汽车造型设计基础

1、汽车造型设计基础空气动力学 姓名：赵逸昕 班级：T1113-10 学号：20110131007 指导老师：刘敏1 / 26目录1. 空气动力学的概述2. 空气动力学的发展3. 空气动力学的研究4. 空气动力学对汽车造型的影响5. 改善汽车空气动力学性能的措施6. 总结7. 参考文献摘要：汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力(称为空气动力)，以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。所以，深入了解空气动力学对汽车造型设计汽车有很大的帮助。 关键词：汽车；空气动力学；汽车造型设计。1. 空气动力学的概述空

2、气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等。为改进汽车性能，汽车工业界投人大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法，但风洞建设投资大，试验周期长。随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值仿真方法为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。近年来，汽车空气动力学数值仿真发展迅速，数值仿真在汽车流场研究中的重要

3、性不断增加，应用范围不断扩大。下面从不同方面阐述汽车空气动力学的发展情况。2 空气动力学的发展国外的汽车空气动力学研究可以追朔到本世纪的20-30年代，但直到7O年代以觑，还没有比较完整系统的研究。此学科在近3O年中得到了较大发展。7O年代以来，国外陆续发表了汽车空气动力学方面的研究成果、研究报告和专著，研究手段普遍采用航空试验用的风洞对汽车空气动力特性进行研究，研究的重点主要是空气动力的特性以及它们对汽车性能的影响。国内在这方面的研究起步较晚，尽管也开过专题性的学术会议，但总体上说还处于起步阶段。从有关学术刊物上看到，有关汽车空气动力学方面的论文很少，也还没有见到国内学者编著有关汽车动力学方

4、面的学术著作或教科书。也就是说，国内还没有有效地进行汽车空气动力学的研究。但是，鉴于这项课题研究的经济效益和社会效益，以及我国经济发展的中长期战略，都迫切地需要将这个课题的研究提到议事日程上来。就国内目前的情况看，无论从人力还是设备上都完全具备研究的条件与实力，关键是要引起国内学者对此项研究的重视以及有关部门的组织与必要的投资，从而有远见地对汽车空气动力学进行先期研究，以适应今后十年乃至更长期国民经济发展的需要，为国家创造较大的经济效益。3动力学空气的研究1.基础理论研究空气运动规律的基础是质量守衡、动量守衡和能量守衡定律，可由Euler、NS等数学方程组来描述。然而有关不可压流体特性、流体阻

5、力理论以及汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。2.风洞试验洞设计的主要任务是在动力装置功率最小和成本最低的情况下，提供各种速度范围内模型试验所必需的气动力环境，即希望在一个简单的风洞中能大范围地改变各种相似参数。然而经验表明，在技术上和经济上这都是不现实的。从而就出现了各种各样的风洞。风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。洞体有一个能对模型进行必要测量和观察的试验段。试验段上游有提高匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速到所需流速的收缩段或喷管。试验段下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排气段或导回到风洞入口的回流段。为了降低风洞内外的噪

6、声，往往在稳定段和排气口等处装有消声器。4 空气动力学对汽车造型的影响空气动力特性直接影响车辆的动力性、操纵稳定性、燃油经济性以及货车的噪声和车身美观。随着车速的提高，在汽车造型中越来越重视空气动力学这方面的影响。下面将从轿车前部、尾部、底部以及车轮浅谈对汽车造型的影响。1.车头造型对气动阻力影响因素主要有：车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型等。2.车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度、尾部横向收缩。3.车身底部对对气动阻力的影响主要因素有：车身底部离地高度、纵倾角、曲率、扰流器4.车轮对气动力的影响（被轮腔覆盖车轮的影响）5

7、改善汽车空气动力学性能的措施1. 车头造型的设计（奥迪R8）车头造型中影响汽车空气动力学性能的因素很多，如车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小和格栅形状等。车头边角主要是指车头上缘边角和横向两侧边角。对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区；R8车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区，整体弧面车头产生的气动阻力比车头边角倒圆产生的气动阻力小；车头头缘位置较低的下凸型车头的气动阻力系数最小。但气动阻力系数不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化，车头头缘的最大离地间隙越小

8、，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升 力。增加下缘凸起唇，气动阻力变小，减小的程度与唇的位置有关。发动机罩与前风窗的设计可以改变再附着点的位置，从而影响汽车的气动特性。发动机罩的纵向曲率越小(目前采用的纵向曲率大多为002 m )，气动阻力越小；发动机罩的横向曲率也有利于减小气动阻力。发动机罩具有适当的斜度(与水平面的夹角)对降低气动阻力有利，但如果斜度进一步加大，则降阻效果不明显。风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则将导致视觉失真、刮雨器刮扫效果变差；前风窗玻璃的横向曲率也有利于减小气动阻力；前风窗玻璃的斜度(与垂直面的夹角)小于30°时，降

