RU242599U1 - Вертикальная аэродинамическая труба для аэродинамических испытаний транспортных средств - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области автомобилестроения, в частности, к испытаниям транспортных средств (ТС), и может быть использована при определении аэродинамических параметров ТС, таких как сила лобового сопротивления (Рв) и коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх). Вертикальная аэродинамическая труба (ВАТ) для аэродинамических испытаний транспортного средства (ТС) содержит прозрачную вертикальную камеру, трубопровод, соединенный с ее нижней частью, вентилятор, обеспечивающий подачу потока воздуха через трубопровод в нижнюю часть упомянутой вертикальной камеры, две направляющие, расположенные внутри упомянутой вертикальной камеры по всей ее длине, вертикальный подвес, расположенный в центре упомянутой вертикальной камеры, предназначенный для соединения испытуемого ТС через верхнее крепление, и два шкива, выполненных с возможностью свободного вращения, с одним из концов расположенного снаружи упомянутой вертикальной камеры регулируемого по массе противовеса, а также упругий элемент заданной жесткости, соединенный с другим концом упомянутого противовеса, выполненный с возможностью перемещения относительно устройства для измерения линейного перемещения. Полезная модель обеспечивает повышение наглядности и точности определения силы сопротивления воздуха методом прямого измерения.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Предлагаемая полезная модель относится к области автомобилестроения, в частности, к испытаниям транспортных средств (ТС), и может быть использована при определении аэродинамических параметров ТС, таких, как сила лобового сопротивления (P_в) и коэффициент аэродинамического сопротивления (С_х).

Уровень техники

Известна аэродинамическая труба для проведения испытаний ТС, установленная на Дмитровском полигоне НАМИ, содержащая горизонтальную измерительную камеру, в которую устанавливают испытуемое ТС, крепления ТС к опоре, датчики определения силы сопротивления воздуха, воздействующего на ТС, вентиляторы, создающие мощный воздушный поток, имитирующий движение ТС на большой скорости (см. А.М. Иванов и др. Учебное пособие «Испытания колёсных транспортных средств», Москва, МАДИ, 2018, стр. 69-70).

Известная аэродинамическая труба имеет следующие недостатки:

- очень большая мощность вентиляторов для создания необходимого по мощности воздушного потока для определения силы лобового сопротивления P_в;

- силу сопротивления воздуха P_в определяют не прямыми замерами, а по данным датчиков, установленных в креплениях ТС к опоре, которые фиксируют силу, стремящуюся сдвинуть ТС под действием набегающего воздушного потока.

Это происходит по следующей причине. Сила сопротивления воздуха Р_в (вдоль оси Х) является составляющей полной аэродинамической силы. Она приложена к центру парусности – центру лобовой площади и определяется из следующего выражения:

где С_Х – коэффициент аэродинамического сопротивления вдоль оси Х;

ρ_в – плотность воздуха (1,22 кг/м³ при нормальных атмосферных условиях: температура - 15°С, давление - 760 мм рт.ст., относительная влажность воздуха - 50%);

F – лобовая площадь, т.е. площадь фронтальной проекции ТС;

V – скорость обтекания воздухом ТС (м/с).

Приближенно у легковых и грузовых автомобилей лобовая площадь не превышает 2-5 м², коэффициент аэродинамического сопротивления С_х у грузовых автомобилей примерно равен 1, у легковых около 0,2-0,4.

Если с этими данными посчитать силу сопротивления воздуха Р_в на скорости 30 м/с (108 км/ч), то получим Р_в не более 500 Н для легкового автомобиля, 2700 Н для грузового. При этом сила тяжести (G_а) обычного снаряженного легкового автомобиля примерно 10000-15000 Н, а грузового – 50000-150000 Н. То есть на данной скорости сила тяжести в несколько раз больше силы сопротивления воздуха. Поэтому вес ТС на опору, намного больше силы, стремящейся его сдвинуть, в результате получить точные данные с датчиков очень сложно и приходится увеличивать напор воздуха на ТС для получения больших значений силы сопротивления воздуха (схематичное изображение известной аэродинамической трубы представлено на фиг. 1).

Например, при скорости 50 м/с (180 км/ч): Р_в = 1200 Н для легкового автомобиля, Р_в = 7500 Н для грузового.

Но, даже увеличив мощность потока воздуха и получив косвенно силу сопротивления воздуха, очень трудно посчитать точно малые изменения коэффициента аэродинамического сопротивления С_х. У современных ТС, особенно легковых, изменение С_х даже на 0,01 дает существенную экономию топлива и прирост тягово-скоростных показателей, но при этом изменение значения Р_в составляет на скорости потока воздуха 50 м/с всего 10-15 Н, которые определить очень сложно на фоне очень большой массы самого ТС.

