小型螺桿式清雪車設(shè)計

1、· 小型螺桿式清雪車設(shè)計高速行駛時穩(wěn)定性更好。如果您駕車以100公里的時速撞向一堵磚墻，將會產(chǎn)生怎樣的后果呢？ 車體分崩離析，玻璃全部粉碎，安全氣囊迅速彈出，試圖保護(hù)您的安全。盡管我們的新式汽車配備了各種先進(jìn)的安全措施，但如果陷入這種事故，我們?nèi)匀缓茈y幸免。畢竟汽車可不是用來撞穿磚墻的。然而我們的汽車每時每刻都要面對另一堵“墻”，那就是阻礙汽車高速行駛的空氣墻。我們通常認(rèn)為空氣或風(fēng)不能算作墻。在低速行駛或者無風(fēng)的情況下，汽車與空氣間的相互作用力通常可以忽略不計。但在高速行駛或遇到大風(fēng)天時，空氣阻力將對車輛的加速性能、操控性能和燃油效能產(chǎn)生巨大影響?？諝鈩恿W(xué)的作用就在于此?？諝鈩恿W(xué)

2、主要研究物體在空氣中穿行時產(chǎn)生的各種力。幾十年以來，空氣動力學(xué)一直是車輛設(shè)計的重要參考。為了幫助汽車穿越氣流之墻，制造商也提出了各種方案，以減少空氣阻力對車輛行駛的影響。最重要的是，根據(jù)空氣動力原理設(shè)計的汽車能夠獲得更好的加速性能和燃油效能，因為引擎不需要產(chǎn)生太多能量幫助車輛穿越氣墻。工程師們已經(jīng)設(shè)計出數(shù)種方法。比如說，更為圓滑的車身外觀設(shè)計，使得空氣從車輛四周平緩流過，將阻力減至最小。一些高性能的車輛甚至連底盤設(shè)計也考慮到了空氣動力學(xué)的問題。許多車配有阻流板，也稱尾翼，以防止空氣抬升車輪，提高車輛高速行駛時的穩(wěn)定性。不過正如您將在后文中閱讀到的那樣，阻流板的裝飾作用可能還大過實際意義。在本文

3、中您將瀏覽到空氣動力學(xué)和空氣阻力的物理學(xué)原理，以及它們在汽車設(shè)計中的發(fā)展沿革，我們還將為您介紹在環(huán)保汽車的風(fēng)潮中，空氣動力學(xué)為何體現(xiàn)出前所未有的重要性。 空氣動力學(xué) 在了解空氣動力學(xué)在汽車工業(yè)的應(yīng)用之前，讓我們先來溫習(xí)一下基礎(chǔ)物理知識。當(dāng)一個物體穿過空氣時，會使周圍的空氣發(fā)生位移。同時，該物體會受重力和阻力影響。固體穿過流質(zhì)比如水或空氣時，就會受到阻力。阻力的大小與速度成正比，速度越快，阻力越大。我們通常使用牛頓定律中的變量來描述物體的運動。它包括：質(zhì)量、速度、重量、所受外力和加速度。阻力會對加速度產(chǎn)生直接影響。物體的加速度(a)的大小等于重力(W)減去阻力(D)，再除以它的質(zhì)量(m)。請注意

4、，重力等于質(zhì)量乘以作用在物體上的重力加速度。月球的重力加速度系數(shù)小，所以您在月球上的重量也會相應(yīng)變小，但是質(zhì)量仍保持不變。 簡單來說：a=（W-D）/m物體在加速過程中，速度和所受阻力同時增加，最終達(dá)到阻力與重力相等的臨界點，這時物體便沒法繼續(xù)加速。假設(shè)我們所說的物體是一輛車。車開得越快，所受空氣阻力越大，這就限制了它的加速，并將它控制在一定速度以內(nèi)。怎樣將這些知識應(yīng)用于汽車設(shè)計呢？ 明確一些概念是很有必要的，比如阻力數(shù)。這是決定物體能否輕松穿過空氣的最主要因素之一。風(fēng)阻系數(shù)(Cd)等于阻力(D)除以密度（r），再乘以速度的平方和面積，再乘0.5。即：Cd=D/（A×0.5×

