Аэродинамика антикрыла и спойлера

Спойлеры и аэродинамика кузова легкового автомобиля

Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]

Спойлеры начали применять в первую очередь на гоночных автомобилях для увеличения сцепного усилия колес, сохраняя при этом массу автомобиля. Для объяснения механизма действия спойлеров, независимо от того, где они установлены, можно использовать опыты Ф. Шенкеля из фирмы «Дженерал Моторс», результаты которых были сообщены на конгрессе SAE в г. Детройте. В экспериментах определялось изменение нагрузки на передний и задний мосты в зависимости от высоты спойлера h .

Размеры переднего спойлера приведены на рис. 1. Спойлер представляет собой поперечный лист длиной 1105 мм, расположенный на расстоянии 635 мм от передней оси. Высота h обозначает расстояние от нижней кромки спойлера до днища кузова. График, приведенный на этом рисунке, показывает изменение ΔcF от размера h в сравнении с вариантом без спойлеров, причем коэффициент CF характеризует степень аэродинамической нагруженности оси автомобиля:

где F — сила (нагрузка) на переднюю или заднюю ось; A — лобовая поверхность автомобиля, м 2 ; ρ — плотность воздуха, кг/м 3 ; v — скорость автомобиля, км/ч.

Изменение этих параметров на рис. 1 показано в зависимости от h . Коэффициент аэродинамического сопротивления Cx сначала (до h = 100 мм) снижается, а затем снова возрастает. Коэффициент аэродинамической разгрузки передней оси ΔcF непрерывно уменьшается вплоть до предельного значения h = 300 мм, когда спойлер выдвинут почти до поверхности дороги. Коэффициент аэродинамической разгрузки задней оси до h = 150 мм возрастает, а далее уже не изменяется.

Прежде чем применять передний спойлер, необходимо уточнить, чего можно достичь с его помощью. В первую очередь — это увеличение прижатия передней оси к поверхности дороги с целью обеспечения хорошей управляемости автомобиля. На снижение аэродинамического сопротивления такой спойлер оказывает весьма малое влияние. Многое, конечно, зависит от исполнения спойлера и его сочетания, вписываемости в форму кузова.

Снижение аэродинамического сопротивления заключается главным образом в том, что уменьшается его количество, продуваемое под автомобилем. Уменьшенная скорость протекания воздуха по весьма неровному днищу кузова оказывает решающее влияние на снижение сопротивления воздуха.

С этой точки зрения также интересной представляется изображенное на рис. 1 распределение давления воздуха на поверхности кузова и направления его изменения. Величины давления воздуха на поверхности кузова автомобиля без спойлера обозначены черными точками, а направления аэродинамических сил иллюстрируются наклоном линий к поверхности кузова. В кружках обозначено, идет ли речь об избыточном давлении (плюс) или о разрежении (минус).

Главным назначением переднего спойлера является снижение давления под кузовом в передней-части автомобиля. Величины давления при выдвижении спойлера обозначены светлыми кружками и треугольниками. Увеличение разрежения в передней части автомобиля наблюдается до половины его длины, затем оно уменьшается, что способствует увеличению нагрузки на переднюю ось. В задней части автомобиля изменения при этом незначительны.

Аналогичная картина имеет место и при использовании спойлеров в задней части автомобиля. Размеры и влияние спойлеров показаны на рис. 2. И в этом случае сопротивление сначала несколько снижается, а начиная с h = 20 мм, — увеличивается. При этом аэродинамическая разгрузка передней оси мало зависит от возникающего перераспределения давлений. При этом наибольшее влияние спойлеры оказывают на прижатие задней оси к дороге и на увеличение сцепного усилия колес.

Распределение давления воздуха по поверхности кузова показано в нижней части рис. 2. Для простоты на нем не приводятся значения давления в передней части кузова, которые практически неизменны. Задний спойлер несколько повышает давление в месте его размещения и увеличивает разрежение под задней частью автомобиля. Места на кузове, где имеется повышенное давление, выгодно использовать для забора воздуха в целях обеспечения вентиляции и отопления. В местах разрежения следует размещать отверстия для отвода воздуха из кузова. Тем самым обеспечивается прохождение воздуха через внутренний объем кузова без принудительной вентиляции, хотя при этом и ухудшается коэффициент Cx .

