汽车空气动力学

汽车空气动力学第一页，共五十七页，2022年，8月28日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，第二页，共五十七页，2022年，8月28日具有自身的特点。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，在研究空气动力性质和基本假设是不同的。第三页，共五十七页，2022年，8月28日气动六分力与坐标系汽车在行使时，受到气流的气动力作用，该作用力在汽车上的作用点，我们通常称作为风压中心，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。为了研究方便，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。规定三个力和三个力矩方向如图3-1所示。上述三个力和三个力矩统称为六分力，六分力的数值就是气第四页，共五十七页，2022年，8月28日图3-1汽车空气动力坐标系

第五页，共五十七页，2022年，8月28日动力合力在这个坐标系上的分解。为了评价汽车的空气动力性能，引入气动力系数的概念。如气动阻力系数CX定义为：(3-1)式中，FX为X向气动阻力；ρ为空气密度；Vr为汽车与空气相对速度；A为汽车的正投影面积。第六页，共五十七页，2022年，8月28日气动阻力系数是一个无量纲数，它代表了气动阻力与气流能量之比。对于其它气动力系数也类似，对于气动力矩系，上式应除以一个特征长度单位，使其成为无因次量，例如侧倾力矩系数CMx

(3-2)式中，L为汽车特征长度（如轴距L）。表3-1给出了六分力的名称及系数公式。应该指出的是，汽车正投影面积A应包括车身、轮胎、发动机及底盘等零件的前视投影。

第七页，共五十七页，2022年，8月28日名称代号美日规定

德国规定系数公式气动阻力Drag

FX(CX)

D(CD)

D(CD)

侧向力Sideforce

FY(CY)

S(CS)

Y(CY)

升力

Lift

FZ(CZ)

L(CL)

L(CL)

侧倾力矩Rollingmoment

MX(CMX)

MR(CRM)

R(CR)

俯仰力矩Pitchingmoment

MY(CMY)

MP(CPM)

M(CM)

横摆力矩Yawingmoment

MZ(CMZ)

MY(CYM)

N(CCN)

表3-1六分力名称及系数公式

第八页，共五十七页，2022年，8月28日3.2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，当车速超过100km/h时，发动机功率有80%用来克服气动阻力，要消耗很多燃料，在高速行使时，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，当前汽车设计师十分重视气动阻力系数Cx，因为它直接关系到汽车动力性，经济性和轻量化带来很多好处。第九页，共五十七页，2022年，8月28日气动阻力由五部分组成：1．形状阻力，占总阻力58%；2．摩擦阻力，占总阻力9%；3．诱导阻力，占总阻力7%；4．干扰阻力，占总阻力14%；5．内循环阻力，占总阻力12%。第十页，共五十七页，2022年，8月28日3.2.1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3-2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。第十一页，共五十七页，2022年，8月28日图3-2汽车表面附面层第十二页，共五十七页，2022年，8月28日对于运动的物体，分离现象产生越晚，空气阻力越小，所以在设计上力求将分离点向后推移。在一定形体上作局部调整即可推迟涡流的生成。从而减少形状阻力。3.2.2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表面上产生的切向力造成的。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，空气微团与平板表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的流动，形成一种阻力称为摩擦阻力。

第十三页，共五十七页，2022年，8月28日由于空气的粘性作用，使与平板表面接触的那层空气粘附在平板表面上，于是这层气流的速度v降为零。紧靠这层气流上面部分的气流，由于空气微团之间的摩擦作用，部分地降低了它的运动速度，在它更上面的那部分，气流由于受到的影响更小，因而其运动速度减小量也更小。这样最下面的那层气流速度v为零，随着距平板距离的增加，气流的速度逐渐增大，一直增至与来流速度v∞相等，形成了薄薄的附面层，如图3-3示。由于附面层内有速度梯度，所以产生有粘性第十四页，共五十七页，2022年，8月28日切应力τ，摩擦阻力直接与气流底层y=0处的速度梯度大小有关，如今y=0处的粘性切应力为τ0:

(3-3)在标准状况下（一个大气压，15°C），空气动力粘度η=1.7894×10-5N·s／㎡。尽管空气动力粘度系数很小，但由于附面层的厚度很小，附面层内的速度梯度很大，所以附面层内产生的切应力和摩擦力不能忽略。由于附面层外的速度梯度较小，在那里我们可以不考虑空气的粘性作用而把它看成为理想流体。第十五页，共五十七页，2022年，8月28日3.2.3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表面的路程不同，流速不同从而产生压差，即升力，升力在水平方向上的分力称为诱导阻力。如图3-4所示。诱导阻力系数CXi升力系数CZ间有如下近似关系：

