Авто с прямоугольными формами

Как квадратные автомобили 80-х стали обтекаемыми к 90-м

5-я авеню в Нью-Йорке, 1974

На фотографиях городских улиц 70-х и ранних 80-х годов почти всё выглядит так же, как сегодня. Большинство зданий, одежда (не считая подкладок под плечи). Но что сильно отличается – все автомобили выглядят, как квадратные коробки, особенно по сравнению с обтекаемыми закруглёнными кузовами почти любого современного автомобиля.

Это преобразование, на которое не так часто обращают внимание, одно из самых заметных, случившихся с машинами за последние 50 лет. А в США это случилось за несколько лет, начиная с 1986-го. Можно даже назвать точный год, когда некоторые модели превратились в обтекаемые — Buick LeSabre, который в 1991 году был гораздо более угловат, чем в 1992.

И в последующие годы автомобили становились всё более обтекаемыми. Но почему?

Оказывается, тому есть три взаимозависимых причины: европейские визуальные тренды, правительственная установка на экономию топлива, и новые технологии, позволившие проще разрабатывать и изготавливать округлые формы.

А началось всё с европейских люксовых дизайнов

К 1980-м годам идея изготовления обтекаемых машин не блистала новизной. Она как раз наоборот, вышла из моды в США. Гладкие автомобили 1930-х, такие, как Chrysler Airflow, имели гладкий вид, специально, чтобы понизить сопротивление воздуха.

Но как Airflow, так и другие гладкие автомобили, продавались плохо, уступив место более квадратным авто. В 1970-х практически у всех кузовов автомобилей, произведённых в США, были чёткие, резкие углы, и мало кривых. Они все выглядели как три соединённые коробки – капот, кабина и багажник.

1975 Chevy Caprice

Но в Европе топливо всегда стоило дороже, и дизайнеры, особенно в Германии, начали раньше работать с аэродинамическими формами. Об этом рассказывает Пенни Спарк [Penny Sparke], автор книги «Сто лет дизайна автомобилей» [A Century of Car Design]. В 1960-х и 70-х производители дорогих машин вроде Porsche, BMW, Audi и Mercedes-Benz первыми начали возвращать на рынок обтекаемые кузова.

Одним из самых первых примеров стал известный Porsche 911, который был весьма обтекаемым ещё в 1963:

1969 Porsche 911

И такую эстетику постепенно стали связывать с люксовыми авто, как в Европе, так и в США, куда они импортировались. И конечно же, как пишет историк Дэвид Гартман [David Gartman] в книге «Авто опиум: социальная история дизайна американских автомобилей» [Auto Opium: A Social History of American Automobile Design]: «Американские автопроизводители начали копировать европейский аэродинамический дизайн в середине 1980-х, чтобы привлечь состоятельных покупателей».

Более других постаралась компания Ford, перенеся этот дизайн в массовый рынок. Дизайнер Уве Бансен [Uwe Bahnsen] сначала сотворил такое с европейским Ford Sierra 1982 года, который стал гораздо обтекаемее своих современников:

1983 Ford Sierra

Критики разнесли дизайн в пух и прах, обозвали его «формочкой для желе», и машина сначала продавалась плохо. Но со временем к ней привыкли – особенно, когда другие производители начали копировать её внешний вид для своих моделей.

В США дизайнер компании Ford Джек Телнак [Jack Telnack], работавший в европейской команде перед тем, как перевестись в Северную Америку в 1980, ответственен за появление округлых форм в автомобилях. Его 1983 Ford Thunderbird был сильно искривлён благодаря тестированию в аэродинамической трубе. И этот внешний вид вскоре перешёл на более массовые модели вместе с 1986 Taurus.

1983 Ford Thunderbird

1986 Ford Taurus

Сейчас он не выглядит примечательным, но в то время он казался футуристичным. Машина даже снялась в фильме «Робокоп», история которого развивалась в недалёком будущем. По словам Гартмана, «Taurus однозначно предназначался для сегмента молодых, хорошо образованных покупателей, к которым апеллировал и BMW».

Стратегия сработала, Taurus был большим хитом с гигантскими продажами, и спас барахтавшуюся компанию. А также вдохновил остальных на копирование дизайна.

Улучшение экономии топлива

Аэродинамическое тестирование 2011 Chevy Cruze при помощи дыма

Частично обтекаемый дизайн так быстро сменил предыдущий, и остаётся с нами до сих пор, по чисто физическим причинам. Обтекаемый кузов и наклонённое лобовое стекло меньше сопротивляются ветру, поскольку воздуху легче их обтекать. А значит, сжигается меньше бензина при поездках на те же расстояния на той же скорости.

