Аэродинамическое устройство транспортного средства с плохообтекаемой формой (варианты)

Аэродинамическое устройство транспортного средства с плохообтекаемой формой (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению и эксплуатации автомобильного транспорта и может быть использовано при проектировании новых образцов автомбильной техники и для повышения эксплуатационных характеристик уже существующих средств. Целью изобретения является снижение аэродинамической составляющей силы сопротивления движения автомобиля плохообтекаемой формы, что обеспечивает снижение расхода топлива и улучшение аэродинамических характеристик. Аэродинамическое устройство, расположенное перед передним торцом кабины, включает в себя активный элемент прямоугольной формы, расположенный на стержне, закрепленном на переднем торце кабины. Аналогичное аэродинамическое устройство может быть расположено и на заднем торце кузова на стержне. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к транспортному машиностроению и эксплуатации автомобильного транспорта и может быть использовано при проектировании новых образцов автомобильной техники и для повышения эксплуатационных характеристик уже существующих средств.

При движении автомобиля плохообтекаемой формы по трассе на лобовой поверхности кабины возникает значительная по размерам зона полного торможения встречного воздушного потока, а также реализуются боковые и кормовая области отрывного обтекания кабины и кузова. Такой характер взаимодействия встречного воздушного потока с поверхностью автомобиля с плохообтекаемой формой определяет значительную величину силы аэродинамического сопротивления его движению.

Известен лобовой обтекатель, установленный на крыше кабины, позволяющий направить идущий выше нее встречный поток воздуха на крышу и боковые стенки кузова, в результате улучшаются показатели обтекаемости его передней части, возвышающейся над кабиной.

Эффективность лобового обтекателя зависит от его габаритных размеров, кривизны лобовой поверхности и правильной координации относительно кузова.

Однако лобовые обтекатели не решают задачу по снижению аэродинамического сопротивления автомобиля, поскольку их благоприятное воздействие затрагивает только часть кузова автомобиля, которая возвышается над кабиной. Составляющая аэродинамического сопротивления от взаимодействия встречного воздушного потока с кабиной автомобиля при наличии лобового обтекателя остается неизменной и значительной по величине.

Наиболее близким по технической сущности является аэродинамическое устройство транспортного средства (автомобиля) с плохообтекаемой формой, содержащее неподвижно установленный перед передним торцом кабины в пределах ее габаритных размеров симметрично и перпендикулярно относительно продольной плоскости симметрии автомобиля генератор вихрей, активный элемент которого выполнен плоским и закреплен на стержне, установленном на переднем торце автомобиля.

Недостатки прототипа очевидны, существенны и повторяют основные недостатки обтекателей как таковых. Действие прототипа ограничено зоной его сопряжения с торцом кабины. Основная и значительная по площади часть лобовой поверхности кабины не находится под воздействием обтекателя и на ней по-прежнему реализуется область полного торможения встречного воздушного потока, определяющая в основном величину силы аэродинамического сопротивления, что снижает ходовые качества средства и приводит к повышенному расходу топлива.

Целью изобретения является снижение аэродинамической составляющей силы сопротивления движению автомобиля плохообтекаемой формы, что обеспечивает снижение расхода топлива и улучшение аэродинамических характеристик.

Цель достигается за счет того, что на автомобиле с плохообтекаемой формой кабины и кузова установлен генератор вихрей перед кабиной, или одновременно перед кабиной и за кузовом в пределах их габаритных размеров симметрично и перпендикулярно относительно продольной плоскости симметрии автомобиля, активный элемент которого выполнен плоским и закреплен на стержне перед кабиной, одна сторона в пределах 0,6-0,7 горизонтального габаритного размера кабины, и за кузовом, причем размеры, определяющие габариты активного элемента и его отстояние от торцов кабины на 0,2-0,3 вертикального габаритного размера кузова и кузова, выбраны из условия формирования между активным элементом и поверхностью автомобиля вихревого воздушного течения максимальной интенсивности, при этом другая сторона генератора равна 0,5-0,6 вертикального габаритного размера кузова, а задний генератор вихрей равен 0,7 горизонтального размера кузова и 0,7 вертикального размера кузова и расположен на 0,4-0,45 вертикального размера кузова от его торца.

На фиг.1 автомобиль со схемой расположения генераторов вихрей перед кабиной и позади его кузова, общий вид; на фиг.2 то же, со стороны переднего торца; на фиг.3 то же, вид со стороны заднего торца кузова; на фиг.4 характер распределения давления воздушного потока на автомобиль без аэродинамических устройств; на фиг.5 характер распределения давления воздушного потока на автомобиль, оснащенный генератором вихрей перед передним торцом кабины; на фиг.6 то же, за задним торцом кузова; на фиг.7 характер распределения давления воздушного потока на автомобиль, оснащенный генератором вихрей перед кабиной и за кузовом автомобиля.

Аэродинамические устройства закрепляют на автомобиле, содержащем кабину 1 с горизонтальным габаритным размером В_к и кузов 2 с вертикальным габаритным размером Н_k. Аэродинамическое устройство 3, расположенное перед передним торцом кабины, включает в себя активный элемент прямоугольной формы с размерами b₁ и h₁ и стержень 4 для закрепления активного элемента на торце кабины. Аэродинамическое устройство 5, расположенное за задним торцом кузова, включает в себя активный элемент прямоугольной формы с размерами b₂ и h₂ и стержень 6 для закрепления активного элемента на торце кузова.

Работа аэродинамического устройства иллюстрируется представленной на фиг. 4-7 качественной картиной результатов взаимодействия встречного воздушного потока с поверхностями кабины и кузова автомобиля плохообтекаемой формы.

Исходное распределение давления на автомобиле без генераторов вихрей общеизвестно, не требует пояснений и представлено на фиг.4.

