История развития форм кузовов

Хорошим подспорьем для развития аэродинамики автомобиля явился анализ сил, составляющих сопротивление движению, который был предпринят в 1911 году Ридпером. Одновременно, для объяснения возникновения аэродинамического сопротивления автомобилей, стали использовать сведения, приведенные Прандтлем и Эйфелем. Очень медленно происходил процесс вытеснения Ньютоновской трактовки механизма возникновения аэродинамического сопротивления на основании закона изменения количества движения.

Каплеобразные формы - автомобили Румплера

После первой мировой войны создание обтекаемых кузовов началось одновременно во многих странах; использовались знания по аэродинамике, приобретенные в самолетостроении. Румплер, известный своим удачным самолетом «Румплер-Таубе», разработал несколько автомобилей, которые он назвал «каплеобразными». Лимузин Румплера показан на рисунке 1; чтобы полезно использовать заостряющуюся заднюю часть автомобиля, Румплер разместил двигатель сзади. В горизонтальной проекции этот автомобиль имел форму профиля крыла, на виде спереди его проекция представляла прямоугольник.

Исследования, проведенные Буххаймом в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген» в 1979 году на представленном немецким музеем оригинале этого автомобиля, дали следующие результаты:

• площадь лобового сопротивления А — 2,57 м²
• коэффициент аэродинамического сопротивления c_W = 0,28.

Если вырезать из крыла большой протяженности А = b/l часть профиля, то для этой части обтекание приобретает объемный характер, см. рисунок 2.

На автомобиле Румплера колеса вынесены за габариты кузова. На основании результатов испытаний гоночных автомобилей доказано, что из-за этого увеличивается аэродинамическое сопротивление, и это увеличение тем больше, чем более обтекаем кузов автомобиля. Как показали измерения, проведенные Клемперером в 1922 году, увеличение сопротивления из-за выступающих за габариты кузова колес для автомобиля Румплера могло составлять, по меньшей мере, 50%.

Гоночный автомобиль Бугатти, появившийся в 1923 г., проектировался с учетом двухмерного обтекания (рисунок 3).

Расположенный горизонтально профиль, образующий кузов, при обтекании потоком вблизи основания является лучшим решением; как и на современных гоночных автомобилях, предназначенных для соревнований, за счет опускания кузова предотвращалось вторичное перетекание воздуха по контуру автомобиля. Выпуклая форма профиля облегчает размещение колес, закрытых кузовом. Из-за водителя и пассажира рядом с ним поток за автомобилем существенно искажается.

Обтекаемые автомобили Джерея

Объемное обтекание тела вращения вблизи основания впервые проанализировал Джерей; в своей дальновидной работе под названием «Обтекаемые автомобили, новая форма автомобильных кузовов» он впервые применил термин «обтекаемый автомобиль». Джерей пришел к выводу, что обтекание тела вращения, имеющего при большом расстоянии от основания весьма малый коэффициент аэродинамического сопротивления, при приближении к основанию становится несимметричным и что вследствие возникающего от обратной стороны отрыва сопротивление возрастает.

Полутело

В предельном случае, когда расстояние до основания стремится к нулю, оптимальная с точки зрения сопротивления форма представляет собой полутело, которое вместе со своим зеркальным отражением (относительно полотна дороги) образует полное тело вращения. Это полутело, которое имело соотношение между длиной и высотой l/h = 4, Джерей изменил таким образом, чтобы мидель приобрел форму прямоугольника, верхние углы которого были скруглены.

При испытаниях в аэродинамической трубе, проведенных Клемперером, получилось, что сопротивление этого полутела с увеличением расстояния до основания вследствие обтекания острых нижних кромок увеличивалось; благодаря скруглению кромок это увеличение можно было приостановить (рисунок 4) , Джерей попытался создать обтекаемое полутело путем объединения отдельных обтекаемых тел, одновременно он стремился учесть все другие требования, предъявляемые к кузову. Идея обтекаемого тела позднее использовалась многими конструкторами.

