第四章-汽車外形設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)

第五章—汽車造型與空氣動(dòng)力學(xué)西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院如果我們把空氣想象成薄層的話，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)車身時(shí)保持流線狀態(tài)，說(shuō)明空氣阻力對(duì)車身的影響較小。一旦這種流線氣流被打破并與車身輪廓分離便會(huì)產(chǎn)生亂流，從而產(chǎn)生空氣阻力。其實(shí)最理想的低風(fēng)阻形狀是類似淚滴的圓滑造型，頭部圓滑而尾部尖細(xì)。理論上，這種淚滴造型的Cd風(fēng)阻系數(shù)只有0.05。1.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)附面層(boundarylayer)

由于流體的粘性，靠近物面處的流體有粘附在物面的趨勢(shì)，于是有一流速較低的區(qū)域，即為附面層。附面層隨流程的增加而增厚。附面層的流態(tài)由層流轉(zhuǎn)換為紊流。1.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)節(jié)1.2空氣的粘滯性和氣流分離現(xiàn)象順壓梯度和逆壓梯度順壓梯度：順流動(dòng)方向壓力降低。（流速↑，壓力↓）

逆壓梯度：順流動(dòng)方向壓力升高。（流速↓，壓力↑）轎車的橫截面積分布和氣流壓力梯度1.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)節(jié)氣流分離現(xiàn)象(flowseparation) 當(dāng)氣流越過(guò)物面的最高點(diǎn)后，氣流流束擴(kuò)大、流速減小，具有逆壓梯度。氣體是頂著壓力的增高流動(dòng)。在因粘滯損失而使能量較低的附面層內(nèi)，流動(dòng)尤為困難。 在物面法向速度梯度為零(

=0)時(shí)，氣流開(kāi)始分離?？拷锩娴臍饬飨韧Ｖ沽鲃?dòng)，進(jìn)而反向流動(dòng)，形成渦流區(qū)，將繼續(xù)流動(dòng)的氣流與物面隔開(kāi)。ePYeY=01.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)節(jié)尾流區(qū)

在分離點(diǎn)后，是一不規(guī)則流動(dòng)的渦流區(qū)，總體上是靜止不動(dòng)的“死水區(qū)”。物體向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，它隨之運(yùn)動(dòng)，故稱“尾流”。 尾流區(qū)內(nèi)各點(diǎn)壓力幾乎相等，與分離點(diǎn)處壓力相同。壓差阻力(pressuredrag)

在物體背流面，流束的擴(kuò)展受到尾流區(qū)的限制，使流束截面較比迎流面小，其壓力較迎流面低。而尾流區(qū)的壓力與相鄰流體壓力接近。這就使物體在主氣流方向上受到一個(gè)稱為“壓差阻力”的作用。影響氣流分離的因素壓力梯度

只有在逆壓梯度條件下才會(huì)產(chǎn)生分離。逆壓梯度越大，越易分離。流態(tài)

紊流可使主氣流中的能量更多地傳遞到附面層，比層流更不易分離。1.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)節(jié)減小形狀阻力的措施降低逆壓梯度

減緩物體背流面的截面變化，使分離點(diǎn)（分離線）向后移，減小尾流區(qū)。增大紊流度

增大物面的粗糙度。

分離是產(chǎn)生在附面層流體沒(méi)有粘度，就沒(méi)有附面層。沒(méi)有附面層，就不會(huì)產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象。汽車上的分離區(qū) 氣流在前風(fēng)窗下部、車頂前端、行李前部等處分離后，又重新附著，形成分離區(qū)（亦稱為“氣泡”(

bubble)）。

1.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)節(jié)1.3壓力系數(shù)定義 常用壓力系數(shù)來(lái)表示物體在氣流流場(chǎng)中表面各點(diǎn)壓力的大小。 壓力系數(shù)定義：；可整理為：CP=P－P∞ρV2/2∞CP=1－(

