车身设计复习资料

1、一汽车空气动力学是研究汽车与周围空气在相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科，它属于流体力学的一个重要部分。 汽车向前行使时与空气产生复杂的相互作用，对汽车的行使状态影响很大，特别是汽车高速行使时会承受强大的气动力作用。众所周知，汽车行使时受到的气动力是与汽车速度平方成正比，而汽车克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急剧增加的，因此，使汽车具有良好的形状以降低汽车的气动阻力，不但可以提高汽车的动力性，而且还可以提高汽车的燃料经济性。对于高速汽车来说，空气动力稳定性是汽车高速安全行使的前提。 随着汽车工业发展与汽车行驶速度日益提高，汽车空气动力学亦愈来愈受到重视，其研究工作

2、日益深入，汽车空气动力学已发展成为流体力学一个重要分支学科。汽车空气动力学与航空、船舶、铁路车辆，在研究流场、空气动力学方面有许多相似之处，但是汽车行驶在地面上是种钝头体，汽车行驶状态异常复杂，因而汽车空气动力学亦区别于上述分支学科具有自身的特点。例如：汽车空气动力学与航空空气动力学有着非常相似之处，都需要降低气动阻力并保持行驶稳定性或飞行稳定性，从而得到良好的行驶性能或飞行性能。另外，航空动力学仅承受空气动力学；汽车行驶在地面，除空气动力学外，还受地面传来的各种力，汽车底部的气流状况与飞机底部完全不同；汽车与飞机在处理升力问题上差别很大；此外飞机速度接近或超过声速，而汽车的速度远小于声速，在

3、研究空气动力性质和基本假设是不同的。二：三 形状阻力 当汽车行使时，气流流经汽车表面过程，在汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流，涡流产生意味着能量的消耗，使运动阻力增大，汽车在前窗下凹角处，在后窗和行李箱凹角处，以及后部尾流都出现了气流分离区，产生涡流，即形成负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力也称压差阻力，又因为这部阻力与车身形状有关，也称形状阻力，它占整个阻力的58%。图1-2详细地显示了汽车周围流谱的情况，可见汽车仅前部很小区域存在层流，其余大部分区域中的气流状态是紊流。 粘性是指在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形的能力。温度是影响流体粘性的主要因素，液体的粘性随温度的升高

4、而减小，气体的粘性随温度的升高而增大。1、汽车空气动力学优化设计准则1） 在满足结构、乘坐舒适性要求的前提下，尽可能采用低阻“钝体”开发车身；2） 注重车身各局部的气动优化设计；3） 在满足汽车功能要求的前提下，尽可能减少车身外露附装件，必要的车身外露附装件也应当尽量使其流线型化；4） 车身底板应尽可能平整光顺，或者完全覆盖起来；5） 重视车身内流的系统优化设计，以提高冷却效率和内流场品质；6） 从设计和工艺上保证车身的完全对称，避免外形气动侧力的产生；7） 通过造型或加装空气动力学附件达到减小气动升力乃至产生负升力的目的；8） 通过造型使车身侧风作用点（风压中心）位置略处于重心之后；或加装空

5、气动力学附件，保证行驶方向稳定性。9） 通过结构、外形设计、材料选择（包括厚度）、制造工艺等综合手段，尽可能降低气动噪声；10）通过外流场设计以及轮腔和汽车底部气流控制，减少汽车表面尘土污染；11）巧妙地综合考虑气动造型和美学造型的协调融合，避免外形设计的雷同化。1.3.1 气动力对汽车动力性的影响 汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线行使时由汽车受到的纵向外力决定的所能达到的平均行使速度。汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度是汽车动力性的主要评价指标。行驶阻力与车速的关系 汽车在实际道路上行使时，不仅会遇到气动阻力，由于汽车是靠车轮在地面上滚动才能 前进，因而不可避免地还会遇到滚动阻力；当汽

6、车在有坡度的道路上行驶时，还会遇到爬坡阻力。此外，汽车在行使中必然会遇到各种交通情况，时而需要加速，时而需要减速，因而还会有加速阻力。在水平路面上匀速行驶时只有气动阻力和滚动阻力，2、汽车空气动力学的基本假设包括连续性假设、无粘假设、不可压缩假设、定常假设汽车风洞的相似准则包括几何相似、运动相似、动力相似、热力学相似和质量相似。干扰阻力是车身外面的凸起物例如后视镜、流水槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所造成的阻力，占总阻力的14%。 式中，dPe/dt是表示汽车发动机功率随时间的增长率，它取决于发动机功率曲线。其值可由发动机试验确定。由式（1-14）可知，汽车的加速能力首先