Комбинированные формы кузовов

На рисунке 5 схематично показано, каким образом Джерей создавал свои формы автомобиля, используя крыловидные профили и тела вращения. В обоих примерах в основу формообразования кузова положена комбинация из двух хорошо обтекаемых тел; нижнее тело представляет собой крыловидный профиль, на который в первом случае перпендикулярно установлен симметричный обтекаемый профиль, а во втором — полутело вращения.

В такое построение поверхности кузова, позднее названного «комбинированным» положено следующее соображение: малое сопротивление воздуха можно получить лишь тогда, когда существенно уменьшается поверхность срыва потока в задней части. При задней части автомобиля, имеющего форму полутела вращения, можно этого добиться лишь в том случае, если задняя часть сильно вытянута. Комбинированная форма кузова позволяет проводить изменения формы задней части в двух плоскостях. За счет этого должно предотвращаться слишком сильное повышение давления, которое связано с опасностью возникновения отрыва. К сожалению, Джерей привел только «схематичное» распределение давления для комбинированной формы; рисунки линий тока, приведенные Кениг-Фахзенфельдом для автомобилей Джерея, показывают, что отрыв предотвращается только при очень плавных комбинированных формах.

Позднее Джерей представил типовую таблицу, в которой уделил внимание многообразию аэродинамического формообразования кузовов. Особенностью всех его проектов была горизонтальная задняя кромка. Джерей предложил классифицировать отдельные параметры форм по номерам аналогично тому, как это введено Национальным консультативным комитетом по аэронавтике (NACA) в США для крыловидного профиля. Но это предложение - как и все более поздние - для автомобилестроения оказалось бесполезным.

На рисунке 4 представлены важнейшие результаты замеров, выполненные Клемперером для первых моделей Джерея. По сравнению с общепринятыми в то время конструкциями кузовов комбинированная форма вдвое уменьшала коэффициент сопротивления воздуха. С другой стороны, коэффициент сопротивления для комбинированной формы Джерея c_W = 0,30 был вдвое больше коэффициента для полутела вращения, поставленного на колеса (c_W = 0,15).

Как видно из рисунка 4, первые модели Джерея были необычно высокими; соотношение длины и высоты составляло l/h = 2,1. В 1922 и 1923 годах было создано несколько автомобилей формы Джерея этого типа; однако такая своеобразная форма не имела успеха.

По тому же пути, что и Джерей, пошел Мобуссан. Его автомобиль «Мистраль» на виде сверху имел форму обтекаемого профиля. Задние колеса закрывались горизонтальным профилем, так что задняя часть автомобиля была аналогична форме Джерея. Сужающиеся линии кузова стесняли внутреннее пространство по ширине.

Примеры автомобилей обтекаемой формы

Затем были разработаны несколько экспериментальных автомобилей формы Джерея, которые выглядели более привлекательно. Пример показан на рисунке 6 — спортивный автомобиль «Адлер-Трумф». Сужающаяся форма с отношением l/h = 3,3, а в особенности спадающая линия задка, ухудшали возможности использования внутреннего пространства. Коэффициент сопротивления воздуха для этого автомобиля неизвестен.

Серийным автомобилем, имеющим форму Джерея, является разработанный Ледвинкой автомобиль «Татра-87», созданный в 1940 году, см. рисунок 7. При отношении l/h = 2,9 этот автомобиль сужался меньше, чем показанный на рисунке 6 «Адлер-Трумф».

Расположение двигателя в задней части позволило сместить салон вперед, в область большого объема. Для автомобиля «Татра-87» Ланге были проведены испытания в аэродинамической трубе с моделью в масштабе 1:5. Опубликованное Кениг-Фахзенфельдом значение c_W = 0,244 было поставлено под сомнение в примечании редакции, пришлось остановиться на рассчитанном по максимальной скорости и мощности двигателя значении c_W = 0,31. В действительности же это значение составляет c_W = 0,36, как определил Буххайм при замерах в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген», выполненных в 1979 году для представленного музеем оригинала этого автомобиля.

