В Формуле 1 эффективность аэродинамики имеет решающее влияние на результат, но создаваемая машиной прижимная сила зависит от нескольких факторов. О них, а также о предстоящих изменениях в регламенте, на страницах британского F1 Racing говорил глава технического департамента Williams Пэт Симондс...
Когда инженеры говорят о прижимной силе или лобовом сопротивлении, они стараются исключить влияние внешних условий. Прижимная сила на скорости за 320 км/ч будет варьироваться в теплый день, когда плотность воздуха низкая, и в холодную погоду, когда плотность значительно выше. Пилоты самолетов знают об этом и корректируют скорость отрыва от взлетно-посадочной полосы, ведь и подъемная сила крыла меняется в зависимости от температуры и давления воздуха.
Чтобы устранить неопределенность, инженеры выражают прижимную силу с помощью так называемого «коэффициента подъема». В случае с прижимной силой - когда крыло направлено вниз - он имеет отрицательное значение. Этот коэффициент, помноженный на плотность воздуха, квадрат скорости и условную площадь, позволяет вычислить значение прижимной силы. Под условной площадью, как правило, понимают площадь лобового сечения машины, многие команды считают её равной 1,5 кв.м., но жестких рамок нет, потому расчет коэффициента подъёма в разных случаях может отличаться.
Предположим, машина имеет коэффициент подъема -3,5. За счет работы в аэродинамической трубе можно улучшить его на сотые доли. Для удобства специалисты по аэродинамике называют значение, равное 0,01, пунктом. Таким образом, при повышении прижимной силы на один пункт значение коэффициента изменится с -3,5 до -3,51. Но добиться даже такого эффекта настолько сложно, что речь обычно идет о тысячных, и каждую такую долю именуют единицей.
Эффект от прогресса в один пункт может варьироваться от трассы к трассе, но повышение коэффициента на 3 пункта позволяет сбросить примерно одну десятую на круге. Учитывая плотность результатов, это может стать решающим фактором.
Создаваемая машиной прижимная сила зависит от величины дорожного просвета, угла установки колес, силы потока выхлопных газов и других факторов. Чтобы оценить взаимное влияние, инженеры изображают их на специальном графике, где по осям размещены, например, величины дорожного просвета на передней и задней осях, а точки показывают уровень прижимной силы.
Форма графика столь же важна в работе над скоростью, как описанные коэффициенты, специалисты по аэродинамике стараются свести её к максимально плавной линии – это позволяет настроить машину таким образом, чтобы при определённой скорости и величине дорожного просвета обеспечить заранее рассчитанное значение прижимной силы. Если форма графика далека от идеальной, подобрать настройки крайне сложно, как и управлять машиной на трассе.
В 2014 году параметры аэродинамического обвеса сильно изменятся. В частности, ширина переднего антикрыла уменьшится с 1800 до 1650 мм, а инженерам придется разместить носовой обтекатель ниже, чтобы гарантировать большую безопасность в случае происшествий.
Аэродинамические элементы машины должны работать, как единое целое, но ключевым остается переднее антикрыло. Когда в 2009 году ширина антикрыла была увеличена, инженерам потребовалось немало времени, чтобы оптимизировать воздушный поток. В результате на антикрыле появились торцевые пластины сложной формы. Теперь края крыла будут смещены к центру машины, на них иначе повлияет вращение передних колес – оптимизацию придётся начинать заново.
В задней части машины сейчас можно увидеть небольшое крыло, обеспечивающее связь воздушного потока, проходящего над машиной, и потока, отводимого от диффузора. В 2014 году этого элемента не будет, и общая эффективность аэродинамики существенно снизится.
Изменится и расположение выхлопа: единственное выхлопное отверстие разместят над коробкой передач, и оно не сможет обеспечить столь значительный эффект, какой создается выхлопной системой сейчас. Если учесть, что верхняя плоскость заднего антикрыла тоже потеряет в площади, уровень прижимной силы снизится и спереди, и сзади.
