第三章汽車空氣動(dòng)力學(xué)ppt課件

1、第三章 汽車空氣動(dòng)力學(xué) 3.1 概述 3.2 氣動(dòng)阻力 3.3 升力和俯仰力矩 3.4 側(cè)向力和橫擺力矩 3.5 側(cè)傾力矩 3.6 側(cè)風(fēng)作用下的氣動(dòng)阻力系數(shù) 3.7 汽車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn).第一節(jié) 概述定義：汽車在路面上行駛，除遭到路面作用力外，還遭到周圍氣流對(duì)它作用的各種力和力矩。研討這些力的特性及其對(duì)汽車性能所產(chǎn)生的影響的學(xué)科稱為汽車空氣動(dòng)力學(xué)。 汽車行駛中遭到的氣動(dòng)力有迎面阻力、升力、側(cè)向力及這些力構(gòu)成的俯仰力矩、側(cè)傾力矩和橫擺力矩，他們的大小，大致都與空氣對(duì)汽車的相對(duì)速度的平方成正比，因此隨著汽車行駛速度的日益提高，其作用對(duì)汽車性能的影響也會(huì)愈來(lái)愈顯著?；刂髂夸?氣動(dòng)六分力與坐標(biāo)系： 汽車

2、在行使時(shí)，遭到氣流的氣動(dòng)力作用，該作用力在汽車上的作用點(diǎn)，我們通常稱為風(fēng)壓中心，記作C.P，由于汽車外型的對(duì)稱性，風(fēng)壓中心在汽車的對(duì)稱平面內(nèi)，但它不一定與重心CG重合。 為了研討方便，建立一套坐標(biāo)系，通常把汽車空氣動(dòng)力坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在車輛縱向?qū)ΨQ面與地面的交線上，前后軸中點(diǎn)處。規(guī)定各軸的正值方向如圖3-1示：回主目錄. 一切的空氣力向上述坐標(biāo)原點(diǎn)化簡(jiǎn)，產(chǎn)生三個(gè)分力和三個(gè)繞坐標(biāo)軸的力矩。各種氣動(dòng)力的數(shù)值都與動(dòng)壓力和迎風(fēng)的汽車正投影面積成正比，其比例系數(shù)稱為氣動(dòng)力系數(shù)。 表3-1列出了國(guó)內(nèi)外對(duì)六分力稱號(hào)和系數(shù)公式的對(duì)照表回主目錄. 名 稱代 號(hào)美、日規(guī)定德國(guó)規(guī)定系數(shù)公式氣動(dòng)阻力Drag 側(cè)向力Sid

3、e force 升力Lift 側(cè)傾力矩Rolling moment 俯仰力矩Pitching moment 橫擺力矩Yawing moment 表3-1回主目錄.第二節(jié) 氣動(dòng)阻力 空氣作用于車身的向后的縱向分力稱為氣動(dòng)阻力，這種阻力與車速平方成正比。為了抑制氣動(dòng)阻力所耗費(fèi)的功率和燃料是隨車速的三次方急劇添加的，當(dāng)車速超越100km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率有80%用來(lái)抑制氣動(dòng)阻力，要耗費(fèi)很多燃料。在高速行駛時(shí)，如能減少10%的氣動(dòng)阻力，就可使燃料經(jīng)濟(jì)性提高百分之幾十。當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)師非常注重降低氣動(dòng)阻力系數(shù)Cx，由于它對(duì)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和輕量化有很多益處?；刂髂夸?氣動(dòng)阻力由五部分組成：外形阻力，占總

4、阻力58%；誘導(dǎo)阻力，占總阻力7%； 摩擦阻力，占總阻力9%；干擾阻力，占總阻力14%；內(nèi)循環(huán)阻力，占總阻力12%。 這幾部分阻力的大致比例如圖3-2所示。 圖3-2 回主目錄.3.2.1 外形阻力 當(dāng)汽車行使時(shí)，氣流流經(jīng)汽車外表過程中，在汽車外表部分氣流速度急劇變化部位會(huì)產(chǎn)生渦流，如圖3-3中在車身后部有明顯的渦流區(qū)，在渦流區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓，而汽車正面是正壓，所以渦流引起的阻力是壓差阻力，又由于這都和車身外形有關(guān)，也稱為外形阻力，它占整個(gè)阻力的 ?；刂髂夸?圖3-3 汽車外表氣流圖回主目錄.3.2.2 誘導(dǎo)阻力 誘導(dǎo)阻力是由于氣流經(jīng)車身上下部時(shí)，由于空氣質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)上下外表的路程不同，流速不同從而產(chǎn)生