Первые испытания в аэродинамической трубе для форм Джерея, которые провел Клемперер в 1921—1922 гг., были продолжены затем Институтом аэродинамических исследований (AVA) в Геттинге - не под руководством Прандтля. Была разработана форма кузова, состоящая из горизонтально расположенного основного профиля, к которому, начиная от ветрового стекла, присоединялся второй профиль, также расположенный горизонтально. Второй профиль, как и в формах Джерея, на виде сверху спереди был скругленным. Такая форма стала известна под названием «автомобиль Ланге». Для показанной на рисунке 8 модели такого «автомобиля Ланге» был получен коэффициент аэродинамического сопротивления c_W = 0,14. Измерения, проведенные автором и его коллегами на выполненной позднее модели в масштабе 1:5 (данные не опубликованы) показали близкое значение c_W = 0,16. Однако модель сделана без учета некоторых элементов, таких, как детали шасси, арки колес, проемы окон. Для формы Ланге можно было получить такие же малые значения коэффициента c_W, как и для форм полутела вращения (сравните рисунок 4), которые, правда, были несколько объемнее: l/h = 3. Форму автомобиля Ланге напоминает «Порше 911».

Необходимая относительно большая длина автомобиля (отношение l/h) воспрепятствовала успеху идей Джерея. Но были созданы автомобили, имеющие псевдоформы Джерея, это автомобили с плавно спускающейся сзади крышей (фастбек), для которых линия задка была более крутой. При такой форме образуются два четко выраженных кромочных вихря. Вследствие индуцируемого ими поля нисходящего потока обтекание в зоне среднего продольного сечения автомобиля долго остается прилегающим, но возникает высокое индуктивное сопротивление, поэтому общее сопротивление больше, чем при истинных линиях Джерея. По сравнению с фургонообразными кузовами с коэффициентом аэродинамического сопротивления 0,6 < c_W < 0,8 автомобили с псевдоформой Джерея при 0,4 < c_W < 0,5 являлись шагом вперед на пути прогресса.

Измерения Клемперера дали достижимое предельное значение c_W = 0,15 для бескомпромиссного формообразования (полутело вращения с колесами), такое значение стало возможным получить в более позднее время. Попытка Джерея как можно ближе продвинуться к этому предельному значению привела к формам, которые были неприемлемы на практике.

Автомобили с круто спускающейся формой задка - форма Камма

Работы Джерея не дают указаний о том, за счет каких мероприятий было бы возможно последовательно сократить разрыв между коэффициентом c_W = 0,7 для автомобилей 20-х годов и c_W = 0,15 — возможным предельным значением. Этот недостаток частично был ликвидирован благодаря измерениям, проведенным Лэем, сотрудником Мичиганского университета (1933—1934 гг.). Системно изменяя форму автомобиля спереди и сзади, Лэй показал ее влияние на коэффициент аэродинамического сопротивления. Важнейшим результатом исследований Лэя был вывод о том, что для автомобиля, в целом имеющего обтекаемую форму, круто спускающаяся форма задка в сравнении с вытянутой дает относительно малое увеличение сопротивления. Подобные замечания были сделаны Дорнье еще в 1920 году при измерениях для профилей со срезанной задней кромкой; однако в то время на формообразование автомобилей эти замечания не распространялись.

Из круто спускающейся формы задка Лэя, начиная с 1934 года, была разработана форма Камма, преимущество которой заключалось в наличии большего пространства над головой в зоне заднего сиденья при сохранении малого значения коэффициента c_W (рисунок 9). Низкое значение коэффициента c_W, достигается за счет того, что на крыше поток прилегает, а затем благодаря крутому срезу задка переносится на значительно меньшее сечение для отрыва. В результате этого поперечная площадь вихревого следа значительно уменьшается, и зона разрежения за автомобилем мала.

Огибание задней части кузова потоком сопровождается повышением статического давления, в результате чего давление на заднюю часть автомобиля, так называемое базовое давление, высоко и способствует получению низкого значения аэродинамического сопротивления. Эта мысль высказана Каммом. Поэтому форма кузова с обрезанной таким образом задней частью называется формой Камма (сокращенно «К-форма»). С другой стороны, Эверлинг в 1948 году считал, что именно ему первому стало известно о преимуществе обрезанной формы задней части автомобиля. В начале 30-х годов он создал автобус с обрезанной формой задней части; Кениг-Фахзенфельд и другие в то же время опубликовали данные измерений для моделей автобусов, которые убедительно показывали преимущество такой формы задней части.