Сложно сказать, к какой потере в скорости это приведет. Когда новую аэродинамическую спецификацию впервые протестировали в аэродинамической трубе, она оказалась на 30% менее эффективной – и это без выхлопной системы, которая сейчас очень помогает. С тех пор инженерам удалось добиться определенного прогресса, но в начале года мы всё равно увидим существенное снижение скорости.
Возврат к сегодняшнему уровню аэродинамической эффективности с машиной 2014 года потребует времени, но инженеры Формулы 1 весьма изобретательны. В 2009 году изменения в правилах преследовали цель замедлить прогресс, однако неоднозначное толкование правил позволило внедрить двойные диффузоры и добиться гораздо большего эффекта. Ждет ли нас такой же прорыв в 2014-м? Поживем – увидим.
Первые модели с улучшенной аэродинамикой сделаны в форме капли - она и обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Поговорим об аэродинамике автомобиля и узнаем что такое коэффициент Сх и на что он влияет.
Основные факты аэродинамики
Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, - снижение лобового аэродинамического сопротивления. C ростом скорости увеличивается и сопротивление воздуха. Когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Для примера, автомобилю массой 2 тонны при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 180 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы только на это - 310 л.с.Коэффициент Cx определяется экспериментально . Он главная величина, которая описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины. Как потом выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной ее Cx равен примерно 1,2. Самый низкий Cx у капли - примерно 0,05.
При нормальной эксплуатации авто важнее всего сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива . Снизить его можно двумя способами: улучшить форму (снизить Cx) или уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми все еще сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра. Зато влияние они оказывают небольшое.
Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент - аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные автомобили обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова автомобиля.
Удалось достигнуть многого: у большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,26-0,27. Он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова. Приведенные значения - идеал, которого может достичь данная модель.
Прижимная и подъемная силы
Низкое лобовое сопротивление иногда не важно. Болиды "Формулы-1" имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колеса. Но дело не в этом. Для них важнее другие параметры и прежде всего - прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колес с дорогой и устойчивость в повороте.Для гоночных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья.
Чаще всего для снижения подъемной силы используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление в этой зоне, так что машина присасывается к дороге. Спойлер на крышке багажника ставят для организации срыва воздушного потока до того, как он начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А вот антикрыло работает на создание прижимной силы.
Заметный эффект они создают при скорости 120 км/ч и выше. При этом надо иметь в виду, что работающий на создание прижимной силы воздух создает заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом будет ниже, а расход топлива - больше.
Говоря о воздействии воздуха на движущийся автомобиль, мы упоминаем статическое и динамическое давление. Что же это такое?
Для наглядности представим прямую трубу, по которой течет газ. Его молекулы, несмотря на общее конечное направление движения, имеют хаотичную траекторию и постоянно сталкиваются друг с другом и внутренностью трубы. Эти микроудары о трубу и создают давление, которое называется статическим. Так, например, воздух давит на параллельные потоку поверхности движущегося автомобиля.
А теперь представим, что в некотором месте труба изгонута. В этой точке давление на стенку трубы будет выше, ведь здесь направление движения меняет уже весь поток, и удары молекул о стенку становятся гораздо интенсивнее. Эта добавочная величина – динамическое давление или скоростной напор. В случае с автомобилем оно проявляется, например, при обтекании воздухом лобового стекла, то есть непараллельной потоку поверхности.
Наиболее же примечательной является зависимость между динамическим и статическим давлением, устанавливаемая законом Бернулли: при возрастании скорости потока его динамическое давление увеличивается, а статическое падает. На этом принципе и основана работа крыла, а, соответственно, и многих других аэродинамических элементов.
Анатолий ШМЕЛЕВ
Сколько нужно устанавливать прижимных ремней – вот вопрос, с которым сталкиваются многие водители европейских стран, перед тем как закрепить груз. В настоящее время в европейских странах действуют различные стандарты крепления. Определение количества требуемых прижимных ремней является основным вопросом, который смущает международных перевозчиков. Водитель грузовика, пересекающего территории стран Европы, очень часто опасается, что контролирующие органы этой страны или грузоотправитель потребуют установить большее количество ремней и/или единиц другого оборудования, чем имеется у данного водителя. Другой вопрос - требования каких стандартов будут предъявлены к уже установленным средствам крепления.
