6章 轿车车身的空气动力学特性

1、汽车车身设计 汽车工程系 李长威 第四章 轿车车身的空气动力学特性 学习要点： 4.1 轿车的空气阻力 空气阻力的组成及其影响因素 4.2 轿车的横向稳定性 风压中心与重心的位置关系影响横向稳定性 4.3 轿车的升力 轿车的流线与升力之间的关系 4.4 空气的粘滞现象及轿车的流谱 空气的粘滞现象对轿车空气动力学性能的影响 4.5 车身造型应用空气动力学研究 针对空气动力学问题的车身造型优化设计 4.6 轿车的空气动力性试验 利用风动试验和道路试验提高轿车空气动力学性能 l ：汽车的轴距 t ：汽车的轮距 q ：动压q =1/2v2(为空气密度) A：汽车的前视投影面积，该面积应包括汽车底部 零

2、件及轮胎的前视投影面积。 对轿车可用英国人推荐的公式估算（误差一般 不超过6）： 式中 B和H轿车的总宽和总高； 由此可推出： 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.1 轿车的空气阻力轿车的空气阻力 4.1 轿车的空气阻力轿车的空气阻力 0.81ABH 2 2 X D F C v A 0.81ABH 4.1.1 空气阻力的组成 4.1 轿车的空气阻力轿车的空气阻力 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 由轿车表面凸出的零 件引起气流相互干扰 而产生的阻力 车身前部的 正压力和车 身后部的负 压力所产生 的压力差而 引起的阻力 由轿车室

3、内通风的气 流和冷却发动机的气 流所造成的阻力。 由升力 引起的 由于空气的粘 滞性在车身表 面所产生的摩 擦力 max max 1 2 DL FGf v A CC f 降低 D C值是提高最大车速的关键 4.1.2 空气阻力与最大车速的关系 4.1 轿车的空气阻力轿车的空气阻力 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 22 11 ()() 22 XDDL FGFfCv AGfv CC f A 2 1 2 XL Fv C A 汽车的升力 汽车的牵引力 最大车速 4.1.3 空气阻力与轿车加速性能的关系 3 11 () 36007200 rXD PGFfvC Av阻力功

4、率 3 111 36007200 eD PGfvC Av 发动机功率 对时间t求导 2 dd3600 3 dd 2 e D Pv tt GfC Av 4.1 轿车的空气阻力轿车的空气阻力 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 轿车的加速度与阻力系数有近似反比关系。减小 空气阻力和轿车的重力，都可以使轿车的加速能力提 高。 4.1.4 空气阻力与燃油消耗量的关系 3672 fwe FFb Q 降低空气阻力即可降低油耗；当高速行驶时，降低空气阻力节油的效果更大 2 w Fv 燃油消耗量也可换算成与空气阻力和滚动阻力的关系 又 4.1 轿车的空气阻力轿车的空气阻力 第第4

5、 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 102 e Wb Q 当汽车以等速行驶时的百公里油耗为： 式中 燃油的密度。汽油为0.710.73kgL，柴油为0.810.83kgL。 B发动机相应工况的有效油耗率，单位为g/kwh W行驶100Km所消耗的功率kwh 气动力中心与重心的位置关系对轿车横向稳定性的影响 风压中心在重心前，轿车绕轴 顺时针方向转动，进一步增强侧向 风的作用，使轿车失稳 风压中心在重心后，轿车绕轴 逆时针方向转动，减弱侧向风的作 用，使轿车趋于稳定 4.14.2 轿车的横向稳定性轿车的横向稳定性 4.2 轿车的横向稳定性轿车的横向稳定性 第第4 4章章

6、轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.3 轿车的升力轿车的升力 升力产生的原理 4.3 轿车的升力轿车的升力 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 作用在轿车上的空气，有3540在车身上部流过，1015从底部流过， 两边各流过25。如果能设法提高底部气流的速度而形成一种文氏喉管的气流，则可由 此产生负升力。 l 负迎角能提高汽车底部气流速度，减小升力 l 轿车前段底部加扰流板可使升力下降 影响升力的因素 4.14.3 轿车的升力轿车的升力 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.2 4.14.24.3 轿车的

7、升力轿车的升力 影响升力的因素 l 轿车底板的尾部向上翘起一个角度可疏导底部的气流，从而降低升力系数 l 轿车地板向两边略翘起，使底部气流有一部分流向两个侧面，也能使升力下降 车尾地板的后翘效应 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.4 空气的粘滞现象及轿车的流谱空气的粘滞现象及轿车的流谱 4.4.1 附面层与分离点 涡旋的形成和分离现象 4.14.24.34.4 空气的粘滞现象及轿车的流谱空气的粘滞现象及轿车的流谱 附面层：附面层： 围绕着运动物体的一个相对薄 的空气层内，气流速度有着急剧的 变化，存在着速度梯度。该气流层 称为附面层。 轿车表面的附面层 分离

8、现象：分离现象： 在分离点K起形成一个分离面 K-K，在分离面后部，产生一个个 涡漩，涡漩被外层气流带走，同时 又从分离面上卷进新的涡漩以补充 被带走的部分，这种现象称为分离 现象。 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.4.2 轿车前部的流谱 4.14.24.34.4 空气的粘滞现象及轿车的流谱空气的粘滞现象及轿车的流谱 通过试验得到发动机罩分离线和风窗玻璃上的再附着线，可利用右图的经验公式研究 其影响因素。 发动机罩和风窗上分离点S及再附着点R的位置 汽车前部的流谱情况 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.34.