Камм в Исследовательском институте по транспортной технике и автомобильным двигателям проводил систематические исследования, направленные на оптимизацию формы задней части автомобиля и им был собран первый легковой автомобиль с формой Камма, автомобиль Эверлинга (рисунок 10), несколько позднее Камм разработал еще несколько автомобилей «К-формы». На автомобиле К-5 (рисунок 11), эта форма достигла такого уровня развития, что ее можно было внедрять в серийное производство. Сравнение формы Камма с другими существовавшими тогда формами показано на рисунке 12. Из-за начала мировой войны (1939 г.) работы в этом направлении были прерваны.

Значения коэффициентов аэродинамического сопротивления для автомобилей Эверлинга и Камма, приведенные в публикациях по этому вопросу, имеют очень большой разброс. Взятые из литературных источников значения собраны в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение опубликованных значений коэффициента аэродинамического сопротивления автомобилей Эверлинга и Камма

Вид измерения	Эверлинг, 1938 г.	Камм К-5, 1939 г.	DB 170 V
Модель	A = 2,24 м2	A = 2,17 м2
Ожидаемое значение для легкового автомобиля	cW = 0,15 cW = 0,24
Метод свободного выбега	cW = 0,31	cW = 0,24	cW = 0,48
Испытание в аэродинамической трубе, 1:1		cW = 0,37	0,52 < cW < 0,55 cW = 0,55

Как можно видеть из приведенного сравнения, указанные в литературе значения занижены: Дерр при замерах сопротивления для автомобиля Эверлинга одновременно работал с серийным автомобилем фирмы Мерседес-Бенц «ДБ 170 В» («DB 170 V»), площадь лобовой поверхности которого А = 2,10 м², для него был получен коэффициент c_W = 0,48. Для автомобилей с тем же кузовом Уайтом при исследованиях в аэродинамической трубе Научно-исследовательской ассоциации автомобильной промышленности (MIRA) были получены значения 0,52 < c_W < 0,58. Если пересчитать результаты, полученные Каммом при испытаниях свободным выбегом с учетом соотношения между средним значением c_W = 0,55 по и значением, измеренным Дерром для «DB 170 V» c_W = 0,48, то полученное для автомобиля Эверлинга значение коэффициента аэродинамического сопротивления c_W = 0,36 кажется правдоподобным. Для автомобиля Камма пересчет дает c_W = 0,28, это значение еще можно считать заниженным. Буххайм в 1979 году провел замеры в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген» для сохранившегося в замке Лангебурга автомобиля Камма выпуска 30-х годов; он получил следующие результаты:

• площадь лобовой поверхности А = 2,10 м²;
• коэффициент аэродинамического сопротивления c_W = 0,37.

Сравнение этого результата с приведенными в таблице 1 данными показывает, как осторожно нужно обращаться с приведенными в литературных источниках цифрами.

Исследования влияния бокового ветра

Если в начале развития аэродинамики автомобиля основное внимание уделялось сопротивлению при движении в условиях отсутствия ветра (симметричное обтекание), то позднее исследователи обратили внимание на проблемы обтекания при боковом ветре, а также проблемы охлаждения и вентиляции.

Клемперер приводил результаты измерений при продувке потоком, направленным под углом к продольной плоскости симметрии автомобиля, т.е. при боковом ветре. В то время как для угловатых автомобилей (рисунок 13) с высоким коэффициентом сопротивления воздуха сила в направлении движения автомобиля с увеличением угла натекания потока оставалась примерно такой же, для обтекаемых форм после незначительного увеличения она уменьшалась. Клемперер в в своей работе пишет: «Тело автомобиля в таких условиях ведет себя как парус судна, упрямо движущегося навстречу ветру». Выводов по результатам измерения боковой силы и поворачивающего момента, компонентов результирующей аэродинамической силы, влияющих на чувствительность автомобиля к боковому ветру, Клемперер, по-видимому, не делал.

Рисунок 13 воспроизводит слишком оптимистичный процесс влияния бокового ветра на аэродинамическое сопротивление. Углы натекания потока, при которых становится заметным описанный Клемперером «парусный эффект», на практике встречаются только при малых скоростях движения, когда сопротивление воздуха и без того не имеет существенного значения. С другой стороны, в области малых углов натекания потока возникают намного большие дополнительные сопротивления, чем можно видеть на рисунке 13.