Крепление прижимом является наиболее часто используемым методом использования крепежных ремней, часто так и называемых прижимными ремнями, но эффективность данного метода должна быть определена при каждой транспортировке.
Любой водитель, который обучался в средней школе, знает о существовании трения между различными телами и о наличии инерционных ускорений при транспортировании. Более того, все опрошенные нами водители знают о том, что сила натяжения прижимного ремня меньше со стороны, противоположной нахождению натяжного элемента.
Именно эти вопросы и являются главными спорными позициями, которые вызывают противоречия между существующими руководствами по креплению грузов:
Европейский стандарт EN 12195-1 “Устройства крепления груза на автомобилях. Часть 1: Расчет сил крепления” (2003 г.);
- Руководство по укладке грузов в грузовые транспортные единицы (ГТЕ) (Руководство IMO/ILO/UN ECE).
Споры были инициированы многими экспертами рабочей группы Европейской комиссии во время работы над Европейскими руководствами по креплению грузов на дорожном транспорте (Best practice guidelines on cargo securing for road transport). В конечном итоге дискуссии привели к необходимости ревизии Европейского стандарта EN 12195-1 2003 г. с последующим пересмотром некоторых его положений. Этот стандарт применяется в Европейском сообществе, но не в обязательном порядке для стран-членов сообщества. Во многих странах он все-таки принят на добровольных началах. Дискуссии экспертов показали, что стандарт утверждает чрезмерно высокие и дорогостоящие требования к креплению грузов, в особенности когда это касается прижимных креплений. В результате стандарт был отозван для пересмотра некоторых его положений.
Главные различия между базисными принципами двух руководств:
1. Коэффициент трения (покоя или скольжения);
2. Передаточный фактор k (k-factor). Передаточный фактор был всегда одним из главных вопросов во время дискуссий. Стандарт определяет передаточный фактор как "коэффициент, который определяет потерю натяжения прижимного крепления из-за трения между креплением и грузом".
3. Боковые коэффициенты ускорений;
4. Учет трения между рядами груза.
Каждое указанное положение в стандарте EN 12195-1 вызывает значительное увеличение требуемого количества прижимных креплений по сравнению с руководством IMO/ILO/UN ECE, что по мнению многих экспертов приводит к увеличению стоимости перевозки и количества времени, затраченного на крепление.
90 % представителей российских и белорусских транспортных компаний, опрошенных нами, заявили, что у них в компании используют средства для крепления грузов (82 % из которых – ремни), 85 % опрошенных знают о существовании только одного способа крепления – крепления прижимом (данные опроса приведены ниже).
Но, увы, некоторые наши водители, используя прижимные ремни, очень похожи на мартышку из басни Ивана Крылова «Мартышка и очки»: «То к темю их прижмет, то их на хвост нанижет».
Ниже мы рассмотрим принцип действия прижимных креплений.
Когда на незакрепленный груз в кузове транспортного средства действует смещающая инерционная сила, то единственная сила, которая препятствует смещению, это сила трения. Груз начнет смещение, когда инерционная сила будет больше, чем сила трения.
Мы имеем два пути решения задачи крепления груза:
1. Увеличение силы трения;
2. Использование системы креплений, компенсирующей смещающую инерционную силу.
Действующие на груз максимальные инерционные силы оговариваются в стандартах. Чаще всего стандарты регламентируют коэффициенты ускорения инерционных сил, действующих в трех направлениях – продольном, поперечном и вертикальном. Таким образом, максимальное ускорение будет равно ускорению свободного падения G, умноженному на соответствующий коэффициент.