5、;r×V²）那么回到我們的問題上來，汽車設(shè)計者應(yīng)用空氣動力學(xué)原理設(shè)計汽車時，需要將阻力系數(shù)限制在多大呢？風(fēng)阻系數(shù) 我們剛才已經(jīng)知道風(fēng)阻系數(shù)（Cd）是衡量空氣對于物體（比如汽車）的阻力的重要指數(shù)。現(xiàn)在我們來設(shè)想一下行進(jìn)中的汽車所受到的空氣阻力。一輛時速為110公里的汽車所受到的阻力是它在時速55公里時的四倍。汽車的空氣動力學(xué)性能是用風(fēng)阻系數(shù)來衡量的。從本質(zhì)上講，風(fēng)阻系數(shù)越小，汽車的空氣動力學(xué)特征越明顯，也就越易于穿越阻撓行進(jìn)的氣墻。豐田新普銳斯有很高的燃油效能，這要部分歸功于它獨特的外形。讓我們來看一下幾個有關(guān)風(fēng)阻系數(shù)的數(shù)據(jù)。您還記得上世紀(jì)七八十年代沃爾沃古老的方塊車嗎？舊款

6、沃爾沃960轎車的風(fēng)阻系數(shù)是0.36；新款沃爾沃的外觀更光滑，更具有流線美感。s80系列轎車的風(fēng)阻系數(shù)只有0.28。這證明了汽車的發(fā)展趨勢是更加光滑，更具流線型的外觀，也就是說更符合空氣動力學(xué)原理的設(shè)計。讓我們以自然界中最符合空氣動力學(xué)性能的物體眼淚為例。淚滴是光滑圓潤的，它的頂端呈錐形。在眼淚下落的過程中，空氣從周圍順暢滑過。這與汽車一樣，光滑圓潤的車身使得空氣從周圍流過，減少了空氣阻力?，F(xiàn)今大多數(shù)汽車都已經(jīng)達(dá)到約為0.30的風(fēng)阻系數(shù)。運動型多功能汽車（SUV）由于體積更大，載客更多，看起來也更笨拙，并且通常需要更大的格柵來冷卻發(fā)動機，所以風(fēng)阻系數(shù)通常在0.3到0.4之間，或是略高一些。而皮

7、卡車（Pickup trucks）由于特意設(shè)計成立方體，其系數(shù)通常在0.4左右引用：。許多人曾質(zhì)疑豐田新普銳斯（Toyota Prius hybrid）的奇特外觀，但它卻有著極佳的空氣動力學(xué)性能。它0.26的風(fēng)阻系數(shù)使之達(dá)到了很高的燃油效能。實際上風(fēng)阻系數(shù)每減少0.01，每加侖燃油的行駛里程就能增加0.2英里（即每公升增加0.09千米）。下面讓我們來了解一下空氣動力學(xué)設(shè)計在汽車工業(yè)中的歷史。 空氣動力學(xué)汽車的歷史從這些老式汽車中可以看出，20世紀(jì)早期人們對于空氣動力學(xué)在汽車上的應(yīng)用還知之甚少。雖然科學(xué)家們早已或多或少地意識到設(shè)計一款符合空氣動力學(xué)的車身需要做出哪些改進(jìn)，但這些技術(shù)在汽車設(shè)計上得

