小轎車高速行駛空氣阻力特性研究

1、摘 要 汽車車速的提高受到許多因素的制約。根據(jù)汽車空氣動力學的原理汽車行駛時的空氣阻力是一個不可忽視的關鍵因素并且空氣阻力的影響因素也是多方面的。為了提高汽車的行車速度從汽車空氣阻力空氣阻力的影響因素出發(fā)分汽車迎風面積和空氣阻力系數(shù)兩個方面說明了降低汽車空氣阻力與提高車速的理論基礎。并引用具體事例及試驗數(shù)據(jù)對汽車車身結構設計分前部、中部、后部進行了分析改進以期探討降低汽車空氣阻力的措施和方法從而達到提高車速的目的。 關鍵詞: 汽車車身結構空氣阻力 AbstratThe improvement of vehicle speed is restricted by many factors. Acc

2、ording to theprinciple of aerodynamics the air resistance when the automobile runs is a key factorthat can not be ignored and the influence of the air resistance factors are in manyaspects. In order to improve the speed of the car starting from the influencing factorsof automobile air resistance and

3、 air resistance divided into two parts for automotivefrontal area and air resistance coefficient illustrates the theoretical basis of lowerspeed automotive air drag and improve. And citing specific examples and test datathe car body structure design anterior middle posterior branch is analyzed andim

4、proved in order to explore the measures and methods to reduce the air resistanceso as to improve the speed of.Keywords: automobile body structure air resistance 孫志豹：小轎車高速行駛空氣阻力特性研究 目 錄摘 要 . 錯誤！未定義書簽。前 言 . 31 空氣阻力 . 5 1.1 空氣阻力的概念及分類 . 5 1.2 摩擦阻力. 5 1.3 壓力阻力 . 5 1.4 形狀阻力 . 5 1.5 干擾阻力 . 5 1.6 內循環(huán)阻力 . 5

5、 1.7 誘導阻力 . 52 降低汽車空氣阻力的措施和方法 . 5 2.1 降低汽車空氣阻力系數(shù)的意義 . 6 2.2 汽車車身納杓埔?. 7 2.3 擾流器. 8 2.4 汽車加裝尾翼法 . 8 2.5 新型涂料法 . 9 2.6 新型噴射系統(tǒng) . 9結 論 . 10參考文獻 . 11致 謝 . 12 前 言 汽車問世后的 100 多年間科技突飛猛進時至今日已成為集當代高科技于一身且與人類生活息息相關的時代驕子。尤其是近年來國家加大交通設施的投資力度高速公路等交通網(wǎng)絡四通八達大大縮短了城市之間的距離方便了人們的日常生活。欣喜之余能否進一步提高汽車車速擺在了每一個汽車工作者的面前。隨著汽車速度

6、的不斷提高，隨之出現(xiàn)的與汽車氣動性能有關的問題也越來越多，如空氣阻力（當車速達到 250300km/h 時，空氣阻力占總阻力的 50以 、上） 氣動噪聲以及對周圍環(huán)境的影響等， 均與汽車外形的流線程度有關。為此，還必須進一步優(yōu)化車體外形，減少空氣阻力等對汽車的影響。從時速不超過50km/h 的馬車型汽車，發(fā)展到現(xiàn)在的流線型汽車時速可以達到 200300km/h，百年的汽車發(fā)展給人類社會帶來了巨大而深刻的變化。為此本文將對汽車行駛時的空氣阻力這一不可忽視的關鍵因素進行具體分析以期探討降低汽車空氣阻力提高汽車車速的措施和方法。 小轎車在高速行駛中所受空氣阻力主要包括以下幾種：一、摩擦阻力二、壓力阻

7、力三、形狀阻力四、干擾阻力五、內循環(huán)阻力六、誘導阻力 針對汽車高速行駛的空氣阻力的的特點，就對應解決降低汽車空氣阻力的辦法，其中有：一、汽車車身的設計二、汽車加裝尾翼法三、新型涂料法四、新型噴射系統(tǒng) 孫志豹：小轎車高速行駛空氣阻力特性研究1 空氣阻力11 空氣阻力的概念及分類： 空氣阻力指空氣對運動物體的阻礙力，是運動物體受到空氣的彈力而產生的。物體在運行時，由于前面的空氣被壓縮，兩側表面與空氣的摩擦，以及尾部后面的空間成為部分真空，這些作用所引起的阻力。在逆風運行時，還要把風力附加在內。 空氣阻力是汽車在空氣介質中行駛， 汽車相對于空氣運動時空氣作用力在行駛方向形成的分力，與汽車速度的平方成

