第六章汽车的空气动力性能

第六章汽车空气动力性能概述汽车受到的外力路面作用力空气动力重力汽车在路面上行驶时，除受到路面作用力外，还受到周围气流对它作用的各种力和力矩，研究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。对动力性的影响

影响高速时的加速性能;影响最高车速。对燃油经济性的影响

对于CdA=0.8m2的轿车， v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力； v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力； 轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。对安全性的影响

高速时的加速性能影响行车的安全；空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性；空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。对汽车外观的影响

汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形；空气动力学影响着人们的审美观。空气动力学对汽车性能的影响汽车空气动力学研究内容

研究汽车运动时，空气对汽车的作用。 包括：作用力（力矩）、噪声、冷却、通风换气、车身表面清洁、对附件工作性能的影响等。1.空气动力学基础知识1.1连续性方程和伯努利方程(Bernoulli’sLaw)连续性方程 对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即

ρ1V1A1=ρ2V2A2=······=常数 对于不可压缩流体（ρ1=ρ2=······=常数），有

V1A1=V2A2=······=常数连续性方程是质量守恒定律在流体力学中 的表现形式。汽车周围的空气压力变化不大，可近似认 为空气密度不变。伯努利方程对于不可压缩流体，有：

mgz+mp/ρ+mV2/2=常数

即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。当气体流速不太高时，密度ρ可视为不变，且气体的重力很小，则

p/ρ+V2/2=常数或

p+ρV2/2=常数即静压力与“动压力”之和为一常数。伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。文丘里效应(VentureEffect)：

流体经过狭窄通道时压力减小的现象。吹纸条: 热水淋浴器: 球浮气流：发动机化油器喉管同向行舟:

1.2空气的粘滞性和气流分离现象附面层(boundarylayer)

由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流速较低的区域，即为附面层。附面层随流程的增加而增厚。附面层的流态由层流转变为紊流。顺压梯度和逆压梯度顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓）

逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）轿车的横截面积分布和气流压力梯度气流分离现象(flowseparation) 当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面层内，流动尤为困难。 在物面法向速度梯度为零(

=0)时，气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面隔开。ePYeY=0尾流区

在分离点后，是一不规则流动的涡流区，总体上是静止不动的“死水区”。物体向前运动时，它随之运动，故称“尾流”。 尾流区内各点压力几乎相等，与分离点处压力相同。压差阻力(pressuredrag)

在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。影响气流分离的因素压力梯度

只有在逆压梯度条件下才会产生分离。逆压梯度越大，越易分离。流态

紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。减小形状阻力的措施降低逆压梯度

减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。增大紊流度

增大物面的粗糙度。

分离是产生在附面层流体没有粘度，就没有附面层。没有附面层，就不会产生气流分离现象。汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气泡”(

bubble)）。

汽车空气作用的六分力与汽车运动状态的关系，主要靠模型或实车的风洞试验求得。坐标系风压中心

（C.P——Centerof

airpresure）空气动力的合力

作用点，位于汽

车对称平面内，

不一定与重心

重合所有的空气动力向坐标原点化简，即产生三个分力和绕x,y,z三个坐标轴的力矩横摆力矩侧倾力矩侧向力2.汽车空气动力与空气动力矩空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为： 空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(SideForce)Ｓ。将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为： 侧倾力矩(RollingMoment)

MX、俯仰力矩(PitchingMoment)MY、横摆力矩(YowMoment)MZ。空气动力的表达式 空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式： 式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特 性的重要指标，它主要取决于汽车外形。 空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为空气动力矩的表达式 俯仰力矩 令 则 一般取汽车的轴距作为特征长度l。 类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为空气动力的各分力的数值都与动压力和迎风的汽车正投影面积成正比，其比例系数称为空气动力系数(风阻系数)——空气密度，vr——气流相对汽车速度

