Развитие аэродинамической формы кузова

Создатели первых автомобилей словно забыли о сопротивлении воздуха, придав им высокую, угловатую, ступенчатую форму. Спохватившись в началеXX века, конструкторы гоночных автомо­билей стали делать машины низкими и узкими. Затем в 1920-е годы, используя формы рыб и птиц, стали сглаживать и скруглять поверхности кузова, освободили их от выступающих фонарей. Автомобиль получил клиновидный радиатор, длинные «хвосты» и брызговики-крылья, соединенные с подножкой, косо поставленное переднее стекло, закрытые накладными глад­кими дисками спицы колес и боковые стенки. Но обычные автомобили продолжали сохра­нять свою каретную форму, пока не приблизились к скорости 100 км/ч, затрачивая на сопротивление воздуха до 75% мощности двига­теля.

В начале 1920-х годов значение обтекаемости для авто­мобиля оценили немецкие авиаконструкторы Пауль Ярай и Эдмунд Румплер, проведя ряд опытов в аэродинамических трубах: чем больший путь совершают потревоженные движением автомобиля частицы воздуха, тем больше трение между ними и расход мощности. Если движение частиц плавное, трение сравнительно невелико. Когда же частицы наталкиваются на неровности, проваливаются в углуб­ления, то происходит завихрение воздушного потока и трение частиц возрастает. Идеально обтекаемая форма в виде сигары, применимая к самолетам, торпедам, ре­кордным автомобилям, для обычного автомобиля неподходящая: выступают колеса, невоз­можно выдержать пропорцию длины и попе­речника, зависящую от комплекции людей.

Для придания автомобилю каплевидной пропорции (диаметр капли отно­сится к ее длине как 1:6) требуется вдвое-втрое удлинить его. Румплер утверждал, что главное - на­править воздух по бокам автомобиля. На основе этой теории в начале 1920-х годов Румплер придавал своим авто­мобилям форму лодки с почти прямоугольным профилем (см. рис. 6).

Рис. 6. «Rumpler 10/30» 1923 года: 1 - двигатель, 2 - коробка передач,

3 - запасные колеса

Пауль Ярай уже не копировал каплю: строившиеся в 1930-е годы по его патентам автомобильные кузова были «хвостатыми» - задняя часть ку­зова сужалась, линия крыши плавно опускалась вниз, переходя в длинный и плоский «утиный хвост». Кузов состоял из основания и надстройки; основанию придавался профиль сигары и скруг­ленные прямоугольные очертания в плане, а надстройка делалась покатой.

Обе теории бурно обсуждались, но до проверки их на серийном автомобиле дело не доходило. Опытные машины Ярая и Румплера считали некрасивыми и сложными в производстве, отвергали из-за их необычности. Каплевидные кузова эпизодически строили для спортивных автомобилей, доказывая преиму­щество аэродинамической формы. Постепенное округление формы кузовов по воле моды и благодаря успехам в прессовом деле приблизило в 1930-х годах форму обычных автомобилей к обте­каемой.

Серийный автомобиль в Европе первым облек в аэродинамические формы Ганс Ледвинка (Hans Ledwinka), скон­струировавший в 1937 году автомобиль «Tatra-77», каплевидная форма которого отлично сочеталась с заднемоторной компоновкой. Автомобиль массой 2 т и мощностью 8-цилиндрового 3-литрового двигателя 75 л.с. развивал скорость до 160 км/ч, расходуя 14 л топлива на 100 км пути (аналогич­ные автомобили развивали максимум 120 - 130 км/ч при расходе бензина 17 - 18 л на 100 км).

Ледвинка разместил двигатель и коробку перемены передач по раз­ные стороны заднего моста, двигатель облегчил и укоротил, расположив цилиндры в два ряда и применив воздушноеихохлаждение. На ведущие колеса приходилось около 60% нагрузки, характерной для автомобилей клас­сической схемы. Низкий кузов, утопленные в нем и закрытые боковыми щитками задние колеса, трехгранное ветровое стекло, плавно переходящие в поверхность дверей передние крылья, короткий пологий капот, вертикальное ребро-киль над задней частью кузова резко отличали «Tatra» от других автомобилей.

Киль «Tatra» приводил к недостаточной устойчивости на высоких скоростях из-за сдви­нутой вперед массы кузова. Но это не беспокоило конструкторов, при­менявших схему «Tatra» на менее быстроходных автомобилях, увидевших относительное сокращение длины, высоты и массы машины. «Аэродинамические Татры» производились до середины 1950-х годов.

Были и другие попытки построить обтекае­мые автомобили с двигателем сзади: Шлер (Германия) снаб­дил «Mеrcedes» кузовом, похожим на панцирь черепахи, а «Dubbonet» (Франция) придал машине форму рыбы. В обоих случаях место водителя находилось в носовой части кузова. Автомобиль «Dubbonet» достигал скорости 175 км/ч и расходовал на­много меньше топлива, чем «Ford» с тем же двигателем, раз­вивающий 130 км/ч.

