第三章汽车空气动力学ppt课件

1、第三章 汽车空气动力学 3.1 概述 3.2 气动阻力 3.3 升力和俯仰力矩 3.4 侧向力和横摆力矩 3.5 侧倾力矩 3.6 侧风作用下的气动阻力系数 3.7 汽车空气动力学实验.第一节 概述定义：汽车在路面上行驶，除遭到路面作用力外，还遭到周围气流对它作用的各种力和力矩。研讨这些力的特性及其对汽车性能所产生的影响的学科称为汽车空气动力学。 汽车行驶中遭到的气动力有迎面阻力、升力、侧向力及这些力构成的俯仰力矩、侧倾力矩和横摆力矩，他们的大小，大致都与空气对汽车的相对速度的平方成正比，因此随着汽车行驶速度的日益提高，其作用对汽车性能的影响也会愈来愈显著。回主目录.气动六分力与坐标系： 汽车

2、在行使时，遭到气流的气动力作用，该作用力在汽车上的作用点，我们通常称为风压中心，记作C.P，由于汽车外型的对称性，风压中心在汽车的对称平面内，但它不一定与重心CG重合。 为了研讨方便，建立一套坐标系，通常把汽车空气动力坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的交线上，前后轴中点处。规定各轴的正值方向如图3-1示：回主目录. 一切的空气力向上述坐标原点化简，产生三个分力和三个绕坐标轴的力矩。各种气动力的数值都与动压力和迎风的汽车正投影面积成正比，其比例系数称为气动力系数。 表3-1列出了国内外对六分力称号和系数公式的对照表回主目录. 名 称代 号美、日规定德国规定系数公式气动阻力Drag 侧向力Sid

3、e force 升力Lift 侧倾力矩Rolling moment 俯仰力矩Pitching moment 横摆力矩Yawing moment 表3-1回主目录.第二节 气动阻力 空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动阻力，这种阻力与车速平方成正比。为了抑制气动阻力所耗费的功率和燃料是随车速的三次方急剧添加的，当车速超越100km/h时，发动机功率有80%用来抑制气动阻力，要耗费很多燃料。在高速行驶时，如能减少10%的气动阻力，就可使燃料经济性提高百分之几十。当前汽车设计师非常注重降低气动阻力系数Cx，由于它对汽车动力性、经济性和轻量化有很多益处。回主目录.气动阻力由五部分组成：外形阻力，占总

4、阻力58%；诱导阻力，占总阻力7%； 摩擦阻力，占总阻力9%；干扰阻力，占总阻力14%；内循环阻力，占总阻力12%。 这几部分阻力的大致比例如图3-2所示。 图3-2 回主目录.3.2.1 外形阻力 当汽车行使时，气流流经汽车外表过程中，在汽车外表部分气流速度急剧变化部位会产生涡流，如图3-3中在车身后部有明显的涡流区，在涡流区产生负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力是压差阻力，又由于这都和车身外形有关，也称为外形阻力，它占整个阻力的 。回主目录.图3-3 汽车外表气流图回主目录.3.2.2 诱导阻力 诱导阻力是由于气流经车身上下部时，由于空气质点流经上下外表的路程不同，流速不同从而产生

5、压差，即升力，升力在程度方向上的分力称为诱导阻力，如图3-4所示。图3-4 汽车的诱导阻力回主目录.诱导阻力系数 升力系数 间有如下近似关系： 3-1 式中，b为汽车宽度，m ； 为空气密度， A为汽车正投影面积， 。 诱导阻力占总空气阻力的 。回主目录.3.2.3 摩擦阻力 汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的粘性在车身外表上产生的切向力呵斥的。空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板外表之间发生摩擦，这种摩擦妨碍了气体的流动，构成一种阻力称为摩擦阻力，约占总空气阻力的 。回主目录 汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的粘性在车身外表上产生的切向力呵斥的。空