A——汽车正投影面积，L——汽车特征长度单位气动阻力Drag侧向力Sideforce升力Lift侧倾力矩Rollingmoment俯仰力矩Pitchingmoment横摆力矩YawingmomentFxFyFzMxMyMz3.空气阻力3.1空气阻力的分类及影响的相关因素形状阻力(FormDrag)干扰阻力(InterferenceDrag)内部阻力(InternalFlowDrag)诱导阻力(InducedDrag)摩擦阻力(SkinFriction)前四种为压力阻力。Cd总值：0.45A—形状阻力(Cd=0.262)；B—干扰阻力(Cd=0.064)；C—内部阻力(Cd=0.053)；D—诱导阻力(Cd=0.031)；E—形状阻力(Cd=0.040)。空气作用于车身的向后纵向分力称为气动阻力。与车速平方成正比与车身形状有很大关系升力在水平方向上的分力由于空气具有粘性，在流经车身表面对空气质点与车身表面的摩擦力在逆行驶方向的分力车身表面突起物造成的阻力为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空气气流通过车身内部构造所产生的阻力汽车空气阻力对汽车的影响主要有两个方面：1、汽车动力性：汽车的最高车速、加速时间、最大爬坡度2、汽车经济性气动阻力与总阻力的比、气动阻力所耗功率、气动阻力与燃料消耗量汽车空气阻力对动力性的影响汽车的最高车速、加速时间、最大爬坡度是评价汽车动力性的主要指标。1、汽动阻力与最大速度汽车在水平路面上等速行使，其最大车速可表示为：最大驱动力车重滚动阻力系数气动升力系数气动阻力系数分析：当车重及其他因素不变，一定的最大驱动力时，汽车的最大速度取决于气动阻力系数和气动升力系数。由于气动升力系数涉及到汽车的稳定性，在此不讨论。可见：减小气动阻力系数可提高最大速度。2、汽动阻力与汽车加速度发动机功率随时间的变化率汽车传动系效率分析：当车重及其他因素不变，一定的传动效率时，汽车的加速度取决于气动阻力系数。可见：减小气动阻力系数可增加汽车的加速度。当气动阻力增加，会使加速能力下降。若当然，汽车的加速性能首先取决于发动机的加速特性。汽车空气阻力对经济性的影响随着世界能源危机，石油价格的上涨，改善汽车的燃料经济性成为重要课题。1、汽动阻力占总阻力的比例汽车上的总阻力由气动阻力和滚动阻力组成：气动阻力在前后轮上的汽车重力和升力由图可知，当车速为（60－80）km/h时气动阻力与滚动阻力相当；当车速为160km/h后，气动阻力是滚动阻力的2－3倍。气动阻力空气阻力所耗功率克服气动阻力所需的功率来源于发动机，发动机所做的功有相当大一部分用来克服气动阻力。不同的车形、不同的速度所耗功率不等。耗功与速度3次方正比。空气阻力与燃料消耗量不同的车形、不同的速度每百公里所耗油不等。小型车用于克服气动阻力每百公里所耗油量占总耗油量的50％左右，比例最大，故减小气动阻力可使每百公里耗油量下降。3.2形状阻力形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。前风窗对空气阻力的影响前风窗对气流的影响减小前风窗处空气阻力的措施增大风窗与发动机罩间的夹角；风窗横向弯曲。气动阻力（系数）与车身外形的关系29箱型汽车1908~1931CD～0.7甲虫型汽车1935～1944CD～0.46船型汽车1945～1970CD～0.4鱼型汽车1970～1980CD～0.35楔型汽车1980～1990CD～0.3Cd（风阻系数）世界记录