Одновременно с премьерой Taurus автопроизводители впервые столкнулись со стандартами по экономии топлива. С 1978 года экономия топлива для машин, продаваемых в США, должна была постоянно увеличиваться, и, наконец, достигла уровня в 27,5 миль на галлон в 1990-м [8,6 л на 100 км].

Автопроизводители плотно занялись аэродинамическими трубами и подсчётами аэродинамики, а инженеры стали работать с дизайнерами более плотно. И за несколько лет практически все автомобили начали выглядеть, как Taurus, когда-то казавшийся футуристичным. «Они все выглядят одинаково, поскольку все прошли через аэродинамическую трубу, и все разработаны с целью экономии топлива»,- пишет Ларри Эдсол [Larry Edsall], автор нескольких книг по истории дизайна автомобилей.

Технологии облегчили создание кривых

Дизайнер из Chrysler использует новейшую компьютерную программу в начале 1990-х

Такой дизайн стал возможен благодаря нескольким ключевым технологическим прорывам. Десятилетиями дизайнеры создавали автомобили при помощи пластилина, дерева и других материалов. В 1980-х они стали использовать компьютерные модели.

«Гораздо проще сделать такие формы на компьютере, чем из дерева»,- говорит Спарк. «Это дало автопроизводителям возможность создавать такие гладкие кривые». Производственные технологии также облегчили и удешевили изготовление обтекаемых форм из алюминия.

В результате, после сдвига в 1990-х, кузова становятся всё обтекаемее. Эти изменения можно хорошо отследить, взглянув на современный автомобиль, который сейчас выглядит очень квадратным: Scion xB.

2008 Scion xB

Да, у него большой и квадратный кузов. Но рёбра всё равно более закруглены, чем по-настоящему квадратные кузова автомобилей 80-х – даже больше, чем у такого футуристического прорыва, как 1986 Ford Taurus

Источник

История развития форм кузовов

Хорошим подспорьем для развития аэродинамики автомобиля явился анализ сил, составляющих сопротивление движению, который был предпринят в 1911 году Ридпером. Одновременно, для объяснения возникновения аэродинамического сопротивления автомобилей, стали использовать сведения, приведенные Прандтлем и Эйфелем. Очень медленно происходил процесс вытеснения Ньютоновской трактовки механизма возникновения аэродинамического сопротивления на основании закона изменения количества движения.

Если вырезать из крыла большой протяженности А = b/l часть профиля, то для этой части обтекание приобретает объемный характер, см. рисунок 2.

На автомобиле Румплера колеса вынесены за габариты кузова. На основании результатов испытаний гоночных автомобилей доказано, что из-за этого увеличивается аэродинамическое сопротивление, и это увеличение тем больше, чем более обтекаем кузов автомобиля. Как показали измерения, проведенные Клемперером в 1922 году, увеличение сопротивления из-за выступающих за габариты кузова колес для автомобиля Румплера могло составлять, по меньшей мере, 50%.

Гоночный автомобиль Бугатти, появившийся в 1923 г., проектировался с учетом двухмерного обтекания (рисунок 3).

Рисунок 3 — Гоночный автомобиль Бугатти, 1923 года (рабочий объем двигателя 2 литра)

Расположенный горизонтально профиль, образующий кузов, при обтекании потоком вблизи основания является лучшим решением; как и на современных гоночных автомобилях, предназначенных для соревнований, за счет опускания кузова предотвращалось вторичное перетекание воздуха по контуру автомобиля. Выпуклая форма профиля облегчает размещение колес, закрытых кузовом. Из-за водителя и пассажира рядом с ним поток за автомобилем существенно искажается.

Обтекаемые автомобили Джерея

Полутело

Комбинированные формы кузовов

В такое построение поверхности кузова, позднее названного «комбинированным» положено следующее соображение: малое сопротивление воздуха можно получить лишь тогда, когда существенно уменьшается поверхность срыва потока в задней части. При задней части автомобиля, имеющего форму полутела вращения, можно этого добиться лишь в том случае, если задняя часть сильно вытянута. Комбинированная форма кузова позволяет проводить изменения формы задней части в двух плоскостях. За счет этого должно предотвращаться слишком сильное повышение давления, которое связано с опасностью возникновения отрыва. К сожалению, Джерей привел только «схематичное» распределение давления для комбинированной формы; рисунки линий тока, приведенные Кениг-Фахзенфельдом для автомобилей Джерея, показывают, что отрыв предотвращается только при очень плавных комбинированных формах.