6、气与其它流体一样都具有粘性，当气流流过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板外表之间发生摩擦，这种摩擦妨碍了气体的流动，构成一种阻力称为摩擦阻力，约占总空气阻力的 。.3.2.4 干扰阻力 它是车身外面的凸起物如后视镜、流水槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所呵斥的阻力，占总阻力的14%。 3.2.5 内循环阻力 它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空气气流经过车身的内部构造所产生的阻力，它占总阻力12%。回主目录.3.2.5 小结 减少气动阻力系数 在车身外型设计中主要采取以下措施 ： 1、 光顺车身外表的曲线外形，消除或延迟空气附面层剥离和涡流的产生； 2、 调整迎面和

7、反面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等外型的倾斜角度有效地减少阻力的产生； 3、 减少凸起物，构成平滑外表； 4、 设计空气动力附件，整理和引导气流流向。回主目录.第三节 升力和俯仰力矩 升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气流速不等构成压力差而呵斥的。升力不经过重心时对汽车产生俯仰力矩。 升力使车轮有抬升的趋势，减少驱动轮上的附着力，对转向车轮的影响是升力使侧向最大附着力和侧偏刚度降低，而使转向性能变坏。 现代高速汽车特别是赛车在设计上都力图减少升力。回主目录.影响要素：1、车身外形 把车身前后端形心用直线衔接，称此直线为中线，此中线与程度面的夹角称为迎角。 中线前高后低，迎角为正，反之为

8、负。正迎角越大升力越大。 假设汽车风压中心处于中心之前，那么升力对中心呵斥俯仰力矩，使前轮更加有离地趋势，所以最新设计的车身外形采取以下措施： 1 尽量做到风压中心与重心重合； 2 采用类似楔型外型。尽量压低车身前端，使尾部肥厚向上翘以产生负迎角； 回主目录. ( 3 ) 车身前部设阻风板后面设扰流板使后面翘起，如图3-5示；图 3-52、驱动方式 普通前置前驱汽车其风压中心与车身中心接近，后置发动机汽车的重心往往偏后，因此风压中心能够在重心前，俯仰力矩大些。回主目录.第四节 侧向力和横摆力矩 汽车受侧风时，如风力与中轴成 角，那么在 方向产生分力 ，此分力随 角的添加而直线上升，如侧风作用的

9、风压中心(C.P)在重心之前，那么汽车将顺风偏转，结果使 增大。侧向力和横摆力矩增大，导致稳定性变坏，如侧向力的风压中心位于中心之后，那么汽车逆风偏转，使侧向力和横摆力矩减少利于行驶稳定性；如风压中心与重心重合，那么汽车在侧向力作用下侧移，但能坚持行驶方向。 减少侧向力的影响有以下措施： ( 1 ) 尽量使风压中心位于重心之后； ( 2 ) 尽量压低车身高度，处置好横截面的流线形性，添加车宽。回主目录.第五节 侧倾力矩 侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并影响左右车轮负荷重新分配。 侧倾力矩主要由车身侧面外形决议，减少侧倾力矩的措施主要是： ( 1 ) 尽量降低车身，增大车宽； ( 2 ) 使风

10、压中心在高度上接近侧倾轴线；回主目录.第六节 侧风作用下的气动阻力系数 在侧风作用下直线行驶的汽车遭到由行驶速度产生的行驶风 (负号表示与行驶速度方向相反)和侧风 的影响，气流流入合成速度 就是两者的矢量和： 其合成速度 与汽车轴线成 角 ( 图3-6 )。 流入角，单位为 。 的大小可用下式求出： 式中 风与汽车轴线夹角。回主目录.图3-6 回主目录.流入角可用下式求出： 所以：在逆风时： 顺风时：回主目录.横风时： 图3-7表示有侧风时行驶速度、风速与合成速度及迎角之间的关系。在有侧风时，气动阻力系数成为 ，它要比无风时的气动阻力系数 大， 图3-8是在风洞中测出三种车型的 和迎角 的关系

11、，前 时， 随着 的增大 ， 普通要增大。回主目录. 图3-7 自然侧风风速不同时，合成风速 和迎角 与行驶速度之间的关系 ( 直线行驶时,自然风垂直于汽车纵轴线 ) 回主目录. 图3-8 三种典型车身的切向力系数与迎角的关系回主目录.第七节 汽车空气动力学实验 汽车的空气动力学实验分室内和室外两种： 室内实验普通是把汽车或汽车模型置于能模拟汽车行驶中流场的管状实验场中，用巨型风扇呵斥所需的汽车气流的相对速度，测定各种气动力和气动力矩的一种实验安装，这种安装称为风洞( Wind Tunnel )。 室外实验是把实车在室外实验场上进展空气阻力系数的测定和研讨横风对汽车的作用。回主目录.3.7.1