图3-4汽车的诱导阻力

(3-4)(3-5)(3-6)式中，b为汽车宽度，A为汽车正投影面积。第十六页，共五十七页，2022年，8月28日3.2.4干扰阻力

它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%。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通过车身的内部构造所产生的阻力，它占总阻力12%。

第十七页，共五十七页，2022年，8月28日3.3气动力对汽车性能的影响

3.3.1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。一、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第十八页，共五十七页，2022年，8月28日前进，因而不可避免地还会遇到滚动阻力；当汽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，下面主要介绍这两种阻力。

1．气动阻力FX

由前面分析可知，无环境风时，气动阻力可以用下式表示：

气动阻力与车速平方成正比，与汽车正投影面积成正比。(3-7)第十九页，共五十七页，2022年，8月28日图3-5行驶阻力随车速的变化第二十页，共五十七页，2022年，8月28日2．滚动阻力Ff

由汽车理论可知，轮胎在地面上滚动时产生的滚动阻力为：(3-8)式中，G为汽车重力，FZ汽车升力。如果汽车在水平路面上作等速行使，坡度阻力与加速阻力等于零，那么行使阻力只有滚动阻力和气动阻力两项：(3-9)图3-5所示为一个典型轿车的行驶阻力与车速的关系曲线。在车速大于20km/h后，气动阻力急剧上升；当车速达到75km/h左右时，气动阻力与滚动阻力将各占一半；当车速再高时气动阻力在总行驶阻力中所占比例就更大了。因此，对高速行驶的汽车都必须尽量减小气动阻力。第二十一页，共五十七页，2022年，8月28日3.3.2发动机功率与车速关系汽车行使阻力所消耗的功率（kw）为：(3-10)而发动机功率Pe与阻力功率∑P的关系为：Pe·η=∑Pη为汽车传动效率。通常作用在汽车上的升力FZ不大，如忽略升力项，则有：(3-11)上式中，前一项为滚动阻力公式，它与车速成正比；后一项为气动阻力功率，它与车速的三次方成正比。第二十二页，共五十七页，2022年，8月28日对于一般轿车来说，当车速Va=65km/h时，滚动阻力功率等于气动阻力功率；当车速再大时，气动阻力功率迅速上升，往往大于滚动阻力功率。可见，当汽车在高速公路上行使时，降低气动阻力很有现实意义。3.3.3气动阻力与最高车速的关系如果汽车在水平路面上作等速行使，驱动力全部用来克服滚动阻力和气动阻力，即：(3-12)第二十三页，共五十七页，2022年，8月28日在其它因素不变情况下，具有最大驱动力Ftmax时，可以获得最高车速，由式(3-12)得：(3-13)可以看出，当Ftmax和G一定时，减小气动阻力系数CX使最高车速Vamax提高，或提高升力系数CZ可以使最大车速提高。但应注意到提高汽车的升力会影响到汽车的稳定性，所以不能通过提高CZ来提高Vamax。第二十四页，共五十七页，2022年，8月28日3.3.4气动阻力对加速度的影响

加速性能是汽车的动力性指标之一，因此我们需要研究气动阻力对汽车加速度的影响。为简单起见，我们可以利用式（3-11）来研究这一问题。如对此式两边求时间t的导数并加以整理，即可得汽车加速度：(3-14)第二十五页，共五十七页，2022年，8月28日式中，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（3-14）可知，汽车的加速能力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。第二十六页，共五十七页，2022年，8月28日3.4气动阻力对燃油经济性的影响

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。

第二十七页，共五十七页，2022年，8月28日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，此方面进一步的论述参见文献[24]。

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，各种车辆的每100km的燃油消耗量，以及各种阻力燃油消耗量的百分比例示于图3-6上。第二十八页，共五十七页，2022年，8月28日图3-6各种车辆燃油消耗量

