„
„
Wpływ siły
Wpływ siły
aerodynamicznej na
aerodynamicznej na
właściwości trakcyjne
właściwości trakcyjne
samochodu osobowego
samochodu osobowego
.”
.”
Promotor:
Promotor:
dr hab. inż. prof.
dr hab. inż. prof.
PRz
PRz
Mirosław
Mirosław
Śmieszek
Śmieszek
Artur Tomczak
Artur Tomczak
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
działające
na
pojazd
działające
na
pojazd
samochodowy,
samochodowy,
wpływ zjawisk aerodynamicznych
wpływ zjawisk aerodynamicznych
na osiągi
na osiągi
i zużycie paliwa pojazdów ,
i zużycie paliwa pojazdów ,
rodzaje
nadwozi
stosowanych
w
rodzaje
nadwozi
stosowanych
w
samochodach osobowych:
samochodach osobowych:
- nadwozia trójbryłowe,
- nadwozia trójbryłowe,
- nadwozia dwubryłowe,
- nadwozia dwubryłowe,
- nadwozia jednobryłowe,
- nadwozia jednobryłowe,
- nadwozia otwarte.
- nadwozia otwarte.
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA
•
:
-
,
,
-
,
,
•
,
•
analiza wyników:
-
porównanie wskaźników dynamicznych
dla
poszczególnych biegów,
-
zależność wskaźnika dynamicznego
D od
współczynnika Cx
,
-
zmiana wskaźnika dynamicznego ΔD/D
w zależności od
prędkości jazdy v,
-
dla poszczególnych biegów,
dla poszczególnych biegów,
-
zależność przyspieszeń od współczynnika Cx
zależność przyspieszeń od współczynnika Cx
,
- zmian wartości
- zmian wartości
Δ
Δ
a/a
a/a
w funkcji prędkości v dla
w funkcji prędkości v dla
poszczególnych biegów.
poszczególnych biegów.
•
podsumowanie.
podsumowanie.
Celem pracy
Celem pracy
-
-
jest ukazanie jaki wpływ mają siły
jest ukazanie jaki wpływ mają siły
aerodynamiczne na właściwości trakcyjne
aerodynamiczne na właściwości trakcyjne
samochodu (charakterystyka dynamiczna,
samochodu (charakterystyka dynamiczna,
przyspieszanie).
przyspieszanie).
Wielkością charakterystyczną dla aerodynamiki jest
Wielkością charakterystyczną dla aerodynamiki jest
współczynnik oporu powietrza
współczynnik oporu powietrza
Cx, który zależy
Cx, który zależy
głównie od geometrii bryły samochodu. Najlepszy
głównie od geometrii bryły samochodu. Najlepszy
aerodynamiczny kształt powinien przypominać
aerodynamiczny kształt powinien przypominać
spadającą kroplę wody, gdyż opory powietrza są
spadającą kroplę wody, gdyż opory powietrza są
wtedy najmniejsze (zaledwie 0,05).
wtedy najmniejsze (zaledwie 0,05).
Kształt bryły
Kształt bryły
to podstawa, jednak duży wpływ na wielkość oporu
to podstawa, jednak duży wpływ na wielkość oporu
powietrza ma również
powietrza ma również
długość bryły
długość bryły
i
i
odpowiednio ukształtowane podwozie
odpowiednio ukształtowane podwozie
, którego
, którego
specjalnie dobrane elementy redukują opory
specjalnie dobrane elementy redukują opory
w przepływie powietrza i zmniejszają niepotrzebną
w przepływie powietrza i zmniejszają niepotrzebną
siłę nośną (odwrotność siły docisku).
siłę nośną (odwrotność siły docisku).
Opory ruchu działające na
Opory ruchu działające na
pojazd samochodowy
pojazd samochodowy
- współczynnik oporu powietrza,
- współczynnik oporu powietrza,
-
-
-
-
- opory dodatkowe,
- opory dodatkowe,
,
Opór aerodynamiczny
Opór aerodynamiczny
–
–
jest
jest
definiowany jako siła przeciwdziałająca
definiowany jako siła przeciwdziałająca
ruchowi, zatem dla oporu naturalnym
ruchowi, zatem dla oporu naturalnym
układem odniesienia jest układ ruchu
układem odniesienia jest układ ruchu
pojazdu. Poza współczynnikiem oporu
pojazdu. Poza współczynnikiem oporu
powietrza Cx zależy również od
powietrza Cx zależy również od
powierzchni czołowej pojazdu, gęstości
powierzchni czołowej pojazdu, gęstości
powietrza oraz kwadratu względnej
powietrza oraz kwadratu względnej
prędkości powietrza.
prędkości powietrza.
