Подвижной состав "Аэродинамические концепции перспективных магистральных автопоездов"


Совершенствование аэродинамических свойств обеспечивает существенное улучшение таких важных показателей большегрузных магистральных автопоездов, как безопасность, топливная экономичность, экологичность, повышает их производительность. Поэтому все ведущие производители магистральных автопоездов ведут интенсивные исследования и конструкторские разработки, направленные на отработку их аэродинамических характеристик путём оптимизации характера обтекания кабины, кузова, а также подднищевой зоны как при осесимметричном, так и при кососимметричном натекании воздушного потока.

 

В поисках новых решений

К числу наиболее интересных решений в этой области следует отнести прототипы обтекаемых магистральных автопоездов Renault VIRAGES (Франция), Мercedes EXT-92 (Германия), «2001 Л. Коллани» (Италия).

Автопоезд R10 VIRAGES (Франция) полной массой 38 т был разработан фирмой Renault в рамках специальной государственной программы «Экономия жидкого топлива для автомобильного транспорта». Тягач автопоезда оборудован 6-цилиндровым дизелем рабочим объёмом 10 л, обладающим сравнительно небольшой мощностью, равной 235 кВт (320 л. с.). Однако существенное снижение аэродинамического сопротивления (Сх=0,44) за счёт применения высокой кабины и «отработки» конструктивных параметров, влияющих на обтекаемость, а также уменьшение сопротивления качению путём установки вместо сдвоенных колёс одинарных с широкопрофильными шинами позволили обеспечить высокие скоростные и динамические качества автопоезда.

Автопоезд Мercedes EXT-92 (Германия) имеет обтекаемую форму скоростного локомотива. Значение коэффициента аэродинамического сопротивления Сх для него составляет 0,42.

Следует отметить, что подобные исследования в конце 80-х и начале 90-х годов прошлого века активно велись и в СССР. В этот период в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» и на Минском автомобильном заводе были разработаны концепции перспективных магистральных автопоездов с кабинами улучшенной обтекаемости.

В частности, интерес представляет перспективный магистральный автопоезд НАМИ-2000 «Тайфун», аэродинамическая доводка которого осуществлялась с помощью его масштабной модели. При этом был реализован целый ряд мероприятий по улучшению обтекаемости. В конструкции была применена высокая широкая кабина, фронтальные кромки которой имели большие радиусы закругления. На переднем буфере был установлен нижний обтекатель с оптимизированным расстоянием от его нижней кромки до дороги. Кроме того, были смонтированы нижние боковые аэродинамические щитки, перекрывающие колёса тягача и прицепа. Дополнительное снижение аэродинамического сопротивления автопоезда обеспечили путём уменьшения зазора между тягачом и прицепом, а также использования вместо сдвоенных одинарных колёс с широкопрофильными шинами. Значение коэффициента Сх для этой конструкции составило 0,55, то есть почти вдвое меньше, чем у автопоезда МАЗ-6422+9398.

Кроме того, в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» был разработан прототип перспективного автопоезда НАМИ-МАЗ-2000 с высокой обтекаемой кабиной и уменьшенным зазором между нею и кузовом. Значение коэффициента Сх при этом достигло 0,51.

Проведённые авторами расчётные и экспериментальные исследования по аэродинамическому проектированию и оптимизации аэродинамических характеристик магистральных автопоездов за счёт отработки формы были учтены и реализованы в новой перспективной модели магистрального автопоезда МАЗ, созданной НИРУП «Белавтотракторостроение» НАН Беларуси совместно с Национальным дизайн-центром. В результате аэродинамической оптимизации модели этого перспективного автопоезда в трубе значение его коэффициента Сх составляет 0,55.

 

