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文檔簡介

1、第三章 汽車空氣動力學 3.1 概述 3.2 氣動阻力 3.3 升力和俯仰力矩 3.4 側向力和橫擺力矩 3.5 側傾力矩 3.6 側風作用下的氣動阻力系數 3.7 汽車空氣動力學實驗.第一節(jié) 概述定義:汽車在路面上行駛,除遭到路面作用力外,還遭到周圍氣流對它作用的各種力和力矩。研討這些力的特性及其對汽車性能所產生的影響的學科稱為汽車空氣動力學。 汽車行駛中遭到的氣動力有迎面阻力、升力、側向力及這些力構成的俯仰力矩、側傾力矩和橫擺力矩,他們的大小,大致都與空氣對汽車的相對速度的平方成正比,因此隨著汽車行駛速度的日益提高,其作用對汽車性能的影響也會愈來愈顯著。回主目錄.氣動六分力與坐標系: 汽車

2、在行使時,遭到氣流的氣動力作用,該作用力在汽車上的作用點,我們通常稱為風壓中心,記作C.P,由于汽車外型的對稱性,風壓中心在汽車的對稱平面內,但它不一定與重心CG重合。 為了研討方便,建立一套坐標系,通常把汽車空氣動力坐標系原點設在車輛縱向對稱面與地面的交線上,前后軸中點處。規(guī)定各軸的正值方向如圖3-1示:回主目錄. 一切的空氣力向上述坐標原點化簡,產生三個分力和三個繞坐標軸的力矩。各種氣動力的數值都與動壓力和迎風的汽車正投影面積成正比,其比例系數稱為氣動力系數。 表3-1列出了國內外對六分力稱號和系數公式的對照表回主目錄. 名 稱代 號美、日規(guī)定德國規(guī)定系數公式氣動阻力Drag 側向力Sid

3、e force 升力Lift 側傾力矩Rolling moment 俯仰力矩Pitching moment 橫擺力矩Yawing moment 表3-1回主目錄.第二節(jié) 氣動阻力 空氣作用于車身的向后的縱向分力稱為氣動阻力,這種阻力與車速平方成正比。為了抑制氣動阻力所耗費的功率和燃料是隨車速的三次方急劇添加的,當車速超越100km/h時,發(fā)動機功率有80%用來抑制氣動阻力,要耗費很多燃料。在高速行駛時,如能減少10%的氣動阻力,就可使燃料經濟性提高百分之幾十。當前汽車設計師非常注重降低氣動阻力系數Cx,由于它對汽車動力性、經濟性和輕量化有很多益處。回主目錄.氣動阻力由五部分組成:外形阻力,占總

4、阻力58%;誘導阻力,占總阻力7%; 摩擦阻力,占總阻力9%;干擾阻力,占總阻力14%;內循環(huán)阻力,占總阻力12%。 這幾部分阻力的大致比例如圖3-2所示。 圖3-2 回主目錄.3.2.1 外形阻力 當汽車行使時,氣流流經汽車外表過程中,在汽車外表部分氣流速度急劇變化部位會產生渦流,如圖3-3中在車身后部有明顯的渦流區(qū),在渦流區(qū)產生負壓,而汽車正面是正壓,所以渦流引起的阻力是壓差阻力,又由于這都和車身外形有關,也稱為外形阻力,它占整個阻力的 ?;刂髂夸?圖3-3 汽車外表氣流圖回主目錄.3.2.2 誘導阻力 誘導阻力是由于氣流經車身上下部時,由于空氣質點流經上下外表的路程不同,流速不同從而產生

5、壓差,即升力,升力在程度方向上的分力稱為誘導阻力,如圖3-4所示。圖3-4 汽車的誘導阻力回主目錄.誘導阻力系數 升力系數 間有如下近似關系: 3-1 式中,b為汽車寬度,m ; 為空氣密度, A為汽車正投影面積, 。 誘導阻力占總空氣阻力的 。回主目錄.3.2.3 摩擦阻力 汽車空氣阻力中的摩擦阻力是由于空氣的粘性在車身外表上產生的切向力呵斥的??諝馀c其它流體一樣都具有粘性,當氣流流過平板時,由于粘性作用,空氣微團與平板外表之間發(fā)生摩擦,這種摩擦妨礙了氣體的流動,構成一種阻力稱為摩擦阻力,約占總空氣阻力的 ?;刂髂夸?汽車空氣阻力中的摩擦阻力是由于空氣的粘性在車身外表上產生的切向力呵斥的。空