)2V∞V ＣＰ≤１。ＣＰ＝１處，Ｖ＝０，是駐點(diǎn)。表示方法矢量法

坐標(biāo)法1.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)節(jié)2.汽車空氣動(dòng)力與空氣動(dòng)力矩空氣靜壓力的合力為空氣動(dòng)力，其三個(gè)分力分別為： 空氣阻力(Drag)Ｄ、空氣升力(Lift)Ｌ、空氣側(cè)向力(SideForce)Ｓ。將空氣動(dòng)力平移至汽車質(zhì)心Cg，就有一附加力矩，其三個(gè)分力矩分別為： 側(cè)傾力矩(RollingMoment)

MX、俯仰力矩(PitchingMoment)MY、橫擺力矩(YowMoment)MZ。空氣動(dòng)力的表達(dá)式 空氣阻力Ｄ與氣流速度的平方V2成正比，與汽車迎風(fēng)面積Ａ成正比。常表示為與動(dòng)壓力、迎風(fēng)面積成正比的形式： 式中，空氣阻力系數(shù)Cd是表征汽車空氣動(dòng)力特 性的重要指標(biāo)，它主要取決于汽車外形，也與 流速有關(guān)。 空氣升力Ｌ、空氣側(cè)向力Ｓ表示為汽車空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力矩的表達(dá)式 俯仰力矩 令 則 一般取汽車的軸距作為特征長(zhǎng)度l。 類似地，側(cè)傾力矩MX、橫擺力矩MZ也表示為2.

汽車空氣動(dòng)力與空氣動(dòng)力矩3.空氣阻力3.1空氣阻力的分類形狀阻力(FormDrag)干擾阻力(InterferenceDrag)內(nèi)部阻力(InternalFlowDrag)誘導(dǎo)阻力(InducedDrag)摩擦阻力(SkinFriction)前四種為壓力阻力。汽車空氣動(dòng)力學(xué)Cd總值：0.45A—形狀阻力(Cd=0.262)；B—干擾阻力(Cd=0.064)；C—內(nèi)部阻力(Cd=0.053)；D—誘導(dǎo)阻力(Cd=0.031)；E—摩擦阻力(Cd=0.040)。3.空氣阻力3.2形狀阻力形狀阻力主要是壓差阻力，是由車身的外部形狀決定的。前風(fēng)窗對(duì)空氣阻力的影響前風(fēng)窗對(duì)氣流的影響減小前風(fēng)窗處空氣阻力的措施增大風(fēng)窗與發(fā)動(dòng)機(jī)罩間的夾角；風(fēng)窗橫向彎曲。3.3誘導(dǎo)阻力(induceddrag)

在側(cè)面由下向上的氣流形成的渦流(vortice)的作用下，車頂上面的氣流在后背向下偏轉(zhuǎn)，使產(chǎn)生的實(shí)際升力有一向后的水平分力，這個(gè)分力就是誘導(dǎo)阻力。

洗流不易分離。3.空氣阻力氣流在后背的偏轉(zhuǎn)角越大，誘導(dǎo)阻力越大； 后背傾角越大，氣流在后背的偏轉(zhuǎn)角越大。氣流在后背的流程越長(zhǎng)，誘導(dǎo)阻力越大。 分離點(diǎn)前移，氣流在后背的流程減小。后背傾角的變化，對(duì)形狀阻力和誘導(dǎo)阻力都有影響。 隨傾角增大，誘導(dǎo)阻力增大，并隨分離點(diǎn)前移，增大速度減緩，最終減小，至消失； 隨后背傾角增大，形狀阻力先減小，再增大，分離點(diǎn)前移至后背頂端時(shí)，不再增大。3.空氣阻力3.4干擾阻力

