车身结构与设计__第6章汽车的空气动力性能ppt课件

1、第六章 汽车的空气动力性能第一节 概述第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第四节 改善汽车空气动力性能的措施主要内容 空气动力学Aerodynamics是研讨物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学，它属于流膂力学的一个重要分支。长期以来，空气动力学成果的运用多偏重于航空及气候领域，特别是在航空领域内这门科学获得了宏大的进展，给汽车或路面车辆的空气动力学Automotive Aerodynamics-Road Vehicle Aerodynamics研讨提供了自创。 然而进一步的深化研讨阐明，汽车或车辆的空气动力学问

2、题从实际到实践两方面都与航空等问题有本质的区别，汽车空气动力学已逐渐开展成为了空气动力学的一个独立分支，在方程式赛车领域更是得到了极大的运用。 第一节 概述研讨内容： 1汽车行驶中的气动力和力矩的研讨 2汽车外表及周围的流谱和部分流场的研讨 3发动机和制动安装的空气冷却问题的研讨 4汽车内部自然通风和换气问题的研讨第一节 概述实际计算方法：1无粘流实际，不思索空气的粘滞性欧拉方程2粘滞实际，思索空气的粘滞性有限差分法第一节 概述第一节 概述研讨手段：风洞 风洞wind tunnel，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及察看物理景象的一种管道状实

3、验设备，它是进展空气动力实验最常用、最有效的工具。1全尺寸模型实车风洞实验2缩尺型风洞模型 汽车风洞由大功率电动机带动鼓风机和按一定要求设计的管道构成，风洞可分为直流式和回流式两种 直流式又称埃菲尔式风洞，其构造是鼓风机在实验阶段下游靠吸入空气构成气流 回流式又称哥廷根式风洞，经过实验段的气流经过循环系统再前往流动构成回流故得此名，其优点是可节省驱动功率 汽车风洞中用来产生强大气流的风扇是很大的，比如奔驰公司的汽车风洞，其风扇直径就达8.5m，驱动风扇的电动功率高达4000kW，风洞内用来进展实车实验段的空气流速达270kmh。建造一个这样规模的汽车风洞往往需求耗资数亿美圆，甚至10多亿，而且

4、每做一次汽车风洞实验的费用也是相当大的。第一节 概述第一节 概述第一节 概述中国汽车风洞2021年同济大学第一节 概述风阻系数风阻系数是经过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数，用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数的大少取决于汽车的外形。风阻系数愈大，那么空气阻力愈大。知雨滴的风阻系数最小，在0.05左右。第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩1 气动力和气动力矩2 汽车的空气阻力3 汽车的气动升力4 汽车的空气动力稳定性1.汽车行驶时所遭到的气动力和力矩气动力F：将整个汽车外外表上压力合成而得到作用在汽车上的合力。风压中心CP：合力在汽车上的作用点。质心CG迎风面积S车身外形系数

5、第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩空气阻力：气动升力:侧向分力：第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩纵倾力矩又称俯俯仰力矩My，(以使汽车抬头为正)：式中 Xc，Zc风压中心到质心的间隔； L特征长度，普通指汽车轴距； CMy俯仰力矩系数。横摆力矩Mz (以汽车右偏为正)：侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正)：第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩2.汽车的空气阻力正比：空气阻力系数CD，迎风面积S，空气密度及车速v2分为5个部分： 外形阻力 摩擦阻力 诱导阻力 干扰阻力 内部阻力第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩阻力名称产生原因影响因素一般轿车CD=0.45理想型跑车CD=0.20形状阻

6、力汽车前后压差车身表面形状及其交接处的转折方式 58%70%摩擦阻力空气与车身摩擦车身表面的面积和光顺程度9%20%诱导阻力空气升力的纵向分力气动升力7%0干扰阻力扰动表面突起和各种附件14%5%内部阻力内循环阻力冷却气流和车内通风12%5%第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩一空气阻力与最大车速的关系 假设汽车在程度路面上作等速行使，驱动力全部用来抑制滚动阻力和空气阻力，即： 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩在其它要素不变情况下，具有最大驱动力Ftmax时，可以获得最高车速： 可以看出，当Ftmax和G一定时，减小阻力系数CD使最高车速Vamax提高，或提高升力系数CZ可以使最大车速

7、提高。但应留意到提高汽车的升力会影响到汽车的稳定性，所以不能经过提高CZ来提高Vamax。 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩二空气阻力对加速度的影响 加速性能是汽车的动力性目的之一，因此我们需求研讨空气阻力对汽车加速度的影响。我们对下式两边求时间t的导数并加以整理，即可得汽车加速度： 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩 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。其值可由发动机实验确定。由上式可见，汽车的加速才干首先取决于发动机的加速性能，其次，汽车加速度还与汽车的空气阻力系数CD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，