Влияние спойлеров на потребление топлива различно. Оно невелико для аэродинамически хорошо спроектированных и более значимо для плохо обтекаемых кузовов. В качестве среднего значения оценки этого влияния можно было бы принять улучшение коэффициента Cx , достигнутое при использовании переднего спойлера на автомобиле «Остин Аллегро BL», у которого изменение Cx от 0,44 до 0,40 привело к снижению расхода горючего на 11 %.

Для справки целесообразно привести несколько значений коэффициента Cx различных автомобилей. Среднее значение Cx для моделей автомобилей 1980 г. равно 0,46; у «Ауди 100» — Cx = 0,42 ; «NSU Ro 80» — 0,37; «Форд Фиеста» — 0,42; «Форд Гранада» — 0,435.

В чем разница между антикрылом и спойлером? Разъясняем на фактах

Обе фишки в первую очередь выполняют даже функции разные: спойлеры улучшают аэродинамику корпуса и оптимизируют встречные воздушные потоки, а антикрыло на эти факторы действует скорее отрицательно, зато улучшает управляемость автомобилем. Спойлеры, грубо говоря, рассекают воздух, заставляют его обдувать машину более мелкими струями (кстати, их еще одно название – рассекатели).

Чисто внешне они представляют собой как бы продолжение автомобильного корпуса. Монтируются они заподлицо с ним и кажутся неотъемлемой частью. Спереди спойлер ставится под бампер. Он направляет воздух так, что под днищем машины формируется низкое давление. Соответственно более высокое – сверху – давит на капот, прижимая его к земле. Этим и достигается определенный аэродинамический эффект.

И спойлеры, и антикрыло самостоятельно ставить не рекомендуется, если вы только не специалист в аэродинамике и не знакомы с подробностями правильных расчетов. Даже неправильный подбор, основанный на принципе «этот понравился больше», может значительно усилить сопротивление корпуса воздушным потокам – при том, что задачей было его снижение. А уж неграмотная установка вполне способна сделать из антикрыла самое настоящее крыло, приподнимающее задок автомобиля над дорожным полотном.

Антикрыло и спойлер – в чем разница?

Поделиться

Два популярных у конструкторов аэродинамических элемента внешне похожи, и потому автомобилисты часто их путают. А многие и вовсе уверены, что два слова используются для обозначения одной и той же детали…

Перепутать действительно несложно. Что антикрыло, что спойлер представляют собой горизонтальную плоскость, да и обнаружить их, как правило, можно в одной и той же части автомобиля – в районе крышки багажника. Но разница между двумя похожими элементами все-таки есть. И в конструкции (несмотря на ее простоту), и в функции, которую детали выполняют.

Антикрыло – как следует из самого названия – создано, чтобы создавать прижимную силу. Сила эта создается благодаря разнице в давлении воздуха на нижнюю и верхнюю плоскость. Давление на нижнюю плоскость ниже, так как из-за профиля антикрыла обтекающий его снизу воздух должен пройти большую дистанцию, чем обтекающий сверху (чем больше дистанция – тем выше скорость и ниже давление). Отсюда простой вывод: чтобы воздух мог обтекать антикрыло снизу, нужен зазор между самим элементом и горизонтальной поверхностью, к которой элемент крепится – обычно это крышка багажника.

А вот спойлеру такой зазор не нужен. Но и задача у спойлера другая – он минимизирует завихрения в момент, когда поток воздуха срывается с края крыши или крышки багажника. Чем меньше завихрений – тем ниже коэффициент аэродинамического сопротивления. Который, в свою очередь, влияет на целый ряд характеристик – от максимальной скорости до расхода топлива.

Стык горизонтальной и вертикальной поверхности — место, где при срыве потока возникают наиболее сильные завихрения. Поэтому без спойлера здесь чаще всего не обойтись.

Однако не все так просто. Знатоки спортивных автомобилей могут вспомнить классические Porsche 911 семидесятых годов с их запоминающимся ducktail ("утиным хвостом") – большим аэродинамическим элементом на капоте. В отсутствие зазора между ним и капотом он не может быть антикрылом, но и на спойлер не похож – ведь находится далековато от точки срыва потока. В чем же смысл установки "хвоста", нам разъяснили сотрудники российского представительста Porsсhe: "Одним из свойств спойлеров является создание прижимной силы. В этом случае у давления воздушного потока есть серьезная вертикальная составляюшая, которая и обуславливает появление прижимной силы. К примеру, на запущенном в производство в 1972 году автомобиле Porsche 911 2,7 RS установка спойлера позволила уменьшить подъемную силу, действующую на заднюю часть автомобиля, примерно на 100 кг".