12、 风洞实验设备和技术 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，可分为直流式和回流式两种： 1、直流式风洞又称为埃菲尔式风洞，其构造是鼓风机在实验阶段下游靠吸入空气构成气流。图3-9a即是英国 MIRA 研讨中心的一个直流式风洞,实验段长3.8m，截面2.12 , 高1m ,最高风速为160km/h ，风扇功率为37.3kW，由于截面小，只作模型实验，实验段普通为长方形截面，其长度应为1.5-2倍当量截面直径。回主目录.图3-9 两个典型的汽车风洞回主目录. 2、 回流式风洞又称哥根廷式风洞，经过实验段的气流经过循环系统再前往流动构成回流，故此得名，其优点是可节省驱动功率，图

13、3-9a示出德国飞驰公司的回流式风洞，其实验段截面达32.6 ，长10m,最高风速达270km/h,风扇功率高达4000kW。 世界上的风洞按其实验段面积和最高风速可分为大中小三类：回主目录.风洞的技术要求：1、模拟地面效应 汽车在真实路面上行驶时，遭到与行驶速度一样的风的作用，与此同时，路面以一样速度向后方挪动，而在风洞中，汽车或汽车模型不动，风以与汽车行驶速度一样的风速作用于汽车上，但在地板上构成边境层，这种边境层是由于流体粘性呵斥的，使丈量阻力减少，升力值增大。因此规定：回主目录.图3-10 地面效应模拟方法 为了尽能够真实地复现汽车车身底部的速度分布，要求地板的边境层尽能够薄，常用以下

14、三种方法( 见图3-10)：把模型支在距风洞底部一定高度的地板上；把模型支在传动带上；在风洞地板上设孔以吸除(或吹除)附面层.回主目录.2、模拟边境条件 汽车在路上行驶，周围气流均匀，风洞中除地板上有附面层外，管径如太小，其附面层也影响气流特性，为此设计的风洞实验段截面积与模型的正面投影面积之比有一定要求： 模型的正面投影面积要小于 的实验段面积，地板以上面积，模型高度要小于实验段高度 。3、必需符合类似原那么 不但几何尺寸类似，而且雷诺数也类似 。4、要有侧六分力的天平仪 图3-11为意大利平宁法里那设计的机械式六分力天平仪，能同时测出所需六分力和三个力矩。回主目录.图3-11 机械式六分力

15、天平回主目录.3.7.2 空气动力学的室外实验普通实验工程有： 测定气动阻力系数 ； 气动阻力系数是经过滑行法来测定。在平坦路面上，把汽车加速到一定值( 60100km/h )，然后挂空档，任其滑行，记录速度下降和时间的关系，并由此求得各速度间的平均减速度，由此可计算出对应的总阻力，它包括轮胎滚动阻力、传动系阻力和空气阻力。从总阻力中间去轮胎滚动阻力和传动系阻力，即得空气阻力，进而求出空气气动阻力系数 。回主目录. 侧风稳定性实验要采用侧风发生器模拟自然侧风，图3-12默谢台斯飞驰公司实验场上所进展的侧风稳定性表示图。侧风发生器采用 鼓风箱组成，全长32m。可产生速度为80km/h的侧风，相当于8-9级自然风。实验车辆在距侧风发生器3m 处等速驶过( 车速为100km/h )，转向盘坚持不动，至少应记录进入侧风发生器前20m和到侧风段后50m的全部丈量值,包括： 转向盘转角； 横向加速度； 横摆速度； 在侧风段50m处汽车侧向偏移量( 汽车质心轨迹可通过在路面上喷水来确定，也可经过所测的横向加速度两次积分求得 )。侧风稳定性实验回主目录.图3-12 汽车侧风稳定性实验回主目录. 图3-13 汽车驶过侧风安装(长32m，风速 ) 时，横摆