|
АЭРОДИНАМИКА © Tony Foale 1986 - 1997 |
|
Статьи об аэродинамике обычно фокусируются на восхвалении достоинств низкого лобового сопротивления и сопутствующих эффектов по эффективности и экономии топлива. Но создание «гладких мотоциклов», возможно, легкий случай. Обычно при рассмотрении всех средств достижения высоких скоростей эффект воздушного давления необходимо учитывать, но вовсе не неожиданно это становится очень сложным на байке по сравнению с такими самобалансирующимися машинами, как автомобили. Наша старый приятельница, сила гироскопической прецессии и ее взаимодействие с рулением, является причиной многих проблем стабильности, отсутствующих у автомобилей, грузовиков и т.д. Давайте взглянем на некоторые их этих проблем и рассмотрим, можно ли что-нибудь сделать для их ослабления.
ЛОБОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ Вначале давайте рассмотрим, что же вызывает лобовое сопротивление – которое, в конце концов, является самым крупным вором выходной мощности нашего двигателя на всех скоростях, кроме самых медленных. Лобовое сопротивление – сила, стремящаяся предотвратить быстрое движение байка через воздух, эта сила генерируется разностью давления между передом и задом машины. Эта разность давления действует на фронтальную зону байка и вызывает тормозную силу, следовательно чем больше фронтальная зона, тем больше лобовое сопротивление. Так как байк движется через воздух, он должен раздвигать молекулы воздуха в стороны, и если это происходит мягко на более низких скоростях, молекулы следуют за байком недалеко от очертания машины и генерируется небольшое сопротивление. Малое сопротивление возможно только при хорошо обтекаемой форме, как классическая капля. При таких условиях поток воздуха будет ламинарным и большинство лобового сопротивления будет возникать от сил трения, так как частички воздуха фактически трутся одна о другую вдоль поверхности корпуса. На практике поток обычно турбулентный, а не ламинарный, и лобовое сопротивление значительно выше. Как подсказывает само название, такой режим потока (турбулентный) запутан и состоит из многих вихрей около поверхности. Эти вихри возникают из-за неспособности воздуха следовать резким изменениям формы, которые изобилуют на байке или автомобиле. Момент инерции частичек воздуха стремится удержать их на прямолинейном пути, но когда форм корпуса отходит слишком далеко от идеала, воздух больше не следует за формой, и трение между соседними слоями воздуха, движущимися с разной скоростью, стремится завернуть поток воздуха в вихри. Объект, движущийся через воздух, оставляет в таком случае за собой турбулентную струю, и исследования показали, что сила лобового сопротивления приблизительно прямо пропорциональна площади этой струи. Размер и форма объекта, а также скорость – наиболее существенные факторы, влияющие на площадь этой струи. Для того, чтобы в цифрах сравнить аэродинамические качества разных форм, используется безразмерный параметр, известный как Cd (коэффициент лобового сопротивления). Иногда некорректно утверждается, что плоская пластина, толкаемая через воздух, имеет Cd в 1,0. это относится только к особому теоретическому случаю, когда воздух перед пластиной выталкивается непосредственно вперед ее, и совсем не распределяется по сторонам. В действительности Cd плоской пластины зависит от ее размера и может быть ближе к 0.5. Сам вопрос размера очень интересен, так как он влияет на достоверность при экстраполировании результатов от теста моделей к реальной машине. Аэродинамические трубы, достаточно большие, чтобы вместить полноразмерный байк или автомобиль, очень дороги в постройке и работе, и поэтому тесты моделей могут быть сильно значимыми в плане экономии денег, что всегда является приоритетом производителей. Тем не менее, использование моделей не всегда просто. Есть вполне очевидные проблемы, такие как точность, например, допуск в 1 мм на полноразмерной машине становится допуском в 0,2 мм на модели в одну пятую величины. Менее очевидным, но столь же важным обстоятельством является число Рейнольдса. Г-н Рейнольдс, ранний исследователь потоков жидкости, открыл, что скорость воздуха, при которой турбулентные характеристики объекта такой же формы, но другого размера зависят от его размера. Фактически, если вы возьмете половинный размер объекта, вам нужно увеличить скорость воздуха вдвое, этот эффект был формализован в математическое выражение, известное как число Рейнольдса. Для того, чтобы достичь аналогичных условий потока в моделях с разными размерами, на нужно стараться сохранить это число неизменным. Но во многих случаях это очень трудно. Допустим мы хотим исследовать аэродинамику мотоцикла в аэродинамической трубе при 100 милях в час (≈ 160 км/ч), используя модель в одну шестую величины. Для аналогичного числа Рейнольдса это потребует, чтобы скорость потока воздуха в трубе была примерно 600 миль в час (≈ 960 км/ч), что немедленно приводит к еще бОльшим проблемам. Огромная мощность требуется для создания потока такой скорости, и силы, действующие на модель, будут исключительно высоки, создавая возрастающие трудности. Вдобавок ко всему, 600 миль/час очень близко к скорости звука, а когда мы подбираемся к этой скорости, проблемы сжимаемости выходят на первый план и нарушают все характеристики потока. Конечным результатом этого является то, что небольшие модели тестируются при небольших числах Рейнольдса и требуется много умения и тщательности при интерпретации этих тестов. Значимость уменьшенного лобового сопротивления было ясно показано в пятидесятых, когда журнал «Motor Cycle» заказал постройку полузакрытого обтекаемого корпуса на пятилетнем 350-кубовом Royal Enfield. Это вылилось в увеличении общего веса на 45 фунтов. Но значение лобового сопротивления было таково, что даже ускорение в диапазоне от 15 до 40 миль/час было значительно улучшено, как показывает таблица результатов.