7、取决于发动机的加速性能，其次，汽车加速度还与汽车的气动阻力系数CX近似反比关系，减小汽车的空气阻力，就可以使汽车的加速度增大。同时看出，减小汽车重量G，也会有利于汽车加速度的提高。 减小汽车空气阻力的主要措施和方法1）发动机盖应向下倾斜。2）挡风玻璃应尽量与车顶圆滑过渡。3）尽量减少突起物，流线型设计。4）在汽车前端保险杠下面安装导流板。5）汽车后部最好采用斜背式或阶梯背式。6）在汽车后端安装扰流板。7）所有零部件在车身下平面内且比较平整。8）发动机冷却进风系统的合理设计。2、坐标零平面的确定 （满载）Z方向坐标零线有车架的车，一般取沿车架纵梁上缘上表面平直且较长一段所在平面作为高度方向坐标的

8、零平面； 无车架的车辆可沿车身地板下表面平直且较长一段所在平面作为高度方向坐标的零平面。 当车身无较长直线段（多为曲线时），取前轮理论中心线的水平线。 零平面上方为正，零平面下方为负。 X方向坐标零线将通过汽车前轮理论中心线并垂直于高度方向零平面的平面作为长度方向坐标的零平面。 零平面前方为负，零平面后方为正。 Y方向坐标零线把汽车的纵向对称中心平面作为宽度方向坐标的零平面。 零平面左侧为正，零平面右侧为负。 汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。在中国及欧洲，燃油经济性指标的单位为L/100km，即行驶100km所消耗的燃油升数，其

9、数值越大，汽车燃油经济性越差。美国为MPG线mile/USgal， 指的是每加仑燃油能行驶的英里数，这个数值越大，汽车燃油经济性越好。 影响汽车燃油经济性的因素包括发动机性能、传动系性能、汽车重量、汽车外形、轮胎性能、行驶车速、挡位选择和使用保养等。 下面主要就汽车外形所决定的气动阻力对燃油经济性的影响加以举例说明。 气动阻力对燃油消耗量的影响，是与车种、行使道路和使用情况有关，因为各种汽车的气动阻力的大小是各不相同的。当汽车在丘陵地带行驶时，在汽车上除作用有滚动阻力和气动阻力外，还作用有加速阻力和爬坡阻力，这些阻力都要由驱动力来克服，因而都要消耗燃油，1.5.1 汽车操纵稳定性的概念 汽车操

10、纵稳定性是指驾驶者在不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 汽车的操纵稳定性不仅影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一个控制系统，给出汽车曲线行驶的时域响应与频率响应特性，并以它们来表征汽车的操纵稳定性能。汽车曲线行驶的时域响应系指汽车在方向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。外界侧向干扰输入主要是指侧向风与路面不平度产生的侧向力。 汽车操纵稳定性的基本评价内容有：直线行驶性、回正性、转向半径、转向轻便性、典型行驶工

11、况性能、极限行驶能力、横摆角速度频率响应特性、方向盘角阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应。其中直线行驶性包括侧向风稳定性、路面不平度稳定性和微曲率弯道行驶性。侧向风稳定性主要评价参量为侧向偏移。1.5.2 影响汽车操纵稳定性的气动力 影响汽车操纵稳定性的气动力可分为三组： 升力和纵倾力矩：关系到附着力和牵引力； 侧向力和横摆力矩：关系到侧风稳定性和直 线行驶性； 侧倾力矩：关系到侧向稳定性；1.升力及纵倾力矩由于汽车车身上部和下部气流流速不同而产生压力差，从而产生升力FZ 。由于升力而产生绕y的俯仰力矩MY。在车身上产生升力，汽车的附着力减小，影响操纵稳定性和驱动力。重量轻的汽车，特别是重心靠后的

12、汽车，对前轮的升力特别敏感，这种情况对行驶中的汽车非常危险，即当前端有升力使其上浮时，升力又随着车速的增加而继续增加，由于前轮失去附着力，而使汽车失去控制。在100km/h车速之下，升力和俯仰力矩对汽车的稳定性影响不大。升力和俯仰力矩对高速行驶的操纵稳定性影响很大，对于轿车，如果在设计阶段没有很好考虑，在强风时升力可达几十甚至几百牛顿，这个附加的力，给前轮减轻了负荷，从而破坏了汽车的操纵性；在后轮减小了负荷，使驱动力减小。产生的升力和侧向风的合力具有二次曲线式的增加趋势，对侧风稳定性影响很大。升力由汽车外形，特别是地盘下面的形状所影响，一般无风升力系数CZ=-0.4+0.4，但横摆角特性的差别

13、很大，尤其当横摆角为10以上时，升力急骤增加。一般流线型好的汽车升力大，敞篷车、载重车等升力小作用在汽车上的空气，有35%40%在车身上面通过，10%15%在车身下面通过，25%在车身侧面通过，所以减小车身上、下压力差，使大量的气流流经侧面，可以减小升力。使底板下部流线型化，压低发动机罩前端，减缓前风窗的倾角，都可减少前端的升力。 减小升力，可提高汽车高速行驶的直线性及侧向稳定性。升力减小后，防止了汽车的摆头，由于增大了车轮附着力而使稳定性提高。2.侧向力及横摆力矩 当汽车受到非正迎面风时，气流的合成相对速度与x轴成角，在y方向上受到了侧向力，侧向力将随角的增加而直线上升（如图1-12）。如果

