6章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性

1、汽車車身設(shè)計(jì) 汽車工程系 李長(zhǎng)威 第四章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 學(xué)習(xí)要點(diǎn)： 4.1 轎車的空氣阻力 空氣阻力的組成及其影響因素 4.2 轎車的橫向穩(wěn)定性 風(fēng)壓中心與重心的位置關(guān)系影響橫向穩(wěn)定性 4.3 轎車的升力 轎車的流線與升力之間的關(guān)系 4.4 空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 空氣的粘滯現(xiàn)象對(duì)轎車空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響 4.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的車身造型優(yōu)化設(shè)計(jì) 4.6 轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn) 利用風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)和道路試驗(yàn)提高轎車空氣動(dòng)力學(xué)性能 l ：汽車的軸距 t ：汽車的輪距 q ：動(dòng)壓q =1/2v2(為空氣密度) A：汽車的前視投影面積，該面積應(yīng)包括汽車底部 零

2、件及輪胎的前視投影面積。 對(duì)轎車可用英國(guó)人推薦的公式估算（誤差一般 不超過(guò)6）： 式中 B和H轎車的總寬和總高； 由此可推出： 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.1 轎車的空氣阻力轎車的空氣阻力 4.1 轎車的空氣阻力轎車的空氣阻力 0.81ABH 2 2 X D F C v A 0.81ABH 4.1.1 空氣阻力的組成 4.1 轎車的空氣阻力轎車的空氣阻力 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 由轎車表面凸出的零 件引起氣流相互干擾 而產(chǎn)生的阻力 車身前部的 正壓力和車 身后部的負(fù) 壓力所產(chǎn)生 的壓力差而 引起的阻力 由轎車室

3、內(nèi)通風(fēng)的氣 流和冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的氣 流所造成的阻力。 由升力 引起的 由于空氣的粘 滯性在車身表 面所產(chǎn)生的摩 擦力 max max 1 2 DL FGf v A CC f 降低 D C值是提高最大車速的關(guān)鍵 4.1.2 空氣阻力與最大車速的關(guān)系 4.1 轎車的空氣阻力轎車的空氣阻力 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 22 11 ()() 22 XDDL FGFfCv AGfv CC f A 2 1 2 XL Fv C A 汽車的升力 汽車的牽引力 最大車速 4.1.3 空氣阻力與轎車加速性能的關(guān)系 3 11 () 36007200 rXD PGFfvC Av阻力功

4、率 3 111 36007200 eD PGfvC Av 發(fā)動(dòng)機(jī)功率 對(duì)時(shí)間t求導(dǎo) 2 dd3600 3 dd 2 e D Pv tt GfC Av 4.1 轎車的空氣阻力轎車的空氣阻力 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 轎車的加速度與阻力系數(shù)有近似反比關(guān)系。減小 空氣阻力和轎車的重力，都可以使轎車的加速能力提 高。 4.1.4 空氣阻力與燃油消耗量的關(guān)系 3672 fwe FFb Q 降低空氣阻力即可降低油耗；當(dāng)高速行駛時(shí)，降低空氣阻力節(jié)油的效果更大 2 w Fv 燃油消耗量也可換算成與空氣阻力和滾動(dòng)阻力的關(guān)系 又 4.1 轎車的空氣阻力轎車的空氣阻力 第第4

5、 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 102 e Wb Q 當(dāng)汽車以等速行駛時(shí)的百公里油耗為： 式中 燃油的密度。汽油為0.710.73kgL，柴油為0.810.83kgL。 B發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)工況的有效油耗率，單位為g/kwh W行駛100Km所消耗的功率kwh 氣動(dòng)力中心與重心的位置關(guān)系對(duì)轎車橫向穩(wěn)定性的影響 風(fēng)壓中心在重心前，轎車?yán)@軸 順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)側(cè)向 風(fēng)的作用，使轎車失穩(wěn) 風(fēng)壓中心在重心后，轎車?yán)@軸 逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，減弱側(cè)向風(fēng)的作 用，使轎車趨于穩(wěn)定 4.14.2 轎車的橫向穩(wěn)定性轎車的橫向穩(wěn)定性 4.2 轎車的橫向穩(wěn)定性轎車的橫向穩(wěn)定性 第第4 4章章