8、正比，車速越快阻力越大。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大， 則會增加汽車燃油消耗量或嚴重影響汽車的動力性能。在一級方程式賽車界中有這么一句話：“誰控制好空氣，誰就能贏得比賽！”。追求最佳的空氣動力是現(xiàn)代一級方程式賽車中最重要的部分之一。在時速達300km 以上的賽車世界中，空氣在很大程度上決定了賽車的速度。空氣動力中， 1： 2：要考慮的要素簡而言之有兩點。 減少空氣阻力； 增加把賽車下壓的下壓力?？諝庾枇υ叫≠愜嚨乃俣仍侥茉娇?，下壓力越大賽車在彎道時的速度就越快?？諝鈩恿W簡單說就是如何取決在某些時候這兩個完全相反的力的最佳平衡。 實際操作時要與環(huán)境因素造成的氣流量的壓強掛鉤。 否則你將

9、區(qū)別不出什么是空氣動力和空氣阻力。 空氣阻力是汽車行駛時所遇到最大的也是最重要的外力?？諝庾枇ο禂?shù)，又稱風阻系數(shù)，是計算汽車空氣阻力的一個重要系數(shù)。它是通過風洞實驗和下滑實驗所確定的一個數(shù)學參數(shù) 用它可以計算出汽車在行駛時的空氣阻力。 風阻系數(shù)的大小取決于汽車的外形.風阻系數(shù)愈大則空氣阻力愈大.現(xiàn)代汽車的風阻系數(shù)一般在 0.3-0.5 之間。 風阻是車輛行駛時來自空氣的阻力，一般空氣阻力有好幾種形式，其中一種是氣流撞擊車輛正面所產生的阻力，就像拿一塊木板頂風而行，所受到的阻力幾乎都是氣流撞擊所產生的阻力。還有就是摩擦阻力，空氣與劃過車身一樣會產生摩擦力，然而以一般車輛能行駛的最快速度來說，摩擦

10、阻力小到幾乎可以忽略。另外還有外型阻力，一般來說，車輛高速行駛時，外型阻力是最主要的空氣阻力來源。外型所造成的阻力來自車后方的真空區(qū)，真空區(qū)越大，阻力就越大。 一般來說，三廂式的房車之外型阻力會比掀背式休旅車小。 車輛在行駛時，所要克服的阻力有機件損耗阻力、輪胎產生的滾動阻力一般也稱做路阻及空氣阻力。 隨著車輛行駛速度的增加，空氣阻力也逐漸成為最主要的行車阻力， 在時速 200km/h 以上時，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的 85。 一般車輛在前進時，所受到風的阻力大致來自前方，除非側面風速特別大。不然不會對車輛產生太大影響，就算有，也可通過方向盤來修正。風阻對汽車性能的影響甚大。根據(jù)測試，當一

11、輛轎車以 80 公里/時前進時，有 60的耗油是用來克服風阻的。 風阻系數(shù) Cd 是衡量一輛汽車受空氣阻力影響大小的一個標準。風阻系數(shù)越小，說明它受空氣阻力影響越小，反之亦然，因此說風阻系數(shù)越小越好。一般來講，流線性越強的汽車，其風阻系數(shù)越小。 風阻系數(shù)可以通過風洞測得。當車輛在風洞中測試時，借由風速來模擬汽車行駛時的車速，再以測試儀器來測知這輛車需花多少力量來抵擋這風速，使這車不至于被風吹得后退。在測得所需之力后，再扣除車輪與地面的摩擦力，剩下的就是風阻了，然后再以空氣動力學的公式就可算出所謂的風阻系數(shù)。 風阻系數(shù)正面風阻力× 2÷空氣密度 x 車頭正面投影面積 x 車速