Współczynnik oporu powietrza Cx
Współczynnik oporu powietrza Cx
-
-
to
to
liczba mówiąca nam o tym jak duży opór
liczba mówiąca nam o tym jak duży opór
aerodynamiczny stawia dany obiekt. Zależy od
aerodynamiczny stawia dany obiekt. Zależy od
kształtu pojazdu i mierzona jest w tunelu
kształtu pojazdu i mierzona jest w tunelu
aerodynamicznym.
aerodynamicznym.
Opór tarcia
Opór tarcia
powierzchniowego
powierzchniowego
konwencjonalnych pojazdów drogowych
konwencjonalnych pojazdów drogowych
jest względnie mały. Może jednak
jest względnie mały. Może jednak
czasami osiągać 30% całkowitego opory
czasami osiągać 30% całkowitego opory
współczesnego samochodu, przy
współczesnego samochodu, przy
znacznie obniżonym oporze
znacznie obniżonym oporze
ciśnieniowym nadwozia.
ciśnieniowym nadwozia.
Opór ciśnieniowy
Opór ciśnieniowy
(kształtu, profilowy)
(kształtu, profilowy)
- ma największy wpływ na całkowity
- ma największy wpływ na całkowity
opór aerodynamiczny. Powstaje na
opór aerodynamiczny. Powstaje na
skutek tego, że ciśnienie na
skutek tego, że ciśnienie na
powierzchniach skierowanych do tyłu
powierzchniach skierowanych do tyłu
jest niższe niż na skierowanych do
jest niższe niż na skierowanych do
przodu.
przodu.
Opór indukowany
Opór indukowany
Jeżeli poruszające się ciało
Jeżeli poruszające się ciało
wytwarza siłę nośną, powstaje
wytwarza siłę nośną, powstaje
dodatkowo opór związany z
dodatkowo opór związany z
wytwarzaniem siły nośnej, zwany
wytwarzaniem siły nośnej, zwany
oporem indukowanym. Jest to opór
oporem indukowanym. Jest to opór
powstający w wyniku zawirowań
powstający w wyniku zawirowań
na końcach płata spowodowany
na końcach płata spowodowany
wyrównywaniem się ciśnień na
wyrównywaniem się ciśnień na
górnej i dolnej powierzchni płata.
górnej i dolnej powierzchni płata.
Siła nośna
Siła nośna
– siła działająca na ciało
– siła działająca na ciało
poruszające się w płynie (gazie lub
poruszające się w płynie (gazie lub
cieczy), prostopadła do kierunku
cieczy), prostopadła do kierunku
ruchu.
ruchu.
Z jednej strony siła nośna pośrednio
Z jednej strony siła nośna pośrednio
wpływa na zwiększenia oporu, lecz z
wpływa na zwiększenia oporu, lecz z
drugiej strony – co jest bardziej ważne
drugiej strony – co jest bardziej ważne
– przez zmniejszenie siły nośnej, a
– przez zmniejszenie siły nośnej, a
nawet generowanie siły dociskowej
nawet generowanie siły dociskowej
można osiągnąć poprawienie własności
można osiągnąć poprawienie własności
jezdnych, jak też stabilności pojazdu.
jezdnych, jak też stabilności pojazdu.
Opór toczenia
Opór toczenia
Opory toczenia pojawiają się w wyniku
Opory toczenia pojawiają się w wyniku
współpracy ogumionych kół pojazdu
współpracy ogumionych kół pojazdu
z nawierzchnią drogi. Z wyjątkiem
z nawierzchnią drogi. Z wyjątkiem
niektórych samochodów o
niektórych samochodów o
zróżnicowanej szerokości ogumienia
zróżnicowanej szerokości ogumienia
kół osi przedniej i osi tylnej, przyjmuje
kół osi przedniej i osi tylnej, przyjmuje
się jednakową wartość współczynnika
się jednakową wartość współczynnika
oporu toczenia dla wszystkich kół.
oporu toczenia dla wszystkich kół.