Коэффициенты ускорения инерционных сил при перевозке по автомобильным дорогам:
согласно Руководству IMO/ILO/UN ECE:
Величина инерционной силы рассчитывается по формуле:
где
FM - инерционная сила;
Cx,y,z - соответствующий коэффициент ускорения инерционных сил;
FG - вес груза, т. е. масса груза, умноженная на ускорение свободного падения.
Величина силы трения рассчитывается по формуле:
где
FR - cила трения;
? - коэффициент трения;
N - сила реакции опоры.
Следовательно, чтобы груз остался неподвижным при экстренном торможении или при повороте, необходимо выполнить следующее уравнение:
FM - FR = 0 или FM - FR
СX,Y FG - ? N = 0 или СX,Y FG = ? N
Чтобы увеличить силу реакцию опоры N без увеличения массы, необходимо дополнительное прижимание груза к платформе. Когда груз ничем не прижат, сила реакции опоры N равна весу груза FG. Когда появляется дополнительная прижимающая сила FV, сила реакции опоры равна сумме веса FG и дополнительной прижимающей силы FV.
Это и есть основная задача прижимного ремня – увеличить силу прижима и, как следствие, силу реакции опоры и соответственно силу трения.
Можно даже сравнить действие прижимных ремней с действием гигантской струбцины, прижимающей груз к поверхности грузовой площадки.
Основной вопрос: на какую величину увеличится сила трения от использования одного ремня и сколько необходимо ремней, чтобы груз остался неподвижным?
Итак, чтобы груз остался неподвижным при экстренном торможении, его необходимо прижать с дополнительным усилием, вычисленным по формуле:
сX,Y FG = ? (FG + FV),
где FV - требуемая дополнительная прижимная сила.
При использовании прижимных креплений прижимная сила является результирующей силой, развиваемой натяжным устройством с двух сторон груза, которая складывается из сил натяжения прижимных креплений.
Согласно Руководству IMO/ILO/UN ECE в продольном направлении действует ускорение с коэффициентом Cx = 1,0
При перевозке груза весом 10000 daN, коэффициенте трения 0,3 необходим дополнительный прижим 23333 daN
Однако многие, глядя на значок на маркировке прижимного ремня и соседствующие рядом с ним цифры, указывающие на удвоенную рабочую нагрузку, полагают, что именно такой вес удерживает один прижимной ремень. Так, например, посмотрев на маркировку ремня, кто-то подумает, что для закрепления грузовой единицы весом 10000 daN достаточно использовать два ремня с рабочей нагрузкой 2500 daN (при двойном складывании 5000 daN), но это глубокое заблуждение. Напомним, что при расчете прижимного усилия используется совершенно другая характеристика ремня STF – сила натяжения ремня, которую обеспечивает натяжной механизм, она по стандарту EN 12195-2 должна быть обязательно указана на маркировке ремня
Произведя простейшее вычисление с использованием двойного значения натяжения 500 х 2 =1000 daN получаем результат: для закрепления груза весом 10000 daN в продольном направлении необходимо 23,3 (24) прижимных ремня!
Согласно Руководству IMO/ILO/UN ECE в поперечном направлении действует ускорение с коэффициентом Cy = 0,5.
Чтобы груз остался неподвижным при повороте, его необходимо прижать с дополнительным усилием, вычисленным по формуле:
Применяя ремни с STF = 500 daN, получаем, что необходимо 7 ремней.
Расчеты показали, что от бокового смещения необходимо 7 прижимных ремней, а от продольного – 24 ремня c STF 500 daN.
Что делать, когда в кузове всего 24 точки крепления для закрепления всего 12 ремней?
Решения следующие:
1. Увеличение коэффициента трения путем подкладки материалов с повышенным коэффициентом трения. Резиновый коврик с коэффициентом трения 0,6 кардинально меняет ситуацию. Теперь от смещения вперед требуется всего семь ремней, от бокового смещения крепление не требуется;
2. Блокирование груза от смещения вперед, установкой его вплотную к передней стенке кузова также снижает требуемое количество ремней до семи;
3. Отказ от крепления прижимом и использование ремней, заведенных другими способами.