6、轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.3 轎車的升力轎車的升力 升力產(chǎn)生的原理 4.3 轎車的升力轎車的升力 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 作用在轎車上的空氣，有3540在車身上部流過(guò)，1015從底部流過(guò)， 兩邊各流過(guò)25。如果能設(shè)法提高底部氣流的速度而形成一種文氏喉管的氣流，則可由 此產(chǎn)生負(fù)升力。 l 負(fù)迎角能提高汽車底部氣流速度，減小升力 l 轎車前段底部加擾流板可使升力下降 影響升力的因素 4.14.3 轎車的升力轎車的升力 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.2 4.14.24.3 轎車的

7、升力轎車的升力 影響升力的因素 l 轎車底板的尾部向上翹起一個(gè)角度可疏導(dǎo)底部的氣流，從而降低升力系數(shù) l 轎車地板向兩邊略翹起，使底部氣流有一部分流向兩個(gè)側(cè)面，也能使升力下降 車尾地板的后翹效應(yīng) 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.4 空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 4.4.1 附面層與分離點(diǎn) 渦旋的形成和分離現(xiàn)象 4.14.24.34.4 空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 附面層：附面層： 圍繞著運(yùn)動(dòng)物體的一個(gè)相對(duì)薄 的空氣層內(nèi)，氣流速度有著急劇的 變化，存在著速度梯度。該氣流層 稱為附面層。 轎車表面的附面層 分離

8、現(xiàn)象：分離現(xiàn)象： 在分離點(diǎn)K起形成一個(gè)分離面 K-K，在分離面后部，產(chǎn)生一個(gè)個(gè) 渦漩，渦漩被外層氣流帶走，同時(shí) 又從分離面上卷進(jìn)新的渦漩以補(bǔ)充 被帶走的部分，這種現(xiàn)象稱為分離 現(xiàn)象。 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.4.2 轎車前部的流譜 4.14.24.34.4 空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 通過(guò)試驗(yàn)得到發(fā)動(dòng)機(jī)罩分離線和風(fēng)窗玻璃上的再附著線，可利用右圖的經(jīng)驗(yàn)公式研究 其影響因素。 發(fā)動(dòng)機(jī)罩和風(fēng)窗上分離點(diǎn)S及再附著點(diǎn)R的位置 汽車前部的流譜情況 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.34.

9、4 空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 4.4.3 轎車尾部的流譜 應(yīng)該設(shè)法使基面面積盡可能小， 以使尾流負(fù)壓值減小，從而減小車身 運(yùn)動(dòng)阻力。 “短尾”原理 尾流導(dǎo)致后窗易沉積塵土 尾流沖刷后窗沉積的塵土 優(yōu)良的造型設(shè)計(jì)，首先應(yīng)避免尾流渦漩造成對(duì) 路面過(guò)大的紊流,以減少塵土飛揚(yáng)；其次應(yīng)考慮到引 導(dǎo)氣流對(duì)后窗玻璃等部位有一定的沖刷作用，以防 止塵土的沉積。 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.34.4 空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 4.4.4 轎車底部的流譜 離地間隙對(duì)氣流阻力的影響 光滑底部對(duì)氣流阻力的影響

10、 離地間隙對(duì)氣動(dòng)升力的影響 轎車底部的氣流特性：轎車底部的氣流特性： 地板形狀對(duì)阻力升力的關(guān)系：地板形狀對(duì)阻力升力的關(guān)系： 裝有光滑地板的汽車 地板的縱向曲率和橫向曲率 地板造型對(duì)尾流的影響 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.4.5 轎車周圍的渦系 為減小和消除渦流及氣流分離引起的摩擦阻力和動(dòng)能損耗，有些轎車尾部加裝窗后擾 流板。 4.14.24.34.4 空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 后擾流板尺寸對(duì) 和 值的影響 D C L C 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.34.4 空氣的粘滯現(xiàn)

11、象及轎車的流譜空氣的粘滯現(xiàn)象及轎車的流譜 4.4.6 轎車的內(nèi)部氣流與表面壓強(qiáng)分布 轎車車內(nèi)空氣的流向 貨車駕駛室換氣情況 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 不同車身的表面壓強(qiáng)分布 進(jìn)氣口開(kāi)設(shè)在側(cè)面 l 光順車身表面的曲線形狀，消除或延遲空氣附面層剝離和渦流的產(chǎn)生 l 調(diào)整迎面和背面的傾斜角度 l 減少凸起物，形成平滑表面 l 設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力附件，整理與引導(dǎo)氣流 4.14.24.34.4 4.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 4.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣

