汽車空氣動力學

1、汽車空氣動力學汽車空氣動力學36學時汽車空氣動力學汽車空氣動力學(32學時)第一章第一章 緒論緒論1 1節(jié)節(jié) 汽車空氣動力學的重要性汽車空氣動力學的重要性汽車空氣動力學是研究空氣流經(jīng)汽車時的流動規(guī)律及空氣與汽車相互作用的一門科學。作用在汽車上的空氣力有三種：空氣阻力、升力、側向力。作用在汽車上的力矩也有三種：縱傾力矩、側向力矩、橫擺力矩。這些力和力矩稱之為空氣動力六分力。xzy汽車空氣動力特性對汽車的影響主要有三個方面：1、汽車動力性：汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度2、汽車經(jīng)濟性氣動阻力與總阻力的比、氣動阻力所耗功率、氣動阻力與燃料消耗量3、汽車操縱穩(wěn)定性升力與縱傾力矩、側向力及橫擺力、

2、側傾力矩、一、汽車空氣動力特性對動力性的影響汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度是評價汽車動力性的主要指標。1、汽動阻力與最大速度汽車在水平路面上等速行使，其最大車速可表示為：12maxmax1(2)2DLFGfVA CC f最大驅動力車重滾動阻力系數(shù)氣動升力系數(shù)氣動阻力系數(shù)分析：當車重及其他因素不變，一定的最大驅動力時，汽車的最大速度取決于氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)。由于氣動升力系數(shù)涉及到汽車的穩(wěn)定性，在此不討論，可見：減小氣動阻力系數(shù)可提高最大速度。2、汽動阻力與汽車加速度2360032tTDadPdvdtdtGfAC v發(fā)動機功率隨時間的變化率汽車傳動系效率分析：當車重及其他因素不變，一

3、定的傳動效率時，汽車的加速度取決于氣動阻力系數(shù)?？梢姡簻p小氣動阻力系數(shù)可增加汽車的加速度。當氣動阻力增加，會使加速能力下降。若max0dvvvdt當然，汽車的加速性能首先取決于發(fā)動機的加速特性。二、汽車空氣動力特性對經(jīng)濟性的影響隨著世界能源危機，石油價格的上漲，改善汽車的燃料經(jīng)濟性成為重要課題。1、汽動阻力占總阻力的比例汽車上的總阻力由氣動阻力和滾動阻力組成：212()2()2DFFFRRRTAv CGLfGLf氣動阻力在前后輪上的汽車重力和升力由圖可知，當車速為（6080）km/h 時氣動阻力與滾動阻力相當；當車速為160 km/h 后，氣動阻力是滾動阻力的 23倍。氣動阻力2、汽動阻力所耗

4、功率克服氣動阻力所需的功率來源于發(fā)動機，發(fā)動機所做的功有相當大一部分用來克服氣動阻力。不同的車形、不同的速度所耗功率不等。耗功與速度3次方正比。351 12DNCAv3、汽動阻力與燃料消耗量不同的車形、不同的速度每百公里所耗油不等。小型車用于克服氣動阻力每百公里所耗油量占總耗油量的 50左右，比例最大，故減小氣動阻力可使每百公里耗油量下降。降低氣動阻力而減小油耗，提高經(jīng)濟性，可通過采用空氣 動力學附加裝置來改善汽車的空氣動力特性，以達到節(jié)油目的。在車身平整 的表面上，氣流以高速順利流過處，可以附加適當?shù)牟灰?guī)則形狀，以改善整車的空氣動力特性如擋板可以用來整流，延緩氣流剝離與控制渦流的產(chǎn)生；發(fā)動機