9、4 空气的粘滞现象及轿车的流谱空气的粘滞现象及轿车的流谱 4.4.3 轿车尾部的流谱 应该设法使基面面积尽可能小， 以使尾流负压值减小，从而减小车身 运动阻力。 “短尾”原理 尾流导致后窗易沉积尘土 尾流冲刷后窗沉积的尘土 优良的造型设计，首先应避免尾流涡漩造成对 路面过大的紊流,以减少尘土飞扬；其次应考虑到引 导气流对后窗玻璃等部位有一定的冲刷作用，以防 止尘土的沉积。 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.34.4 空气的粘滞现象及轿车的流谱空气的粘滞现象及轿车的流谱 4.4.4 轿车底部的流谱 离地间隙对气流阻力的影响 光滑底部对气流阻力的影响

10、 离地间隙对气动升力的影响 轿车底部的气流特性：轿车底部的气流特性： 地板形状对阻力升力的关系：地板形状对阻力升力的关系： 装有光滑地板的汽车 地板的纵向曲率和横向曲率 地板造型对尾流的影响 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.4.5 轿车周围的涡系 为减小和消除涡流及气流分离引起的摩擦阻力和动能损耗，有些轿车尾部加装窗后扰 流板。 4.14.24.34.4 空气的粘滞现象及轿车的流谱空气的粘滞现象及轿车的流谱 后扰流板尺寸对 和 值的影响 D C L C 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.34.4 空气的粘滞现

11、象及轿车的流谱空气的粘滞现象及轿车的流谱 4.4.6 轿车的内部气流与表面压强分布 轿车车内空气的流向 货车驾驶室换气情况 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 不同车身的表面压强分布 进气口开设在侧面 l 光顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面层剥离和涡流的产生 l 调整迎面和背面的倾斜角度 l 减少凸起物，形成平滑表面 l 设计空气动力附件，整理与引导气流 4.14.24.34.4 4.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 4.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气

12、动力学特性 车身造型的空气动力学设计的目标 4.5.1 轿车外形的空气动力性最佳设计 l 车身前端形状的最佳化 前保险杠形状与气流阻滞区 l 车头部分形状的最佳化 倾角为负，有利于气流通过； 倾角为正，易造成气流阻滞而 使阻力和升力增加。 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 l 前窗倾角的最佳化 前风窗倾斜（以前风窗下沿为基点）与水平 线的夹角为2530时，风阻系数最低。 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 车身侧面形状的最佳化 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研

13、究 前支柱型式对侧部涡流的影响 轮口外部拱起，控制轮口内 气流对侧面平顺气流的干扰 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 车身侧面形状的最佳化 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 车身后部俯仰向内收敛使阻力发生变化的情况 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 车身侧面形状的最佳化 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 车身最宽点与空气动力学中心距离的关系 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 车身后部形

14、状的最佳化 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 后倾角的定义后窗倾斜增加对尾流的影响 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 车身后部形状的最佳化 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 0 /ll比值不同时，不同后倾角对阻力变化的影响 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 车身后部形状的最佳化 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 利用后扰流板，控制车后部涡流的形成与发展，“整理”不稳定的

15、涡流，推迟涡流 产生或形成一定方向的小涡流，以填充后窗后部的低压区，削减前风窗和后窗后部分的 压力差。 具有后扰流板形状的后行李箱盖造型 顶盖后缘导流板控制局部气流 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 车身底部形状的最佳化 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 车身底部平整，避免湍流和升力 后翘起形状对阻力与升力的影响 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 后视镜的位置与形状 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 对前、侧方气流疏导的

16、外后视镜造型 l 进气口和排气口 前风窗下沿进风口 散热器框架进风口 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 l 减小空气动力的噪音 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 4.5.2 车身的空气动力学设计方法与程序 判定 （与目标对照） 基础数据 推算启动特性 探讨目标性能 设计 试验车的制造 用试验车进行讨论 外形决定 判定 （与目标对照） NO 生产程序 OK 居住性

17、 动力性能 燃油经济性 行驶稳定性 风哨噪声 车内换气性能 冷却性能 挡泥性能 目标性能 模型风洞试验 原型车试验 外形开发 基本计划 NO 问题：问题： l 什么样的车身外形具有低的空气阻力系数？ l 达到低的空气阻力系数的车身设计途径是什么？ 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 式样车型 基本形状 基础模型 基本形体 对于全新车型的开发 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 风洞试验 影响因素总结 改进措施制定 原有外形的空气动力学分析 对于原有车

18、型的改进 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 新外形确定 4.14.24.34.44.5 车身造型应用空气动力学研究车身造型应用空气动力学研究 将风阻系数做到极致车型将风阻系数做到极致车型 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.34.44.5 4.6 轿车的空气动力性试验轿车的空气动力性试验 4.6 轿车的空气动力性试验轿车的空气动力性试验 风洞试验风洞试验 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.34.44.54.6 轿车的空气动力性试验轿车的空气动力性试验 模型风洞模型风洞 实车风洞实车风洞 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 4.14.24.34.44.54.6 轿车的空气动力性试验轿车的空气动力性试验 风洞试验法的演变风洞试验法的演变 第第4 4章章 轿车车身的空气动力学特性轿车车身的空气动力学特性 空气动力及声学风洞的功用 降低汽车风阻，优化