Эти тесты проводились Виком Виллоубай в
MIRA с использованием электронного счетного привода. Попытка свести эти
результаты в процентное уменьшение лобового сопротивления имеет свои
проблемы, во многом из-за того, что все тесты проводились на одной
передаче. Следовательно обороты двигателя, а значит и выходная мощность,
возможно, были бы разными при максимальных скоростях, в зависимости от
того, был ли прикреплен обтекатель или нет. Тем не менее, делая одно или
пару допущений, я просчитал, что лобовое сопротивление с обтекателем
было примерно 75-85% от лобового сопротивления машины без обтекателя.
Так что если этот порядок совершенствования отдачи возможен при таком
корпусе, просто представьте, чего можно достичь с постройкой целевого
аппарата – хорошо обтекаемого FF, например, с уменьшенной фронтальной
зоной, а также с возможностью лучшей формы. Ну да ладно, так какая же
форма является наилучшей с точки зрения лобового сопротивления? Положим,
классическую каплеобразную форму было бы трудно победить, и
ПОДЪЕМ Аэродинамический подъем, в особенности над передним колесом, потенциально опасен, так как он уменьшает сцепление шины(шин) с дорогой. Не всегда понимают, что даже если форма корпуса не создает самостоятельной подъемной силы, все равно остается тенденция для переноса веса от переднего колеса на заднее полностью из-за эффекта лобового сопротивления. Рассмотрим рис. 2: силу лобового сопротивления Fd можно считать действующей через одну точку на ограниченном расстоянии от земли h. Эта сила создает вращающий момент, стремящийся повернуть байк вокруг его заднего колеса, таким образом, поднимая перед.
Итак, при прочих равных условиях все, что уменьшает лобовое сопротивление и/или эффективную высоту его действия, поможет уменьшить этот перенос веса. Дополнительно к простому уменьшению лобового сопротивления идеальная ситуация для формы корпуса была бы в создании прижимающей силы спереди и подъемной силы сзади, чтобы точно сбалансировать вышерассмотренный эффект. Во главе с БМВ с их обтекателем для R 100 RS производители обращают сейчас больше внимания на эту проблему. Иногда предполагают, что, раз гоночные автомобили в настоящее время выигрывают так много от огромного прижимающего аэродинамического давления, создаваемого их корпусами, то можно использовать те же преимущества на байках при поворотах. Но здесь снова, как и во многих других аспектах, наша потребность наклонять байк для поворота усложняет вопрос. На прямой линии любые аэродинамические черты, создающие дополнительную прижимающую силу, будут сильнее нагружать шины и давать большее сцепление. При условии, что наши тормоза достаточно хороши и у нас достаточно мощности, это повышенное сцепление позволит лучше разгоняться и тормозить. Но когда мы говорим о повороте, ситуация меняется. Предположим, что мы получили дополнительную прижимающую силу от использования антикрыла, как на рис. 3. Тогда при наклоне в поворот эта сила будет действовать по линии байка и, следовательно, увеличит горизонтальную силу в прямой пропорции с увеличением вертикальной составляющей на шины. Следовательно, любое увеличение способностей шин поддерживать увеличенную боковую реакцию расходуется горизонтальной составляющей аэродинамической силы. На практике скорость прохождения поворота может фактически уменьшиться. Так как коэффициент сцепления шин, скорее всего, уменьшится из-за увеличенной нагрузки. Гоночный автомобиль выигрывает потому, что он не наклоняется на значительный угол и сила действует вертикально вниз, а получить то же самое на байке означает, что антикрыло должно было бы наклоняться, оставаясь в положении, близком к горизонтальному, при наклоне байка, или не давать байку наклоняться – возможно, путем экстремального использования наколенных слайдеров и стиля езды со смещением пятой точки вбок.