8、以實用還是費了不少時間。早期的汽車外形并不符合空氣動力學(xué)原理。福特的T型車（Ford's seminal Model T）被設(shè)計得方方正正，很像一輛沒有馬拉的馬車。這些早期設(shè)計不用考慮空氣動力學(xué)，因為它們本身的行駛速度就很慢。然而，20世紀(jì)早期出現(xiàn)的一些賽車在某種程度上融入了尖形頭部和其他空氣動力學(xué)的設(shè)計元素。德國設(shè)計師愛德穆德 朗普勒（Edmund Rumpler）在1921年設(shè)計出了“淚珠車”（Rumpler-Tropfenauto）。這款車參考了自然界中空氣動力學(xué)性能最好的物體，它的風(fēng)阻系數(shù)只有0.27，但是怪誕的外觀無法取悅大眾，只生產(chǎn)了100輛便停產(chǎn)了。而在美國，空氣動力學(xué)設(shè)

9、計的最大突破是20世紀(jì)30年代出產(chǎn)的克萊斯勒空氣流線型汽車（Chrysler Airflow）。這款車受了飛鳥的啟示，是最早的幾款以空氣動力學(xué)為設(shè)計理念的汽車之一。它的設(shè)計中采用了一些獨一無二的構(gòu)造技術(shù)，而且將車身重量分布控制在前后輪軸各占百分之五十，以提高汽車的操控性。然而飽受經(jīng)濟(jì)大蕭條之苦的民眾非但沒有對它不尋常的外觀給予贊揚，而且認(rèn)為它是個敗筆。誠然，它的流線型設(shè)計超出那個時代的審美包容度。隨著五六十年代的到來，賽車工業(yè)帶來了空氣動力學(xué)設(shè)計的長足進(jìn)步。一開始，工程師們通過針對不同設(shè)計的試驗，了解到流線型設(shè)計能讓汽車行駛得更快，并且在高速行駛時更容易控制。這些研究最終演化出精深細(xì)致的制造工

10、藝，用以制造最符合空氣動力學(xué)的跑車。前后阻流板、鏟形前端和空氣動力學(xué)組件變得越發(fā)常見，它們能使氣流從車身上部平滑通過，并且生成必要的作用于前后輪的壓力。針對消費者的需要，許多公司開始研發(fā)流線型車身，例如蓮花汽車、雪鐵龍、保時捷。但這些設(shè)計主要應(yīng)用于高性能賽車而不是普通家用車。這種局面在80年代有所改觀，作為載客轎車的奧迪100（Audi 100）有著當(dāng)時前所未聞的0.30的風(fēng)阻系數(shù)。時至今日，幾乎所有小轎車都以符合空氣動力學(xué)作為設(shè)計理念、在這股風(fēng)潮中，有個東西助益非淺。它就是風(fēng)洞。以風(fēng)洞測量阻力 為了衡量一輛汽車的空氣動力學(xué)性能，工程師們借用了飛機制造業(yè)的一項技術(shù)風(fēng)洞。汽車（和飛機）通過風(fēng)洞來

11、計算它們的空氣阻力。簡單來說，風(fēng)洞就是個巨大的管道。這個管道內(nèi)裝有多個風(fēng)扇，它們能夠產(chǎn)生作用于風(fēng)洞內(nèi)物體的氣流。這類物體可能是汽車、飛機，或者任何需要計算空氣阻力的東西。工程師們在風(fēng)洞后方的一個房間里研究空氣與物體之間的相互作用以及氣流通過物體表面的方式。風(fēng)洞內(nèi)的汽車或飛機并不移動，但是風(fēng)扇可以制造了不同速度的風(fēng)，以此模擬現(xiàn)實情況。有時設(shè)計師們甚至不用真車，而是用大小與真車完全相同的車模來計算風(fēng)阻。當(dāng)風(fēng)從風(fēng)洞穿過車身時，計算機就會計算出風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)洞不算什么新發(fā)明，它在十九世紀(jì)晚期就被用來計算早期飛行器具的空氣阻力。就連懷特兄弟也曾用過。二戰(zhàn)之后，工程師們?yōu)榱藢で蟾偁巸?yōu)勢，用風(fēng)洞來精確計算汽車