Оригинальная конструкция модульного типа

Ярким примером успешного сотрудничества науки и производства явилась разработка концепции обтекаемого магистрального автопоезда МАЗ-2000 «Перестройка». Эта оригинальная конструкция модульного типа была создана на МАЗе под руководством одного из авторов этой статьи, работавшего в то время главным конструктором Минского автозавода. В результате аэродинамической доводки этой модели путём экспериментально-расчётной оптимизации её головной части и применения оригинальной компоновочной схемы автопоезда, позволившей установить кабину почти вплотную к кузову и исключить влияние зазора между ними на характер обтекания, установки нижних аэродинамических щитков, закрывающих все колёса автопоезда, а также конфузорности днища задней части кузова удалось создать условия для оптимального обтекания всего автопоезда. Использование высокой аэродинамически оптимизированной в продольном, поперечном сечениях и в плане кабины, а также устранение зазора между кабиной и кузовом позволило обеспечить практически безотрывное обтекание носовой части автопоезда с переходом на боковые стенки и крышу кузова незавихрённого воздушного потока. Немаловажным обстоятельством также явилось установление оптимального расстояния от нижнего параболического обтекателя до дороги, что позволило заметно снизить аэродинамические потери в подднищевой зоне. При этом было достигнуто хорошее обтекание автопоезда во всём диапазоне углов натекания потока с минимальным увеличением коэффициента аэродинамического сопротивления при наличии бокового ветра. Например, если у автопоезда МАЗ-6422+9398 коэффициент Сх при угле натекания потока =9º увеличивался почти в два раза, то приращение Сх обтекаемого автопоезда не превышало 15 %.

Дополнительное снижение аэродинамического сопротивления этого автопоезда было получено за счёт установки на задней стенке кузова обтекателя. В плане он представлял собой цилиндрическую поверхность с радиусом, равным половине ширины кузова. Применение такого заднего обтекателя позволило заметно улучшить обтекаемость кормовой части автопоезда и довести по результатам испытаний в аэродинамической трубе его модели значение коэффициента Сх при , равном 0º и 9º, соответственно до 0,29 и 0,34. Это даёт основание считать, что с учётом коэффициента перехода от модели к натурному образцу значение Сх в указанном диапазоне изменения угла натекания потока для натурного автопоезда МАЗ-2000 «Перестройка» составляет 0,40-0,45. Высокий уровень обтекаемости этого автопоезда подтверждается значениями фактора обтекаемости для ряда конструкций с улучшенными аэродинамическими характеристиками (рис. 1). При этом автопоезд МАЗ-2000 «Перестройка» уступает только Мercedes ЕХТ-92, имеющему форму скоростного локомотива.

На рис. 1 приведены значения фактора обтекаемости СхF (F-лобовая площадь автопоезда) для магистральных автопоездов улучшенной обтекаемости. Наименьшее значение СхF оказалось у Мercedes EXT-92, лобовая часть которого выполнена в форме локомотива. Близкие к нему значения фактора обтекаемости имеют Renault VIRAGES и МАЗ-2000 «Перестройка».

 

Оптимистичный прогноз

Анализ рассмотренных аэродинамических концепций позволяет сделать определенные выводы и научный прогноз в области аэродинамики магистральных автопоездов.

Диаграмма снижения коэффициента аэродинамического сопротивления седельных и прицепных магистральных автопоездов по годам (рис. 2) показывает, что по сравнению с 1985 г. значения коэффициента Сх магистральных автопоездов снизились почти вдвое. Одним из главных конструктивных мероприятий, обеспечивших это снижение, стало применение высоких обтекаемых кабин.

Интенсивные исследования, отработка формы и применение внешних аэродинамических устройств позволили довести значения Сх для современных магистральных автопоездов до 0,5-0,6. Следует ожидать дальнейшего снижения коэффициента аэродинамического сопротивления перспективных магистральных автопоездов и доведения его средних значений до величины 0,45-0,5. В 2005 г. ожидаемые средние значения Сх магистральных автопоездов могут составить 0,45. Таким образом, прогнозируется дополнительное снижение аэродинамического сопротивления магистральных автопоездов на 35 %. При этом возможное уменьшение расхода топлива за счёт такого значительного снижения их аэродинамического сопротивления может составить: 8-9 %.

 

А. Н. ЕВГРАФОВ, д. т. н., профессор МГИУ,

М. С. ВЫСОЦКИЙ, академик НАН Беларуси, НИРУП «Белавтотракторостроение»


 

Рис. 1. Значения фактора СхF для магистральных автопоездов улучшенной обтекаемости:

1 - «Аккерман-Фрюхов» (прицепной); 2 - НАМИ-2000 (прицепной); 3 - Mitsubishi (прицепной); 4 - МАЗ-6430 (седельный); 5 – НАМИ-2000 (седельный); 6 – ФЕВ-2000 (седельный); 7 – Isuzu (прицепной); 8 - Renault -VIRAGES (седельный); 9 - виртуальная модель автопоезда МАЗ; 10 - МАЗ-2000 «Перестройка» (седельный); 11 - Мercedes ЕХТ-92 (седельный)

 

Рис. 2. Диаграмма снижения коэффициента Сх магистральных автопоездов по годам