В дизайне автомобилей эффект земли - это серия эффектов, которые используются в автомобильной аэродинамике для создания прижимной силы , особенно в гоночных автомобилях. Это было преемником прежнего доминирующего аэродинамического подхода к обтекаемости . Американские гоночные автомобили IndyCars используют эффекты земли в своих конструкциях и конструкциях. Точно так же они в некоторой степени используются и в других гоночных сериях; однако Формула-1 и многие другие гоночные серии, в основном по всей Европе, используют правила (или полные запреты), чтобы ограничить их эффективность по соображениям безопасности.
Теория
В гоночных автомобилях цель разработчиков - увеличить прижимную силу и сцепление с дорогой для достижения более высоких скоростей прохождения поворотов. Значительное количество прижимной силы доступно, если понимать, что земля является частью рассматриваемой аэродинамической системы, отсюда и название «эффект земли». Начиная с середины 1960-х, «крылья» обычно использовались в конструкции гоночных автомобилей для увеличения прижимной силы (это не эффект земли). Конструкторы сосредоточили свои усилия на понимании воздушного потока по периметру, юбкам кузова и нижней части автомобиля, чтобы увеличить прижимную силу с меньшим сопротивлением, чем при использовании крыла.
Этот вид эффекта земли легко проиллюстрировать, если в ветреный день вынуть брезент и подержать его близко к земле: можно заметить, что, когда он находится достаточно близко к земле, брезент будет тянуться к земле. Это связано с принципом Бернулли ; по мере приближения брезента к земле площадь поперечного сечения, доступная для воздуха, проходящего между ним и землей, сужается. Это заставляет воздух ускоряться, и в результате давление под брезентом падает, в то время как давление сверху остается неизменным, и вместе это приводит к чистой направленной вниз силе. Те же принципы применимы и к автомобилям.
Принцип Бернулли - не единственный механизм создания прижимной силы, создаваемой эффектом земли. Большая часть характеристик грунтового эффекта достигается за счет использования преимущества вязкости . В приведенном выше примере с брезентом ни брезент, ни земля не двигаются. Пограничный слой между двумя поверхностями работает , чтобы замедлить воздух между ними что уменьшает эффект Бернулли. Когда автомобиль движется по земле, пограничный слой на земле становится полезным. В системе отсчета автомобиля земля движется назад с некоторой скоростью. Когда земля движется, она притягивает воздух над собой и заставляет его двигаться быстрее. Это усиливает эффект Бернулли и увеличивает прижимную силу. Это пример течения Куэтта .
Хотя такие аэродинамические методы создания прижимной силы часто называют универсальным термином «эффект земли», они, строго говоря, не являются результатом того же аэродинамического явления, как влияние земли, которое проявляется в самолетах на очень малых высотах .
История
Американец Джим Холл построил разработанные им автомобили Chaparral, руководствуясь обоими этими принципами, и стал их пионером. В его машине 1961 года была предпринята попытка использовать метод формовки днища, но у машины было слишком много других аэродинамических проблем, чтобы она работала должным образом. В его автомобилях 1966 года в качестве прижимной силы использовалось резкое высокое крыло. Его « бездельник » Chaparral 2J 1970 года был революционным. У него было два вентилятора в задней части автомобиля, приводимые в движение специальным двухтактным двигателем; у него также были «юбки», которые оставляли лишь минимальный зазор между автомобилем и землей, чтобы изолировать полость от атмосферы. Хотя он не выигрывал гонку, некоторые соревнования лоббировали его запрет, который вступил в силу в конце того же года. Подвижные аэродинамические устройства были запрещены в большинстве видов спорта. [1]
Формула-1 была следующей площадкой для гоночных автомобилей. Несколько проектов Формулы-1 приблизились к решению на основе эффекта земли, которое в конечном итоге будет реализовано Lotus. В 1968 и 1969 годах Тони Радд и Питер Райт из British Racing Motors (BRM) экспериментировали на треке и в аэродинамической трубе с длинными боковыми панелями аэродинамического профиля, чтобы очистить турбулентный поток воздуха между передними и задними колесами. Оба покинули команду вскоре после этого, и идея не получила дальнейшего развития. Робин Херд из компании March Engineering по предложению Райта использовал аналогичную концепцию на автомобиле Формулы-1 March 1970 года. В обеих машинах боковые подножки находились слишком далеко от земли, чтобы мог возникнуть значительный эффект земли, а идея герметизации пространства под крылом до земли еще не разрабатывалась. [1]