14、侧向力的作用点与坐标原点有个距离（这个值指随车身形状和横摆角而变化），即产生绕z轴回转的横摆力矩，如果侧向力的合力通过侧向反作用力中心，汽车将保持直线行驶，但相对原行驶方向会有偏转，如果侧向力的合力作用在侧向反作用力中心以前时，汽车将随着风的方向转向，并且产生横摆力矩，使汽车向着风的方向摆动，造成稳定性恶化。 要提高汽车行驶方向稳定性，不仅要减小侧向力，而且应该将其作用点向车身后方移动。 3侧倾力矩 由于来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕x轴的侧倾力矩。这个力矩通过悬挂装置到车架至左右车轮，引起车轮负荷的变化，对应于力矩回转的方向，使一侧车轮的负荷增加，而另一侧车轮负荷减小。 1.5.3

15、 提高操纵稳定性的汽车造型措施 1克服升力和纵倾力矩的措施 升力和纵倾力矩都将减小车轮与路面间的压力，因而它将使转向轮失去转向力，驱动轮失去牵引力。 如果汽车的风压中心处于重心之前，则更会对前端的“抬头”十分敏感，这时，速度愈快前轮升力愈大，致使“摆头”也愈难控制，最终将导致失去操纵性。 实验表明，对于流线型较差，外形方正的汽车，风压中心大约在汽车的中部；流线型愈好的汽车，风压中心愈靠近前部，这是因为气流在汽车后部能够平顺地流动，不受阻碍因而对汽车后部压力较小的缘故。可见，流线型较好的汽车（空气阻力较小），其升力和纵倾力矩反而较大，这是一对共生的矛盾。克服升力和纵倾力矩的汽车造型措施： 总体设

16、计时，尽量做到风压中心与重心接近。 采用类似楔型造型。尽量压低车身前端，使尾部肥厚向上翘以产生负的纵倾角，借车身前部的倾斜而将迎面气流压向路面，以抵抗因车底空气的挤压力而产生的升力。采用后置或中置发动机的总布置方案可使汽车前部十分低矮，这是目前跑车和赛车流行的布置形式。 在车顶后端或车尾做成翘起来的形状，可以很好地起到降低升力的作用 2克服侧向力和横摆力矩的措施 横摆力矩关系到行驶时的直线性和侧风稳定性，它具体表现在侧向力对重心的关系上（图1-14）。 侧向力作用于重心之前，这时汽车头部将随侧向风向外侧转动，它趋向于使侧向力增大，导致稳定性恶化。 侧向力作用于重心之后时，汽车头部将向内侧转动，

17、有利于减弱侧向力，提高稳定性。 侧向力作用在重心点上时，汽车将有侧移，但能基本保持行驶方向。 克服横摆力矩的汽车造型措施： 总体设计时，尽量合理安排各总成，做到风压中心处于重心之后，以提高稳定性。 尽量压低车身高度，处理好横截面的流线型性，以降低横摆力矩。 车身后端加尾翘或采用方背式布置（图1-15），使风压中心后移，以减小横摆力矩的不安定成分。但加尾翘后，汽车承受的侧向风将增大，此点不容忽视。 1.5.4 侧倾力矩 侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并对左右侧车轮重量分配影响也较大。 侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，一般地，侧面流线型好的汽车，侧倾力矩就相对小。 克服侧倾力矩的汽车造型措施：

18、在总体设计时，尽量使风压中心在高度方向上接近于侧倾轴线。 尽量降低重心。 采用长度较小、宽度较大、车身低矮的布置形式。 从50年代到70年代初，轿车的CD维持在0.4至0.6之间。70年代能源危机后，各国都致力于降低CD ，现在的轿车CD一般在0.28至0.4之间。 为了减少CD ，现代轿车的外形一般用园滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用园滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，前风窗与水平面的夹角一般在25度33度之间，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等 。3）冷却空气入口的优化 冷却空气入口的位置、形状、面积要选择恰当，还应将车身前端各处缝隙封闭起来，使迎面气流集中地从散热器罩的开口处流如发动机舱。并且在散热器罩与水箱之间设置专门的通道，控制进气的流向，确保散热器取得恰好所须的空气量。这样既能提高冷却效率又能减少前部的涡流。设计加强筋或肋应注意点： 在平的或稍鼓起的零件上，加强筋应沿着零件的对角线布置，最好不用交叉筋。如果采用交叉筋，应避免交叉处因应力集中而丧失刚性，交叉处用半径大于2倍