Кстати, спойлер заодно позволил сделать эффективнее охлаждение моторного отсека. Поверхность спойлера тормозила воздушный поток и одновременно создавала зону разрежения позади. Кратчайший путь в эту зону пролегал через вентиляционную решетку перед спойлером и моторный отсек – именно туда и устремлялся воздух, который в отсутствие аэродинамического элемента промчался бы по поверхности капота, даже не заметив наличия в нем воздуховода.

Создатели современных спорткаров "утиные хвосты" не используют в силу того — из-за столь большого элемента существенно вырастет аэродинамическое сопротивление. Исключение — ностальгическая версия модели 911, собранная ограниченным тиражом.

bombert › Блог › Спойлер или антикрыло, аэродинамика автомобиля

Всем привет! Не так давно, здесь, на Drive2, была поднята тема того, что один из пилотов болида назвал имеющийся на крышке багажника аэродинамический элемент спойлером. И множество автолюбителей тогда включилось в дебаты на тему спойлер или антикрыло, что и как работает, и можно ли считать это одним и тем же. Меня, как инженера, тоже заинтересовала данная тема, и я решил добиться окончательного результата, для этого мне понадобилась книга по аэродинамике авторов Б.В. Висленев и Д.В. Кузьменко "Теория авиации" четвертое исправленное издание, а также всеми нами любимый интернет, который не всегда достоверен.

1. Аэродинамика автомобиля

С момента появления автомобиля, люди стремились сделать его быстрее, экономичнее и комфортнее. Изначально, автомобили имели крайне плохую аэродинамику:

Ярким примером ранних автомобилей является легендарный форд модель Т. Как видно из фото, об аэродинамической составляющей на тот момент и не задумывались, и это вполне логично. Скорости, которых мог развить данный автомобиль, не позволяли в полной мере оценить аэродинамическое качество кузова.

Но все меняется с появлением понятия автоспорта, автомобили начинают приобретать обтекаемые формы:

Конечно, до современных автомобилей им еще очень далеко, но согласитесь, выглядит более обтекаемым, по сравнению с модель Т. И так на протяжении первой четверти 20 века автомобили эволюционировали не значительно, в плане аэроднамики, однако уже в 40-х годах, данный прогресс становится более заметным: формы становятся более гладкими, колеса скрываются в крылья:

Эта же тенденция продолжается и в последующие периоды:

Итак мы видим, что кузова автомобилей имеют явную аэродинамическую эволюцию.

2. Коэффициент лобового сопротивления

Многие автомобильные фирмы, в своих пресс-релизах, часто указывают коэффициент лобового сопротивление, обозначаемый Сх. Данный коэффициент показывает насколько обтекаем кузов автомобиля, и по этому же коэффициенту, также, можно предположить об уровне акустических шумов, возникающих в процессе движения.

Сх в свою очередь, напрямую зависит от такой величины, как площадь поперечного сечения, поэтому, современные автомобили выглядят довольно низкими, по сравнению с их предками. Но не Сх единым живет мир автомобилей. Люди сознательно портят обтекаемость автомобиля, в угоду управляемости.

4. Мир аэродинамики

Мир аэродинамики, со своими понятиями в первую очередь относится к миру авиации. Самолет не полетит, если форма его крыла не создаст необходимой подъемной силы, или, например, двигатель не сможет развить необходимой тяги, которая также необходима для развития подъемной силы.

Крыло самолета, как правило имеет определенный профиль, который, в зависимости от предназначения имеет разную форму.

И если присмотреться к автомобилю, то можно найти много общего:

И получается, что кузов автомобиля, при движении, испытывает точно такие же процессы, как и крыло самолета, но в гораздо меньших величинах, ведь подъемная сила крыла, напрямую зависит от его площади.

По закону Бернулли: в струе переменного сечения, газ имеет наименьшее давление там, где он движется с наибольшей скоростью. Что это значит, а это значит, что на верхней части кузова, образуется низкое давление, ввиду ускорения потока воздуха, относительно потока, проходящего по автомобилем, т.к. первому необходимо преодолеть большее расстояние, за то же время. И вот это низкое давление стремится поднять автомобиль, как крыло поднимает самолет, при этом развивается подъемная сила. Подъемная сила ухудшает сцепление колес автомобиля, и на больших скоростях, может привести к потере управления. И вот как раз с ней, и борются при помощи различных аэродинамических элементов.