Cd年款车型注释

0.1371986福特ProbeV概念车

0.191996通用EV1电动车

0.251999本田Insight混合动力车

0.252000雷克萨斯LS430

0.252000奥迪A2"3升

0.261989欧宝Calibra2.0i基本型

0.262000奔驰C180

0.271996奔驰E230

0.271997大众帕萨特

0.271997雷克萨斯LS400

0.271998宝马318i

0.272000奔驰C级重视人体工程学，内部空间大，乘坐舒适空气阻力大，妨碍了汽车前进的速度，越呈流线型汽车的正面阻力和后面涡流越小乘员活动空间狭小对横风的不稳定性汽车车室置于两轴之间解决了对横风不稳定的问题车的尾部过长，为阶梯状，高速行驶时会产生较强的空气涡流，影响了车速的提高后窗倾斜大，面积大，降低了车身强度汽车高速行驶时易产生很大的升力，使汽车地面附着力减小，使汽车行驶稳定性和操纵稳定性降低车身整体向前下方倾斜，车身后部像刀切一样平直，这种造型能有效地克服升力楔型对于目前的高速汽车，已接近理想造型车身后背对空气阻力的影响几种典型的车身后背型式直背式(Fastback)：后背倾角＜20°；舱背式(Hatchback)：后背倾角20°～50°；方背式(Squareback)：后背倾角＞50°；折背式(Notchback)。后背倾角与空气阻力分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小；分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。有一空气阻力最小的最佳后背倾角。后背长度越大，空气阻力越小。车身后背形状与空气阻力截尾式两厢式与三厢式行李箱高度3.3诱导阻力(induceddrag)

在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个分力就是诱导阻力。 。气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大； 后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。 分离点前移，气流在后背的流程减小。后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。 随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，最终减小，至消失； 随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大，分离点前移至后背顶端时，不再增大。车身后背上减小诱导阻力的措施选择适当的后背倾角后背后缘处为尖锐棱角 形成稳定的气流分离线；减小转角处产生的诱导阻力。设扰流器

减小诱导阻力，同时减小空气升力。3.4干扰阻力

干扰阻力是由于车身表面的凸起物、凹坑和车轮等局部地影响着气流流动而引起的空气阻力。

车外小物件产生的干扰阻力

气流流经物体时流速增加，另一物体置于这被加速了的气流中时，就会受到更大的空气阻力作用。两物体距离越小，干扰阻力越大。车身表面凸起物对气流影响凸起物可能引起气流分离。凸起物使附面层加厚，气流容易分离。车身表面凹槽产生的干扰阻力门、盖罩等的四周缝隙是主要的车身表面凹槽。凹槽的方向有垂直于和平等于气流方向两种典型状况。车轮旋转对气流的影响车轮旋转旋转车轮在气流中路面上的旋转车轮在气流中马格纳斯效应(Magnuseffect)：在流体中运动的旋转圆柱受到力作用而影响它的行进路线的一种现象。路面上滚动的车轮受到一升力作用。车轮旋转使车轮上的分离线前移，因此有一较大的空气阻力。轮罩的遮挡，减弱了车轮旋转对气流的干扰，降低了空气阻力。在轮罩中的转动车轮，在其前侧面和前下部有气流向外流动，对主气流产生干扰。轮胎宽度有一空气阻力最小的值。3.5内部阻力流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗，产生了内部阻力。

内部气流发动机冷却气流：流量大。是减小内部阻力的主要研究对象。通风气流：流量约为冷却气流的1/10左右。制动器冷却气流理想的发动机空气冷却系统气流通道为密封的直管道；散热器面积大，进入的气流速度低；全部气流都流经散热器；通道面积变化缓和，无涡流产生；流经散热器的气流为紊流；可根据散热要求调节气流流量。减少气动阻力系数的措施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。调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等造型的倾斜角度有效地减少阻力、升力的产生。减少凸起物，形成平滑表面，如门手柄改为凹式结构，刮水器改为内藏式，车身侧面窗玻璃与与窗框齐平，玻璃表面和车身整体表面平滑。设计空气动力附件、整理和引导气流流向，如设前阻流板、后扰流板或气流导向槽等。发动机盖应向前下倾减小CD值要遵循的要点1）车身前部面与面交接处的棱角应为圆柱状。过渡不理想面与面交接处的棱角应为圆柱状。风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。越野车很难做到风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。在保险杠下面，应安装合适的扰流板。整个车身应向前倾1°～2°。2）整车水平投影应为腰鼓形。后端稍稍收缩，前端呈半圆形。最好采用舱背式或直背式。3）汽车后部应安装后扰流板。当车速超过120km/h，尾翼会自动升高160mm，为车身增加30％的下压力；在车速低于80km/h，尾翼又会自动降低。应安装后扰流板。应安装后扰流板。应安装后扰流板。应安装后扰流板。若用折背式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。后面应采用鸭尾式结构。后面应采用鸭尾式结构。所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。4）车身底部底部比较凌乱底部比较凌乱仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。5）发动机冷却通风系统冷却前制动器冷却前制动器冷却发动机和制动器冷却后制动器和润滑系统冷却发动机和前制动器冷却后制动器为发动机提供充足的空气减小CD值要遵循的要点总结如下：导流板货车和半挂车的空气阻力也很重要，不少货车驾驶室上已装用导流板等装置，以减小空气阻力、节省燃油。4.空气升力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形成压力差而造成的。升力不通过重心时，对汽车产生俯仰力矩。升力使车轮有抬升的趋势，减小驱动轮上的附着力，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。前轮装置负升力翼，由于负升力的作用，使汽车接地性增加，改善了轮胎的转向性能，因此容许汽车以较高速度转弯，同样驱动轮接地性改善后，有利于发动机功率的利用和动力性的改善。升力的影响因素车身形状中线前高后低，