9、阻效果不明显，但过大的斜度，将使视觉效果和舒适性降低；前风窗斜度等于48°时，发动机罩与前风窗凹处会出现明显的压力降，因而造型设计时应避免出现这个角度；前风挡玻璃的倾斜角度(与垂直面的夹角)增大，气动升力系数略有增加。发动机罩与前风窗的夹角及结合部位的细部结构对气流也有重要影响。汽车前端形状对汽车的空气动力学性能具有重要影响。前端凸且高，不仅会产生较大的气动阻力，而且还将在车头上部形成较大的局部负升力区。具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。2. 前立柱的设计 前立柱上的凹槽、小台面和细棱角处理不当，将导致较大的气动阻力、较严重的气动噪声和侧窗污染，因此，应

10、设计成圆滑过渡的外形。英国White于1967年根据试验结果对气动阻力影响最关键的车身外形参数进行分级，具有重大实际指导作用。轿车侧壁略外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数；外鼓系数(外鼓尺寸与跨度之比)应避免处于002004。顶盖有适当的上扰系数(上鼓尺寸与跨度之比)，有利于减小气动阻力、综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度和强度等方面因素，顶盖的上扰系数应在006以下。对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由093增至117，会较大程度地减小气动升力系数。但发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。3. 车身尾部造型的设计车身尾部造型中影响气动阻力的因素主要有后风窗的斜度(

11、后风窗弦线与水平线的夹角)与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度及尾部横向收缩。后风窗斜度对气动阻力的影响较大，对斜背式轿车，斜度等于30°时，阻力系数最大；斜度小于30°时，阻力系数较小。后挡风玻璃倾斜 角一般以控制在25°之内为宜；后风窗与车顶的夹角为28°32°时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。典型的尾部造型有斜背式、阶背式和方(平)背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切地断言尾部造型式样的优劣，但从理论上说，小斜背(角度小于30°)具有较小的气动阻力系数。流线型车尾的汽车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻

12、力系数最小，此高度需要根据具体车型及结构要求而定。后车体横向收缩可以减小截面面积，一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数增加。收缩程度因具体车型而定。车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力。长尾车可能产生较大的横摆力矩，而切尾的快背式汽车的横摆力矩并不大，可以通过加尾翼减小横摆力矩，改善汽车的操纵稳定性。 4. 扰流器的设计  扰流器通过对流场的干涉，调整汽车表面压强分布，以达到减小气动阻力和气动升力的目的。前扰流器(车底前部)的适当高度、位置和大小对减小气动阻力和气动升力至关重要。目前，大多将前保险

13、杠位置下移并加装车头下缘凸起唇，以起到前扰流器的作用。后扰流器(车尾上部)的形状、尺寸和安装位置对减小气动阻力及气动升力也非常重要，但后扰流器对气流到达扰流器之前就已分离的后背无效。有的把天线外形设计成扰流器，装在后风窗顶部；在赛车上设计前、后负升力翼，以抵消部分升力，从而改善汽车转向轮的附着性能。5. 车身主体与车轮之间的设计 车身主体与车轮之间存在很大的相互干涉。适度加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。不同形状的车轮辐板及车轮辐板上开孔面积的布置方式对气动性能有很大影响，在总开孔面积相同的情况下，适当增加开孔数有利于改善气动性能。改善汽车空气动力学性能，除了

14、优化汽车造型之外，人们也在寻求其他方法。虽然低阻汽车的动力性和经济性得以提高，但任何事物都有两面性。Kamm认为，对于流线型汽车，随着横摆角的变化，阻力系数有很大变化，即低阻汽车的侧风稳定性差。汽车设计中必须综合各方面因素，权衡利弊，才能设计出高性能的汽车。6. 总结空气动力学与汽车的造型有很大的关系，空气动力学主要研究运动汽车与空气之间的相互作用力，力的大小取决于空气与汽车之间的相对速度和汽车形状，通过对空气动力学课的学习，我们知道了汽车的形状对汽车的阻力有很大的影响，通过对汽车的造型演变历程研究发现，汽车的造型的改变很大方面是为了减少空气阻力，所以汽车造型与空气动力学有很大的关系。参考文献

15、： 李军，邓小刚空气动力学与汽车造型J渝州大学学报. 张建立，张国忠CFD在汽车空气动力学研究中的应用J沈阳大学学报 傅立敏，吴允柱，贺宝勤队列行驶车辆的空气动力特性J吉林大学学报汽车造型设计基础人机工程学目录1 人机工程学的概述2 人机工程学影响外观造型的演变历史3 人体尺寸在汽车外观造型设计中的应用4 人机工程学在车身设计中的应用5 结论6 参考文献 摘 要：通过研究汽车外观造型的演变历史，从人机工程学角度探讨其对汽车外观设计的影响，并归纳其在设计中的具体应用，主要表现在如何满足人体尺寸要求和视野要求上。为设计师在创意的时候既符合人机工程学的要求又兼顾美学标准的设计提供参考依据。 关键词：