Курсовая устойчивость при боковом ветре с увеличением скоростей движения приобретает все большее значение. Оказалось, что автомобили с малым аэродинамическим сопротивлением обладают плохими свойствами по устойчивости при боковом ветре. Позднее установили, что это высказывание верно только для тех автомобилей, для которых малое значение коэффициента аэродинамического сопротивления достигается за счет плавно опускающейся линии задней части. Напротив, для автомобилей, у которых малый коэффициент аэродинамического сопротивления достигается за счет обрезанной формы задней части (форма Камма), не отмечался большой нестабильный поворачивающий момент.

Установкой сзади килей можно было бы обеспечить стабильные характеристики моментов. Хорошую эффективность задних килей показали пробеговые испытания для автомобиля Камма. Кили нашли применение только для стабилизации движения рекордных автомобилей, а также для мотоциклов; для использования на легковых автомобилях серийного производства они оказались непригодными. В отдельных случаях в качестве стилистических элементов использовались псевдокили; но даже относительно большой киль автомобиля «Татра тип 87» (см. рисунок 7) дал очень несущественное улучшение устойчивости.

Угроза автомобилю и водителю со стороны бокового ветра заключается прежде всего в его внезапности. К естественному порыву добавляется кажущийся, когда обдувающий движущийся автомобиль боковой ветер местами меняет свою силу и направление из-за особенностей рельефа местности, растительности, построек. При соответствующем оформлении трасс дорог и прилегающей местности опасность от воздействия на автомобиль внезапного порыва бокового ветра можно уменьшить, но этому вопросу и сегодня уделяется мало внимания.

С началом систематических работ по аэродинамике автомобиля были подняты и проблемы протекания потока внутри автомобиля. Уже Клемперер обращал внимание в своих экспериментах с моделями на потоки системы охлаждения и указывал, что обтекание радиатора связано с появлением дополнительного сопротивления движению автомобиля. Фидлер и Камм показали целый ряд возможностей уменьшения этой дополнительной силы сопротивления воздуха. В школе Камма процессы протекания потока в радиаторе были тщательно изучены; Шмитт и Эккерт, рассматривая совместно автомобиль, радиатор и вентилятор, подробно изложили этот вопрос в своих работах. Основы вентиляции пассажирского салона были подробно разработаны Каммом и его учениками. Неисследованным оставался вопрос взаимосвязи между внешним обтеканием автомобиля и внутренними потоками. Организация потока в салоне, его оптимизация с целью получения микроклимата, отвечающего комфортным условиям, стали предметом исследования в более поздний период времени.

Дальнейшее развитие «обтекаемых» форм кузовов

Хотя, как отмечалось выше, «обтекаемые формы» — под этим обозначением понимаются только те, которые специально были разработаны с целью улучшения аэродинамики - для серийных автомобилей были пригодны только отчасти, отдельные выводы Джерея, Лэя, Эверлинга, Камма были учтены на серийных моделях. Но большой потенциал, который скрывается в «обтекаемой форме», не исчерпан. В то время было еще очень рано делать следующий шаг на пути к меньшему аэродинамическому сопротивлению, и тем не менее предпринимались попытки получить для автомобиля названное Клемперером для «полутела вращения» значение коэффициента c_W

Перси в 1922 г. в Берлине собрал автомобиль, который был разработан на базе полутела вращения. Двигатель был размещен в измененной задней части автомобиля. Значения замеренных величин для этого автомобиля неизвестны, Позднее, с 1930 года, автомобилем с кузовом в форме полутела вращения занимались некоторые американские авторы; но эти работы дальше этапа моделирования не пошли. Полученные Фишлаем, Хилдом, Лэем и Рейдом результаты собраны на рисунке 14. Чтобы оценить полученные для моделей разного масштаба и качества выполнения результаты, каждой форме в виде полутела вращения противопоставлено значение коэффициента аэродинамического сопротивления, замеренное тем же автором для лимузинов, существовавших в то время. Если исключить из рассмотрения исследуемую Лэем форму с очень длинной задней частью, то для всех оптимизированных моделей в форме полутела вращения коэффициент аэродинамического сопротивления составляет примерно 1/3 коэффициента для лимузина, с которым производилось сравнение.