8、减小汽车分量G，也会有利于汽车加速度的提高。 三空气阻力对燃油经济性的影响 汽车的燃油经济性常用一定运转工况下汽车行驶百公里的燃油耗费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，燃油经济性目的的单位为L/100km，即行驶100km所耗费的燃油升数，其数值越大，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。 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩 影响汽车燃油经济性的要素包括发动机性能、传动系性能、汽车分量、汽车外形、轮胎性能、行驶车速、挡位选择和运用保养等。 下面主要就汽车外形所决议的空气阻力对燃油经济性

9、的影响加以举例阐明。 空气阻力对燃油耗费量的影响，是与车种、行使道路和运用情况有关，由于各种汽车的空气阻力的大小是各不一样的。 当汽车在丘陵地带行驶时，在汽车上除作用有滚动阻力和空气阻力外，还作用有加速阻力和爬坡阻力，这些阻力都要由驱动力来抑制，因此都要耗费燃油，各种车辆的每100km的燃油耗费量，以及各种阻力燃油耗费量的百分比例示如图。第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩各种车辆燃油耗费量 由图可见，小型客车用于抑制空气阻力的燃油耗费量的比例最大，其次是普通货车。前者占总燃油耗费量的比例为50%左右而后者为32%左右。 如汽车在平路上行使，当车速Va=80100km/h时，空气阻力占城际客

10、车总阻力的相当大一部分。而市内客车，由于其停车次数的添加，平均速度下降而空气阻力也就大大减小。但其加速阻力却增大很多，因此其空气阻力所占比例较小。 空气阻力系数降低对燃油经济性是很可观的。以下图为AUDI100轿车的实验数据，例如，CD从0.42降到0.30，在混合循环时，燃油经济性可改善9%左右，而当以150km/h高速行驶时，燃油经济性竟能改善25%左右。 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩AUDI100空气阻力系数降低导致的燃油经济性改善半挂车空气阻力对燃油耗费量的影响 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩 半挂车、大客车和轻型客车在各种道路条件下空气阻力减小带来的燃油节省量如图。

11、 大客车空气阻力对燃油耗费量的影响轻型客车空气阻力对燃油耗费量的影响 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩 国产CA141货车曾进展了公路实车百公里油耗实验，采用加与不加附加安装对比实验，得出百公里油耗降低量如表。结果阐明，加前阻风板、蓬和导流罩等空气动力学附加安装，可使CA141油耗降低24L/100km。 附加安装工 况加前阻风板加车箱及保险架辅助板加 蓬加蓬及导流罩满载v=45km/h0.50.80.20.533.534空载v=45km/h0.20.50.150.22323.5v=60km/h1211.53.53.93.54.2CA141货车采用附加安装后的百公里油耗降低量L/100k

12、m第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩 下面我们举例计算一辆CA141货车的年油耗节省量。假设货车以45km/h的平均车速，每天行驶3h，每年运用260天，那么年行驶里程为81900km，采用空气动力学附加安装后年油耗节省量为16383272L。这个数字是非常可观的 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩3 汽车的气动升力正比升力产生的原理CZ上下外表曲率上下外表压差f(x)反映了车身外形和位置形状对升力的影响程度，是评价汽车升力特性的重要目的。 提示：为平安思索，减小气动升力比降低空气阻力更为重要!第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩降低升力的措施：1采用负迎角迎角:汽车前、后形心的连线

13、与程度线的夹角。 前高后低为正,迎角越大,升力越大 外型应前低后高，产生负升力更好！第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩2在汽车前端底部、后端加扰流板 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩3车尾地板向上翘起一个角度 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩4汽车底部板向两侧略微上翘 使底部气流有一部分流向两个侧面。当气流向两侧引导时加快了底部的气流速度而使升力下降。5斜背加鸭尾第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩4 汽车的空气动力稳定性影响汽车支配稳定性的气动力可分为： 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

14、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。2.侧向力及横摆力矩 当汽车遭到非正迎面风时，气流的合成相对速度与x轴成角，在y方向上遭到了侧向力，侧向力将随角的添加而直线上升。假设侧向力的作用点与坐标原点有个间隔这个值指随车身外形和横摆角而变化，即产生绕z轴回转的横摆力矩。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。这个力矩经过悬挂安装到车架至左右车轮，引起车轮负荷的变化，对应于力矩回转的方向，使一侧车轮的负荷添加，而另一侧车轮负荷减小。第二节 汽车行驶

15、时所遭到的气动力和力矩侧向力对稳定性的影响风压中心在质心前边不好！抑制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，它详细表如今侧向力对重心的关系上如上图。 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，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，但能根本坚持行驶方向。 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩抑制横摆力矩的汽车外型措施： 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，处置好横截面的流线型性，以