Известны также вертикальные аэродинамические трубы (далее – ВАТ) для парашютистов и имитации затяжных прыжков (см., например, RU 2693106 C1, RU 162175 U1, RU 2435624 C1).

Особенностью известных ВАТ является то, что объекты в них находятся в свободном падении на поднимающемся потоке воздуха, в условиях, приближенных к естественным.

Недостатками таких ВАТ являются:

- очень большая мощность вентиляторов, нагнетающих воздух снизу для поддержания в свободном полете тяжелых объектов (масса взрослого человека в среднем 80-100 кг или вес примерно 800-1000 Н);

- свободное перемещение объекта внутри трубы, что приводит к невозможности определения аэродинамических параметров.

Вышеперечисленные недостатки приводят, в свою очередь, к:

- слишком большим затратам энергии на проведение испытаний с целью определения аэродинамических параметров ТС;

- невозможности определения коэффициента аэродинамического сопротивления с высокой точностью;

- отсутствию наглядности испытаний;

- необходимости дооборудования аэродинамической трубы дополнительными датчиками.

При этом для визуализации испытаний необходимо дополнительное оборудование.

Известна ВАТ, содержащая прозрачную вертикальную камеру, трубопровод, соединенный с ее нижней частью, и вентилятор, обеспечивающий подачу потока воздуха через трубопровод в нижнюю часть вертикальной камеры (см. RU 2394726 С2, МПК B64D 23/00, опубл. 15.12.2006). Известная ВАТ позволяет проводить исследования летательных аппаратов с возможностью подъема в воздух, то есть поддержания в парящем состоянии с наглядной демонстрацией результатов.

Известная ВАТ принята в качестве ближайшего аналога к заявленной ВАТ.

Основными недостатками известной ВАИ являются очень большая потребная мощность вентиляторов для поддержания исследуемых объектов в воздухе в парящем состоянии и сложность с нахождением силы сопротивления воздуха из-за наличия трех степеней свободы испытуемого объекта, когда он парит в вертикальной части ВАТ.

Раскрытие сущности полезной модели

Техническая проблема, решаемая заявленной полезной моделью, состоит в создании ВАТ, обеспечивающей существенное снижении мощности воздушного потока во время проведения испытаний.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении наглядности и точности определения силы сопротивления воздуха методом прямого измерения, что достигается за счёт компенсации до 99,99% массы исследуемого объекта и визуализации перемещения под действием данной силы.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания ВАТ для аэродинамических испытаний транспортного средства, содержащей прозрачную вертикальную камеру, трубопровод, соединенный с ее нижней частью, и вентилятор, обеспечивающий подачу потока воздуха через трубопровод в нижнюю часть упомянутой вертикальной камеры, которая снабжена двумя направляющими, расположенными внутри упомянутой вертикальной камеры по всей ее длине, вертикальным подвесом, расположенным в центре упомянутой вертикальной камеры, предназначенным для соединения испытуемого транспортного средства через верхнее крепление и два шкива, выполненных с возможностью свободного вращения, с одним из концов расположенного снаружи упомянутой вертикальной камеры регулируемого по массе противовеса, а также упругим элементом заданной жесткости, соединенным с другим концом упомянутого противовеса, выполненным с возможностью перемещения относительно устройства для измерения линейного перемещения.

Краткое описание чертежей

Заявленная полезная модель поясняется графическими материалами, где:

- на фиг. 1 представлено схематическое изображение известной горизонтальной аэродинамической трубы для аэродинамических испытаний ТС, сбоку;

- на фиг. 2 представлено схематическое изображение заявленной ВАТ для аэродинамических испытаний ТС, в исходном состоянии (без подачи воздуха), вид сбоку;

- на фиг. 3 представлено схематическое изображение заявленной ВАТ для аэродинамических испытаний ТС во время испытаний (при подаче воздуха), вид сбоку.

Осуществление полезной модели

ВАТ для аэродинамических испытаний ТС, представленная на фиг. 2, содержит прозрачную вертикальную камеру 1, трубопровод 2, соединенный с ее нижней частью, вентилятор 3 с приводом от соответствующего электродвигателя, обеспечивающий подачу воздуха через трубопровод 2 в нижнюю часть вертикальной камеры 1, две направляющие 4, расположенные внутри вертикальной камеры 1 по всей ее длине, вертикальный подвес 5, расположенный в центре вертикальной камеры 1, предназначенный для соединения испытуемого ТС через верхнее крепление 6 и два шкива 7, выполненных с возможностью свободного вращения, с одним из концов расположенного снаружи вертикальной камеры 1 регулируемого по массе противовеса 8, а также упругим элементом 9 заданной жесткости, соединенным с другим концом противовеса 8, выполненным с возможностью перемещения относительно устройства для измерения линейного перемещения 10 (и, соответственно, перемещения связанного с ним указателя 11).