Все вышеуказанные расчеты верны только в случае, еcли вертикальный угол крепления равен 90o, что бывает крайне редко. В большинстве случаев вертикальный угол крепления меньше 90o.
Диаграмма показывает, что прижимные ремни наиболее эффективны при вертикальном угле 75 - 90o. Из формулы и диаграммы следует, что для достижения равного прижимного усилия при вертикальном угле 30o требуется вдвое больше прижимных креплений, чем при угле 90o.
Но что же мы имеем в реальной жизни?
Увы, в действительности представления наших перевозчиков о необходимости и правильности крепления грузов весьма условны. За примерами далеко ходить не надо: остановив девять машин из десяти, мы легко убедимся в недостаточности или неправильности крепления перевозимого груза, а то и вовсе в отсутствии крепления.
Приведу яркий пример недостаточности крепления прижимом. Урал. Зима. Оборудование весом 10 т установлено прямо на деревянный настил полуприцепа (Фото 1). Для предотвращения смещения вперед установлены брусья, которые упираются в передний борт. Казалось бы, семи прижимных ремней с прижимным усилием 500 daN вполне достаточно, чтобы груз остался неподвижным при повороте и даже при экстренном торможении.
Но это только на первый взгляд. Потому что деревянный настил полуприцепа покрыт льдом и снегом (напомню, что коэффициент трения при таянии снега достигает мизерной величины - 0,1). Есть и другие «отягчающие обстоятельства»: ремни неизвестного производителя с отсутствием маркировки. Точек крепления соответствующей рабочей нагрузки не обнаружено. И самое главное: ремни заведены через борта, они обжимают борта вместо того, чтобы прижимать груз к настилу.
Итог перевозки груза с таким креплением ожидаем, но надеемся, что нашему водителю все опасности известны и он был осторожен. После того, как мы ему рассказали, что произойдет, он установил отрезки брусьев по бортам, которые, по его мнению, ограничат смещение груза.
Возьмем другой пример. Даже сейчас, в условиях обширного кризиса в экономике, строительные работы в России продолжаются, хотя и не такими темпами, как в прежние годы. Соответственно, осуществляются перевозки бетонных конструкций. Перевозка ЖБИ сопряжена с особым риском: высока масса этих изделий, центр их тяжести надо определять в каждом индивидуальном случае. И, разумеется, крепление и сама перевозка такого груза требуют особой тщательности. Фото 2 и 3 я сделал в дороге, они не были связаны на тот момент ни с какими происшествиями, но совершенно очевидно, что в обоих случаях крепление перевозимых железобетонных изделий недостаточно, при любой нештатной ситуации, которыми изобилует любая перевозка (экстренное торможение, резкое движение рулем, позволяющее уйти от возможного столкновения), это крепление не обеспечит неподвижность груза, и в лучшем случае все может обойтись без человеческих жертв. А может и не обойтись…
Впрочем, потери при неправильном креплении груза бывают и просто материальными. И такие потери тоже не приводят в восторг грузовладельцев. Приведу пример. Перевозчик безграмотно использовал прижимные ремни – в результате грузополучатель получил груду металлолома: груз безнадежно испорчен.
