       в - метацентр вне пределов базы впереди автомобиля

          

 

     Кроме потери устойчивости движения под действием силы бокового ветра из-за бокового увода шин, возможна потеря устойчивости из-за потери сцепления шин с поверхностью дороги. Допустим, что сцепление колес с поверхностью дороги очень мало (например, обледенелый участок дороги), и дует сильный боковой ветер. В этих условиях поведение автомобиля определяется положением его метацентра и центра масс. Если метацентр располагается впереди центра масс (по ходу автомобиля), то при воздействии бокового ветра помимо бокового сноса автомобиль будет испытывать действие поворачивающего момента, стремящегося развернуть его относительно центра масс на значительный угол вплоть до положения «хвостом к ветру» (см. рис.94, а), когда поворачивающий момент исчезнет. Это очень опасная ситуация, если она происходит на скорости движения более 60 км/ч, водитель обычно не успевает нужным образом среагировать и удержать автомобиль на дороге. Если же метацентр располагается сзади центра масс, то автомобиль, испытывая действие бокового сноса, одновременно разворачивается «носом к ветру» (см. рис.94, б), т.е. до тех пор, пока действует поворачивающий момент. Угол поворота автомобиля при этом значительно меньше, чем в первом случае, более того, продолжающий движение автомобиль за счет этого поворота ликвидирует траекторные отклонения, вызванные боковым сносом, т.е. как бы самоустанавливается. Водителю гораздо проще в этих условиях произвести,

если необходимо, коррекцию направления движения.

          

Рис.94. Поведение автомобиля под действием бокового ветра на дороге

с малым коэффициентом сцепления:

                                             а - метацентр впереди центра масс;

                                             б - метацентр сзади центра масс

 

     Видно, что и в ситуациях, вызванных наличием увода шин под действием бокового ветра, и в ситуациях слабого сцепления шин с поверхностью дороги аэродинамически более устойчивой формой автомобиля является та, у которой метацентр (центр приложения равнодействующей силы бокового давления ветра) располагается за центром масс автомобиля, ближе к задней оси. С точки зрения аэродинамической устойчивости каплеобразные автомобили имеют существенный недостаток – у них очень развита боковая поверхность передней части и существенно меньше по площади боковая поверхность задней части. Это приводит к тому, что в большинстве случаев метацентр каплеобразных тел значительно смещен вперед, и есть опасность, что при действии бокового ветра возможна потеря устойчивости движения автомобиля каплеобразной формы. 

     У легковых автомобилей с обычной формой кузова при больших скоростях движения за счет повышения давления воздуха в зоне стыка панели капота с поверхностью ветрового стекла также наблюдается явление смещения метацентра вперед. Если испытания выявляют избыточную чувствительность автомобиля к боковому ветру, проблему обычно решают установкой в задней части кузова вертикальных стабилизаторов (рис.65, е и рис.95, а, б, в). Они лишь незначительно увеличивают лобовое аэроди-намическое сопротивление, но аэродинамическая устойчивость резко возрастает.

       

Рис.95. Применение вертикальных стабилизаторов для повышения                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                аэродинамической устойчивости автомобилей:

                                          а - рекордно-гоночные автомобили;

                                          б - «Плимут» (США, 1959 г.);

                                          в - «Кадиллак» (США, 1959 г.)