第二十九页，共五十七页，2022年，8月28日由图3-6可见，小型客车用于克服气动阻力的燃油消耗量的比例最大，其次是普通货车。前者占总燃油消耗量的比例为50%左右而后者为32%左右。如汽车在平路上行使，当车速Va=80～100km/h时，气动阻力占城际客车总阻力的相当大一部分。而市内客车，由于其停车次数的增加，平均速度下降而气动阻力也就大大减小。但其加速阻力却增大很多，因而其气动阻力所占比例较小。气动阻力系数降低对燃油经济性是很可观的。图3-7为AUDI100轿车的试验数据，例如，Cx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。第三十页，共五十七页，2022年，8月28日图3-7气动阻力系数降低导致的燃油经济性改善图3-8半挂车气动阻力对燃油消耗量的影响第三十一页，共五十七页，2022年，8月28日

图3-8、3-9和3-10分别示出了半挂车、大客车和轻型客车在各种道路条件下气动阻力减小带来的燃油节省量。图3-9大客车气动阻力对燃油消耗量的影响图3-10轻型客车气动阻力对燃油消耗量的影响第三十二页，共五十七页，2022年，8月28日国产CA141货车曾进行了公路实车百公里油耗试验，采用加与不加附加装置对比试验，得出百公里油耗降低量入表3-2所列。结果表明，加前阻风板、蓬和导流罩等空气动力学附加装置，可使CA141油耗降低2～4L/100km。附加装置工

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/h0.5～0.80.2～0.53～3.53～4空载v=45km/h0.2～0.50.15～0.22～32～3.5v=60km/h1～21～1.53.5～3.93.5～4.2表3-2CA141货车采用附加装置后的百公里油耗降低量（L/100km）第三十三页，共五十七页，2022年，8月28日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，每年使用260天，则年行驶里程为81900km，采用空气动力学附加装置后年油耗节省量为1638～3272L。这个数字是非常可观的第三十四页，共五十七页，2022年，8月28日3.5影响汽车操纵稳定性的气动力

3.5.1汽车操纵稳定性的概念汽车操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。第三十五页，共五十七页，2022年，8月28日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第三十六页，共五十七页，2022年，8月28日应和瞬态响应。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。关于汽车操纵稳定性的详细研究可参考郭孔辉著《汽车操纵动力性》[16]和余志生主编《汽车理论》[13]。这里只分析气动力对汽车操纵稳定性的影响。

第三十七页，共五十七页，2022年，8月28日3.5.2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：⑴升力和纵倾力矩：关系到附着力和牵引力；⑵侧向力和横摆力矩：关系到侧风稳定性和直线行驶性；⑶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。第三十八页，共五十七页，2022年，8月28日在车身上产生升力，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第三十九页，共五十七页，2022年，8月28日几百牛顿，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很大，尤其当横摆角为10º以上时，升力急骤增加（如图3-11）。一般流线型好的汽车升力大，敞篷车、载重车等升力小。第四十页，共五十七页，2022年，8月28日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。第四十一页，共五十七页，2022年，8月28日图3-11升力系数的横摆角特性图3-12侧向力系数的横摆角特性

第四十二页，共五十七页，2022年，8月28日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β角，在y方向上受到了侧向力，侧向力将随β角的增加而直线上升（如图3-12）。如果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。第四十三页，共五十七页，2022年，8月28日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。第四十四页，共五十七页，2022年，8月28日3.5.3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。第四十五页，共五十七页，2022年，8月28日实验表明，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。图3-13升力较低的车型第四十六页，共五十七页，2022年，8月28日克服升力和纵倾力矩的汽车造型措施：⑴总体设计时，尽量做到风压中心与重心接近。⑵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。⑶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（图3-13）。第四十七页，共五十七页，2022年，8月28日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3-14）。⑴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。⑵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。⑶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。第四十八页，共五十七页，2022年，8月28日图3-14侧向力为支队稳定性的影响第四十九页，共五十七页，2022年，8月28日克服横摆力矩的汽车造型措施：⑴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。⑵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。⑶车身后端加尾翘或采用方背式布置（图3-15），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。第五十页，共五十七页，2022年，8月28日一般前置发动机的汽车，其风压中心与车身的重心较接近，而后置发动机的汽车则往往因其车身重心后移，因侧向风的作用而产生不安定性。箱型车比一般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，当遭受侧风时，侧向偏移及横摆角速度不致太大。图3-15使风压中心后移的附加措施a）加尾翘b）方背式第五十一页，共五十七页，2022年，8月28日3.5.4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。