16、降低横摆力矩。 车身后端加尾翘或采用方背式布置，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，汽车接受的侧向风将增大，此点不容忽视。 第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩 普通前置发动机的汽车，其风压中心与车身的重心较接近，而后置发动机的汽车那么往往因其车身重心后移，因侧向风的作用而产生不安定性。 箱型车比普通小轿车的侧风稳定性要好一些，因箱型车的车身截面后部较大，风压中心在重心之后，当蒙受侧风时，侧向偏移及横摆角速度不致太大。使风压中心后移的附加措施a加尾翘 b方背式第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩使风压中心和汽车重心重合;形心在质心之后,接近后轮;质心在L(轴距)/2之前

17、；尽量使风压中心和汽车重心位于同一程度面.第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩第二节 汽车行驶时所遭到的气动力和力矩第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布1、附面层与分别点2、汽车前部的流谱3、汽车尾部的流谱4、汽车底部的流谱5、汽车周围的流谱6、汽车的内部气流与外表压强分布空气的力学特性 空气具有可紧缩、粘性和热传导性等性质。但是在实践研讨中为了研讨的方便，普通不思索空气的紧缩性，称为理想空气。1、流线和流谱流线：空气流动的轨迹，即该假想曲线上任一点的切线方向与该时辰气流质点速度向量的方向一样。流谱：在某一瞬时的流场中，许多流线的集合称为该时辰气流的流谱。经过流谱来描画气流流动的

18、全貌。2、流体流动的延续性流体的流速与流管的截面积的关系第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布1、附面层与分别点附面层研讨阐明，附在运动物体外表一层很薄的空气的流动情况与外层空气不同。在附面层内的空气流动存在速度梯度，空气的粘性不可忽略。附面层各层间的速度变化小，各层间是以不同速度错动的，称之为“层流。而当附面层内各层间的速度梯度较大时，整个附面层充溢了涡流，称之为“湍流第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布汽车外表附面层分布分别景象与涡流空气由a到d流速逐渐添加，过最大截面d后逐渐减小，而产生空气堆积，于是在K点使气流的速度

19、为零，K以下微层的气流方向变为负值，产生倒流景象。从K点构成一个分别面K-K，在分别面下面产生涡流，涡流被外层空气带走，同时在分别面又卷入新的涡流，这种景象称为分别景象，K点称为分别点。会使运动阻力增大。第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布2、汽车前部的流谱第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布经过察看流谱，确定气流在发动机罩上的分别线和在风窗玻璃上的再附着线影响其转角部位气流的主要要素有：1)发动机罩与前风窗的交角，轿车普通在35502)发动机罩的三维曲率和构造3)前风窗的三维曲率和构造第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和

20、外表压强分布3、汽车尾部的流谱当气流沿汽车外表流动到汽车尾部时，气流分别而构成尾随汽车后面的湍流尾流。第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布1)在汽车外型中的短尾就是将尾流区中的车身切短，且产生的运动阻力不变；2)在造形设计时，可思索运用引导气流对后风窗玻璃的冲刷作用第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布4、汽车底部的流谱 普通以为，汽车底部和地面之间的气流形状受以下要素的影响：地面和底部间的间隔离地间歇。车辆宽度、长度和高度之比及车身外型。底部的平整程度。地板的纵向曲率和横向曲率。第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布5、汽车周围的涡系第三节 空气的粘滞景象、汽

21、车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布6、汽车的内部气流与外表压强分布研讨车内气流的目的在于如何恰当地引入外部气流以最有效地完成冷却、通风后再排出车外，并使气流的进出对整车气动性能的影响最小。第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布6、汽车的内部气流与外表压强分布车身的外表压强分布与车内的通风根据车身外表的压强分布特性，在有高的正压强系数的前格栅处和驾驶室前围板处及发动机罩后部设置进风口。可设置出风口的部位：后柱、后窗下方、车顶后端、地板下方。轿车的进风口普通在发动机罩的后部，出风口设置在后窗柱下部第三节

22、空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布2发动机的冷却发动机的冷却问题应同时思索两个问题：A、如何减小空气阻力B、如何提高发动机的冷却效果 根据车内的风路图，合理的设计发动机进气口和出气口的外形、大小及其位置。第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布第三节 空气的粘滞景象、汽车的流谱和外表压强分布湍流也会起到冷却引擎的作用 第四节 改善汽车空气动力性能的措施 确定汽车车身外型有三个根本要素，即机械工程学、人体工程学和空气动力学。 对空气动力学的