5、罩上的凸臺形成兩條棱線，將氣流引導到車門后視鏡處，從而降低 CD值。翼板的局部凸起，可使輪孔附近氣流加速流動，防止小渦流增長和流入輪孔，從而有助于降低 CD值。等等三、汽車空氣動力特性對操縱穩(wěn)定性的影響空氣流經(jīng)汽車時，在車上作用有三個力和三個力矩，它們分別對汽車的操縱穩(wěn)定性起著至關重要的作用。1、升力與縱傾力矩對操縱穩(wěn)定性的影響由于汽車車身上部和下部不對稱，導致氣流上下流速不等，使車身上部和下部形成壓差，從而產(chǎn)生升力及縱傾力矩。汽車前后輪上也有升力的產(chǎn)生。前輪的升力使汽車上浮，前輪失去附著力而使汽車失去控制；后輪上的升力減小了后輪負荷，使驅動力減小。汽車上產(chǎn)生的升力和縱傾力矩使轉向輪失去轉向力

6、，驅動輪失去牽引力，而且車速越高，這種影響越大。為提高車輛的直進性和穩(wěn)定性，應減小升力。xzy2、側向力與橫擺力矩對操縱穩(wěn)定性的影響當風力正對汽車前面吹來時，側向力為零；當風以一傾角從汽車前面吹來或風從汽車側面吹來，就會產(chǎn)生側向力。如果側向力的作用點與坐標原點不重合，會產(chǎn)生繞z軸回轉的橫擺力矩。側向力可使汽車方向盤產(chǎn)生抖動和直線穩(wěn)定性不良的現(xiàn)象。要想減小側向力，必需改進汽車側面的形狀，并且使側向力的作用點移向車身后方。3、側傾力矩對操縱穩(wěn)定性的影響風從汽車側面吹來，就會產(chǎn)生側向力。側向力繞x軸產(chǎn)生側傾力矩，使兩邊車輪受力不等，影響了汽車轉向特性。在不同車輛中，三種力矩所起的作用重要性不同。對高

7、速行駛的汽車，縱傾力矩對行駛穩(wěn)定性有重要作用；對高車身的汽車，側傾力矩不可忽視；對有側風行駛的汽車，橫擺力矩起著重要作用。作用在汽車上的所有空氣力的合力集中點稱為空氣動力中心，它與汽車重心并不總是重合。當二者偏離時，便以此偏距為力臂而形成力矩。汽車重心與氣動中心四、空氣阻力與汽車基本尺寸的關系車長與阻力的關系：車越長，阻力越小。車寬與阻力的關系：車越寬，阻力越小。車高與阻力的 關系：車越高，阻力越大。2 2節(jié)節(jié) 汽車空氣動力學的發(fā)展汽車空氣動力學的發(fā)展汽車的發(fā)展距今已有一百多年的歷史，而把空氣動力學的概念理論研究結果引入汽車設計是從上世界20年代末期才開始的?？偣步?jīng)歷了四個階段：基本形狀造型、

8、流線形化造型、細部優(yōu)化、整體優(yōu)化?；拘危浩囓嚿硗庑慰崴扑危由宪囕喓托旭傁到y(tǒng)后，整個流場已不是單純的水滴外形，氣動阻力很大。流線形：汽車外形不再是簡單的水滴形，地面效應已被人們認識。首先出現(xiàn)了半車身形造型，采用罩住車輪等減阻措施，認識到消除尾部的氣流分離及車身前部流場與后部流場的相互影響等車身細部優(yōu)化：汽車設計首先應服從汽車工程需要，即首先充分保證整體布置、安全、舒適和制造工藝的要求，并在保證造型風格的前提下，進行外形設計，然后對形體細部進行修正，控制及防止氣流的分離發(fā)生。這樣即可使車輛外形挺拔，氣動阻力系數(shù)也小。整體優(yōu)化：這一階段從1983年開始，其方法是采用具有極低氣動阻力系數(shù)的原

9、形，在不改變其整體流場的條件下，使其逐步形成具有低氣動阻力的實車。在實用化車型的設計過程中，每一部都應嚴格保證形體的光順性，使氣流不從汽車表面分離。1923 年理想流線形試驗車一、關于渦流的一些知識渦流是由附面層的剝離而形成，當汽車運動時，在車身表面會形成一薄層空氣附面層，附面層隨的車一起運動，當流場發(fā)生變化時，附面層便被破壞而離開所依附的表面，這種現(xiàn)象稱之為剝離，附面層剝離后在車尾部形成紊亂而破碎的氣流便是漩渦。漩渦一經(jīng)形成便會增大、衰減乃至分裂，或保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。一旦尾渦形成，便會增大氣動阻力。故一定要采取措施使剝離點后移達到減小阻力的目的。二、關于風洞的一些知識一臺新車設計好后，需進