Аэродинамическое устройство в виде генератора вихрей перед торцом кабины 1 изменят структуру течения перед ней (фиг.5) и формирует в пространстве между ним и торцом кабины вихревое воздушное течение максимальной интенсивности. С кромок активного элемента генератора 3 вихрей происходит отрыв встречного потока с образованием струйного слоя смешения. Оторвавшийся поток воздействует на торцовую поверхность кабины, перераспределяя давление на ней по сравнению со случаем обтекания кабины без генератора вихрей.

В зависимости от конструктивных параметров системы, т.е. от соотношения габаритных размеров генератора вихрей b₁, h ₁ и автомобиля В_k, Н_k и расстояния между ними l₁, возможен различный эффект, приводящий к уменьшению или увеличению лобового аэродинамического сопротивления.

Минимум аэродинамического сопротивления достигается в тот момент, когда длина донного следа за активным элементом генератора вихрей становится такой же, как и расстояние l₁ между активным элементом и передним торцом кабины, и поток в области возвратного течения "скользит" по его поверхности, т.е. вектор скорости возвратного течения параллелен поверхности торца кабины, что соответствует образованию наиболее скоростного циркуляционного течения между ними.

Формирование вихревого воздушного течения максимальной интенсивности обеспечивается при оптимальных соотношениях габаритных размеров генератора вихрей b₁, h₁ и автомобиля В_k, Н_k и расстояния между ними l₁.

Экспериментально заявителем получено, что реализация вихревого течения максимальной интенсивности для системы активный элемент генератора вихрей передней торец кабины достигается при следующих соотношениях: относительная ширина активного элемента b₁ в пределах от 0,6 до 0,7 горизонтального габаритного размера кабины; относительная высота активного элемента h₁ находится в пределах от 0,5 до 0,6 вертикального габаритного размера кузова; относительное расстояние от переднего торца кабины до активного элемента l₁ в пределах от 0,2 до 0,3.

Положение по вертикали активного элемента генератора вихрей перед передним торцом кабины выбирается из условия безопасной эксплуатации автомобиля, при которой обеспечиваются требуемые клиренс и угол обзора водителя.

В случае размещения генератора вихрей за задним торцом кузова для формирования в пространстве между задним торцом кузова и им воздушного течения максимальной интенсивности в принципе сохраняют силу все представления о физической картине взаимодействия воздушного потока с активным элементом и поверхностью автомобиля, изложенные выше. Однако имеют место и некоторые особенности, связанные с тем, что в качестве исходного воздушного потока выступает не встречный однородный поток, а поток, сорвавшийся с поверхностей, образующих кузов. Это дает снижение величины аэродинамического сопротивления.

Экспериментально установлено, что в этом случае относительная ширина активного элемента b₂ 0,7 горизонтального габаритного размера кабины; относительная высота активного элемента h₂ 0,7 вертикального габаритного размера кузова; относительное расстояние от заднего торца кузова до активного элемента за ним l₂ в пределах 0,4-0,45; продольная ось симметрии кузова совпадает с продольной осью симметрии активного элемента.

В случае размещения рассмотренных выше генераторов вихрей одновременно на переднем и заднем торцах автомобиля качественная картина взаимодействия встречного воздушного потока с поверхностями кабины и кузова представлена на фиг.7.

Таким образом, эффект снижения аэродинамического сопротивления автомобиля с плохообтекаемой формой за счет установки генераторов вихрей перед кабиной, после кузова, или их комбинации остается практически неизменным во всех диапазонах существующих форм кабин, удлинений кузовов и скоростей движения.

Снижение аэродинамического сопротивления движению автомобиля означает автоматическое уменьшение требуемого количества топлива.

По экспериментальным данным снижение аэродинамического сопротивления магистрального автопоезда на 30% обеспечивает при его годовом пробеге 160 тыс. км экономию топлива 10 тыс. л.

Формула изобретения

1. Аэродинамическое устройство транспортного средства с плохообтекаемой формой, содержащее неподвижно установленный перед передним торцом кабины в пределах ее габаритных размеров симметрично и перпендикулярно относительно продольной оси симметрии транспортного средства генератор вихрей, активный элемент которого выполнен плоским и закреплен на стержне, установленном на переднем торце кабины, отличающееся тем, что активный элемент генератора вихрей установлен с возможностью формирования в пространстве между ним и передним торцом кабины вихревого воздушного течения максимальной интенсивности, при этом активный элемент выполнен в виде прямоугольника, одна сторона которого, перпендикулярная продольной плоскости симметрии транспортного средства, находится в пределах от 0,6 до 0,7 горизонтального габаритного размера кабины, а другая сторона от 0,5 до 0,6 вертикального габаритного размера кузова, при этом плоскость активного элемента генератора вихрей расположена от переднего торца кабины в пределах от 0,2 до 0,3 вертикального размера кузова.

2. Аэродинамическое устройство транспортного средства с плохообтекаемой формой, содержащее неподвижно установленный в пределах габаритных размеров симметрично и перпендикулярно относительно продольной плоскости симметрии транспортного средства генератор вихрей, активный элемент которого выполнен плоским и закреплен на стерже, отличающееся тем, что стержень генератора вихрей с активным элементом установлен на заднем торце кузова транспортного средства с возможностью формирования в пространстве между задним торцом кузова и активным элементом вихревого воздушного течения максимальной интенсивности.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что активный элемент генератора вихрей выполнен в виде прямоугольника, одна сторона которого, перпендикулярная продольной плоскости симметрии транспортного средства, равне 0,7 горизонтального габаритного размера кузова, а другая 0,7 вертикального габаритного размера кузова, при этом плоскость активного элемента генератора вихрей расположена от заднего торца кузова в пределах 0,4 до 0,45 вертикального размера кузова.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7