6、氣與其它流體一樣都具有粘性,當氣流流過平板時,由于粘性作用,空氣微團與平板外表之間發(fā)生摩擦,這種摩擦妨礙了氣體的流動,構成一種阻力稱為摩擦阻力,約占總空氣阻力的 。.3.2.4 干擾阻力 它是車身外面的凸起物如后視鏡、流水槽、導流板、擋泥板、天線、門把手、底盤下面凸出零部件所呵斥的阻力,占總阻力的14%。 3.2.5 內循環(huán)阻力 它是指為了發(fā)動機冷卻和乘坐艙內換氣而引起空氣氣流經過車身的內部構造所產生的阻力,它占總阻力12%。回主目錄.3.2.5 小結 減少氣動阻力系數 在車身外型設計中主要采取以下措施 : 1、 光順車身外表的曲線外形,消除或延遲空氣附面層剝離和渦流的產生; 2、 調整迎面和

7、反面的傾斜角度,使車頭、前窗、后窗等外型的傾斜角度有效地減少阻力的產生; 3、 減少凸起物,構成平滑外表; 4、 設計空氣動力附件,整理和引導氣流流向?;刂髂夸?第三節(jié) 升力和俯仰力矩 升力是由于汽車行駛中車身上部和車身底部空氣流速不等構成壓力差而呵斥的。升力不經過重心時對汽車產生俯仰力矩。 升力使車輪有抬升的趨勢,減少驅動輪上的附著力,對轉向車輪的影響是升力使側向最大附著力和側偏剛度降低,而使轉向性能變壞。 現代高速汽車特別是賽車在設計上都力圖減少升力?;刂髂夸?影響要素:1、車身外形 把車身前后端形心用直線銜接,稱此直線為中線,此中線與程度面的夾角稱為迎角。 中線前高后低,迎角為正,反之為

8、負。正迎角越大升力越大。 假設汽車風壓中心處于中心之前,那么升力對中心呵斥俯仰力矩,使前輪更加有離地趨勢,所以最新設計的車身外形采取以下措施: 1 盡量做到風壓中心與重心重合; 2 采用類似楔型外型。盡量壓低車身前端,使尾部肥厚向上翹以產生負迎角; 回主目錄. ( 3 ) 車身前部設阻風板后面設擾流板使后面翹起,如圖3-5示;圖 3-52、驅動方式 普通前置前驅汽車其風壓中心與車身中心接近,后置發(fā)動機汽車的重心往往偏后,因此風壓中心能夠在重心前,俯仰力矩大些?;刂髂夸?第四節(jié) 側向力和橫擺力矩 汽車受側風時,如風力與中軸成 角,那么在 方向產生分力 ,此分力隨 角的添加而直線上升,如側風作用的

9、風壓中心(C.P)在重心之前,那么汽車將順風偏轉,結果使 增大。側向力和橫擺力矩增大,導致穩(wěn)定性變壞,如側向力的風壓中心位于中心之后,那么汽車逆風偏轉,使側向力和橫擺力矩減少利于行駛穩(wěn)定性;如風壓中心與重心重合,那么汽車在側向力作用下側移,但能堅持行駛方向。 減少側向力的影響有以下措施: ( 1 ) 盡量使風壓中心位于重心之后; ( 2 ) 盡量壓低車身高度,處置好橫截面的流線形性,添加車寬。回主目錄.第五節(jié) 側傾力矩 側傾力矩直接影響到汽車的側傾角,并影響左右車輪負荷重新分配。 側傾力矩主要由車身側面外形決議,減少側傾力矩的措施主要是: ( 1 ) 盡量降低車身,增大車寬; ( 2 ) 使風

10、壓中心在高度上接近側傾軸線;回主目錄.第六節(jié) 側風作用下的氣動阻力系數 在側風作用下直線行駛的汽車遭到由行駛速度產生的行駛風 (負號表示與行駛速度方向相反)和側風 的影響,氣流流入合成速度 就是兩者的矢量和: 其合成速度 與汽車軸線成 角 ( 圖3-6 )。 流入角,單位為 。 的大小可用下式求出: 式中 風與汽車軸線夾角?;刂髂夸?圖3-6 回主目錄.流入角可用下式求出: 所以:在逆風時: 順風時:回主目錄.橫風時: 圖3-7表示有側風時行駛速度、風速與合成速度及迎角之間的關系。在有側風時,氣動阻力系數成為 ,它要比無風時的氣動阻力系數 大, 圖3-8是在風洞中測出三種車型的 和迎角 的關系