干擾阻力是由于車身表面的凸起物、凹坑和車輪等局部地影響著氣流流動(dòng)而引起的空氣阻力。

車外小物件產(chǎn)生的干擾阻力

氣流流經(jīng)物體時(shí)流速增加，另一物體置于這被加速了的氣流中時(shí)，就會(huì)受到更大的空氣阻力作用。兩物體距離越小，干擾阻力越大。3.空氣阻力車身表面凸起物對(duì)氣流影響凸起物可能引起氣流分離。凸起物使附面層加厚，氣流容易分離。3.空氣阻力車身表面凹槽產(chǎn)生的干擾阻力門、蓋罩等的四周縫隙是主要的車身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平等于氣流方向兩種典型狀況。3.空氣阻力車輪旋轉(zhuǎn)對(duì)氣流的影響車輪旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)車輪在氣流中路面上的旋轉(zhuǎn)車輪在氣流中馬格納斯效應(yīng)(Magnuseffect)：在流體中運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)圓柱受到力作用而影響它的行進(jìn)路線的一種現(xiàn)象。路面上滾動(dòng)的車輪受到一升力作用。車輪旋轉(zhuǎn)使車輪上的分離線前移，因此有一較大的空氣阻力。3.空氣阻力輪罩的遮擋，減弱了車輪旋轉(zhuǎn)對(duì)氣流的干擾，降低了空氣阻力。在輪罩中的轉(zhuǎn)動(dòng)車輪，在其前側(cè)面和前下部有氣流向外流動(dòng)，對(duì)主氣流產(chǎn)生干擾。輪胎寬度有一空氣阻力最小的值。3.空氣阻力3.5內(nèi)部阻力流經(jīng)車身內(nèi)部的氣流對(duì)通道的作用以及流動(dòng)中的能量損耗，產(chǎn)生了內(nèi)部阻力。

內(nèi)部氣流發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流：流量大。是減小內(nèi)部阻力的主要研究對(duì)象。通風(fēng)氣流：流量約為冷卻氣流的1/10左右。制動(dòng)器冷卻氣流理想的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)氣流通道為密封的直管道；散熱器面積大，進(jìn)入的氣流速度低；全部氣流都流經(jīng)散熱器；通道面積變化緩和，無(wú)渦流產(chǎn)生；流經(jīng)散熱器的氣流為紊流；可根據(jù)散熱要求調(diào)節(jié)氣流流量。3.空氣阻力4.空氣升力4.1空氣升力翼型的迎角越大，空氣升力越大。汽車如翼型，上凸下平，受空氣升力作用。不同外形的汽車，其“迎角”不同，空氣升力系數(shù)也不同。汽車空氣動(dòng)力學(xué)4.2地面效應(yīng)地面對(duì)氣流的影響，使物體受到的空氣動(dòng)力發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)距離h較大時(shí)，隨h減小，氣流加速，壓力減??；當(dāng)距離h較小時(shí)，附面層的影響隨h減小而突出。隨h減小，氣流減速，壓力增大。4.空氣升力5.側(cè)向氣流和空氣動(dòng)力穩(wěn)定性5.1側(cè)向氣流對(duì)空氣動(dòng)力特性系數(shù)的影響氣流側(cè)偏角與空氣動(dòng)力特性系數(shù)

各種汽車的空氣動(dòng)力特性系數(shù)隨側(cè)偏角的變化而變化的規(guī)律是不同的。多數(shù)汽車的空氣動(dòng)力特性系數(shù)是隨氣流側(cè)偏角的增加而增大。汽車空氣動(dòng)力學(xué)側(cè)偏角5.2汽車空氣動(dòng)力穩(wěn)定性

汽車空氣動(dòng)力穩(wěn)定性是指汽車在氣流作用下，保持或恢復(fù)原有行駛狀態(tài)的能力。5.側(cè)向氣流和空氣動(dòng)力穩(wěn)定性氣壓中心越靠后，汽車空氣動(dòng)力穩(wěn)定性越好。氣壓中心在質(zhì)心之前：氣壓中心在質(zhì)心之后： 車身側(cè)視輪廓圖的形心位置越靠后，其氣壓中心越靠后，空氣動(dòng)力穩(wěn)定性越好。形心形心5.側(cè)向氣流和空氣動(dòng)力穩(wěn)定性發(fā)動(dòng)機(jī)蓋應(yīng)向前下傾風(fēng)窗玻璃應(yīng)盡可能“躺平”，且與車頂圓滑過(guò)渡。