16、人机工程学；汽车；造型设计；应用1 人机工程学的概述所谓人机工程学，是把人的因素作为产品设计的重要参数，从而为产品设计提供一种新的理论依据和方法，人机工程学研究的中心问题就是优化人机关系。在汽车设计中人机工程学称为车辆人机工程学，它是以改善驾驶员的劳动条件和车内人员的舒适性为核心，以人的安全、健康、舒适为目标，力求使整个系统总体性能达到最优。车辆人机工程学应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作

17、速度、动作频率等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉等感觉器官的机能特性。在汽车造型设计中，研究人机工程学的目的是：设计出良好的工作环境，保证驾乘者能在最佳条件和环境中高效、可靠、方便地驾驶，舒适地乘3 坐。应用人机工程学是汽车设计的重要原则之一，其目的是要设计出人一车协调的优美汽车形态。2 人机工程学影响外观造型的演变历史人机工程学的发展极大地影响了汽车外观造型的演变历史。在汽车造型发展史上，汽车造型经历了箱形汽车、甲壳虫形汽车再到船形汽车的演变。改变了传统汽车造型的模式，使前翼子板和发动机罩，后翼子板和行李舱罩融为一体，大灯和散热器罩也形成一个平滑的面，车内室位于车的中部，

18、整个造型很像一只小船，在满足了遮风挡雨的要求后，设计师开始考虑人驾驶和乘坐的舒适度和安全性能，创造了更加舒适安全的驾驶环境。船型汽车是设计者首次把人体工程学应用在汽车的设计上，开始强调以人为主体的设计思想。汽车的形式在今天依然不断地演化，例如箱型汽车因其宽大的乘用空间发展成为现代休旅车。船型汽车的造型因为其用途的不同，形式也出现了分化，一部分向解决空气动力性最佳化方向发展，一部分向居家代步的小型车发展。 （箱型） （甲壳虫）箱形-甲壳虫-船形汽车影响汽车造型发展进程的因素有很多，任何一种改变都是综合了各种因素所作的改变。如先前的汽车是箱式汽车，如果要降低风阻，就要降低车身高度，但是降低高度的同

19、时，就不可避免地造成前风窗视野受限。后来美国人发明了流线型车身，这种圆滑的车身造型既满足了降低风阻的要求，又不会使前风窗视野出现障碍。因为前风窗的倾角在一定范围内可以满足驾驶员的视野要求，这些就是人体工程学 的研究结果。可见流线型车身的发明综合了空气动力学和人体工程学等多方面的因素，所以一个合格的汽车设计师应该能够综合各种因素把握造型设计。仿鲨鱼造型的流线 （船型）型车身设计，综合了空气动力学和人体工程学等多方面的因素而设计。3 人体尺寸在汽车外观造型设计中的应用主要应用表现在：通过测量、统计、分析人体的尺寸，和对人体生理结构的研究，保证人体坐姿符合人体乘坐舒适性要求，确定车内的有效空间以及各

20、部件、总成(座椅、仪表板、方向盘等)的布置位置和尺寸关系，确定车身外观设计需满足的人乘坐环境的尺寸标准，以此作为车身外观造型要素构成的基本参考点，也可以作为改进概念外观设计的依据。人体尺寸决定了人体所占据的几何空间大小和人体的活动范围，是确定车身室内有效空间和进行内饰布置的主要依据，也是设计师进行汽车外观造型设计时必须要考虑的尺寸要求的主要参考依据。很多汽车概念设计形式很漂亮，但是无法满足使用要求。这是标致汽车概念设计中的一个作品，从美学意义和仿生角度看，是非常新奇的，但是从汽车实际研发角度看，存在很多不可能实现的问题。首先，车身高度太低，很难想象驾驶员用怎样的姿势来驾驶这部车子，如果是身材高

21、大的人去操纵，估计上下车都很困难。其次，暂且不论驾驶员舒适与否，前风窗的视野就被宽大的前轮造型遮挡了，车轮造型完全成为了装饰所以要设计一辆经典的实用的汽车，设计师除了要考虑好的概念以外，还必须熟知与人体尺寸相关的造型要求，设计合理的汽车外观造型尺寸，优化人机界面，使设计达到功能与形式的完美结合，而不能天马行空般地表达，否则，设计方案必然会在汽车开发中遭到淘汰。中国人体尺寸数据在汽车设计中，应以市场性原则选择适宜的人体尺寸标准及尺寸范围。一般采用5、50、95三种百分位(这里的百分位是指人体身高分布值的百分位，表示身高小于此值的人数所占的百分率)的人体尺寸，分别代表矮小身材、中等身材和高大身材。