11、,前 時, 隨著 的增大 , 普通要增大。回主目錄. 圖3-7 自然側風風速不同時,合成風速 和迎角 與行駛速度之間的關系 ( 直線行駛時,自然風垂直于汽車縱軸線 ) 回主目錄. 圖3-8 三種典型車身的切向力系數與迎角的關系回主目錄.第七節(jié) 汽車空氣動力學實驗 汽車的空氣動力學實驗分室內和室外兩種: 室內實驗普通是把汽車或汽車模型置于能模擬汽車行駛中流場的管狀實驗場中,用巨型風扇呵斥所需的汽車氣流的相對速度,測定各種氣動力和氣動力矩的一種實驗安裝,這種安裝稱為風洞( Wind Tunnel )。 室外實驗是把實車在室外實驗場上進展空氣阻力系數的測定和研討橫風對汽車的作用。回主目錄.3.7.1

12、 風洞實驗設備和技術 汽車風洞由大功率電動機帶動鼓風機和按一定要求設計的管道構成,可分為直流式和回流式兩種: 1、直流式風洞又稱為埃菲爾式風洞,其構造是鼓風機在實驗階段下游靠吸入空氣構成氣流。圖3-9a即是英國 MIRA 研討中心的一個直流式風洞,實驗段長3.8m,截面2.12 , 高1m ,最高風速為160km/h ,風扇功率為37.3kW,由于截面小,只作模型實驗,實驗段普通為長方形截面,其長度應為1.5-2倍當量截面直徑。回主目錄.圖3-9 兩個典型的汽車風洞回主目錄. 2、 回流式風洞又稱哥根廷式風洞,經過實驗段的氣流經過循環(huán)系統(tǒng)再前往流動構成回流,故此得名,其優(yōu)點是可節(jié)省驅動功率,圖

13、3-9a示出德國飛馳公司的回流式風洞,其實驗段截面達32.6 ,長10m,最高風速達270km/h,風扇功率高達4000kW。 世界上的風洞按其實驗段面積和最高風速可分為大中小三類:回主目錄.風洞的技術要求:1、模擬地面效應 汽車在真實路面上行駛時,遭到與行駛速度一樣的風的作用,與此同時,路面以一樣速度向后方挪動,而在風洞中,汽車或汽車模型不動,風以與汽車行駛速度一樣的風速作用于汽車上,但在地板上構成邊境層,這種邊境層是由于流體粘性呵斥的,使丈量阻力減少,升力值增大。因此規(guī)定:回主目錄.圖3-10 地面效應模擬方法 為了盡能夠真實地復現汽車車身底部的速度分布,要求地板的邊境層盡能夠薄,常用以下

14、三種方法( 見圖3-10):把模型支在距風洞底部一定高度的地板上;把模型支在傳動帶上;在風洞地板上設孔以吸除(或吹除)附面層.回主目錄.2、模擬邊境條件 汽車在路上行駛,周圍氣流均勻,風洞中除地板上有附面層外,管徑如太小,其附面層也影響氣流特性,為此設計的風洞實驗段截面積與模型的正面投影面積之比有一定要求: 模型的正面投影面積要小于 的實驗段面積,地板以上面積,模型高度要小于實驗段高度 。3、必需符合類似原那么 不但幾何尺寸類似,而且雷諾數也類似 。4、要有側六分力的天平儀 圖3-11為意大利平寧法里那設計的機械式六分力天平儀,能同時測出所需六分力和三個力矩?;刂髂夸?圖3-11 機械式六分力

15、天平回主目錄.3.7.2 空氣動力學的室外實驗普通實驗工程有: 測定氣動阻力系數 ; 氣動阻力系數是經過滑行法來測定。在平坦路面上,把汽車加速到一定值( 60100km/h ),然后掛空檔,任其滑行,記錄速度下降和時間的關系,并由此求得各速度間的平均減速度,由此可計算出對應的總阻力,它包括輪胎滾動阻力、傳動系阻力和空氣阻力。從總阻力中間去輪胎滾動阻力和傳動系阻力,即得空氣阻力,進而求出空氣氣動阻力系數 ?;刂髂夸? 側風穩(wěn)定性實驗要采用側風發(fā)生器模擬自然側風,圖3-12默謝臺斯飛馳公司實驗場上所進展的側風穩(wěn)定性表示圖。側風發(fā)生器采用 鼓風箱組成,全長32m??僧a生速度為80km/h的側風,相當于8-9級自然風。實驗車輛在距側風發(fā)生器3m 處等速駛過( 車速為100km/h ),轉向盤堅持不動,至少應記錄進入側風發(fā)生器前20m和到側風段后50m的全部丈量值,包括: 轉向盤轉角; 橫向加速度; 橫擺速度; 在側風段50m處汽車側向偏移量( 汽車質心軌跡可通過在路面上噴水來確定,也可經過所測的橫向加速度兩次積分求得 )。側風穩(wěn)定性實驗回主目錄.圖3-12 汽車側風穩(wěn)定性實驗回主目錄. 圖3-13 汽車駛過側風安裝(長32m,風速 ) 時,橫擺

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