12、的空氣動力學(xué)組件的性能。后來這項技術(shù)被應(yīng)用于載客轎車和卡車的設(shè)計。然而近些年來，體積龐大并且花費巨大的風(fēng)洞逐漸被拋棄了。計算機模擬測量取而代之，成為衡量汽車或飛機空氣動力性能的最佳工具。許多情況下，風(fēng)洞只被用來檢驗計算機模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。許多人認(rèn)為添加尾部阻流板是提高汽車空氣動力性能的絕佳途徑?？諝鈩恿W(xué)附件 空氣動力學(xué)除了阻力還涉及到其它因素，例如提升力和下壓力。提升力是物體重力的反作用力，它能拉高物體并使之懸浮在空中。下壓力與提升力相反，它使物體更趨近于地面 。為了達(dá)到最大的下壓力，F(xiàn)1賽車采用高風(fēng)阻系數(shù)。您可能會認(rèn)為一級方程式賽車的風(fēng)阻系數(shù)非常低，畢竟空氣動力性能很高的車肯定跑得更快，對

13、吧？但實際情況恰好相反。標(biāo)準(zhǔn)的F1賽車的風(fēng)阻系數(shù)約為0.70。為什么F1賽車能以每小時300余公里的速度行駛，但卻不具備您想象中的高空氣動力性能呢？那是因為F1賽車在設(shè)計上必須考慮盡可能產(chǎn)生下壓力。以賽車的行駛速度，再加上自身超輕的重量，F(xiàn)1賽車在達(dá)到一定速度時會開始產(chǎn)生提升力，迫使它們像飛機一樣離地。當(dāng)然汽車不是用來飛行的，一旦飛起來很可能造成毀滅性事故。所以必須最大化下壓力，以確保賽車在地面上的高速行駛。因而采用高的風(fēng)阻系數(shù)也是有必要的。裝在F1賽車前后部的雙翼和阻流板使風(fēng)阻系數(shù)變高成為現(xiàn)實。雙翼穿過氣流產(chǎn)生下壓力，這樣使得轉(zhuǎn)彎速度達(dá)到最大。但是必須保持與提升力之間的平衡，使賽車能夠達(dá)到合

14、適的直線行駛速度 。許多汽車的生產(chǎn)囊括了空氣動力組件以增加下壓力，然而汽車媒體卻批評了日產(chǎn)GT-超級汽車（Nissan GT-R supercar）的外觀。該車被設(shè)計成為能使氣流通過車體的形狀，同時配以橢圓形的后阻流板，產(chǎn)生了巨大的下壓力。法拉利 599GBT（Ferrari's 599 GTB Fiorano）也被設(shè)計成能引導(dǎo)氣流通向尾部的拱壁中立柱形以減少阻力。在一些家用車上，我們能夠看到阻流板和雙翼，比如本田和豐田轎車。這些配件真的增加了汽車的氣動性空氣動力性能嗎？某些情況下，它能稍許提高高速行駛的穩(wěn)定性。例如，原本奧迪TT（Audi TT）的后行李箱蓋上沒有阻流板。但后來奧迪發(fā)

15、現(xiàn)它渾圓的周身產(chǎn)生了太多提升力而導(dǎo)致幾起事故的發(fā)生，所以決定增加阻流板。然而在多數(shù)情況下，在普通車身后固定一個大型阻流板并不能提高駕馭性能、速度、或者整體操控性。有時甚至?xí)a(chǎn)生轉(zhuǎn)向力不足或者無法轉(zhuǎn)彎的問題。但如果您認(rèn)為大大的阻流板并不影響您的本田思域（Honda Civic）的美觀性，您盡可不去理會別人的意見。汽車系統(tǒng)動力學(xué)綜述  摘要：本文通過對大量教科書和文獻(xiàn)進(jìn)行了分析，對汽車系統(tǒng)動力學(xué)的研 究內(nèi)容，研究方法及理論基礎(chǔ)以及發(fā)展趨勢做了清晰的闡述。  關(guān)鍵詞：系統(tǒng)，汽車，系統(tǒng)動力學(xué)   1、系統(tǒng)及系統(tǒng)動力學(xué)概念 1.1 系統(tǒng)