迎角为正，反之为负正迎角越大，升力越大如果汽车的风压中心处于

重心之前，则升力对对重

心造成俯仰力矩，使前轮

更加有离地趋势驱动形式一般前置前驱动汽车其风压中心与车身重心接近，后置发动机汽车的重心往往偏后，因而风压中心可能在重心前，俯仰力矩大些汽车的各个横断面形心的连线称为中线，可近似用连接前后端形心的用直线表示中线与水平面的夹角，称为迎角尽量做到风压中心与重心接近尽量压低车身前端，使之成楔形，同时尾部肥厚向上翘以产生负迎角车身前部设阻风板，后部设扰流板使后面翘起来4.1空气升力翼型的迎角越大，空气升力越大。汽车如翼型，上凸下平，受空气升力作用。不同外形的汽车，其“迎角”不同，空气升力系数也不同。4.2地面效应地面对气流的影响，使物体受到的空气动力发生变化的现象。当距离h较大时，随h减小，气流加速，压力减小；当距离h较小时，附面层的影响随h减小而突出。随h减小，气流减速，压力增大。地效飞行器天鹅号地效飞行器信天翁4型地效飞行器苏联KM地效飞行器4.3汽车外形与空气升力汽车前端高度汽车前端高度影响流入底部的气流量。进入汽车底部的空气越多，流速越高，压力越小；另一方面，空气越多，堵塞越严重，压力越大，空气升力越大。底部的前后遮挡的影响底部气流的侧向流动减小了底部压力；加强了侧面涡流，从而增强了下洗作用。后背倾角对空气升力的影响前风窗下部分离区对空气升力的影响行李厢上的分离区对空气升力的影响5.侧向气流和空气动力稳定性当风力正对汽车前面吹来时，侧向力为零；当风以一倾角从汽车前面吹来或风从汽车侧面吹来，就会产生侧向力。如果侧向力的作用点与坐标原点不重合，会产生绕z轴回转的横摆力矩。侧向力可使汽车方向盘产生抖动和直线稳定性不良的现象。要想减小侧向力，必需改进汽车侧面的形状，并且使侧向力的作用点移向车身后方。5.1侧向气流对空气动力特性系数的影响气流侧偏角与空气动力特性系数

各种汽车的空气动力特性系数随侧偏角的变化而变化的规律是不同的。多数汽车的空气动力特性系数是随气流侧偏角的增加而增大。侧偏角5.2汽车空气动力稳定性

汽车空气动力稳定性是指汽车在气流作用下，保持或恢复原有行驶状态的能力。气压中心越靠后，汽车空气动力稳定性越好。气压中心在质心之前：气压中心在质心之后： 车身侧视轮廓图的形心位置越靠后，其气压中心越靠后，空气动力稳定性越好。形心形心减小侧向力影响的措施：尽量使风压中心位于重心之后，如采用前置前驱动形式或前低后高的造型。尽量压低车身高度，处理好横载面的流线型性，增加车宽。