Обтекаемые автомобили в основном создава­лись на основе классической компоновки за исключением «Rumpler» и «Tatra» моделей 77 и 87 (см. рис. 7). «Линия обтекания» увеличивала скорость автомобиля. Идеалом автоэстетики являлась машина с длинным передним капотом, продолговатыми крыльями, плавными закругленными линиями силуэта. Громоздкие 8-цилиндровые рядные двигатели вполне отвечали гармоническим представлениям тех времен.

Рис. 7. Автомобили «Tatra-87» (слева) и «Chrysler Airflow» (справа): 1 - двигатель, 2 - коробка передач, 3 - колеса, 4 - бак для топлива, 5 - киль стабилизатора, 6 - гипоидная передача, 7 - несущий каркас кузова, 8 - независимая подвеска

«Chrysler Airflow» («воздушный поток») 1934 года (см. рис. 7), спроектированный Бюрингом, отличен от привычных форм автомобиля того времени, имеет широкий, короткий, покатый капот, наклонную заднюю стенку, поставленные под углом V-образные стекла спереди и сзади, сдвинутый вперед пассажирский салон и уменьшенный по высоте кузов. Такая форма стала возмож­ной с появлением компактных двигателей, которые можно сместить вперед, применением гипоидной главной передачи, несущей конструкции кузова (впервые на «Lancia Lambda» в 1922 году) и независимой подвески передних колес, что привело к оптимальному использованию пространства и созданию более комфортных сидений.

Появление гипоидной главной передачи объясняется следующим образом. Когда сиденья оказались перед задним мостом, конструкторам захотелось понизить их, но в пол кузова врезался высокий тоннель для карданного вала, для понижения которого сместили вниз ведущую шестерню главной передачи заднего моста. Переход от классического шасси к безрамным самонесущим кузовам значительно упростил и удешевил конструкцию автомобиля и позволил осуществлять серийный выпуск.

Все же автомобили 1930-х годов не были по-настоящему обтекаемыми: скат крыши был слишком крутым, поэтому поток воздуха рано отрывался от поверхности кузова, создавая завихрения. При этом снижение и сужение «хвос­та» делало заднюю часть кузова тесной.

Основой современной аэродинамики автомо­бильного кузова стало открытие профессора Вунибальда Камма (W.Kamm). В 1938 году были построены опытные образцы обтекаемых кузовов, которые как будто следовали идеям Румплера о каплеобразной форме, но с радикальным отличием: Камм отре­зал мешавший конструк­торам и потребителям «хвост». Оказа­лось, что кузов с вертикальной задней стенкой обладает не худшими аэродинамическими качествами и более пригод­ен для массового серийного автомо­биля.

Каммовская форма напоминает обрезанную с концов сигару, приближенной к фор­ме идеально обтекаемого тела в его средней части. Воздух незначительно завихряется спереди и сзади, но плавно об­текает большую часть «сигары». Внутреннее помещение имеет достаточный объем при умеренной длине кузова. Развитие идей Камма привело к форме двух­объемных кузовов.

Аэродинамическое сопротивление, зависящее в первую очередь от лобовой площади автомобиля, обычно становится значимым фактором при скорости более 48 км/ч, приводя к большей потребной мощности двигателя и соответственно расходу топлива на преодоление аэродинамического сопротивления. В 1950-х годах большое количество автомобилей имело аэродинамический коэффициент сопротивления С_w = 0,5.

Создателем моды на низ­кий С_w был «Audi 100» 1982 года, который достиг С_w = 0,28, став образцом для более поздних проектов. Однако значение С_w указывалось при рекламировании автомобилей без достаточной проверки и ана­лиза: можно было купить роскошную версию автомобиля с рекламируемым С_w = 0,28, имея фактически С_w = 0,32. Вскоре интерес к числу С_w стал уменьшать­ся и достиг минимума (0,26) с появлением в 1990 году серий­ного автомобиля «Opel Calibra» (опытные образцы и концептуальные автомобили достигают значений С_w даже ниже 0,2).

Уменьшение коэффициента обтекаемости ниже некоторого предела приводит к дополнитель­ным затратам на производство, уменьшению комфорта и удобства: низкой посадке водителя, сложности посадки в автомобиль, опасности повреждения кузова на стоянке и при маневрировании, проблемам об­служивания.

Поэтому аэроди­намические улучшения на автомобилях (герметичные передние свесы и гладкие поддоны, вклеенные стекла, обтекаемые внешние зеркала, контроль внутреннего охлаждения и потоков вен­тиляции) будут развиваться дальше, но основное развитие аэродинамики автомобиля сконцентрируется на улучшении устойчивости и достижении минимальной подъ­емной силы без увеличения сопротивления.