Разработка ходового автомобиля с кузовом в форме полутела вращения с 30-х годов велась в институте аэродинамических исследований (г. Геттинген) под руководством Прандтля. Анализ обтекания автомобиля Ланге (см. рисунок 8), выполненный Гансеном и Шлером, завершился разработкой модели, показанной на рисунке 15.

Продольное среднее сечение образуется двумя крыловидными профилями, оба имеют одинаковый коэффициент аэродинамического сопротивления c_W = 0,125. Поперечные сечения выполнены в форме, близкой к полутелу вращения, таким образом, что все тело автомобиля при большом объеме салона хорошо обтекается. На рисунке 16 представлены результаты измерений, выполненные для этого автомобиля и для масштабных моделей; показана зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления c_W от безразмерного отношения дорожного просвета e к высоте h. При большом дорожном просвете полутело вращения имеет лучшее значение c_W, чем профиль, из которого автомобиль был образован. С уменьшением дорожного просвета значение c_W становится больше.

Полученное автором и его коллегами при испытаниях модели 1:4 (днище ровное) значение c_W = 0,15 (неопубликованные данные) довольно хорошо совпадает со значением, полученным Институтом по аэродинамическим исследованиям для модели, выполненной в натуральную величину с ровным днищем. В большой аэродинамической трубе института с эллиптическим соплом (7 x 4,5 м) для готового автомобиля с характерным для него дорожным просветом был измерен коэффициент аэродинамического сопротивления c_W = 0,186; испытания свободным выбегом, которые были проведены затем Высшей технической школой (г. Ганновер), дали практически то же самое значение (c_W = 0,189). Недостатком автомобиля Шлера была необычно большая площадь лобового сопротивления А = 2,54 м², что являлось следствием большой ширины, равной 2,10 м. Большая ширина, в свою очередь, была необходима, чтобы обеспечить для полностью закрытых передних колес необходимый угол поворота. Большую площадь лобового сопротивления следует рассматривать как присущий этой концепции недостаток.

Автомобилем Шлера завершилось развитие кузовов в форме полутел вращения; такая форма кузова не нашла применения на серийных моделях. К работам с так называемыми полутелами вращения вернулись в более поздний период времени, и постановка задач была другой. Эти тела, которые называют теперь основными телами, не используются непосредственно в качестве проекта формы кузова; они служат в качестве исходной базы для последовательного создания правильных форм автомобиля, которые позволяют получить очень малое сопротивление воздуха. Этим объединяются направления развития, обозначаемые словами «обтекаемый кузов» и «полутело вращения».

К разработке обтекаемых серийных автомобилей, прерванной второй мировой войной, снова вернулись, но работы велись разобщенно. Такое направление развития показывают автомобили фирмы «Ситроен» (рисунок 17).

В то время как в кузове «ID19» просматриваются идеи Джерея - формообразование на основе сопряжения двух обтекаемых профилей - GS и СХ в большей степени опирались на идею Камма - обрезанная форма задней части. Все три типа по сравнению с конкурентами имели довольно малое значение коэффициента аэродинамического сопротивления.

Вопреки встречающемуся мнению, на примере автомобиля NSU RO 80 (рисунок 18) хорошо видно, что придание кузову автомобиля обтекаемой формы не приводит к однообразию внешних форм автомобиля.

Следует обратить внимание на последовательную работу фирмы «Порше» по аэродинамическому оформлению спортивных автомобилей, модельный ряд которых можно увидеть на рисунке 19. В то время как в основу более старых моделей «365 А» и «356 В» положены идеи Джерея, «Порше 911» скорее напоминает форму Ланге (см. рисунок 8). Более новые модели «Порше 924» и «Порше 928» также свидетельствуют об отдаленном родстве с автомобилем Ланге.

Читайте также другие статьи по истории развития аэродинамики автомобилей:

• Основные этапы развития аэродинамики
• Формы кузовов из других областей техники
• Метод оптимизации кузовных форм

Есть вопросы? ЗАДАВАЙ!