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形状决定，减少侧倾力矩的措施主要是尽量降低车身；增大车宽；使风压中心在高度上接近侧倾轴线。空气阻力与汽车基本尺寸的关系车长与阻力的关系：车越长，阻力越小。车宽与阻力的关系：车越宽，阻力越小。车高与阻力的关系：车越高，阻力越大。6.汽车空气动力学装置6.1前阻风板（airdam)阻风板的作用：减少进入底部的空气量。阻风板后形成局部高压区。前阻风板的优化不同的汽车，前阻风板的位置、尺寸均有一最佳值。阻风板示例6.2后扰流器（spoiler）

后扰流器的作用在扰流器前形成局部高压区，可减小空气升力；使气流在扰流器上稳定地分离，可减小诱导阻力；使分离提前，可增大形状阻力；有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离，清洁后窗。后扰流器的优化在流速较高的气流中，后扰流器作用较明显。不同的汽车，后扰流器的形状、位置、尺寸均有最佳值。6.汽车空气动力学装置后扰流器形式6.汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置6.3导流罩（airdeflector/airshield

）

导流罩的作用避免在驾驶室与货厢连接处产生气流分离，以减小空气阻力。6.汽车空气动力学装置货车的后导流罩6.汽车空气动力学装置6.4底板底板的作用使汽车底面平整光滑，以减小空气阻力和空气升力。降低车外噪声。6.汽车空气动力学装置6.5裙边（sidefairing)裙边的作用使前后轮之间的车身侧面下部平整，减少车轮与气流的相互作用，以降低空气阻力。阻碍底部气流从侧面流出。减小侧面涡流强度；可能增大底部压力。6.汽车空气动力学装置货车的裙边6.汽车空气动力学装置6.6垂直尾翼垂直尾翼的作用使气压中心后移，改善空气动力稳定性。增大空气侧向力。6.汽车空气动力学装置6.7车轮整流罩(Wheelcover)车轮整流罩的作用减小车轮转动引起的干扰阻力；减小翼子板开口引起的干扰阻力。6.汽车空气动力学装置6.8车轮导流板车轮导流板的作用减小车轮引起的空气阻力。前轮前导板后轮前导板后轮后导板前轮前导板后轮前导板后轮后导板6.汽车空气动力学装置6.9负升力翼负升力翼的作用产生向下的空气升力，提高附着力。

例：总质量750kg，附着系数1.4，转弯半径200m，无负升力装置，最大车速190km/h，向心加速度1.4g；负升力为车重的36%，最大车速222km/h，向心加速度1.94g；负升力为车重的106%，最大车速270km/h，向心加速度2.88g。6.汽车空气动力学装置6.汽车空气动力学装置6.10轮辐盖轮辐盖的作用防止气流进入车轮，减小轮辐对气流的干扰,从而减小干扰阻力。制动器散热效果差。

6.汽车空气动力学装置6.11轮毂罩轮毂罩的作用引导气流，减小空气阻力，产生负升力，冷却制动器。

6.汽车空气动力学装置汽车的楔形造型趋势楔形前低后高，后端垂直截断。楔形造型的空气动力学特点前端低矮，进入底部的空气量少，底部产生的空气阻力小；发动机罩与前风窗交接处转折平缓，产生的空气阻力小；后端上缘的尖棱，使诱导阻力较小；前低后高，“翼形”迎角小，使空气升力小；侧视轮廓图前小后大，气压中心偏后，空气动力稳定性好。汽车空气动力学6.1汽车风洞风洞是产生人工气流的装置。风洞类型按尺寸大小分为：

整车风洞、模型风洞；按气流是否循环分为：

直流式风洞(开式风洞)、回流式风洞(闭式风洞)。按气流速度分为：

低速风洞、高速风洞(亚音速、跨音速、超音速、高超音速)。6.汽车风洞试验汽车空气动力学风洞结构稳定段

由蜂窝器、阴尼网构成。其作用是衰减涡流，提高气流品质。收缩段是一截面积逐渐缩小的通道。其作用是