Для российских автоперевозчиков безобразное состояние дорожного полотна уже давно стало банальной прозой жизни. Тем не менее мы продолжаемся удивляться вполне закономерным вещам. Езда по такой дороге неизбежно связана с повышенной вибрацией, от этого не спасает никакая суперсовременная подвеска полуприцепов. При недостаточном прижиме груз отрывается от настила, уменьшая коэффициент до 0. Закономерный итог: смещение груза - кювет…
Вот еще один пример. Кто-то вложил труд, чтобы вырастить дерево, кто-то – чтобы его спились и разделать, кто-то превратил его в деловую древесину. И на каждом этапе были затрачены труд и деньги. На пути к грузополучателю водитель стянул каждый пакет одним прижимным ремнем вместо трех. Результат – на дороге…
Что далеко ходить, поезжайте на Московскую кольцевую автодорогу и сами убедитесь, что крепление грузов в России – не наука и не закон, а просто блажь… Несколько минут езды – и кадры готовы: эти грузы вообще не закреплены. И вы спокойно едете рядом – просто потому, что не задумываетесь, чем это чревато…
При движении автомобиля торможение и ускорение создаются в области контакта между шиной и дорогой, поэтому сильно зависят от вертикальной силы, приложенной на колеса, а также ограничиваются некоторым максимальным коэффициентом трения. Если бы мы смогли каким-то образом увеличить нормальную силу, действующую на колесо, а также максимальное значение коэффициента трения, то боковая сила, возникающая при повороте, также увеличилась бы без потери устойчивости автомобиля. Одним из способов увеличить нормальную силу является увеличение веса автомобиля, но естественно это не самый удачный способ, поскольку это повлияет на его боковую силу в пропорциональном отношении. Следовательно, не удастся улучшить скорость прохождения поворотов, а также автомобиль будет тяжелее.
Для увеличения нормальной силы можно использовать аэродинамическую прижимную силу, причем без добавления дополнительного веса, что позволяет увеличить скорость прохождения поворотов и соответственно уменьшить время прохождения круга. Этот эффект был применен аэродинамиками только в середине 1960-х годов.
С тех пор технологии ушли далеко вперед. Существенно были улучшены аэродинамические аспекты, характеристики двигателя, качество шин, шасси и т.д. Большая часть этих улучшений в различных дисциплинах приводила к улучшению производительности, увеличению максимальной скорости, увеличению скорости в поворотах и соответственно к уменьшению времени прохождения круга. Этот тренд можно продемонстрировать на рисунке зависимости максимальной скорости при прохождении круга с течением времени. С 1950 года можно наблюдать резкое увеличение наклона кривой, что частично может быть связано с проведением аэродинамического эксперимента. Также это связано и с развитием технологий в шинной индустрии.Самый большой скачок в скорости произошел в 1972 году в связи с установкой передних и задних антикрыльев. Интересно, что контролирующие организации сразу же отметили сильное влияние аэродинамики на увеличение скорости, и для уменьшения скорости вводились различные ограничения на использование аэродинамических поверхностей, таких как антикрыльев.
Несмотря на все ограничения, максимальная скорость на круге продолжала расти. В конечном итоге, скорость практически перестает расти и находится в пределах от 365 до 385 км/ч. По-видимому, это связано с недостаточным временем реакции человеческого организма для того, чтобы контролировать ситуацию на дороге, а также с введенными ограничениями для того, чтобы не выходить за эти пределы.
Как было отмечено, одно из самых важных преимуществ аэродинамической прижимной силы является увеличение скорости автомобиля при повороте. Для того, чтобы продемонстрировать этот тренд, давайте рассмотрим две кривые.
Если бы улучшения проводились только в технологии производства шин без каких-либо дополнительных несущих поверхностей, то увеличение скорости при повороте двигалось бы по непрерывной синей линии. Пунктирная красная линия представляет собой тренды в производительности современных гоночных автомобилей. Именно за счет использования антикрыльев удалось существенно улучшить эффективность при прохождении поворота. Этот тренд был усилен в конце 1970-х годов за счет использования экранного эффекта, который использовал сам кузов автомобиля для создания дополнительной прижимной силы.
Кроме этого, за счет более улучшенной аэродинамики автомобиль стал намного более устойчивым и управляемым, также сильно улучшилось торможение при больших скоростях, что снова поспособствовало уменьшению времени на круг. Необходимо также отметить, что добавление дополнительных аэродинамических поверхностей увеличивает сопротивление автомобиля, уменьшая максимальную скорость движения по прямой, поэтому для каждой конкретной гонки соотношение прижимной силы и силы сопротивления должно быть тщательным образом подобрано. Уменьшение сопротивления является главной проблемой только для автомобилей, целью которых является достижение максимальной скорости по прямой, а также обычных повседневных автомобилей, для которых важна топливная экономичность.