На рисунке 4 представлены важнейшие результаты замеров, выполненные Клемперером для первых моделей Джерея. По сравнению с общепринятыми в то время конструкциями кузовов комбинированная форма вдвое уменьшала коэффициент сопротивления воздуха. С другой стороны, коэффициент сопротивления для комбинированной формы Джерея c_W = 0,30 был вдвое больше коэффициента для полутела вращения, поставленного на колеса (c_W = 0,15).

Как видно из рисунка 4, первые модели Джерея были необычно высокими; соотношение длины и высоты составляло l/h = 2,1. В 1922 и 1923 годах было создано несколько автомобилей формы Джерея этого типа; однако такая своеобразная форма не имела успеха.

По тому же пути, что и Джерей, пошел Мобуссан. Его автомобиль «Мистраль» на виде сверху имел форму обтекаемого профиля. Задние колеса закрывались горизонтальным профилем, так что задняя часть автомобиля была аналогична форме Джерея. Сужающиеся линии кузова стесняли внутреннее пространство по ширине.

Примеры автомобилей обтекаемой формы

Серийным автомобилем, имеющим форму Джерея, является разработанный Ледвинкой автомобиль «Татра-87«, созданный в 1940 году, см. рисунок 7. При отношении l/h = 2,9 этот автомобиль сужался меньше, чем показанный на рисунке 6 «Адлер-Трумф».

Расположение двигателя в задней части позволило сместить салон вперед, в область большого объема. Для автомобиля «Татра-87» Ланге были проведены испытания в аэродинамической трубе с моделью в масштабе 1:5. Опубликованное Кениг-Фахзенфельдом значение c_W = 0,244 было поставлено под сомнение в примечании редакции, пришлось остановиться на рассчитанном по максимальной скорости и мощности двигателя значении c_W = 0,31. В действительности же это значение составляет c_W = 0,36, как определил Буххайм при замерах в аэродинамической трубе фирмы «Фольксваген», выполненных в 1979 году для представленного музеем оригинала этого автомобиля.

Рисунок 8 — Автомобиль Ланге; отношение длины к высоте l/h = 3,52; c_W = 0,14 — 0,16. Абсолютно гладкая модель

Необходимая относительно большая длина автомобиля (отношение l/h) воспрепятствовала успеху идей Джерея. Но были созданы автомобили, имеющие псевдоформы Джерея, это автомобили с плавно спускающейся сзади крышей (фастбек), для которых линия задка была более крутой. При такой форме образуются два четко выраженных кромочных вихря. Вследствие индуцируемого ими поля нисходящего потока обтекание в зоне среднего продольного сечения автомобиля долго остается прилегающим, но возникает высокое индуктивное сопротивление, поэтому общее сопротивление больше, чем при истинных линиях Джерея. По сравнению с фургонообразными кузовами с коэффициентом аэродинамического сопротивления 0,6 достижимое предельное значение c_W = 0,15 для бескомпромиссного формообразования (полутело вращения с колесами), такое значение стало возможным получить в более позднее время. Попытка Джерея как можно ближе продвинуться к этому предельному значению привела к формам, которые были неприемлемы на практике.

Из круто спускающейся формы задка Лэя, начиная с 1934 года, была разработана форма Камма, преимущество которой заключалось в наличии большего пространства над головой в зоне заднего сиденья при сохранении малого значения коэффициента c_W (рисунок 9). Низкое значение коэффициента c_W, достигается за счет того, что на крыше поток прилегает, а затем благодаря крутому срезу задка переносится на значительно меньшее сечение для отрыва. В результате этого поперечная площадь вихревого следа значительно уменьшается, и зона разрежения за автомобилем мала.

Рисунок 9 — Сравнение удлиненной формы задка Клемперера с укороченными формами задней части Лэя и Камма:

1 — форма Лэя; 2 — форма Камма; 3 — форма Клемперера

Огибание задней части кузова потоком сопровождается повышением статического давления, в результате чего давление на заднюю часть автомобиля, так называемое базовое давление, высоко и способствует получению низкого значения аэродинамического сопротивления. Эта мысль высказана Каммом. Поэтому форма кузова с обрезанной таким образом задней частью называется формой Камма (сокращенно «К-форма«). С другой стороны, Эверлинг в 1948 году считал, что именно ему первому стало известно о преимуществе обрезанной формы задней части автомобиля. В начале 30-х годов он создал автобус с обрезанной формой задней части; Кениг-Фахзенфельд и другие в то же время опубликовали данные измерений для моделей автобусов, которые убедительно показывали преимущество такой формы задней части.

