Статья с канала «DL24 | История авто» на яндекс-дзене.
Существует мнение, что как минимум до середины семидесятых годов исследованиями в области аэродинамики серийных автомобилей не занимались. Ну, или во всяком случае — занимались, но не у нас. На самом деле это не так, но есть, как обычно, нюанс: «те» исследования и современные, проводящиеся в большой аэродинамической трубе на натурном автомобиле — это, как говорится, «две большие разницы».
В чём конкретно заключались отличия и что именно представляло интерес для исследователей в те годы — сейчас увидим на примере двух статей в журнале «Автомобильная промышленность» шестидесятых годов: в №12 за 1967 год (стр. 12-14) и в №3 за 1969 год (стр. 15-17).
Проводились исследования аэродинамики автомобилей на базе кафедры «Тракторы и автомобили» Горьковского сельскохозяйственного института. Немного странный выбор направления для сельхозинститута, но всё же шутки про «очень быстрые трактора» здесь вряд ли будут уместны: совершенно очевидно, что в городе Горьком основным заказчиком работ по данной тематике мог быть только Горьковский автозавод. И есть много свидетельств того, что на внешность «Волги» результаты этих исследований оказали очень большое влияние.
Целью исследований было не только определение коэффициентов аэродинамического сопротивления, но и построение спектров обтекания, то есть — определяемого при помощи наклеенных на поверхность кузова бумажных лент или пучков нитей характера потока воздуха вокруг различных его участков: ламинарного — плавного и упорядоченного, или турбулентного — с образованием вихрей, что создаёт дополнительное сопротивление. Также исследовалось распределение давления воздуха по поверхности кузова, что имело большое практическое значение при проектировании системы охлаждения, а также отопления и вентиляции кузова.
Аэродинамическая труба того же типа, как у использовавшейся в этих исследованиях
Аэродинамическая труба замкнутого типа с открытой рабочей частью имела диаметр 2250 мм, скорость потока воздуха составляла 36 м/с (130 км/ч) — величина, близкая к максимальным скоростям тогдашних советских автомобилей, на которой аэродинамические эффекты уже проявляются в полную силу. Продувке в такой трубе подвергались, естественно, не сами автомобили (для этого нужны трубы диаметром 8000…10000 мм и более), а их модели, выполненные из дерева, стеклопластика или пластилина в масштабе 1:5. При этом:
«Низ моделей представлял плоское днище, внутренние потоки отсутствовали, колеса закреплены неподвижно, мелкие детали не имитировались, поверхность моделей была тщательно отполирована.»
Иными словами — исследовались свойства идеализированной формы кузова автомобиля, а не самого по себе автомобиля. Это уже упоминалось в статье про аэродинамику «Победы» и исключительно важно для понимания полученных в ходе исследований цифр — они имеют совершенно иной порядок по сравнению с современными данными, полученными продувкой натурного автомобиля в большой аэродинамической трубе.
Модель подвешивалась проволочками к аэродинамическим весам, при помощи которых определялись величины воздействующих на неё усилий. Дорогу имитировал расположенный под моделью экран. Поверхность модели оклеивалась пучками шерстяных волокон (в других местах текста названных «нитками»), за характером колебаний которых наблюдали сбоку и сверху, делая фотографии и фиксируя всё на кинокамеру.
В первой статье описано исследование моделей четырёх автомобилей: ГАЗ-69 (назван УАЗ-69), УАЗ-469, ГАЗ-21 (М-21) и некоего «автомобиля улучшенной формы», видимо, спроектированной самими авторами эксперимента. Выводы по результатам продувок были следующими.
У кузова ГАЗ-21 «узким местом» с точки зрения аэродинамики оказался переход от лобового стекла к боковому остеклению, где из-за слишком резкого изгиба поверхности образовывались завихрения — пучок нитей, приклеенных к стойке, в потоке воздуха трясло как в лихорадке. Ещё одна зона завихрений образовывалась над крышкой багажника, куда был направлен восходящий ток воздуха с поверхности задних крыльев. Отделение вихря начиналось от нижней кромки заднего окна. Не очень хорошо сказывалась на обтекаемости и форма вырезов передних колёсных арок. Спектры обтекаемости были приведены на фотографиях, отражающих характер колебания пучков нитей, но к сожалению из-за качества печати и/или скана разобрать можно мало что; впрочем, хаотичное расположение ворсинок на крышке багажника всё же видно:
Зоны высокого давления (+) располагались перед облицовкой радиатора, лобовым стеклом и над задней частью капота. Над передними частями капота и крыши, напротив, образовывалось сильное разрежение (-), уменьшавшееся по мере продвижения назад. Эпюра давлений показана на рисунке:
Судя по всему, именно этой зоне низкого давления в районе установки накапотной фигуры мы обязаны эффекту «олень обосрался» — на высокой скорости туда «засасывало» взвешенную в воздухе воду и грязь, которые потом летели на лобовое стекло
Коэффициент аэродинамического сопротивления модели при отсутствии бокового ветра составил Сх=0,325. При наличии бокового ветра обтекаемость ухудшалась на 4,3%. Для сравнения — полученный на современном оборудовании для настоящего автомобиля ГАЗ-21 Сх=0,497. Но, повторюсь, цели получения значения Сх для натурного автомобиля и не ставилось — изучались особенности обтекания общей формы его кузова и пути её совершенствования.