16、0; “系統(tǒng)“這個名問含義很廣，因此對系統(tǒng)的定義很多。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森對系統(tǒng)作如下定義：“把很其復(fù)雜的研究對象稱為系統(tǒng)即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)  合而成的具有特定功能的有機整體，而且這個系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分”。  這表明系統(tǒng)具有以下特征： 1、具有層次性  系統(tǒng)是由兩個以上的元素或元件組成的事物。一個大系統(tǒng)往往可以分成幾個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又能分成幾個更小的子系統(tǒng)，并且子系統(tǒng)都有與其他系統(tǒng)相區(qū)別的特性。所以如果將大系統(tǒng)分解，可以形成很多層次的結(jié)構(gòu)，這就是系統(tǒng)的層次性。  2、具有整體性  系統(tǒng)

17、由許多元素組成，但是系統(tǒng)的性能并不是各個元素性能的簡單相加，而是相互影響，相互聯(lián)系的，所以系統(tǒng)的整體功能具有各個元素所沒有的更高的價值。例如一輛汽車是由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、車輪、車身、操縱系等組成的。如果只有發(fā)動機，是不會自己行走的，但當(dāng)發(fā)動機裝在具有車輪的汽車底盤上時，就可以成為能夠行駛的汽車。由此可見，研究系統(tǒng)應(yīng)該從整體的觀點來看。系統(tǒng)的性能是由其整體性能為代表的，而不是由某一元素所能代表的。 3、具有目的性  是指人工系統(tǒng)是為了某一個目的而構(gòu)成的。目的不同，系統(tǒng)的構(gòu)成也就不相同：例如貨車是為運輸貨物這一目的而構(gòu)成的，所以它必須有貨箱來裝載貨物；而客車則是為運輸乘客而設(shè)計

18、的，所以必須有客箱和座椅，而運貨設(shè)備就很小或者沒有。  4、具有功能共性  系統(tǒng)中存在著物質(zhì)、能量和信息的流動，并與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交流，即可以從外界環(huán)境輸入或向外界輸出物質(zhì)、能量和信息。例如汽車系統(tǒng)把燃料燃燒所釋放的能量轉(zhuǎn)換為汽車的動能，這就是能量的流動。而在行駛過程中駕駛員從環(huán)境得到信息，加以判斷，發(fā)出必要的指示信息，以保證汽車安全合理的運動，這就是信息流動。 1.2系統(tǒng)動力學(xué)  系統(tǒng)動力學(xué)就是討論動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和響應(yīng)的學(xué)科。  當(dāng)系統(tǒng)各變量對時間保持恒定時，稱為靜態(tài)系統(tǒng)。嚴(yán)格來講真正的靜態(tài)系統(tǒng)是沒有的，而且根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果來

19、判斷系統(tǒng)特性將會得到不全面或者是錯誤的結(jié)論。所以系統(tǒng)動力學(xué)的研究對象放在動態(tài)系統(tǒng)上，動態(tài)系統(tǒng)的行為是隨時間變化的，是時間的函數(shù)，動態(tài)系統(tǒng)分析比靜態(tài)系統(tǒng)分析更為復(fù)雜，但更為必要，因為在動態(tài)的分析中可以考慮到許多外部干擾或者不穩(wěn)定性。 2汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究內(nèi)容 2.1對縱向動力學(xué)的研究  縱向動力學(xué)研究車輛直線運動及其控制問題，主要是車輛沿前進(jìn)方向的受力與其運動關(guān)系。按車輛工況的不同，可分為驅(qū)動動力學(xué)和制動動力學(xué)兩大部分：在驅(qū)動動力學(xué)研究中，重點要了解車輛的行駛阻力，由此才能決定車輛驅(qū)動輪上所需的力矩和功率，以及能量消耗。它由兩個最基本的部分組成：滾動阻力和空氣阻力。