Opór wzniesienia
- jest to opór
drogowy, który występuje podczas, gdy
urządzenie wznosi się po płaszczyźnie do
góry. Siłę ciężkości G można rozłożyć na
składową normalną do powierzchni drogi
Fz oraz składową równoległą do
powierzchni drogi, która jest nazywana
siłą oporu wzniesienia.
Opór bezwładności
- działają na
samochód wówczas, gdy porusza się on ru
chem niejednostajnym. Siła oporów
bezwładności różni się od innych oporów
ruchu tym, że kierunek jej działania nie
zawsze jest przeciwny kierunkowi ruchu,
gdyż siła ta przeciwstawia się nie samemu
ruchowi, lecz zmianom jego prędkości.
Opływ nadwozia powoduje powstanie sił
aerodynamicznych, które wpływają na:
• zużycie paliwa,
• własności dynamiczne pojazdu,
• prędkość maksymalną,
• stabilność ruchu,
• zdolność szybkiego pokonywania
zakrętów.
Wpływ zjawisk
Wpływ zjawisk
aerodynamicznych na osiągi i
aerodynamicznych na osiągi i
zużycie paliwa pojazdów
zużycie paliwa pojazdów
Dane pojazdu
Dane pojazdu
Marka
Nissan Primera
Typ silnika
2.0 dCi
Moc maksymalna (N
m
)
110 kW ≈ 150 KM
Moment maksymalny (M
m
)
340 Nm
Prędkość obrotowa silnika odpowiadająca
mocy maksymalnej (n
N
)
4000 obr/min
Prędkość obrotowa silnika odpowiadająca
momentowi maksymalnemu (n
M
)
2000 obr/min
Masa całkowita (z pełnym obciążeniem) (m)
2040 kg
Masa własna (m
0
)
1500 kg
Nacisk osi przedniej (m
1
)
1155 kg (11,7 kN)
Nacisk osi tylnej (m
2
)
885 kg (10,1 kN)
Ogumienie
205/55 R16
Promień dynamiczny opony (r
d
)
0,316
Rozstaw osi (l
0
)
2,740 m
Obrys nadwozia:
długość (l)
szerokość (b)
wysokość (h)
4,576 m
1,772 m
1,429 m
Współczynnik oporu powietrza (c
x
)
0,30
Obliczenia
W celu maksymalnego zbliżenia się do
rzeczywistych warunków ruchu drogowego
w badaniach symulacyjnych, a w zasadzie w
modelu wykorzystano dane
charakterystyczne dla samochodu Nissan
Primera. W procesie obliczeniowym
symulacji, poza parametrami ruchu,
zmieniano tylko współczynnik cx.
Współczynnik ten przyjmował następujące
wartości:
cx = 0,28
cx = 0,30
cx = 0,32
0
50
100
150
200
250
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
V [km/h]
D
WSKAZNIK DYNAMICZNY DLA Cx=0,28
bieg III
bieg V
bieg VI
bieg I
bieg IV
bieg II
0
50
100
150
200
250
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
V [km/h]
D
WSKAZNIK DYNAMICZNY DLA Cx=0,30
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
bieg I
0
50
100
150
200
250
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
D
V [km/h]
WSKAZNIK DYNAMICZNY DLA Cx=0,32
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
bieg I
Charakterystyka dynamiczna dla
c
x
=0,28
Charakterystyka dynamiczna dla
c
x
=0,32
Charakterystyka dynamiczna dla
c
x
=0,30
0
50
100
150
200
250
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
V [km/h]
D
WSKAZNIK DYNAMICZNY DLA Cx=0,28
bieg III
bieg V
bieg VI
bieg I
bieg IV
bieg II
Charakterystyka dynamiczna dla c
x
=0,28
0
50
100
150
200
250
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
V [km/h]
D
WSKAZNIK DYNAMICZNY DLA Cx=0,30
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
bieg I
Charakterystyka dynamiczna dla c
x
=0,30
0
50
100
150
200
250
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
D
V [km/h]
WSKAZNIK DYNAMICZNY DLA Cx=0,32
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
bieg I
Charakterystyka dynamiczna dla c
x