Автомобиль с улучшенной формой кузова наиболее принципиально отличался от ГАЗ-21 задней частью — она была выполнена с очень плавным переходом от крыши к крышке багажника, благодаря чему в этой части кузова практически не наблюдалось отделения вихрей. Была улучшена и форма перехода от лобового стекла к боковому остеклению. Увы, фотография крайне нечёткая, по сути на ней видны лишь общие обводы кузова:
При отсутствии бокового ветра для этой модели был получен Сх=0,260.
Что касается ГАЗ-69 и ГАЗ-469, то их исследовали без особого пристрастия, видимо, и так понимая, что с этими «кирпичами» о хорошей обтекаемости говорить не приходится. В основном исследователей интересовало распределение давления воздуха по кузову.
У ГАЗ-69 зоны повышенного давления пришлись на переднюю часть кузова ниже кромки капота, заднюю часть капота перед самым лобовым стеклом и само лобовое стекло. Разрежение наблюдалось над передней частью крыши, задней частью кузова и под днищем. Обтекаемость даже у идеализированной модели оказалась очень плохой: Сх = 0,593.
У УАЗ-469 результаты по распределению давления практически совпали с ГАЗ-69, но над всей верхней частью капота и передней частью крыши наблюдалось небольшое разрежение, как и над задней частью кузова. Сх оказался равен 0,585 и сильно ухудшался при введении имитации бокового ветра.
В целом, исследователи были довольны обтекаемостью «Волги», хотя и считали что она может быть улучшена. А вот по внедорожникам выводы оказались неутешительны — из-за угловатой формы кузова с резкими переходами между поверхностями воздух оказывал движению этих автомобилей большое сопротивление. Для улучшения ситуации на УАЗ-469 предлагалось уменьшить наклон лобового стекла, ввести скруглённые переходы от облицовки радиатора к капоту и крыльям, от капота к лобовому стеклу и от лобового стекла к боковинам и крыше, а также придать боковинам кузова слегка выпуклую форму.
Вторая статья посвящена исследованию аэродинамики опытных образцов ГАЗ-24, её сравнению с текущей моделью и путям улучшения. Напомню, что первые варианты дизайна ГАЗ-24 весьма радикально отличались от того, что пошло в серию, отчасти они напоминали по стилю «Москвич-408»:
Только некоторые из вариантов, предложенных в 1961-1962 годах
Так как новый автомобиль был заметно более скоростным по сравнению с ГАЗ-21, его создатели проявили большой интерес к вопросу совершенствования обтекаемости, кроме того требовалось обеспечить хорошее охлаждение двигателя и улучшить вентиляцию салона.
Исследования проводились на том же оборудовании по той же методике, но скорости потока составляли 28,36 и 43,5 м/с (102 и 157 км/ч) — что примерно соответствовало типичной для тех лет скорости на междугородных шоссе и максимальной скорости нового автомобиля с самым мощным запланированным для него мотором.
а) ГАЗ-21; б) ГАЗ-24-1 — проект Льва Еремеева от 1962 года; в) ГАЗ-24-2; г) ГАЗ-24-3
Увы, но…
«сравнительные аэродинамические испытания кузова автомобиля ГАЗ-21 и первого варианта нового кузова [ГАЗ-24] показали увеличение коэффициента сопротивления воздуха на 57%.»
То есть — созданная дизайнерами форма кузова нового автомобиля с точки зрения аэродинамики оказалась чрезвычайно «топорной»:
Макет Л. Еремеева, положенный в основу продувочной модели ГАЗ-24-1. По нему в 1962-63 годах было построено несколько ходовых образцов с разными моторами, но уже тогда было понятно, что в серию он не пойдёт
Пришлось её «допиливать» — так появились варианты ГАЗ-24-2 и ГАЗ-24-3, отличавшиеся более плавными, «зализанными» формами кузова. ГАЗ-24-2 оказался чуть лучше по обтекаемости, но всё равно уступал по аэродинамике ГАЗ-21:
«При изготовлении последующих образцов был изменен угол наклона ветрового стекла, увеличены радиусы переходов к боковинам, ликвидирована большая впадина забора воздуха в радиатор. Проделанные изменения позволили снизить значение коэффициента, но все же он на 16% был выше, чем у автомобиля ГАЗ-21 «Волга».»