Современные технологии, позволяют бороться с подъемной силой различными способами: установкой диффузоров, которые ввиду своей формы увеличивают скорость потока воздуха, идущего под автомобилем, тем самым вызывая падение давления и создание прижимной силы, которая противонаправлена подъемной силе. Но наиболее активно применяют спойлеры и антикрыло.

Так что же такое спойлер? Для этого следует, для начала, ознакомиться с устройством крыла.

Крыло самолета представляет собой довольно сложную конструкцию, в которой присутствуют такие элементы, как: предкрылки, закрылки, элероны и спойлеры (интерцепторы). И в нашем случае, нас интересуют только спойлеры. На крыле, спойлеры предназначены для уменьшения подъемной силы, путем увеличения аэродинамического сопротивления:

Таким образом, спойлеры, не улучшают, а ухудшают аэродинамику, при этом уменьшается подъемная сила.

Теперь попробуем понять, что такое антикрыло. Самолетная аэродинамика, не имеет четкого определения антикрыла, однако как видно из самого слова, оно составлено из приставки "анти", которая носит характер противопоставления и слова "крыло". Таким образом мы имеем, что антикрыло — это противопоставленное крыло, т.е. перевернутое. И как любое крыло, антикрыло должно иметь свой профиль, а также должно быть рассчитано, и иметь точно определенные значения прижимной силы, которые рассчитываются в зависимости от коэффициентов подъемной силы и коэффициента лобового сопротивления для данного профиля и при заданных углах атаки, а также площади крыла и плотности воздуха. Также следует учесть, что сила лобового сопротивления направлена в сторону, противоположную направлению движения и она будет увеличиваться с увеличением скорости.

Таким образом мы имеем, что спойлер борется с подъемной силой, увеличивая аэродинамическое сопротивление кузова. Антикрыло, также борется с подъемной силой, но другим способом, создавая противонаправленную прижимную силу.

P.S. В английском языке, откуда и пришло к нам понятие спойлера, действительно отсутствует формулировка антикрыло, однако зачастую его называют rear wing — заднее крыло. Но гораздо чаще употребляется понятие Spoiler — ведь по английски spoil — портить. Ну и следует учесть немногословие иностранного языка, например: Green — зеленый, зеленеть, красить в зеленый, трава и т.д.

Надеюсь данный пост будет кому-то полезен, ну и если нашли ошибки — подсказывайте, будем устранять и совершенствоваться.

Аэродинамика антикрыла и спойлера

К удивлению многих автолюбителей и почитателей тюнинга, антикрыло и спойлер – разные по своему назначению устройства. Проведем небольшой экскурс в мир аэродинамики автомобиля, чтобы понять роль спойлера и заднего антикрыла.

Из теории аэродинамики

Антикрыло, что явствует уже из названия, является противоположностью крыла. Главный принцип работы крыла – создание подъемной силы. Разница давлений между нижней и верхней плоскостью профилированного тела была описана Бернулли. Именно профилированная форма крыла, при которой верхняя плоскость имеет большую площадь, используется в авиации для создания подъемной силы. В случае с антикрылом имеет место тот же физический процесс, но только крыло перевернуто. Таким образом, плоскость, на которой устанавливается приспособление, получает дополнительную прижимную силу. В этом и заключается основное предназначение аниткрыльев.

Как работает антикрыло на автомобиле

Площадь нижней части антикрыла больше площади верхней плоскости, поэтому воздух над антикрылом проходит быстрее. В нижней части создается область низкого давления, а в верхней – зона высока давления. Увеличению эффекта способствует расположение эпод отрицательным углом атаки. Между нижней частью и плоскостью, на которой установлено антикрыло, должно быть расстояние для прохождения воздушных потоков. Именно таким образом установка заднего и переднего антикрыльев придает автомобилю дополнительное давление на площадь контакта колеса с дорогой. Иными словами, увеличивается прижимная сила.

Немного о спойлере

Но для чего тогда спойлер? Этот термин в автомобильный мир также попал из авиации. В крыле самолета используются специальные многофункциональные интерцепторы, именуемые спойлерами. Их главное предназначение – противодействие подъемной силе. Что касается автомобильного спойлера, то это устройство для перенаправления воздушных потоков с целью уменьшения аэродинамического сопротивления. Дополнительной, но не менее важной, функцией заднего спойлера является отвод грязевых потоков. Во время движения на большой скорости позади автомобиля образовывается турбулентность, что приводит к засасыванию грязевых потоков, проходящих под днищем. Поэтому в конструкцию заднего спойлера заложена функция уменьшения турбулентности.