12、平方。 一輛車的風阻系數(shù)是固定的，根據(jù)風阻系數(shù)即可算出車輛在各種速度下所受的阻力。 12 摩擦阻力 指空氣粘度在車身表面產生的切向力在行駛方向的分力；該力僅占空氣阻力總額的 9，在航空和航天中其作為重點考慮對象，在地面一般車輛中可予以忽略。 13 壓力阻力 指汽車外表面大氣作用的法向壓力在行駛方向的分力；根據(jù)阻力源的不同，壓力阻力又分為：形狀阻力、干擾阻力、內循環(huán)阻力及誘導阻力。 14 形狀阻力 由車身形狀的不同而產生的空氣阻力（主要由作用在汽車前、后兩面的壓力 ，其占空氣阻力總額的 58；差所至） 15 干擾阻力 車身中局部突起部分（如：反光鏡、車門把手等）產生的空氣阻力，其占空氣阻力總額的

13、 14； 16 內循環(huán)阻力 發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)、冷卻系、車身通風系統(tǒng)等所需要和產生的空氣流流經車體內部所產生的阻力，其占空氣阻力總額的 12； 17 誘導阻力 空氣升力在水平方向的投影（主要由作用在車身上、下兩面的壓力差所至），其占空氣阻力總額的 7； 2 降低汽車空氣阻力的措施和方法 汽車空氣動力學性能對汽車的安全性、經濟性和舒適性具有重要影響。文中通過分析汽車前部、客艙、尾部、底部、附加裝置和車輪對汽車空氣動力學性能的影響從汽車空氣動力學設計的角度優(yōu)化汽車造型進而提高汽車的安全性、經濟性和舒適性。 汽車具有良好的空氣動力學性能有利于提高 汽車的動力性和燃油經濟性、改善汽車的操縱性和行駛穩(wěn)定

14、性進而提高汽車的安全性、改善汽車的乘坐舒適性。隨著汽車設計、制造技術的進步和對汽車性能的要求越來越高汽車空氣動力學性能已成為汽車車身設計中必須考慮的重要因素。 通過改善汽車的空氣動力學性能，比如變化尾翼、底盤罩、前部進風口和輪轂帽，都能降低風阻系數(shù)。而降低車身高度，等于減小了截面積，或使車身更多 孫志豹：小轎車高速行駛空氣阻力特性研究的覆蓋住輪子，也有利于降低空氣阻力。 2.1 汽車空氣阻力系數(shù)的意義 汽車的空氣阻力系數(shù)是一種車型的重要參數(shù)。對新車型設計和車型改裝來說，為減少空氣阻力系數(shù)，以獲得良好的汽車動力性和燃料經濟性，是汽車設計者的一項重要工作。 1970 年美國人設計了一輛名為/藍色火

15、焰 0TheblueFlame的賽車其最高速度紀錄已近 1000kmPh1983 年英國/推力 2 號 0 火箭車在美國的黑石沙漠創(chuàng)1020kmPh 的世界陸地速度記錄日本近年來研制成功的磁懸浮列車其原理就是它們的外形似火箭迎風面積小速度極快，降低了空氣阻力系數(shù)。從本世紀初期的汽車發(fā)展到現(xiàn)在車身外形從箱形 v 甲蟲形 v 船形 v 魚形 v 楔形其主要目的之一就是降低空氣阻力系數(shù)。 汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產生縱向、側向和垂直等三個方向的空氣動力量，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力，大約占整體空氣阻力的 80以上。 由于空氣阻力與空氣阻力系數(shù)成正比關系， 現(xiàn)代轎車為了

16、減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力系數(shù)。從 20 世紀 50 年代到 70 年代初，轎車的空氣阻力系數(shù)維持在 0.4 至 0.6 之間。70 年代能源危機后，各國為了進一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低空氣阻力系數(shù)。現(xiàn)在轎車的空氣阻力系數(shù)一般在 0.28至 0.4 之間。 試驗表明，空氣阻力系數(shù)每降低 10，燃油節(jié)省 7左右。曾有人對兩種相同質量、相同尺寸；但具有不同空氣阻力系數(shù)分別是 0.44 和 0.25的轎車進行比較，以每小時 88km 的時速行駛了 100km，燃油消耗后者比前者節(jié)約了 1.7L。 小轎車高速行駛中空氣在汽車頭部氣流開始分流， 而汽車外形的變化使流速開始加快。在汽車