22、参考中国人体尺寸数据图。车身设计理论上应能满足595百分位所有人群的需要，车身设计应该能够在这样一个尺寸区间进行转换，如车身高度的确定，就要知道车身高度的极限，具体设计中会参考95百分位人群所需要的空间高度的要求。这是目前在汽车设计开发中常用的方法。但是，汽车种类繁多，适用人群各不相同。如图奥迪Q7SUV，在体形上就是属于大型轿车，一般选择这类车型的人群身材都是较为高大的，很少会如图 奥迪Q7 有5以下的人群去选择这样一款车型，因此为避免资源和空间的浪费，设计者应该在该类车型人体尺寸设计上作相关设计调整，最后可能会选择满足50一95百分位人群的需要。设计不该是面面俱到的，而

23、应该根据具体的目标人群的特点作出适当的调整。4 人机工程学在车身设计中的应用4.1车身设计中人体工程学的内容：1)对人体各部尺寸进行测量、统计和分析，确定车内的有效空间2) 通过对人体生理结构的研究，使座椅设计以及人体坐姿符合人体乘坐舒适性要求3) 根据对人体操纵范围和操纵力的测定，确定各操纵装置的布置位置和作用力大小4) 通过对人眼的视觉特性、视觉效果的研究、试验、校核驾驶员的信息系统，保证驾驶员获得正确的驾驶信息等。4.2驾驶视野设计过对人眼的视觉特性、视野效果的研究、试验，校核驾驶员的信息系统，确定汽车外观造型件的设计满足驾驶员视野要求的尺寸关系和位置关系，

24、以保证驾驶员获得正确的驾驶信息。所谓视觉效果良好的汽车，通常是指具有广阔的视野，视觉干扰少和具有良好的视觉适应性的汽车。人机工程学从研究人眼的视觉特征、人眼的视野、人眼在车内的位置分布，人车视野及车身结构、形状、布置尺寸和布置位置出发，分析汽车的各种视觉效果。这些应该在设计之初进行研究并制订出方案。跟视野有关的造型部件主要有前风窗、后视镜侧窗。视野是指人眼所能观察的空间范围，车身设计中从人眼的视野出发，研究人车视野，包括直接视野、间接视野、雨刷视野和仪表视野等。这些视野内容是衡量汽车视觉性能的重要方面，车身造型设计时应予以认真对待。如风窗形状、面积大小及位置，车身立柱断面大小、形状及位置，后视

25、镜布置位置及性能参数，刮刷及除霜面积和部位，仪表和方向盘的位置和形状等。良好的人车视野性能是指在驾驶员的视野内产生最少的视野盲区。在设计中常见的是采用95百分位的眼椭圆板来确定相关视野功能件的尺寸位置关系。驾驶员以正常驾驶姿势坐在坐椅上，其眼睛所在位置的分布范围是通过对驾驶员眼睛所在位置的测量、统计分析得到的，由于驾驶员眼睛的位置分布图形呈椭圆状，故称为眼椭圆。确定了眼椭圆后，即可得出驾驶员的实际前方视野范围，确定前风窗开口面积、风窗倾角和位置、窗柱尺寸和位置等。4.3驾驶员座椅布置座椅作为驾驶者的主要载体，舒适和便捷是设计得终极目标。舒适性通常包括震动舒适性、坐姿舒适性和操作舒适性。而便捷则

26、必须考虑到司机的一些具体动作，比如伸腿，胸至方向盘的距离等问题。通过对人体特性参数的研究，利用生物力学和人体工学等知识对这些特性参数进行分析，明显的可以看出驾驶坐椅的靠背与座面的夹角及座面与水平面的夹角是影响司机驾驶作业的关键，研究表明最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿间角在900一1150。同时，小腿向前伸，大腿与小腿小腿与脚掌之间也达到一定角度。汽车坐椅设计中，考虑到不同体形驾驶员作业的需要，座椅一般设计成可调活动式，即坐椅可前后左右调节，靠背可角度调节。座椅的尺寸结构参数可参考驾驶或乘坐姿势下人体尺寸的测量值加以确定，使座椅的设计最大限度的满足驾驶过程中的便捷性需要。4.4方向盘位置、尺寸和倾角 方向盘的前后位置要受到转向器的制约，不能偏离太大。方向盘到驾驶员座椅的前后距离不能太小，否则高个子驾驶员操作不便，并且不利于驾驶员(尤其是小个子驾驶员)碰撞时的安全性。方向盘通常能够前、后调整。设计方向盘的调整