Примерно в то же время Шон Бакли начал свою работу в 1969 году в Univ. Калифорния - Беркли по аэродинамике шасси, спонсируемый Колином Чепменом , основателем Формулы-1 Lotus . Бакли ранее спроектировал первое высокое крыло, используемое в IndyCar , «Bat Car» Джерри Эйсерта на Indianapolis 500 1966 года . Правильно придав форму днища автомобиля, можно было увеличить скорость воздушного потока, снизив давление и вытащив автомобиль на трассу. Его тестовые автомобили имели канал, похожий на Вентури, под автомобилями, закрытый гибкими боковыми юбками, которые отделяли канал от аэродинамики над автомобилем. Он исследовал, как отрыв потока в подповерхностном канале может зависеть от параметров всасывания пограничного слоя и расходимости нижней поверхности. [2] [3] [4] Позже, будучи профессором машиностроения в Массачусетском технологическом институте, Бакли работал с Lotus, разрабатывая Lotus 78 .
С другой стороны, дизайнер Brabham Гордон Мюррей использовал воздушные заслонки в передней части своих Brabham BT44 в 1974 году, чтобы исключить попадание воздуха под автомобиль. Обнаружив, что они имеют тенденцию изнашиваться при движении автомобиля по тангажу, он поместил их еще дальше и обнаружил, что под автомобилем образовалась небольшая область отрицательного давления, создавая полезную прижимную силу - около 70 кг (150 фунтов). . McLaren произвела аналогичные детали днища для своего дизайна McLaren M23. [1]
В 1977 году Радд и Райт, которые сейчас работают в Lotus, разработали « крылатую машину» Lotus 78 на основе концепции владельца и дизайнера Lotus Колина Чепмена . Боковые элементы, громоздкие конструкции между передними и задними колесами, имели форму перевернутых крыльев и были прикреплены гибкими «юбками» к земле. Конструкция радиаторов, встроенных в боковые опоры, частично была основана на конструкции самолета de Havilland Mosquito . [5] Команда выиграла пять гонок в том году и две в 1978 году, когда они разработали значительно улучшенный Lotus 79 . Самым заметным соперником в 1978 году был автомобиль Brabham - Alfa Romeo BT46B Fancar, разработанный Гордоном Мюрреем . Его вентилятор, вращающийся на горизонтальной продольной оси в задней части автомобиля, питался от главного редуктора. Автомобиль избежал спортивного запрета, заявив, что основная цель вентилятора заключалась в охлаждении двигателя, поскольку менее 50% воздушного потока использовалось для создания депрессии под автомобилем. Он участвовал в гонке только один раз, когда Ники Лауда выиграл Гран-при Швеции 1978 года . Преимущество машины было доказано после того, как трасса стала маслянистой. В то время как другим автомобилям приходилось замедляться, Лауда мог ускоряться по маслу из-за огромной прижимной силы, которая возрастала с увеличением оборотов двигателя. [6] Автомобиль также присел на корточки при остановке двигателя. [7] Владелец Brabham, Берни Экклстоун , недавно ставший президентом Ассоциации конструкторов Формулы-1 , достиг соглашения с другими командами об отзыве машины после трех гонок. Однако Международная автомобильная федерация (FIA), руководящий орган Формулы-1 и многих других автоспортов, почти сразу же решила запретить «болельщики». [8] Lotus 79, с другой стороны, выиграл шесть гонок и чемпионат мира для Марио Андретти и дал своему товарищу по команде Ронни Петерсону посмертное второе место, продемонстрировав, насколько сильным было преимущество этих машин. В последующие годы другие команды копировали и улучшали Lotus до тех пор, пока скорость на поворотах не стала опасно высокой, что привело к нескольким серьезным авариям в 1982 году; плоская нижняя сторона стала обязательной в 1983 году. [9] Часть опасности полагаться на влияние земли при повороте на высоких скоростях заключается в возможности внезапного устранения этой силы; если днище автомобиля соприкасается с землей, поток слишком сильно сужается, что приводит к почти полной потере воздействия на землю. Если это происходит в повороте, где водитель полагается на эту силу, чтобы оставаться на трассе, ее внезапное удаление может привести к тому, что автомобиль резко потеряет большую часть сцепления и вылетит с трассы. Однако граунд-эффект должен вернуться в Формулу 1 в 2022 году в соответствии с последними изменениями в правилах.