調(diào)整迎面和背面的傾斜角度，使車頭、前窗、后窗等處造型的傾斜角度能有效地減少阻力、升力的產(chǎn)生。越野車很難做到風(fēng)窗玻璃應(yīng)盡可能“躺平”，且與車頂圓滑過(guò)渡。在保險(xiǎn)杠下面，應(yīng)安裝合適的擾流板。增加前阻風(fēng)板（airdam)阻風(fēng)板的作用：減少進(jìn)入底部的空氣量。阻風(fēng)板后形成局部高壓區(qū)。前阻風(fēng)板的優(yōu)化不同的汽車，前阻風(fēng)板的位置、尺寸均有一最佳值。汽車空氣動(dòng)力學(xué)

形狀位置不同時(shí)，對(duì)Cx和Cy的影響不同，圖中所示（巴西產(chǎn)）為安裝擾流器后的特性曲線，由圖知B40獲得最小的阻力值Cx下降3%Cyf下降21%,K120獲得最小的阻力值Cyf下降50％。由圖還可以看出，速度愈高升力下降愈明顯。阻風(fēng)板示例6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置凸起唇有些車型不單獨(dú)設(shè)置擾流器，設(shè)置如圖4－51所示的凸起唇，這種凸起唇起著擾流器的作用。

水平投影應(yīng)為腰鼓形。后端稍稍收縮，前端呈半圓形。貨車頂蓋優(yōu)化避免在駕駛室與貨廂連接處產(chǎn)生氣流分離，以減小空氣阻力。6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置貨車的后導(dǎo)流罩6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置面與面交接處的棱角應(yīng)為圓柱狀。過(guò)渡不理想面與面交接處的棱角應(yīng)為圓柱狀。盡量減少燈、后視鏡和門把手等凸出物。減少凸起物，形成平滑表面，如門把手改為凹式結(jié)構(gòu)，刮水器改為內(nèi)藏式，車身側(cè)面的窗玻璃與窗框齊平，玻璃表面和車身整體表面平滑。翼子板應(yīng)與輪胎相平。輪子和輪坑的影響

（1）車輪處氣流流動(dòng)的復(fù)雜性

前部氣流受阻向兩側(cè)分流，并產(chǎn)生分離；由于空氣的粘性作用，在車輪帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，被帶入空腔加速，在前部向兩側(cè)噴出，加劇分離，這種流動(dòng)的復(fù)雜性對(duì)氣動(dòng)特性有重要影響。(2)改進(jìn)措施a、

增加h──進(jìn)入輪腔的深度，當(dāng)h增大時(shí)，由于輪罩的屏蔽作用減小。如圖4－53所示：h時(shí)屏蔽作用增強(qiáng)，進(jìn)入輪坑的氣流量減小，在前面噴出時(shí)對(duì)側(cè)面氣流的干擾減輕，故下降。b、氣流導(dǎo)板如圖4－54所示，安裝這種導(dǎo)板后，可以對(duì)氣流起疏導(dǎo)作用，使氣流平順減小分離的可能性。氣動(dòng)阻力下降。3/8模型的試驗(yàn)結(jié)果表明氣動(dòng)阻力系數(shù)下降5％。

前輪前導(dǎo)板后輪前導(dǎo)板后輪后導(dǎo)板前輪前導(dǎo)板后輪前導(dǎo)板后輪后導(dǎo)板c、輪罩為了減輕輪子轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)氣流的干擾，安裝如圖4－55所示的輪罩，有的車在側(cè)面加金屬蓋板將側(cè)面屏蔽起來(lái)，也可起到屏蔽作用，對(duì)于前輪，為了靈活轉(zhuǎn)向在蓋板周圍設(shè)有特殊橡膠，可不妨礙轉(zhuǎn)向。這種蓋板或輪罩可使下降9％。