Рисунок 10 — Автомобиль Эверлинга на шасси Даймлер Бенц 170 V, 1938 год

Камм в Исследовательском институте по транспортной технике и автомобильным двигателям проводил систематические исследования, направленные на оптимизацию формы задней части автомобиля и им был собран первый легковой автомобиль с формой Камма, автомобиль Эверлинга (рисунок 10), несколько позднее Камм разработал еще несколько автомобилей «К-формы». На автомобиле К-5 (рисунок 11), эта форма достигла такого уровня развития, что ее можно было внедрять в серийное производство. Сравнение формы Камма с другими существовавшими тогда формами показано на рисунке 12. Из-за начала мировой войны (1939 г.) работы в этом направлении были прерваны.

Рисунок 11 — Автомобиль Камма, 1938/1939 г.

Рисунок 12 — Сравнение формы Камма с удлиненной и короткой формами Джерея; «Татра 87» показана без заднего киля:

1 — «Татра 87»; 2 — форма Камма; 3 — «Адлер Триумф»

Значения коэффициентов аэродинамического сопротивления для автомобилей Эверлинга и Камма, приведенные в публикациях по этому вопросу, имеют очень большой разброс. Взятые из литературных источников значения собраны в таблице 1.

Сравнение этого результата с приведенными в таблице 1 данными показывает, как осторожно нужно обращаться с приведенными в литературных источниках цифрами.

Исследования влияния бокового ветра

Клемперер приводил результаты измерений при продувке потоком, направленным под углом к продольной плоскости симметрии автомобиля, т.е. при боковом ветре. В то время как для угловатых автомобилей (рисунок 13) с высоким коэффициентом сопротивления воздуха сила в направлении движения автомобиля с увеличением угла натекания потока оставалась примерно такой же, для обтекаемых форм после незначительного увеличения она уменьшалась. Клемперер в в своей работе пишет: «Тело автомобиля в таких условиях ведет себя как парус судна, упрямо движущегося навстречу ветру». Выводов по результатам измерения боковой силы и поворачивающего момента, компонентов результирующей аэродинамической силы, влияющих на чувствительность автомобиля к боковому ветру, Клемперер, по-видимому, не делал.

Рисунок 13 — Изменение соотношения между тангенциальной составляющей (сила Т), направленной вдоль продольной оси автомобиля, и результирующей силой аэродинамического сопротивления при изменении угла скоса потока:

1 — обычный автомобиль; 2 — автомобиль Джерея

Рисунок 13 воспроизводит слишком оптимистичный процесс влияния бокового ветра на аэродинамическое сопротивление. Углы натекания потока, при которых становится заметным описанный Клемперером «парусный эффект«, на практике встречаются только при малых скоростях движения, когда сопротивление воздуха и без того не имеет существенного значения. С другой стороны, в области малых углов натекания потока возникают намного большие дополнительные сопротивления, чем можно видеть на рисунке 13.

Курсовая устойчивость при боковом ветре с увеличением скоростей движения приобретает все большее значение. Оказалось, что автомобили с малым аэродинамическим сопротивлением обладают плохими свойствами по устойчивости при боковом ветре. Позднее установили, что это высказывание верно только для тех автомобилей, для которых малое значение коэффициента аэродинамического сопротивления достигается за счет плавно опускающейся линии задней части. Напротив, для автомобилей, у которых малый коэффициент аэродинамического сопротивления достигается за счет обрезанной формы задней части (форма Камма), не отмечался большой нестабильный поворачивающий момент.

Установкой сзади килей можно было бы обеспечить стабильные характеристики моментов. Хорошую эффективность задних килей показали пробеговые испытания для автомобиля Камма. Кили нашли применение только для стабилизации движения рекордных автомобилей, а также для мотоциклов; для использования на легковых автомобилях серийного производства они оказались непригодными. В отдельных случаях в качестве стилистических элементов использовались псевдокили; но даже относительно большой киль автомобиля «Татра тип 87» (см. рисунок 7) дал очень несущественное улучшение устойчивости.

Угроза автомобилю и водителю со стороны бокового ветра заключается прежде всего в его внезапности. К естественному порыву добавляется кажущийся, когда обдувающий движущийся автомобиль боковой ветер местами меняет свою силу и направление из-за особенностей рельефа местности, растительности, построек. При соответствующем оформлении трасс дорог и прилегающей местности опасность от воздействия на автомобиль внезапного порыва бокового ветра можно уменьшить, но этому вопросу и сегодня уделяется мало внимания.