В автоспорте, как ни странно, спойлеры применяются для создания разряжения за автомобилем. Завихрения создают зону низкого давления у заднего бампера, что способствует увеличению прижимного усилия. Увеличивается скорость прохождения воздушных потоков под днищем автомобиля. В таком случае спойлер помогает всему кузову автомобиля выступать в роли антикрыла (нужно вспомнить закон Бернулли).

Основные характеристики

Подводя небольшие итоги, можно провести общее сравнение. Антикрыло:

  • создает прижимное усилие;
  • повышает коэффициент лобового сопротивления.

  • перераспределение воздушных потоков. В зависимости от конструкции, уменьшение либо увеличение турбулентности (главное предназначение заднего спойлера), что способствует (но не создает) увеличению прижимного усилия.;
  • призван уменьшить лобовое сопротивление;
  • устанавливаемый на авто с заднемоторной компоновкой, способствует охлаждению двигателя.

На гражданские автомобили монтируются только спойлеры, так как использование антикрыла ведет к возрастанию расхода топлива и, как следствие, количеству вредных веществ от выхлопных газов. Именно поэтому конструкторские бюро работают над уменьшением значения Сх (коэффициент воздушного сопротивления).

Чудеса аэродинамики

Заядлые автолюбители могут вспомнить классический аэродинамический элемент, используемый Porsche. Так называемый ducktail (утиный хвост), который получают многие заднемоторные спорткары. Название заднего антикрыла ducktail получить не может, так как не имеет расстояния между кузовом и нижней кромкой аэродинамического элемента. Но и спойлером задумка Порше быть не может, так как располагается задолго до места срыва воздушных потоков. А этот аспект – один из главных, если мы говорим об определении заднего спойлера.

Благодаря большому углу атаки ducktail значительно увеличивает прижимающую силу задней оси. А ведь именно эту роль выполняет антикрыло. Также за аэродинамическим элементом создается разряжение, что заставляет воздушные потоки скользить по кормовой части автомобиля, попутно захватывая горячий воздух с моторного отсека. Таким образом, инженеры решили две немаловажные задачи.

Многие современные спортивные автомобили имеют управляемое антикрыло. Оно не только может изменять угол атаки, но и вовсе быть единым целым с кузовом до определенного момента. Антикрыло автоматически выезжает при достижении определенной скорости, изменяет угол наклона в зависимости от тормозного усилия и интенсивности маневрирования.

Аэродинамика передней части

Несмотря на то что при упоминании спойлера у большинства людей возникает представление заднего аэродинамического аксессуара, к разряду распределителей воздушных потоков может быть отнесена даже «губа» переднего бампера. Такой передний спойлер отводит часть воздуха около дорожного полотна, направляя его обиход кузова автомобиля. «Юбка» позволяет уменьшить завихрения, которые неминуемо возникают при огибании деталей подвески, трансмиссии, выхлопной системы. Конструкторы современных авто пытаются сделать днище обтекаемым, пряча элементы под аэродинамическими кожухами.

В автоспорте применяются не только классические «юбки», но и более развитые спойлеры переднего бампера. Так называемые сплитеры, предназначение которых – отсекать наплывающий воздушный поток, пропуская его через внутренние каналы воздуховодов. Забираемый воздух может быть использован для охлаждения двигателя, тормозов либо для диффузора в заднем бампере.

Спортивные бампера также могут иметь развитые антикрылья. Речь идет не только о болидах с открытыми колесами, но и кузовных сериях. Наиболее ярко такой вид тюнинга представлен в горных гонках (одиночные подъемы, спуски с холмов), а также гонках на время (Time Attack). Аэродинамический элемент представляет собой изогнутую пластину (чаще всего из стеклопластика), которая устанавливается на бампер под определенным углом. Главная цель элемента – увеличение прижимной силы на передней оси, отвод воздушных потоков от передних колес, вращение которых приводит к появлению паразитного сопротивления.

В гонках на время возросшее сопротивление набегающему воздуху компенсируется увеличением мощности. Главная цель – улучшить управляемость автомобиля, устойчивость и эффективность торможения.

Категория Toyota