=0,32
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
1
2
3
4
5
6
a
[m
/s
2]
V [km/h]
WYKRES PRZYSPIESZEN DLA Cx=0,28
bieg I
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
1
2
3
4
5
6
V [km/h]
a
[m
/s
2]
WYKRES PRZYSPIESZEN DLA Cx=0,30
bieg I
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
1
2
3
4
5
6
V [km/h]
a
[m
/s
2]
WYKRES PRZYSPIESZEN DLA Cx=0,32
bieg I
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
Wykres przyspieszeń dla
cx=0,28
Wykres przyspieszeń dla
cx=0,32
Wykres przyspieszeń dla
cx=0,30
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
1
2
3
4
5
6
a
[m
/s
2]
V [km/h]
WYKRES PRZYSPIESZEN DLA Cx=0,28
bieg I
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
Wykres przyspieszeń dla cx=0,28
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
1
2
3
4
5
6
V [km/h]
a
[m
/s
2]
WYKRES PRZYSPIESZEN DLA Cx=0,30
bieg I
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
Wykres przyspieszeń dla cx=0,30
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
1
2
3
4
5
6
V [km/h]
a
[m
/s
2]
WYKRES PRZYSPIESZEN DLA Cx=0,32
bieg I
bieg II
bieg III
bieg IV
bieg V
bieg VI
Wykres przyspieszeń dla cx=0,32
0
10
20
30
40
50
60
70
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
X: 11.76
Y : 100
t [s]
V
[
km
/h
]
ROZPEDZANIE SAMOCHODU DLA Cx=0,28
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
X: 11.85
Y : 100
t [s]
V
[
km
/h
]
ROZPEDZANIE SAMOCHODU DLA Cx=0,30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
X: 11.85
Y: 100
t [s]
V
[
km
/h
]
ROZPEDZANIE SAMOCHODU DLA Cx=0,32
Rozpędzanie samochodu przez biegi dla cx =
0,32
Rozpędzanie samochodu przez biegi dla cx =
0,30
Rozpędzanie samochodu przez biegi dla cx =
0,28
0
10
20
30
40
50
60
70
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
X: 11.76
Y: 100
t [s]
V
[
km
/h
]
ROZPEDZANIE SAMOCHODU DLA Cx=0,28
Rozpędzanie samochodu przez biegi dla
cx = 0,28
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
X: 11.85
Y: 100
t [s]
V
[
km
/h
]
ROZPEDZANIE SAMOCHODU DLA Cx=0,30
Rozpędzanie samochodu przez biegi dla cx = 0,30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
X: 11.85
Y : 100
t [s]
V
[
km
/h
]
ROZPEDZANIE SAMOCHODU DLA Cx=0,32
Rozpędzanie samochodu przez biegi dla cx =
0,32
0
50
100
150
200
250
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
V [km/h]
D
WSKAZNIK DYNAMICZNY
bieg V
bieg IV
bieg VI
Porównanie wskaźników dynamicznych dla poszczególnych biegów:
- bieg IV – kolor czarny → cx=0,28, kolor zielony → cx=0,30, kolor czerwony → cx=0,32,
- bieg V – kolor zielony → cx=0,28, kolor różowy → cx=0,30, kolor granatowy → cx=0,32,
- bieg VI – kolor czerwony → cx=0,28, kolor żółty → cx=0,30, kolor zielony → cx=0,32.
Zależność wskaźnika dynamicznego D od
współczynnika Cx dla biegu IV przy prędkości
v = 141,62 km/h.
Zależność wskaźnika dynamicznego D od
współczynnika Cx dla biegu V przy prędkości
v = 140,49 km/h.
Zależność wskaźnika dynamicznego D od
współczynnika Cx dla biegu VI przy prędkości
v = 140,06 km/h.
Zależność wskaźnika dynamicznego D od współczynnika Cx dla
biegu IV przy prędkości v = 141,62 km/h.
Zależność wskaźnika dynamicznego D od współczynnika Cx
dla biegu V przy prędkości v = 140,49 km/h.
Zależność wskaźnika dynamicznego D od współczynnika
Cx dla biegu VI przy prędkości v = 140,06 km/h.