С началом систематических работ по аэродинамике автомобиля были подняты и проблемы протекания потока внутри автомобиля. Уже Клемперер обращал внимание в своих экспериментах с моделями на потоки системы охлаждения и указывал, что обтекание радиатора связано с появлением дополнительного сопротивления движению автомобиля. Фидлер и Камм показали целый ряд возможностей уменьшения этой дополнительной силы сопротивления воздуха. В школе Камма процессы протекания потока в радиаторе были тщательно изучены; Шмитт и Эккерт, рассматривая совместно автомобиль, радиатор и вентилятор, подробно изложили этот вопрос в своих работах. Основы вентиляции пассажирского салона были подробно разработаны Каммом и его учениками. Неисследованным оставался вопрос взаимосвязи между внешним обтеканием автомобиля и внутренними потоками. Организация потока в салоне, его оптимизация с целью получения микроклимата, отвечающего комфортным условиям, стали предметом исследования в более поздний период времени.

Дальнейшее развитие «обтекаемых» форм кузовов

Перси в 1922 г. в Берлине собрал автомобиль, который был разработан на базе полутела вращения. Двигатель был размещен в измененной задней части автомобиля. Значения замеренных величин для этого автомобиля неизвестны, Позднее, с 1930 года, автомобилем с кузовом в форме полутела вращения занимались некоторые американские авторы; но эти работы дальше этапа моделирования не пошли. Полученные Фишлаем, Хилдом, Лэем и Рейдом результаты собраны на рисунке 14. Чтобы оценить полученные для моделей разного масштаба и качества выполнения результаты, каждой форме в виде полутела вращения противопоставлено значение коэффициента аэродинамического сопротивления, замеренное тем же автором для лимузинов, существовавших в то время. Если исключить из рассмотрения исследуемую Лэем форму с очень длинной задней частью, то для всех оптимизированных моделей в форме полутела вращения коэффициент аэродинамического сопротивления составляет примерно 1/3 коэффициента для лимузина, с которым производилось сравнение.

Разработка ходового автомобиля с кузовом в форме полутела вращения с 30-х годов велась в институте аэродинамических исследований (г. Геттинген) под руководством Прандтля. Анализ обтекания автомобиля Ланге (см. рисунок 8), выполненный Гансеном и Шлером, завершился разработкой модели, показанной на рисунке 15.

Продольное среднее сечение образуется двумя крыловидными профилями, оба имеют одинаковый коэффициент аэродинамического сопротивления c_W = 0,125. Поперечные сечения выполнены в форме, близкой к полутелу вращения, таким образом, что все тело автомобиля при большом объеме салона хорошо обтекается. На рисунке 16 представлены результаты измерений, выполненные для этого автомобиля и для масштабных моделей; показана зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления c_W от безразмерного отношения дорожного просвета e к высоте h. При большом дорожном просвете полутело вращения имеет лучшее значение c_W, чем профиль, из которого автомобиль был образован. С уменьшением дорожного просвета значение c_W становится больше.

Автомобилем Шлера завершилось развитие кузовов в форме полутел вращения; такая форма кузова не нашла применения на серийных моделях. К работам с так называемыми полутелами вращения вернулись в более поздний период времени, и постановка задач была другой. Эти тела, которые называют теперь основными телами, не используются непосредственно в качестве проекта формы кузова; они служат в качестве исходной базы для последовательного создания правильных форм автомобиля, которые позволяют получить очень малое сопротивление воздуха. Этим объединяются направления развития, обозначаемые словами «обтекаемый кузов» и «полутело вращения».

К разработке обтекаемых серийных автомобилей, прерванной второй мировой войной, снова вернулись, но работы велись разобщенно. Такое направление развития показывают автомобили фирмы «Ситроен» (рисунок 17).

Вопреки встречающемуся мнению, на примере автомобиля NSU RO 80 (рисунок 18) хорошо видно, что придание кузову автомобиля обтекаемой формы не приводит к однообразию внешних форм автомобиля.

Следует обратить внимание на последовательную работу фирмы «Порше» по аэродинамическому оформлению спортивных автомобилей, модельный ряд которых можно увидеть на рисунке 19. В то время как в основу более старых моделей «365 А» и «356 В» положены идеи Джерея, «Порше 911» скорее напоминает форму Ланге (см. рисунок 8). Более новые модели «Порше 924» и «Порше 928» также свидетельствуют об отдаленном родстве с автомобилем Ланге.

Источник