17、的頂部和底部產生高速區(qū)，且在車頂部分產生最高流速，然后開始逐漸回落。汽車尾流中有縱向的渦流產生，隨尾流的發(fā)展，渦流由強到弱，渦心降低（逐漸接近軌面），渦核向外移動。通過比較，流線型車型優(yōu)于其他車型，且在低速和高速時都有較好的空氣動力性能。 故在汽車外形發(fā)展設計研究時，應盡量將汽車外形設計成流線型，外形曲面曲率不應出現(xiàn)突變或變化過大，避免產生流動分離。 針對摩擦阻力、誘導阻力，轎車車身應該盡量設計成流線型，橫向截面面積不要太大，車身各部分用適當?shù)膱A弧過渡，盡量減少突出車身的附件，前臉、發(fā)動機艙蓋、前擋風玻璃適當向后傾斜， 后窗、后頂蓋的長度、 傾角的設計要適當。此外，還可以在適當?shù)奈恢冒惭b導流板

18、或 擾流板。通過研究汽車外部的氣流規(guī)律，不僅可以設計出更加合理的車身結構，還可以巧妙地引導氣流，適當利用局部氣流的沖刷作用減少車身上的塵土沉積。 針對形狀阻力、內循環(huán)阻力阻力，要設法降低行駛中的升力，包括使弦線前低后高，底版尾部適當上翹，安裝導流板和擾流板等措施。一部分外部氣流被引進汽車內部，可能會在一定程度上減少了外部氣流對汽車的阻力，但氣流在流經內部氣道時也產生的摩擦、旋渦損失。研究汽車內部的氣流規(guī)律，可以盡量減少內部氣阻，有效地進行冷卻和通風。利用氣流分布規(guī)律，還可以巧妙地把發(fā)動機的進氣口安排在高壓區(qū)，提高進氣效率，減少高壓區(qū)附近的渦流，同時把排氣口安排在低壓區(qū)，使排氣更加順暢。 2.2

19、 汽車車身的設計要求 2.2.1 汽車前部 車頭造型中影響汽車空氣動力學性能的因素很多 如車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發(fā)動機罩與前風窗造型、前凸起唇及前保險杠的形狀與位置、進氣口大小和格柵形狀等。車頭邊角主要是指車頭上緣邊角和橫向兩側邊角。對于非流線型車頭 存在一定程度的尖銳邊角會產生有利于減少氣動阻力的車頭負壓區(qū)車頭橫向邊角倒圓角 也有利于產生減小氣動阻力的車頭負壓區(qū) 圓角與阻力的關系 r / b 0. 045 r 為車頭橫向邊角倒圓角半徑 b 為車寬 時 即可保持空氣流動的連續(xù) 整體弧面車頭產生的氣動阻力比車頭邊角倒圓產生的氣動阻力??；車頭頭緣位置較低的下凸型車頭的氣動阻力系數(shù)最小。但氣

20、動阻力系數(shù)不是越低越好 因為低到一定程度后 車頭阻力系數(shù)不再變化 車頭頭緣的最大離地間隙越小 則引起的氣動升力越小 甚至可以產生負升力。 增加下緣凸起唇 氣動阻力變小 減小的程度與唇的位置有關。 發(fā)動機罩與前風窗的設計可以改變再附著點的位置 從而影響汽車的氣動特性。例，以 2 塊相交成一定角度的平板模擬汽車發(fā)動機罩與前風窗的實驗研究表明 分離點 S 的位置 X / c 與再附著點 R 的位置 X / d 具有對稱性 且分離點 S 與再附著點 R 之間的有旋分離泡 SR 的大小與有很重要的關系。發(fā)動機罩的縱向曲率越小 目前采用的縱向曲率大多為 0. 02 m- 1 氣動阻力越小 發(fā)動機罩的橫向曲

