автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование технических показателей автопоезда за счет внешних аэродинамических устройств

московским государственный индустриальный

университет

на правах рукописи удк 629.114:533.6.01

ПЕТРЕНКО СЕРГЕИ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОПОЕЗДА ЗА СЧЁТ ВНЕШНИХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ

УСТРОЙСТВ

(05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины )

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ЕВГРАФОВ А.Н.

Москва, 1999 г;

аннотация

диссертации С.Н. Петренко «Совершенствование технических показателей автопоезда за счёт внешних аэродинамических устройств»

Определены зоны неблагоприятного обтекания седельного и прицепного автопоездов, в которых целесообразна установка дополнительных аэродинамических элементов с рекомендациями по выбору их типа и номенклатуры.

Разработана методика расчёта установочных параметров лобового обтекателя, передних и задних аэродинамических закрылков, верхнего дефлектора кузова применительно к автопоездам различного типа, адекватность которой подтверждена результатами модельных испытаний.

Проведены экспериментальные исследования моделей автопоездов с комплектами разработанных и рекомендуемых для использования дополнительных навесных устройств, установка которых обеспечивает значительное снижение аэродинамического сопротивления.

Показана возможность существенного повышения топливной экономичности и производительности магистральных автопоездов за счёт применения рекомендуемых комплектов внешних аэродинамических устройств на магистральных автопоездов с высокими кузовами.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО АЭРОДИНАМИКЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ

АВТОПОЕЗДОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ........6

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ АВТОПОЕЗДА С ВНЕШНИМИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ..........................................................................30

2.1. Исследование взаимодействия магистрального автопоезда с воздушной средой.........................................................................30

2.2. Обоснование установки, выбора типа и места расположения внешних аэродинамических устройств........................................34

2.3. Методика расчёта установочных параметров верхнего лобового обтекателя.....................................................................41

2.4. Определение параметров верхнего и боковых передних аэродинамических закрылков на кабине.....................................52

2.5. Расчёт параметров задних боковых закрылков на кабине.........55

2.6. Расчёт параметров верхнего дефлектора кузова.......................59

2.7. Выбор параметров нижнего обтекателя и боковых щитков на тягаче и прицепе............................................................................62

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОПОЕЗДОВ

С ВНЕШНИМИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ.....67

3.1. Весовые испытания моделей автопоездов в аэродинамической трубе..............................................................................67

3.2. Дренажные испытания моделей автопоездов с аэродинамическими элементами.....................................................................80

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

НА ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВТОПОЕЗДА......................92

4.1. Повышение топливной экономичности и скоростных свойств автопоезда при установке аэродинамических элементов.........92

4.2. Повышение производительности автопоезда с аэродинамическими устройствами...................................................................99

4.3. Возможности снижения загрязняемости автопоезда и окружающей среды при установке внешних аэродинамических устройств......................................................................................103

ГЛАВА 5. МЕТОДИКИ И ОБЪЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................113

5.1. Методика трубных испытаний моделей автопоездов...............................................................................................113

5.2. Методика дренажных испытаний моделей автопоездов...........125

5.3. Методика испытаний натурного автопоезда с аэродинамическими устройствами.............................................................126

5.4. Объекты исследований................................................................129

6. ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ............................141

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................142

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................152

П.1. Акт внедрения результатов НИР в практику...............................153

П.2. Программа расчёта на ЭВМ установочных параметров

внешних аэродинамических устройств.......................................155

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к вопросам исследования аэродинамики автотранспортных средств. Это связано с поисками новых резервов совершенствования их технико-экономических и потребительских качеств в обостряющейся конкурентной борьбе производителей автотранспортной техники за рынки сбыта. Следует отметить, что основным объектом аэродинамической оптимизации являются легковые автомобили, поскольку именно здесь обеспечивается наибольший выигрыш за счёт совершенствования аэродинамических характеристик, так как практически исчерпаны резервы снижения сопротивления качению шин, а небольшая масса легкового автомобиля в сочетании с высокими скоростями движения выдвигает в число важнейших решение вопроса повышения его устойчивости и управляемости.

Вместе с тем, необходимость экономии топлива и повышения производительности грузовых автотранспортных средств, требуют поиска новых путей совершенствования их технических, потребительских и экологических показателей. По литературным данным более 60% жидкого топлива потребляется грузовыми автотранспортными средствами, а снижение их расхода топлива только на 1% обеспечивает экономию его около 490 тысяч тонн в год. Эти цифры свидетельствуют о необходимости и эффективности проведения исследований, направленных на снижение сопротивления движению грузовых автотранспортных средств.

Как известно, магистральные автопоезда относятся к разряду высокоскоростных автотранспортных средств. Поэтому снижение их аэродинамического сопротивления может существенно уменьшить затраты мощности на движение, повысить их топливную экономичность и скоростные свойства. Кроме того, учитывая повышенные требования к условиям работы водителей магистральных автопоездов, совершенствование их аэродинамических характеристик обеспечивает улучшение эргономических показателей, а также обзорности и безопасности.