車輪整流罩(Wheelcover)車輪整流罩的作用減小車輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的干擾阻力；減小翼子板開(kāi)口引起的干擾阻力。制動(dòng)器散熱效果差。6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置整個(gè)車身應(yīng)向前傾1°～2°。2）整車車身后背對(duì)空氣阻力的影響幾種典型的車身后背型式直背式(Fastback)：后背傾角＜20°；艙背式(Hatchback)：后背傾角20°～50°；方背式(Squareback)：后背傾角＞50°；折背式(Notchback)。3.空氣阻力最好采用方背式或快背式。若用階背式，則行李箱蓋板至地面距離應(yīng)高些，長(zhǎng)度要短些。后擾流器（spoiler）

后擾流器的作用在擾流器前形成局部高壓區(qū)，可減小空氣升力；使氣流在擾流器上穩(wěn)定地分離，可減小誘導(dǎo)阻力；使分離提前，可增大形狀阻力；有的后擾流器對(duì)氣流的導(dǎo)向，可推遲分離，清潔后窗。后擾流器的優(yōu)化在流速較高的氣流中，后擾流器作用較明顯。不同的汽車，后擾流器的形狀、位置、尺寸均有最佳值。6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置后面應(yīng)采用鴨尾式結(jié)構(gòu)。后擾流器形式6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置有些汽車為了獲得更小的后輪升力，裝有大型后部擾流器。

6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置垂直尾翼垂直尾翼的作用使氣壓中心后移，改善空氣動(dòng)力穩(wěn)定性。增大空氣側(cè)向力。6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置6.9負(fù)升力翼負(fù)升力翼的作用產(chǎn)生向下的空氣升力，提高附著力。

例：總質(zhì)量750kg，附著系數(shù)1.4，轉(zhuǎn)彎半徑200m，無(wú)負(fù)升力裝置，最大車速190km/h，向心加速度1.4g；負(fù)升力為車重的36%，最大車速222km/h，向心加速度1.94g；負(fù)升力為車重的106%，最大車速270km/h，向心加速度2.88g。6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置6.汽車空氣動(dòng)力學(xué)裝置

底部粗糙度不同時(shí)，離地間隙的影響不同，底部氣流的流動(dòng)情況受粗糙度的影響較大進(jìn)而和地面效應(yīng)的關(guān)系業(yè)不同。a、

轎車可以看成翼展較短的機(jī)翼，由前述知，在一定的范圍內(nèi)Y正比于，故。b、

另一方面增大，迎風(fēng)面積增大，破壞了原有的氣動(dòng)特性，故氣動(dòng)阻力增大。。當(dāng)取負(fù)值時(shí)，后端底部上翹，底部向尾流開(kāi)放，尾流負(fù)壓影響底部，使底部后端渦流區(qū)減小，氣流通暢，阻力下降，p下降、升力下降、故。中弧線：沿汽車縱軸各截面中點(diǎn)的連線。彎度：中弧線相對(duì)前后緣點(diǎn)的相對(duì)距離當(dāng)有一定的縱向曲率時(shí)，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，達(dá)到最小值，f進(jìn)一步減小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)前部阻力增大、后部分離的情況，所以。當(dāng)汽車底部有一定的縱向曲率時(shí)，上下表面趨于對(duì)稱減小了上表面的速度差和壓強(qiáng)差，另一方面當(dāng)一定的縱向曲率時(shí)，后部上翹，向尾流開(kāi)放，使尾流的負(fù)壓影響底部，使底部渦流區(qū)減小、氣流通暢，故阻力升力減小。

底部側(cè)擋風(fēng)板對(duì)于某些車型，汽車底部向兩側(cè)分流量太大，增強(qiáng)了側(cè)面的螺旋流強(qiáng)度，增大，同時(shí)加劇了側(cè)面的污染。為此安裝側(cè)擋風(fēng)板，限制過(guò)多的氣流向兩側(cè)分流可以獲得好的效果。圖4－57示出了其高度對(duì)的影響：曲線較平坦，斜率較大。原因只是誘導(dǎo)成分和該旋渦關(guān)系密切，其