ОСНОВЫ ПУТЕВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ Одно из первых требований для нее – чтобы Центр бокового Давления был позади Центра тяжести. ЦД – мы можем считать, что это точка, через которую действует сила ветра на боковую поверхность байка. Именно этот критерий устойчивости требует, чтобы у самолетов были вертикальные стабилизаторы в задней части, а у дротиков и стрел – оперение. Это работает так: при воздействии бокового ветра, если ЦД сзади, задняя часть машины отталкивается ветром, заставляя, таким образом, перед приводиться к ветру и автоматически корректировать сбивание с курса. С другой стороны, когда ЦД расположен спереди, то перед отклоняется ветром и байк будет сдувать с начального курса – в своей основе не стабильное условие и только вмешательство водителя сможет удержать все под контролем. Получить ЦД, расположенный сзади, труднее, чем говорить о нем. У обычных мотоциклов есть склонность иметь большинство, если не весь свой обвес спереди водителя – наследство недальновидного решения ММФ в 1957 г. Значительно ограничить дизайн обтекаемости гоночных байков, и поэтому расположенный спереди ЦД неизбежен в обычной конструкции. Как ни иронично, но даже если задаться целью создания обтекаемого корпуса с большой боковой зоной сзади, часто этого сложнее достичь. Чтобы это понять, нам нужно немного ближе рассмотреть подробности потока воздуха вокруг такой машины.
Рис. 4 показывает как на скорости боковой ветер действует вовсе не как боковой, а в сочетании со встречным ветром от движения байка, и создает поток воздуха под углом к машине. Например, если байк едет со скоростью 75 миль/ч, а боковой ветер дует со скоростью 15 миль/ч, то результирующий ветер будет действовать со скоростью 76,5 миль/ч под углом около 10°. Хорошо обтекаемая часть, как самолетное крыло, будет создавать очень высокие силы при таком угле атаки. На самолете эти силы действуют как подъемные, и их величина наглядно демонстрируется каждый раз, когда взлетает 747-й. На наземной машине эти силы действуют как боковые, и мы хотим уменьшить их величину, чтобы минимизировать отклоняющий эффект. Плохо обтекаемая форма стала бы очень плохим самолетным крылом, потому что степень подъема была бы низкой и те же самые соображения применяются на дороге, величина боковых отклоняющих сил обычно уменьшается при дизайне с высоким лобовым сопротивлением. Реальный мотоцикл попадает где-то посередине между идеальной формой капли (по причинам лобового сопротивления) и кирпичом с колесами. Поток воздуха вокруг фронтальной части машины разумно желателен, но в каком-то месте вдоль нее произойдет разделение, и поток позади этой точки будет турбулентным. Случай, когда это происходит на стороне, подверженной этому завихренному потоку, не будет эффективен в сохранении ЦД сзади. При возрастании скорости точка разделения будет сдвигаться вперед вместе с ЦД, так что вместо улучшения аэродинамической устойчивости при возрастании скорости обычная тенденция как раз противоположна. У обтекаемых машин-рекордсменов часто есть высокие хвостовые стабилизаторы для восстановления баланса. Если говорить о балансе, он также нарушается боковым ветром, как показывает вид сзади на рис. 5
Боковая сила создает момент, стремящийся опрокинуть байк в сторону от ветра, для удержания баланса, следовательно, необходимо наклонить байк к ветру. При этих условиях вес машины теперь действует сбоку от центральной линии и создает момент, балансирующий момент силы ветра. Для уменьшения требуемой степени наклона нам требуется вызывать небольшую боковую силу в сочетании с низко расположенным ЦД, чтобы получить минимальный нарушающий эффект, и требуется тяжелый байк с высоким расположением ЦТ для минимизации реакции байка на такой дисбаланс. ДИНАМИЧЕСКАЯ ПУТЕВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ Вышесказанное относится к устойчивым условиям постоянного бокового ветра. На практике это случается редко и более обычны условия порывистого ветра. Помимо меняющегося ветра, прогалины в окружающих защитных лесопосадках, а также завихрения и ударные волны от грузовиков на шоссе также добавляют свой вклад в наши проблемы. Полный