10、行風洞試驗。風洞試驗有模型風洞和實車風洞。最后還需進行道路試驗。1、汽車風洞的分類與名稱(1)、全尺寸風洞與模型風洞為試驗真車的風洞叫全尺寸風洞。為試驗縮比模型或零部件的風洞叫模型風洞。(2)、空氣動力試驗風洞、全天候風洞與多用風洞不能隨意調節(jié)試驗段氣流溫度、濕度的風洞稱為空氣動力試驗風洞；一般在這種風洞中主要進行不受氣流溫度影響的空氣動力測定?？筛淖冊囼灦螝饬鳒囟?、濕度、陽光強弱和其它氣候條件的風洞稱為全天候風洞；那種即用于測定空氣動力又用于測定氣候環(huán)境效果的風洞稱為多用風洞。意大利菲亞特公司多用風洞試驗段意大利平寧法里那公司全尺寸風洞(3)、回流型風洞和直流型風洞通過試驗段的氣流經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)

11、再返回試驗段。這種風洞因其能量可以回收，可使用較小功率的風扇。而且可使氣流的溫度。濕度保持不變。但其結構較復雜。氣流經(jīng)試驗段后不再回來，而是排放到外界稱直流風洞。設備簡單，成本低，但需要較大的風扇，且空氣的溫度和濕度受外界干擾較大，難以保證不變。有抽風式和吸風式兩種。(4)、敞開噴口式、半敞開噴口式、封閉噴口式試驗段被圍墻封閉，氣流與圍墻接觸的風洞稱為閉式風洞。試驗段局部有圍墻，仍存在壁面效應的風洞稱為半敞式。試驗段無墻壁風洞稱開式風洞，無壁面效應的影響。(5)、按試驗段尺寸分類微型低速風洞：試驗段尺寸幾十毫米小型低速風洞：試驗段尺寸1 1.5 m中型低速風洞：試驗段尺寸2 4 m大型低速風洞

12、：試驗段尺寸8 m以上(6)、按試驗段出口斷面面積S和最大Vmax風速分類A組：S1.5 6m2 Vmax=20 70 m/s 這種風洞主要用于汽車模型的空氣的試驗。B組：S10 22m2 Vmax=33 57 m/s這種風洞用于小型汽車實車的空氣動力試驗C組：S30 38m2 Vmax= 2575 m/s 這種風洞多為綜合性風洞。2、風洞主要部件：1）收縮段：要求氣流沿收縮段流動時，流速單調增加，在洞壁上避免分離；在收縮段出口時氣流分布均勻、穩(wěn)定。2）實驗段：氣流的溫度、壓力速度等在實驗段各截面要均勻分布，且穩(wěn)定；氣流與風洞軸線之間偏角要盡可能??；具有合乎實際的紊流度；裝卸模型與實驗方便。3

13、）擴散段：將氣流的動能變?yōu)閴耗?，減少氣流在非實驗段的損失。4）導流片：安裝在回路的拐角處，避免氣流在拐角處分離。5）蜂窩器與阻尼網(wǎng)：蜂窩器 的作用時將大漩渦變成小漩渦并對氣流進行導向。阻尼網(wǎng)是降低氣流的紊流度，安裝在收縮段的前面6）氣流的回路，可是擴散形7）動力系統(tǒng)：風扇、反扭導流片、整流罩、動力機、機械傳動系統(tǒng)8）坐標架：固定模型、安裝各種實驗儀器3、汽車風洞試驗主要研究的問題：1）研究汽車空氣動力特性：汽車的氣動阻力特性和操縱穩(wěn)定性；汽車上的力及力矩2）通過汽車表面的壓力分布與流場性能分析，研究汽車各部位的流場。3）發(fā)動機冷卻氣流的進氣和排氣特性。4）駕駛室內的通風、取暖及噪聲特性4、汽車風洞試驗測量儀器：1）氣動力