Одним из эффективных направлений улучшения аэродинамики магистральных автопоездов является применение внешних аэродинамических устройств. Их установка в зонах неблагоприятного обтекания позволяет

существенно улучшить характер взаимодействия автопоезда с воздушным потоком без изменения основных формообразующих элементов его конструкции и без значительных капиталовложений. Как показал анализ технической литературы, массовое использование только одного лобового обтекателя, устанавливаемого на крыше кабины тягача, обеспечивает заметное снижение аэродинамического сопротивления и расхода топлива магистральных автопоездов, повышает их скоростные качества и безопасность. Следует ожидать, что применение на автопоездах с высокими кузовами комплекта внешних аэродинамических устройств с разработкой методики расчётного определения их оптимальных конструктивных и установочных параметров, позволит существенно повысить их топливную экономичность, производительность, безопасность, а также уменьшить загрязнение окружающей среды. Учитывая острую необходимость совершенствования отечественных автопоездов в этом направлении, проведение данного исследования следует признать актуальным.

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО АЭРОДИНАМИКЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ АВТОПОЕЗДОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Интенсивное исследование аэродинамики магистральных автопоездов, направленное главным образом на снижение их аэродинамического сопротивления, началось после известного нефтяного кризиса 1974 года. До этого было выполнено лишь несколько научных исследований в области аэродинамики автопоездов.

К числу одной из первых в этой области автомобильной аэродинамики следует отнести работу [69], в которой приведены результаты исследований масштабной (М 1:17) модели бортового прицепного автопоезда в составе капотного грузовика ЗИС-150 и бортового прицепа. Как показали результаты исследований модели одиночного грузовика и грузовика с прицепом в аэродинамической трубе Московского авиационного института (МАИ) наличие прицепа увеличивает аэродинамическое сопротивление грузового автомобиля. Причем величина дополнительного сопротивления за счёт прицепа зависит от длины сцепного устройства. Было установлено, что при длине сцепки, равной половине и двойной ширине модели автомобиля, величина коэффициента аэродинамического сопротивления Сх автомобиля за счёт прицепа увеличилась на 16% и 32% соответственно. Наряду с автопоездом были проведены исследования модели грузового автомобиля с низким бортовым кузовом и высоким фургонного типа в аэродинамической трубе МАИ [68]. Для снижения аэродинамического сопротивления, модель грузовика оборудовалась специальным носовым обтекателем на капоте и бортовыми щитками, перекрывавшими нижнюю часть бортовой платформы. Установка этих устройств снизила коэффициент Сх модели на 22% и 7% соответственно. Отмечается, что установка вместо бортовой платформы высокого кузова фургонного типа увеличивает коэффициент Сх бортового капотного грузовика на 50%.

Возможности повышения топливной экономичности грузового автомобиля МАЗ с высоким кузовом фургонного типа за счёт установки лобового обтекателя на кабине рассмотрены в работе [31]. Превышение кузова над кабиной автомобиля составляло 1 м. На крыше кабины последовательно устанавливались два обтекателя: щитовой с плоским экраном (рис. 1.1) и

Рис. 1.1. Грузовой автомобиль МАЗ-516, оборудованный плоским щитовым обтекателем на крыше кабины

объёмный в виде призмы с углом наклона лобовой панели 35°. Проведенными дорожными испытаниями установлено, что наличие щитового и объемного обтекателей позволяет снизить аэродинамическое сопротивление автомобиля на 24% и 26% соответственно. Такое снижение аэродинамического сопротивления позволило уменьшить расход топлива автомобиля на 6% и 7% соответственно. Указывается, что наличие у призматического объемного обтекателя боковых панелей обеспечивает ему преимущество перед щитовым при движении в условиях воздействия бокового ветра. Одновременно со снижением расхода топлива установка обтекателя позволила повысить скоростные и динамические качества автомобиля на 4-5%.

В работе [38] приведены результаты испытаний щитового перфорированного обтекателя на седельном автопоезде с тягачом Ford (рис.1.2). Наличие в обтекателе мелких отверстий допускает сквозной проход через них воздуха, чем снижается действующий на щит обтекателя динамический напор. Закругленные края такого обтекателя обеспечивают лучшее формирование обтекающего кузов потока и уменьшают степень его растекания при наличии бокового ветра. По данным фирмы-изготовителя, подтвержденными результатами испытаний, перфорированный обтекатель уменьшает аэродинамическое сопротивление автопоезда с высоким кузовом и низкой кабиной переднего расположения на 20-25%.

Оригинальный обтекатель, роль которого выполняет крыша кабины, разработан английской фирмой Ogl Design (рис. 1.3.). Крыша кабины в передней части имеет шарнирное крепление, а по бокам и сзади пластиковую складывающуюся юбку и может подниматься вверх, образуя таким образом объемный обтекатель. Во время стоянки, при полностью поднятой крыше, в дополнительном объеме кабины размещается откидное спальное место. Наклон крыши осуществляется безступенчато, при помощи сервопривода, управляемого либо нажатием кнопки на панели приборов, либо автоматически-бортовым компьютером, который обрабатывает показания специальных, установленных на крыше кабины, датчиков, фиксирующих скорость натекающего воздушного потока. Испытания модели автопоезда с новой кабиной показапи, что его аэродинамическое сопротивление за счёт обтекателя снижается на 20%.