И лишь только после перехода на ГАЗ-24-3 от плоских боковых стёкол ко гнутым удалось достичь чуть лучшей обтекаемости, чем у предыдущей модели:
«Введение плавного сужения боковин в передней части, а также выполненные по сфере боковины, включая и стекла, позволили значительно снизить сопротивление воздуха у последних вариантов кузова. Коэффициент Сх … на 17% стал меньше, чем у автомобиля ГАЗ-21.»
Вариант ГАЗ-24-3 (примерно соответствующий по форме привычному облику серийной машины) был подвергнут более подробным исследованиям, с получением спектра обтекаемости и эпюр давления. Несмотря на неплохую по меркам того времени обтекаемость в целом, всё равно наблюдалось образование вихрей в районе стёкол передних дверей, над задним стеклом и крышкой багажника. Сделать с этим при сохранении общей формы кузова было практически ничего нельзя, хотя исследователи попытались улучшить ситуацию, «поигравшись» с формой передней части крыши и задней стойки.
Для этого была изготовлена пластилиновая модель, получившая обозначение ГАЗ-24-3П, в которую стали вносить изменения и смотреть, как они сказывались на обтекаемости (учитывая при этом, что пластилиновая модель из-за худшего качества поверхности имела заведомо более высокое сопротивление).
«Поскольку качество поверхности модели отличалось от пластмассового варианта, вначале модель ГАЗ-24-ЗП подвергалась продувке без изменения, а затем продувка была повторена трижды с изменениями формы в такой последовательности.
Первый вариант (ГАЗ-24-ЗП-1). Была изменена форма кузова только в передней части: увеличился наклон лобового стекла, переход лобового стекла у капота и крыши был выполнен по большему радиусу, более плавным был сделан переход от радиатора к боковинам в плане.
Второй вариант (ГАЗ-24-ЗП-2). Форма передней части осталась без изменения после переделки по первому варианту, а задняя часть была изменена: увеличен наклон заднего обзорного стекла, багажник имел сужающиеся в плане боковины.
Третий вариант (ГАЗ-24-ЗП-З). В передней части наклон капота был слегка увеличен, в задней части кузов имел плавно спадающую крышу.»
Иными словами — даже очень незначительные изменения в форме кузова приводили к довольно существенным изменениям в характере его обтекания. Вариант 3П-3 имел кузов типа «фастбэк», с крышкой багажника, плавно продолжающей крышу. Значительного улучшения обтекаемости по сравнению с 3П-2 с просто сильнее наклонённой задней стойкой крыши достичь за счёт этого не удалось, хотя обтекаемость этого варианта при наличии бокового ветра всё же оказалась заметно лучше.
Проводились и исследования распределения давления по поверхности кузова ГАЗ-24-3:
В общем — многие особенности формы кузова ГАЗ-24 объясняются ничем иным, как продувкой моделей этого автомобиля в аэродинамической трубе на этапе проектирования. При этом не ставилось задачи получения как можно более низкого коэффициента сопротивления — дизайн в те годы всё ещё доминировал над обтекаемостью, но считалось необходимым получить показатели, как минимум не уступающие предыдущей модели. Также полученные результаты были использованы при проектировании системы вентиляции, включая расположение вытяжных решёток на задних стойках крыши — в зоне стабильного разрежения.
Околофинальный вариант проекта Циколенко-Киреева, конец 1963 — начало 1964 года. Послужил прообразом для продувочной модели ГАЗ-24-3. Машина всё ещё более угловатая, чем серийный автомобиль — над её формой ещё будут работать, в том числе и по итогам продувок. В частности, станет более плавным переход от лобового стекла к крыше и измениться угол наклона заднего стекла. А вот аэродинамические щитки перед фарами придётся убрать
По воспоминаниям создателей автомобиля, при выборе между двумя предлагавшимися заводской художественной комиссии вариантами за авторством Л. Еремеева и тандема Циколенко — Киреев, именно лучшая аэродинамика второго варианта стала одним из решающих аргументов в его пользу. Упоминаются и другие аэродинамические исследования, заказанные заводом — например, для решения вопроса о том, не нарушит ли применённая на автомобиле решётка радиатора из мелких вертикальных прутьев («китовый ус») поток воздуха к радиатору (оказалось, что не нарушит).
Для чтения:
Е. В. Михайловский, Аэродинамика автомобиля — подробнее о целях и методиках аэродинамических испытаний в автомобилестроении тех лет.
источник: https://dzen.ru/a/YPDUPOfBCGCytTnd