21、率也有利于減小氣動阻力。發(fā)動機罩具有適當?shù)男倍?與水平面的夾角 對降低氣動阻力有利但如果斜度進一步加大 則降阻效果不明顯。 風窗玻璃縱向曲率越大越好 但不宜過大 否則將導致視覺失真、 刮雨器刮掃效果變差 前風窗玻璃的橫向曲率也有利于減小氣動阻力 前風窗玻璃的斜度 與垂直面的夾角 小于 30時 降阻效果不明顯 但過大的斜度 將使視覺效果和舒適性降低 前風窗斜度等于48時 發(fā)動機罩與前風窗凹處會出現(xiàn)明顯的壓力降 因而造型設計時應避免出現(xiàn)這個角度 前風擋玻璃的傾斜角度 與垂直面的夾角 增大 氣動升力系數(shù)略有增加。 發(fā)動機罩與前風窗的夾角及結合部位的細部結構對氣流也有重要影響。 汽車前端形狀對汽車的空

22、氣動力學性能具有重要影響。 前端凸且高 不僅會產生較大的氣動阻力而且還將在車頭上部形成較大的局部負升力區(qū)。具有較大傾斜角度的車頭可以達到減小氣動升力乃至產生負升力的效果。 2.2.2 汽車客艙 前立柱上的凹槽、小臺面和細棱角處理不當 將導致較大的氣動阻力、較嚴重的氣動噪聲和側窗污染 因此 應設計成圓滑過渡的外形。 英國 White 于 1967年根據(jù)試驗結果對氣動阻力影響最關鍵的車身外形參數(shù)進行分級 具有重大實際指導作用。轎車側壁略外鼓 將增加氣動阻力 但有利于降低氣動阻力系數(shù)外鼓系數(shù) 外鼓尺寸與跨度之比 應避免處于 0. 02 0. 04。頂蓋有適當?shù)纳蠑_系數(shù) 上鼓尺寸與跨度之比 有利于減小

23、氣動阻力、綜合氣動阻力系數(shù)、氣動阻力、工藝、剛度和強度等方面因素頂蓋的上擾系數(shù)應在 0. 06 以下。對階背式轎車而言 客艙長度與軸距之比由 0. 93 增至 1. 17 會較大程度地減小氣動升力系數(shù)。但發(fā)動機罩的長度與軸距之比對氣動升力系數(shù)影響不大。 2.2.3 汽車尾部 車身尾部造型中影響氣動阻力的因素主要有后風窗的斜度 后風窗弦線與水平線的夾角 與三維曲率、尾部造型式樣、車尾高度及尾部橫向收縮。后風窗斜度對氣動阻力的影響較大 對斜背式轎車 斜度等于 30時 阻力系數(shù)最大斜度小于 30時 阻力系數(shù)較小。后擋風玻璃的傾斜角一般以控制在 25之內 孫志豹：小轎車高速行駛空氣阻力特性研究為宜 后

24、風窗與車頂?shù)膴A角為 28 32時 車尾將介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定的邊緣。典型的尾部造型有斜背式、階背式和方 平 背式。由于具體后部造型與氣流狀態(tài)的復雜性 一般很難確切地斷言尾部造型式樣的優(yōu)劣 但從理論上說 小斜背 角度小于 30 具有較小的氣動阻力系數(shù)。流線型車尾的汽車存在最佳車尾高度 此狀態(tài)下 氣動阻力系數(shù)最小 此高度需要根據(jù)具體車型及結構要求而定。 后車體橫向收縮可以減小截面面積 一定程度的后車體的橫向收縮對降低氣動阻力系數(shù)有益 但過多的收縮會引起氣動阻力系數(shù)增加。 收縮程度因具體車型而定。車尾最大離地間隙越大 車尾底部的流線越不明顯 則氣動升力越小甚至可以產生負升力。 長尾車可能產生較大的橫擺力矩 而切尾的快背式汽車的橫擺力矩并不大 可以通過加尾翼減小橫擺力矩 改善汽車的操縱穩(wěn)定性。 2.2.4 汽車底部 一般隨車身底部離地高度的增加 氣動阻力系數(shù)有所減小 但高度過小將增加氣動升力 影響操縱穩(wěn)定性及制動性 另外 確定離地高度時 還要考慮汽車的通過性與汽車重心高度。 車身底部縱傾角對氣動阻力影響較大 縱傾角越大 氣動阻力系數(shù)越大 故底板應盡量具有負的縱傾角 將底板做成前低后高的形狀有利于減小氣動升力。 車身底板適度的縱向曲率 用