Zmiana wskaźnika dynamicznego ΔD/D w
zależności od prędkości jazdy V [km/h] dla
biegu IV
Zmiana wskaźnika dynamicznego ΔD/D w
zależności od prędkości jazdy V [km/h] dla
biegu VI
Zmiana wskaźnika dynamicznego ΔD/D w
zależności od prędkości jazdy V [km/h] dla
biegu V
Zmiana wskaźnika dynamicznego ΔD/D w zależności od
prędkości jazdy V [km/h] dla biegu IV
Zmiana wskaźnika dynamicznego ΔD/D w zależności
od prędkości jazdy V [km/h] dla biegu V
Zmiana wskaźnika dynamicznego ΔD/D w zależności od
prędkości jazdy V [km/h] dla biegu VI
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
0.5
1
1.5
a
[m
/s
2]
v [km/h]
PRZYSPIESZENIE
bieg IV
bieg V
bieg VI
Porównanie przyspieszeń dla poszczególnych biegów:
- bieg IV – kolor czarny → cx=0,28, kolor zielony → cx=0,30, kolor czerwony → cx=0,32,
- bieg V – kolor zielony → cx=0,28, kolor różowy → cx=0,30, kolor granatowy → cx=0,32,
- bieg VI – kolor czerwony → cx=0,28, kolor żółty → cx=0,30, kolor zielony → cx=0,32.
Zależność przyspieszeń od
współczynnika Cx dla biegu IV przy
prędkości v = 141,62 km/h
Zależność przyspieszeń od
współczynnika Cx dla biegu VI przy
prędkości v = 140,06 km/h
Zależność przyspieszeń od
współczynnika Cx dla biegu V przy
prędkości v = 140,49 km/h
Zależność przyspieszeń od współczynnika Cx dla biegu
IV przy prędkości v = 141,62 km/h
Zależność przyspieszeń od współczynnika Cx dla biegu
V przy prędkości v = 140,49 km/h
Zależność przyspieszeń od współczynnika Cx dla
biegu VI przy prędkości v = 140,06 km/h
Przebieg zmian wartości Δa/a w
funkcji prędkości v dla biegu IV
Przebieg zmian wartości Δa/a w
funkcji prędkości v dla biegu V
Przebieg zmian wartości Δa/a w
funkcji prędkości v dla biegu VI
Przebieg zmian wartości Δa/a w funkcji prędkości v dla
biegu IV
Przebieg zmian wartości Δa/a w funkcji prędkości v dla
biegu V
Przebieg zmian wartości Δa/a w funkcji prędkości v dla
biegu VI
Podsumowanie
Znaczenie właściwości aerodynamicznych rośnie wraz ze
wzrostem prędkości osiąganych przez samochody osobowe.
Dopracowane aerodynamicznie nadwozie ma bezpośredni
wpływ na zmniejszenie oporów ruchu pojazdu i tym samym na
poprawę właściwości trakcyjnych samochodu (dynamika jazdy,
przyspieszanie, hamowanie, stateczność kierunkowa jazdy).
Dzięki temu możemy zwiększyć prędkość maksymalną i
zmniejszyć zużycie paliwa, co z kolei prowadzi do obniżenia
kosztów eksploatacji i służy ochronie środowiska naturalnego.
Wpływ wartości Cx (0,28; 0,30; 0,32) na przyśpieszenie i
właściwości trakcyjne badanego pojazdu. Dla założonej
prędkości zmiana Cx z 0,28 na 0,32 powoduje na biegu IV
spadek wskaźnika D o 0,003, a przyśpieszenie o 0,035 m/s2, na
biegu V spadek wskaźnika D o 0,003, a przyśpieszenie o 0,035
m/s2 i na biegu VI spadek wskaźnika D o 0,004, a
przyśpieszenie o 0,034 m/s2. Ze wzrostem prędkości wpływ Cx
na osiąganą wartość D i a wzrasta w widoczny sposób.
Pokazują to wykresy na rysunkach przedstawiających względny
spadek wskaźnika D i przyśpieszenia a. Spadek ten
spowodowany zmianą współczynnika Cx z wartości 0,28 do
0,32 przy dużych prędkościach dochodzi do 30%.