Проблемы эффективной работы аэродинамических элементов гоночных автомобилей

Транспорт

УДК 629.371.21

ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ГОНОЧНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

К. С. Хряков

Рассмотрено влияние вибраций антикрыла современного гоночного автомобиля на уровень генерируемой им прижимной силы. Описаны основные пути решения проблемы потери производительности аэродинамических элементов из-за негативного вибрационного воздействия.

Ключевые слова: гоночные автомобили, антикрыло, аэродинамические элементы, прижимная сила.

Автоспорт был, есть и будет главным испытательным полигоном всех нововведений и технических решений, применяемых в автомобильном транспорте [3]. Постоянная борьба на трассе, с разницей между победой и поражением в несколько десятых долей секунды, побуждает ведущих производителей гоночных автомобилей вкладывать колоссальные ресурсы в развитие и совершенствование своих машин.

Непрекращающаяся борьба за снижение веса приводит к внедрению в эксплуатацию узлов и деталей машин, изготовленных из материалов, применение которых еще несколько лет назад вызвало бы улыбку на лицах инженеров автомобильного транспорта. Магниевые сплавы для узлов двигателя, карбоновые элементы корпуса и аэродинамического обвеса машины - все это снижает вес автомобиля и позволяет ему ехать быстрее.

Требования автомобильного спорта стимулируют развитие новых технологий, изготовления новых материалов. Значительная доля составляющих элементов современного гоночного автомобиля изготовлена из разнообразных типов карбона, материала, который в несколько раз легче стали и при этом зачастую прочнее ее.

Из карбона изготавливается все, начиная от суперпрочного монокока, служащего защитой гонщика при аварии, заканчивая высокоэффективными тормозами, способными гасить скорость с 300 до 50 км/ч за несколько десятков метров, при этом разогреваясь до 800 - 1000 0С.

При всем широком спектре всевозможных гоночных серий, вершину кольцевого автоспорта по праву занимает Формула-1. Гоночная серия, в которой впервые были внедрены такие системы автомобилей, как: активная подвеска, система эффективного отбора мощности с двигателя и передачи его на колеса, антиблокировочная тормозная система [1, 4] и др.

Основной причиной благотворного влияния Формулы-1 и других высокотехнологичных кольцевых чемпионатов на развитие автомобильного транспорта в целом, является то, что основной задачей машины в этих гоночных сериях является не развитие максимально-рекордной скорости, а

193

прохождение сложного круга с разнообразными поворотами, за наименьшее время.

Из этого вытекает, что наилучшей машиной для таких гонок является машина, способная одинаково быстро ехать как на прямых участках трассы, так и в поворотах. Это значит, что машина должна хорошо разгоняться, эффективно тормозить, и сохранять наибольшую возможную скорость при повороте.

Однако быстрая езда в поворотах ограничивается коэффициентом сцепления шин с асфальтом. При слишком быстром вхождении в поворот резко увеличивается центробежная сила, стремящаяся выбросить машину из поворота. Если эта сила превысит силу трения между колесами и асфальтом, то машина заскользит в радиальном направлении от центра поворота, это приведет к потере скорости, и как следствие, к увеличению общего времени круга [3].

Несмотря на то, что ведущие мировые изготовители гоночных шин производят покрышки, способные «поглощать» значительную часть центробежной силы, это оказывается недостаточным, для того чтобы «удержать» машину на траектории.

Однако, в конце 60-х годов XX века, инженерам удалость найти универсальное средство, позволяющее сильнее прижать автомобиль к дороге и тем самым увеличить силу трения между колесами и асфальтом. Это средство заключается в применении всевозможных аэродинамических поверхностей, работающих по принципу перевернутого крыла [3].

В связи с этим вместо подъемной силы, удалось создать дополнительную прижимную силу, обеспечивающую увеличение сцепления автомобиля с дорогой.

На рисунке представлена круговая диаграмма производительности гоночных шин, определяющая максимальные инерционные нагрузки машины при ускорении, торможении и повороте, при которых автомобиль сохраняет сцепление с дорогой.