Рис.

1.2.

Автопоезд Ford, оборудованный перфорированным обтекателем на крыше кабины

Рис. 1.3. Седельный тягач с лобовым обтекателем Ogl Design

В работе [50] приведены данные о снижении расхода топлива автопоезда КамАЗ-5410 с полуприцепом ОдАЗ-935 при установке на нем лобовых обтекателей на кабине. Оба обтекателя были изготовлены из алюминия: один был щитовой, другой - объёмный. Установка: щитового и объёмного обтекателей позволила уменьшить расход топлива автопоезда на 2,5% и 4,5% соответственно. Указывается, что одновременно со снижением расхода топлива, при установке обтекателей уменьшается загрязнение лобового стекла кабины.

В работе [52] затронуты вопросы влияния дефлекторов различного типа, монтируемых на крыше кабины, на топливную экономичность грузовых автомобилей КамАЗ и МАЗ. Выполненными расчётными исследованиями установлена возможность существенного - до 5-6% снижения расхода топлива грузовиков с высокими кузовами за счёт применения щитовых дефпекторов на кабине.

В работе [88] приведены результаты научно-исследовательских работ по созданию аэродинамических обтекателей для магистральных автопоездов. Приведены данные об испытаниях обтекателей объёмного типа на автопоездах КамАЗ и МАЗ в дорожных условиях. Отмечается высокая эффективность объёмных обтекателей в части снижения расхода топлива, особенно при наличии бокового ветра. Дано описание технологии изготовления пластмассовых объёмных обтекателей, вес которых из-за их значительных габаритных размеров составляет 40-50 кг.

На рис. 1.4 показаны, описанные в работе [38], щитовые обтекатели ДЩ и В||~1Г, установленные на кабинах тягачей Мегэейез-Вепг и Вег1(е1 Обтекатели имеют практически плоскую лобовую поверхность, лишь у второго из них боковые закраины имеют выгнутую цилиндрическую форму. Габаритные размеры обтекателей одинаковы и составляют: высота - 1м; ширина - 2,2 м. Оба обтекателя могут регулироваться по углу наклона относительно крыши кабины. За счёт установки обтекателей А1гуй и В|Иг аэродинамическое сопротивление автопоездов и их расход топлива снижается на 20% и 15% и на 5% и 4% соответственно. Обтекатели изготавливаются из усиленного стекловолокном литого полиэфира и устанавливаются на крыше кабины посредством крепления за её водосточные желоба.

Рис 1.4. Щитовые обтекатели "Airvii" (а) и "Bihr" (б), установленные на кабинах седельных автопоездов Scania и Berliei

Фирмой Airschild (США) разработан и выпускается одноименный выпуклый цилиндрический обтекатель, образующая которого параллельна центральной продольной плоскости автопоезда. Такими обтекателями в США оборудуются магистральные автопоезда с кабинами заднего расположения. На рис. 1.5 показан обтекатель Airschild, который, как правило, используется в комплекте с устанавливаемым на передней стенке кузова вертикальным рассекателем, снижающим отрицательное воздействие на обтекаемость автопоезда бокового ветра.

Интересная информация в области снижения аэродинамического сопротивления большегрузных автомобилей типа КамАЗ содержится в работе [14]. Отличается научной и конструктивной новизной, предложенный струйный обтекатель, работа которого основана на создании, имеющей форму обтекателя, зоны повышенного давления перед выступающей над кабиной передней стенкой кузова. Создаваемое, находящимся между кабиной и кузовом, дополнительным компрессором струйное течение, позволяет направить встречный воздушный поток непосредственно на крышу кузова, что снижает давление на его переднюю стенку и уменьшает аэродинамическое сопротивление автопоезда.

На рис 1.6 показаны цилиндрические щитовые обтекатели "Top Spoiler", установленные на кабинах тягачей магистрапьных автопоездов "Mersedes-Benz" (Германия) и "Saurer" (Швейцария). Обтекатель "Top Spoiler" имеет выпуклую цилиндрическую поверхность, образующая которой перпендикулярна центральной продольной плоскости автопоезда. Высота обтекателя 1,2 м,, ширина 2 м. Обтекатель может регулироваться по углу наклона относительно крыши кабины. Установка изготавливаемого из полиэфира и стекловолокна обтекателя на крыше кабины осуществляется посредством крепления за её водосточные желоба. За счёт установки обтекателя "Top Spoiler", аэродинамическое сопротивления автопоезда снижается на 20 %, а расход топпива при скорости 90 км/ч на 5%.

На рис. 1.7га показан, выпускаемый во Франции, вогнутый щитовой обтекатель "Turbulo", образующая которого перпендикулярна центральной плоскости автопоезда. В работе [38] отмечается простота конструкции такого вогнутого обтекателя. Он изготавливается из дюраля, легок и прочен. Устанавливается путем крепления за водосточные желоба. Испытания вогнутого обтекателя "Турбуло" показали, что его установка на автопоезде снижает аэродинамическое со