Эффект был использован в наиболее эффективной форме в дизайне IndyCar . [ необходима цитата ]
Морская свинья
«Морская свинья» - это термин, который обычно использовался для описания конкретной неисправности, возникающей в гоночных автомобилях с эффектом приземления.
Гоночные автомобили были только с использованием их конструкции кузова генерировать прижимную чуть более десяти лет , когда Колин Чепмен «s Лотус 78 и 79 автомобилей показали , что экранный эффект был будущее в Формуле, поэтому, на данный момент, под автомобильной аэродинамики были еще очень плохо понял. Чтобы усугубить эту проблему, команды, которые больше всего стремились к изучению наземных эффектов, были, как правило, менее финансируемыми британскими командами "гаражистов", у которых было мало денег, чтобы сэкономить на испытаниях в аэродинамической трубе, и они были склонны просто имитировать идущие впереди Лотосы (включая Команды Каусена и Мерцарио ). [ необходима цитата ]
Это привело к поколению автомобилей, которые были разработаны как интуитивно, так и благодаря знанию мельчайших деталей, что сделало их чрезвычайно чувствительными к тангажу. По мере того как центр давления на крыльях боковых опор перемещался в зависимости от скорости, положения и дорожного просвета автомобиля, эти силы взаимодействовали с системами подвески автомобиля, и автомобили начинали резонировать, особенно на малых скоростях, раскачиваясь вперед и назад - иногда довольно бурно. Известно, что некоторые водители жаловались на морскую болезнь. [ Необходимая цитата ] Это раскачивающее движение, как у морской свиньи, ныряющей в море и вылетающей из нее, когда она плывет на высокой скорости, дало этому явлению название. Эти характеристики в сочетании с жесткой подвеской привели к тому, что езда на автомобиле была крайне неприятной. В начале 80-х годов прошлого века в Формуле-1 воздействие на землю было в значительной степени запрещено, но спортивные автомобили Группы C и другие гоночные автомобили продолжали страдать от морских свиней до тех пор, пока лучшее знание наземных эффектов не позволило дизайнерам минимизировать проблему. [10]
Смотрите также
- Автомобильная аэродинамика
- Эффект Вентури
- Эффект земли в самолете
- Поезд с эффектом грунта
- Автомобиль Формулы-1
Рекомендации
- ^ a b c Най 1985 , стр. 94
- ^ С. Бакли, "Взаимодействие с поверхностью автомобиля", доктор философии. Диссертация, Калифорнийский университет в Беркли, сентябрь 1972 г.
- ^ Б. Шон Бакли, "Аэродинамические приборы для дорожных испытаний", документ SAE 741030, 1974-02-01.
- ^ Б. Шон Бакли, Эдмунд В. Лэйтон, "Воздушный поток под автомобилем", документ SAE 741028, 1974-02-01
- Перейти ↑ Nye 1985 , p. 96
- Перейти ↑ Nye 1985 , p. 130
- ^ 8W - Почему? - Brabham BT46B
- ↑ Генри, 1985 , стр. 186–187.
- Перейти ↑ Nye 1985 , p. 33
- ^ Elleray, Питер. "Уголок Mulsanne: Питер Эллерей на Bentley LMGTP" . Уголок Мулсанна . Проверено 21 октября 2017 .
- Генри, Алан (1985), Брэбэм, автомобили Гран-при , Оспри, ISBN 0-905138-36-8
- Най, Дуг (1985), История автокурса автомобиля Гран-при 1966–1985 , издательство Хэзлтона , ISBN 0-905138-37-6
Внешние ссылки
- Photoessayist.com: Чапараль 2J
- VintageRPM: история чапараля
- 8W: Brabham-Alfa BT46B "фан-кар"
- Деннис Дэвид: Lotus 79