Работа заявленной ВАТ осуществляется следующим образом.

В исходном положении (без подачи воздуха внутрь ВАТ) в центр прозрачной вертикальной камеры 1 подвешивают (вдоль направляющих 4 на вертикальный подвес 5) испытуемое ТС весом G_а [Н] (см. фиг. 2). Снаружи вертикальной камеры 1 этот же подвес 5, перекинутый через верхнее крепление 6 и два шкива 7, соединяют с одним из концов регулируемого противовеса 8 массой m_к [кг], то есть весом G_к = 9,81m_к [H].

Разность веса ТС и веса противовеса 8 составляет:

Δ = G_а – G_к

Под действием этой разности упругий элемент 9, соединенный с другим концом противовеса 8, будет растягиваться на длину l = Δ/C_п [м], где С_п - жёсткость упругого элемента [H/м].

Жесткость упругого элемента 9 подбирают в зависимости от Δ таким образом, чтобы перемещение указателя 11 было достаточно большим и информативным, а изменение его положения фиксировалось даже при небольших значениях Р_в.

Указатель 11 фиксирует смещение l под действием разности весов ТС и противовеса 8 на устройстве для измерения линейного перемещения 10.

Подбирая массу противовеса 8, можно компенсировать до 99,99% массы испытуемого ТС, например, от массы ТС в 1000 кг можно оставить Δ = 100 Н, то есть примерно 10,2 кг массы. При жесткости упругого элемента 9 С_п = 100 Н/м получают смещение указателя 11 относительно устройства для измерения линейного перемещения 10 на длину l = 1 м.

Вентилятор 3 создает поток воздуха, подаваемый в нижнюю часть вертикальной камеры 1. После включения вентилятора 3 и подачи воздуха через трубопровод 2 в нижнюю часть вертикальной прозрачной камеры 1 получают силу сопротивления воздушного потока, воздействующую снизу на испытуемое ТС, которую можно заменить равнодействующей силой сопротивления воздуха Р_в [Н] (см. фиг. 3). Направляющие 4 обеспечивают перемещение ТС под действием Р_в вдоль них.

Как было показано ранее, Р_в зависит от лобовой площади в первой степени и скорости ветра в квадрате, при этом коэффициент аэродинамического сопротивления С_х легкового ТС составляет примерно 0,2-0,25, а лобовая площадь – примерно 2-3 м².

Если взять для примера ТС площадью 2 м² и С_х = 0,2, то при скорости ветра 15 м/с (вполне достижимый результат с вентилятором небольшой мощности (5-10 кВт)) получают Р_в = 54,9 Н.

При этом сила Р_в действует против веса ТС G_а и, следовательно, уменьшит силу растяжения упругого элемента 9, что отразится на смещении указателя 11 относительно устройства для измерения линейного перемещения 10, он займет новое положение: l’ = (Δ-Р_в)/С_п = 0,45 м. И можно будет очень точно определить Р_в, замерив l и l’:

Р_в = (l-l’)⋅С_п

В отличие от заявленной ВАТ, в аэродинамической трубе, принятой в качестве ближайшего аналога, чтобы создать существенную силу сопротивления воздуха, используются вентиляторы с мощностями в несколько тысяч кВт.

В результате же реализации заявленной полезной модели, если мы изменим С_х испытуемого ТС на 0,01, при тех же параметрах воздушного потока изменение силы сопротивления воздуха Р_в составит 2,7 Н, то есть смещение указателя 11 вдоль устройства для измерения линейного перемещения 10 составит 2,7 см, что вполне наглядно, и просто замерить.

Использование заявленной ВАТ с возможностью компенсировать до 99,99 % массы испытуемого ТС позволяет наглядно и точно определять силу сопротивления воздуха и коэффициент аэродинамического сопротивления, вплоть до 0,01, при небольших мощностях вентилятора, что значительно упрощает и удешевляет процесс проведения аэродинамических испытаний ТС.

Claims (1)

1. Устройство для аэродинамических испытаний транспортного средства в вертикальной аэродинамической трубе, содержащее две направляющие, расположенные внутри аэродинамической трубы по всей ее длине, вертикальный подвес, расположенный в центре аэродинамической трубы, предназначенный для соединения испытуемого транспортного средства через верхнее крепление с двумя шкивами, выполненными с возможностью свободного вращения с одним из концов расположенного снаружи вертикальной аэродинамической трубы противовеса, который, в свою очередь, другим концом соединен с упругим элементом, выполненным с возможностью перемещения относительно устройства для измерения линейного перемещения.