20、它代表了車輛對動力和功率的要求，而車輛動力與傳動系統(tǒng)則為車輛提供了對動力和功率的供應(yīng)，需求與供應(yīng)之間的平衡關(guān)系還與路面附著系數(shù)有關(guān)，直接影響車輛驅(qū)動性能。  在制動動力學(xué)研究中，重要要了解車輛的制動性能評價指標(biāo)，其次是對車輛前后車輪制動力的分配關(guān)系和制動穩(wěn)定性進(jìn)行研究。 2.2對行駛動力學(xué)的研究 在行駛動力學(xué)研究中，最重要的問題是要建立起考慮懸架特性在內(nèi)的車輛動力學(xué)模型，而最簡單的數(shù)學(xué)模型就是具有七自由度的整車系統(tǒng)模型。 行駛動力學(xué)問題一般可分為兩類：一類是可以通過數(shù)學(xué)建模來分析的行駛動力學(xué)問題，有人稱之為“主要行駛舒適性問題”。另一類還有像15Hz高頻

21、振動的響應(yīng)、更高頻率范圍內(nèi)的振動噪聲問題、懸架系統(tǒng)中橡膠村套的影響等等，這些幾乎還沒有辦法用數(shù)學(xué)解析模型來準(zhǔn)確地預(yù)測這些影響，這類問題被稱為“次級行駛舒適性問題”。 2.3對操縱動力學(xué)的研究  輪胎對于汽車的操縱性具有重要的作用，因此操縱動力學(xué)建模中必須要與輪胎模型相吻合，否則建立的操縱模型將失去意義。 操縱動力學(xué)的研究范圍分為三個區(qū)域，即： 1）線性域：側(cè)向加速度約小于0.30.4g時，通常意味著車輛在高附著路面作小轉(zhuǎn)向運動；  2）非線性域：在超過線性域且小于極限側(cè)向加速度（約為0.8g）范圍內(nèi)； 3）非線性聯(lián)合工況：通常指車輛在

22、轉(zhuǎn)彎制動或轉(zhuǎn)彎加速時的情況； 3汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究方法及理論基礎(chǔ) 3.1研究方法  解決任何一個系統(tǒng)問題的首要步驟就是把實際問題抽象化，并轉(zhuǎn)變?yōu)楹喕哪Ｐ?。抽象是通過一種思維去分出現(xiàn)象的本質(zhì)而抽出其中非本質(zhì)和次要的性質(zhì)的一種邏輯方法。  在抽象的基礎(chǔ)上就要建立表達(dá)系統(tǒng)行為的物理或數(shù)學(xué)的模式，這就是所謂的物理模型和數(shù)學(xué)模型。模型也可以定義如下：模型是一種過程或行為的定量或定性代表，它應(yīng)能顯示對所考慮目標(biāo)只有決定性意義的后果。 模型的分類：  1）比例的物理模型  該模型和實物的物理本質(zhì)相同，僅在形狀和尺寸上有差別。其優(yōu)點是可以同時觀察到整體的物理性能，并作一些記錄等，能消除一些次要因素的干擾，能準(zhǔn)確的預(yù)測系統(tǒng)的性能和參數(shù)間的關(guān)系。 2）數(shù)學(xué)等效模型  在工程中有不同的物理系統(tǒng)，但是其動態(tài)行為的數(shù)學(xué)形式是相同的。不同系 統(tǒng)的行為可以用等效的常系數(shù)微分方程來描述。這就使得我們用一種系統(tǒng)來模擬另一種系統(tǒng)成為可能。 3）數(shù)學(xué)模型  這種模型比實物模型、模擬模型更為抽象，但是在實物和數(shù)學(xué)模型間存在很強的相似性，它建立了一組法則或運算，從而將一個或多個元素（運算對象）與運動結(jié)果聯(lián)系起來。它有很多種表示方法，例如數(shù)學(xué)方程式、方塊圖等。 模型建