динамический эффект всего этого набора на байк исключительно сложен, но мы можем рассмотреть некоторые основные моменты. Как я уже подчеркивал в предыдущих статьях боковые движения или движения наклона байка переплетаются с курсовыми движениями или рулением. Это может привести к дисбалансу при условиях порывистого ветра. Рассмотрим резкий порыв ветра слева, байк отреагирует неожиданным наклоном от ветра вправо, это в свою очередь, посредством эффекта прецессии, вызовет поворот руля вправо, а значит байк будет стремиться увернуться от ветра, вместо того, чтобы привестись к нему, как было бы желательно. Но это стремление повернуть вправо, через центробежную силу, будет наклонять машину влево, что нам и нужно для удержания баланса. – Понимаете, что я имею в виду, говоря о сложности всего этого дела! В 1986 г. я переделал Gold Wing – вместо телескопических вилок я поставил одну из своих подвесок с центральной ступицей – для его владельца, Уейна Бойза. Спустя некоторое время после переделки мы обсудили разные эффекты, замеченные при обычной езде, многие наблюдения соответствовали моим ожиданиям, но я был слегка удивлен, когда он подчеркнул, что машина стала гораздо более устойчива при порывистом боковом ветре. Сначала я подумал, что это произошло, возможно, из-за увеличенной боковой жесткости новой подвески, которая обычно в любом случае более устойчива. Но еще немного размышлений о различиях двух конструкций пролило свет на то. Почему они должны вести себя так по-разному в этих условиях. Было три основных отличия в дополнение к уже упомянутой жесткости: 1) 16” колесо, вместо 19”, 2) уменьшенный вынос (трейл), 3) угол наклона рулевой колонку в 17°, который требовал нулевого смещения между осью рулевой колонки и центральной линией колеса для получения желаемого выноса. Вполне можно оспорить то, что все три изменения работают как улучшение поведения при порывистом ветре.
Интересной особенностью, которую я заметил при езде на своем QL на прошлогоднем шоу в Милане, был эффект давления воздуха в шинах. У QL обтекаемый корпус с довольно большой боковой зоной, а значит можно ожидать, что величина сил бокового ветра будет большой. Но если машина показала себя стабильной в отношении курсовой аэродинамической устойчивости, она начинала опасно вилять, если давление в шинах снижалось. Это происходило из-за того, что позже обнаружилось как медленная утечка воздуха в золотнике переднего колеса. Похоже, что уменьшенная боковая жесткость шин, когда они недокачаны, позволяло машине значительно уходить в стороны от направления движения под действием большой силы бокового ветра. Фото «Flying Hammok» ЗАКЛЮЧЕНИЕ Аэродинамический дизайн мотоциклов – нечто большее, чем просто средство уменьшить лобовое сопротивление, подъем корпуса с ЦД позади ЦТ. Труднее достичь устойчивости с хорошо обтекаемым корпусом из-за увеличенной боковой поверхности с таким обтекателем и из-за более эффективного вызывания «бокового подъема», возникающего от угла потока воздуха к направлению движения. Так что в идеале мы бы хотели получить комбинацию иногда конфликтующих условий: минимальное лобовое сопротивление для улучшенной отдачи и экономии топлива; низко расположенный передний ЦД для уменьшения переноса веса. Вызываемого лобовым сопротивлением; расположенный низко и сзади боковой ЦД для уменьшения дестабилизирующих моментов и получения курсовой устойчивости; форма и размер боковой поверхности, минимизации создаваемой боковой силы; расположенный высоко и спереди ЦТ в сочетании с большим весом для минимизации эффекта любых боковых сил.
Если кто-либо из вас думает о создании
собственного обтекателя, не дайте всей этой информации сбить вас с
толку. Часто любитель с ограниченными ресурсами повергает в смущение
большие компании, которые не всегда получают правильный результат даже
со своими аэродинамическими трубами. Вспомните попытку компании Форд с
Сиеррой, когда вначале были проблемы с устойчивостью, пока они не
прикрепили спойлер над задними фонарями. В мире байков в 1981 году
дорожный тест полностью обтекаемого концепт байка БМВ Футуро также
очень плохо показал себя в этом отношении. Сайт создан в системе uCoz
|