23、主要要求有两个： 一是减小空气阻力(与最高车速，加速性能和燃油经济性相关联)； 二是减小气动升力和受横向风的不稳定性。 长期以来运用的汽车空气动力学强调减少空气阻力，后来平安性和稳定性问题也遭到了足够的注重。第四节 改善汽车空气动力性能的措施一、汽车外形设计的部分优化二、采用各种气动附加安装三、外形设计的整体优化及汽车理想外形第四节 改善汽车空气动力性能的措施一、汽车外形设计的部分优化1、车身头部棱角圆滑对阻力的影响头部棱角圆化可防止气流在转角处分别，减小阻力系数较长的车体有助于降低阻力系数，但长度过大阻力系数又会添加车头部不同流线型对阻力系数的影响程度不同车头边角圆化有助于降低阻力系数第四节

24、 改善汽车空气动力性能的措施不同外形及不同圆角对CD值的影响第四节 改善汽车空气动力性能的措施车头及车头边角的最正确化第四节 改善汽车空气动力性能的措施大客车车头边角倒圆和流线化对阻力系数的影响第四节 改善汽车空气动力性能的措施2、前风窗立柱及流水槽外形对阻力的影响由于A柱在运用、设计、制造中的缘由，普通都有凹面或凸面，那么会呵斥气流的分别，产生气动噪声，同时添加阻力系数。第四节 改善汽车空气动力性能的措施3、车身后部外形对阻力的影响后背倾角小于30对应的流谱称为快背型流谱，大于30的称为方背型流谱。30倾角称为临界后背倾角4、外表的光洁程度a) 后风窗大倾角b) 后风窗小倾角第四节 改善汽车

25、空气动力性能的措施第四节 改善汽车空气动力性能的措施二、采用各种气动附加安装 在汽车上安装各种气动附加装安装，可以使汽车的气动性能得到明显改善。1、前部扰流器 在车头下部安装扰流器，可减小阻力系数和升力系数，但扰流器必需有适当的高度及角度第四节 改善汽车空气动力性能的措施前扰流器对阻力系数和前轴升力的影响第四节 改善汽车空气动力性能的措施2、后扰流器在轿车后部设置后扰流器的目的：推迟涡流的产生或气流的分别、减弱涡流的强度并构成部分正压以降低阻力系数和升力系数。右图是行李箱盖后端的扰流器高度与空气阻力及空气升力系数的关系。第四节 改善汽车空气动力性能的措施右图是不同构造方式的扰流器对阻力系数和升

26、力系数的影响能否需求加装后扰流器，需求根据后车体的外形及在其上的气流流动情况而定。普通而言，对具有平顺气流的快背形车，有能够起到好作用；而对于有些阶梯背的轿车，由于气流早已分别，所以无需再装扰流器。第四节 改善汽车空气动力性能的措施3、导流罩普通为了降低空气阻力系数，降低油耗，在有的货车、大客车和半挂车上运用。导流罩和减阻安装普通可按功能分三种型式：减阻型调整压力分布型改善气流型第四节 改善汽车空气动力性能的措施第四节 改善汽车空气动力性能的措施牵引挂车的车身细节和导流罩对阻力系数的影响菲亚特研讨中心第四节 改善汽车空气动力性能的措施4、隔离安装在牵引车和半挂车间运用，与导流罩配合运用，可起到

27、稳定导流罩后部气流的作用，保证导流罩的减阻作用第四节 改善汽车空气动力性能的措施三、外形设计的整体优化车身的特点：车身外表积较小，可减小摩擦阻力 车顶呈凸线型，可减小压差阻力和空气升力 此概念车的风洞实验阻力系数为0.16平宁法利那公司的研讨成果第四节 改善汽车空气动力性能的措施汽车外形空气动力学开发过程：汽车的造形设计必需以空气动力学开发为中心。对初期外型完成的多个减少比例模型进展风洞实验，并根据结果修正再进展风洞实验，最后定型；按定型方案制造1：1模型，并加装各种附件，再进展风洞实验，作改良；按改良的模型设计样车，并进展最终的风洞实验第四节 改善汽车空气动力性能的措施小结： 本节由汽车外形与空气动力学特性的关系出发，引见了汽车空气动力学开发的途径： 一、细节优化 从现有汽车外形出发，经过其各部分外形的细部优化，逐渐改良，使其接近理想的流线型外形，获得理想的气动力学特性理想流线型的阻力系数仅为0.040.05 二、从低阻外形开场的设计整体优化设计第四节 改善汽车空气动力性能的措施车身外形设计各阶段的空气阻力系数变化及其空气气流的变化第四节 改善汽车空气动力性能的措施理想气动外形1、车身侧面尽量降低车很总高减小离地间隙前领扁平，后端处置尽量