Так из рисунка видно, что применение прижимной силы позволяет отсрочить скольжение машины почти до того момента, пока инерционные нагрузки, действующие на машину при торможении и повороте не удвоятся. Такая значительная разница между вариантами с использованием прижимной силы и ее отсутствием, позволяет проходить повороты на значительно больших скоростях.

Такой значительный выигрыш в сцеплении с дорогой, побуждает ведущих производителей гоночных машин вкладывать огромные ресурсы для совершенствования аэродинамики своих автомобилей. Весь корпус современного гоночного автомобиля выполнен с целью увеличения прижимной силы. Переднее и заднее антикрыло, дефлекторы и стабилизаторы потока, даже днище машины имеет специальную форму [1, 3].

Транспорт У и

\ С использованием прижимной силы

Круговая диаграмма производительности гоночных шин

Однако все «новинки», продуваемые в аэродинамических трубах и элементы, разрабатываемые по результатам CFD-моделирования (от англ. Computational fluid dynamics - вычислительная гидродинамика), проектируются исходя из стационарных условий, применяемых как к воздушному потоку, так и к самому автомобилю [2, 3].

В реальных условиях, когда автомобиль движется по трассе, из-за неровности дорожного полотна, а также вибраций двигателя и трансмиссии, на некоторые аэродинамические элементы машины, генерирующие прижимную силу, передаются возмущающие колебания, которые понижают эффективность работы этих узлов. При этом турбулентные потоки воздуха и порывистый ветер также могут вызывать вибрации аэродинамических элементов.

Все это создает большую разницу между лабораторными и «реальными» условиями эксплуатации, что пагубно влияет на уровень генерируемой прижимной силы. При этом метод с учетом вибраций в виде понижающего коэффициента не приемлем в этой области машиностроения, так как в остальных вопросах на разработку и модернизацию отдельных элементов уходят значительные материальные ресурсы.

Становится очевидным, что большой практический интерес представляет изучение степени влияния вибраций аэродинамических элементов на уровень генерации прижимной силы еще на стадии проектирования того или иного элемента. В условиях жесточайшей конкуренции на трассе актуально проектировать антикрылья автомобилей с формами, способны-

195

ми не только создавать максимальную прижимную силу при небольших значениях силы сопротивления движению от трения воздушного потока в аэродинамической трубе, но и сохранять эти показатели в реальных условиях эксплуатации.

Поэтому особое внимание следует уделить вопросам взаимодействия воздушного потока с собственными колебаниями конструкции антикрыла гоночного автомобиля. Однако описание таких взаимодействий -сложна задача, так как с одной стороны она предусматривает использование вычислительной гидродинамики (CFD-моделирования), а с другой -использование механики деформируемого твердого тела (метод конечных элементов).

Успешное разрешение этих проблем, позволит увеличить производительность аэродинамических элементов гоночных машин и как следствие сократить время прохождения круга, что и является главной целью всех инженеров автоспорта.

Список литературы

1. Milliken W.F. Race car vehicle dynamics. Warrendale: SAE International, 1995. 890 p.

2. Benzing E. Ali = Wings. Milano: Automobilia, 1991. 230 p.

3. Katz J. Race car dynamics: designing for speed. Cambridge: Bentley Publishers, 1995. 270 p.

4. Staniforth, A. Competition car suspension: design, construction, tuning. Sparkford: Haynes Publishing, 2002. 268 p.

Хряков Кирилл Станиславович, асп., kirill-khryakov@,mail. ru, Россия, Москва, Московский государственный университет путей сообщения

ISSUES OF PERFORMANCE IN AERODYNAMIC ELEMENTS OF RACING CARS

K.S. Khryakov

Considered the effect of vibrations of the wing of a racing car to the level of generated downforce. Discussed basic ways to solve the problem of loss of the performance of aerodynamic elements due to the negative vibrating impact.

Key words: racing cars, wing, aerodynamic elements, downforce.

Khryakov Kirill Stanislavovich, postgraduate, kirill-khryakov@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Engineering