12、動(dòng)力學(xué)特性 車身造型的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo) 4.5.1 轎車外形的空氣動(dòng)力性最佳設(shè)計(jì) l 車身前端形狀的最佳化 前保險(xiǎn)杠形狀與氣流阻滯區(qū) l 車頭部分形狀的最佳化 傾角為負(fù)，有利于氣流通過(guò)； 傾角為正，易造成氣流阻滯而 使阻力和升力增加。 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 l 前窗傾角的最佳化 前風(fēng)窗傾斜（以前風(fēng)窗下沿為基點(diǎn)）與水平 線的夾角為2530時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)最低。 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 車身側(cè)面形狀的最佳化 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研

13、究 前支柱型式對(duì)側(cè)部渦流的影響 輪口外部拱起，控制輪口內(nèi) 氣流對(duì)側(cè)面平順氣流的干擾 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 車身側(cè)面形狀的最佳化 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 車身后部俯仰向內(nèi)收斂使阻力發(fā)生變化的情況 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 車身側(cè)面形狀的最佳化 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 車身最寬點(diǎn)與空氣動(dòng)力學(xué)中心距離的關(guān)系 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 車身后部形

14、狀的最佳化 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 后傾角的定義后窗傾斜增加對(duì)尾流的影響 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 車身后部形狀的最佳化 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 0 /ll比值不同時(shí)，不同后傾角對(duì)阻力變化的影響 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 車身后部形狀的最佳化 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 利用后擾流板，控制車后部渦流的形成與發(fā)展，“整理”不穩(wěn)定的

15、渦流，推遲渦流 產(chǎn)生或形成一定方向的小渦流，以填充后窗后部的低壓區(qū)，削減前風(fēng)窗和后窗后部分的 壓力差。 具有后擾流板形狀的后行李箱蓋造型 頂蓋后緣導(dǎo)流板控制局部氣流 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 車身底部形狀的最佳化 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 車身底部平整，避免湍流和升力 后翹起形狀對(duì)阻力與升力的影響 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 后視鏡的位置與形狀 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 對(duì)前、側(cè)方氣流疏導(dǎo)的

16、外后視鏡造型 l 進(jìn)氣口和排氣口 前風(fēng)窗下沿進(jìn)風(fēng)口 散熱器框架進(jìn)風(fēng)口 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 l 減小空氣動(dòng)力的噪音 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 4.5.2 車身的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法與程序 判定 （與目標(biāo)對(duì)照） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 推算啟動(dòng)特性 探討目標(biāo)性能 設(shè)計(jì) 試驗(yàn)車的制造 用試驗(yàn)車進(jìn)行討論 外形決定 判定 （與目標(biāo)對(duì)照） NO 生產(chǎn)程序 OK 居住性

17、 動(dòng)力性能 燃油經(jīng)濟(jì)性 行駛穩(wěn)定性 風(fēng)哨噪聲 車內(nèi)換氣性能 冷卻性能 擋泥性能 目標(biāo)性能 模型風(fēng)洞試驗(yàn) 原型車試驗(yàn) 外形開(kāi)發(fā) 基本計(jì)劃 NO 問(wèn)題：?jiǎn)栴}： l 什么樣的車身外形具有低的空氣阻力系數(shù)？ l 達(dá)到低的空氣阻力系數(shù)的車身設(shè)計(jì)途徑是什么？ 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 式樣車型 基本形狀 基礎(chǔ)模型 基本形體 對(duì)于全新車型的開(kāi)發(fā) 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 風(fēng)洞試驗(yàn) 影響因素總結(jié) 改進(jìn)措施制定 原有外形的空氣動(dòng)力學(xué)分析 對(duì)于原有車

18、型的改進(jìn) 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 新外形確定 4.14.24.34.44.5 車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究車身造型應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究 將風(fēng)阻系數(shù)做到極致車型將風(fēng)阻系數(shù)做到極致車型 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.34.44.5 4.6 轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn)轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn) 4.6 轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn)轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn) 風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn) 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.34.44.54.6 轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn)轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn) 模型風(fēng)洞模型風(fēng)洞 實(shí)車風(fēng)洞實(shí)車風(fēng)洞 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 4.14.24.34.44.54.6 轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn)轎車的空氣動(dòng)力性試驗(yàn) 風(fēng)洞試驗(yàn)法的演變風(fēng)洞試驗(yàn)法的演變 第第4 4章章 轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性轎車車身的空氣動(dòng)力學(xué)特性 空氣動(dòng)力及聲學(xué)風(fēng)洞的功用 降低汽車風(fēng)阻，優(yōu)化