5、壓差，即升力，升力在程度方向上的分力稱為誘導(dǎo)阻力，如圖3-4所示。圖3-4 汽車的誘導(dǎo)阻力回主目錄.誘導(dǎo)阻力系數(shù) 升力系數(shù) 間有如下近似關(guān)系： 3-1 式中，b為汽車寬度，m ； 為空氣密度， A為汽車正投影面積， 。 誘導(dǎo)阻力占總空氣阻力的 ?；刂髂夸?3.2.3 摩擦阻力 汽車空氣阻力中的摩擦阻力是由于空氣的粘性在車身外表上產(chǎn)生的切向力呵斥的?？諝馀c其它流體一樣都具有粘性，當(dāng)氣流流過平板時(shí)，由于粘性作用，空氣微團(tuán)與平板外表之間發(fā)生摩擦，這種摩擦妨礙了氣體的流動(dòng)，構(gòu)成一種阻力稱為摩擦阻力，約占總空氣阻力的 。回主目錄 汽車空氣阻力中的摩擦阻力是由于空氣的粘性在車身外表上產(chǎn)生的切向力呵斥的。空

6、氣與其它流體一樣都具有粘性，當(dāng)氣流流過平板時(shí)，由于粘性作用，空氣微團(tuán)與平板外表之間發(fā)生摩擦，這種摩擦妨礙了氣體的流動(dòng)，構(gòu)成一種阻力稱為摩擦阻力，約占總空氣阻力的 。.3.2.4 干擾阻力 它是車身外面的凸起物如后視鏡、流水槽、導(dǎo)流板、擋泥板、天線、門把手、底盤下面凸出零部件所呵斥的阻力，占總阻力的14%。 3.2.5 內(nèi)循環(huán)阻力 它是指為了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和乘坐艙內(nèi)換氣而引起空氣氣流經(jīng)過車身的內(nèi)部構(gòu)造所產(chǎn)生的阻力，它占總阻力12%。回主目錄.3.2.5 小結(jié) 減少氣動(dòng)阻力系數(shù) 在車身外型設(shè)計(jì)中主要采取以下措施 ： 1、 光順車身外表的曲線外形，消除或延遲空氣附面層剝離和渦流的產(chǎn)生； 2、 調(diào)整迎面和

7、反面的傾斜角度，使車頭、前窗、后窗等外型的傾斜角度有效地減少阻力的產(chǎn)生； 3、 減少凸起物，構(gòu)成平滑外表； 4、 設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力附件，整理和引導(dǎo)氣流流向。回主目錄.第三節(jié) 升力和俯仰力矩 升力是由于汽車行駛中車身上部和車身底部空氣流速不等構(gòu)成壓力差而呵斥的。升力不經(jīng)過重心時(shí)對(duì)汽車產(chǎn)生俯仰力矩。 升力使車輪有抬升的趨勢(shì)，減少驅(qū)動(dòng)輪上的附著力，對(duì)轉(zhuǎn)向車輪的影響是升力使側(cè)向最大附著力和側(cè)偏剛度降低，而使轉(zhuǎn)向性能變壞。 現(xiàn)代高速汽車特別是賽車在設(shè)計(jì)上都力圖減少升力?；刂髂夸?影響要素：1、車身外形 把車身前后端形心用直線銜接，稱此直線為中線，此中線與程度面的夾角稱為迎角。 中線前高后低，迎角為正，反之為

8、負(fù)。正迎角越大升力越大。 假設(shè)汽車風(fēng)壓中心處于中心之前，那么升力對(duì)中心呵斥俯仰力矩，使前輪更加有離地趨勢(shì)，所以最新設(shè)計(jì)的車身外形采取以下措施： 1 盡量做到風(fēng)壓中心與重心重合； 2 采用類似楔型外型。盡量壓低車身前端，使尾部肥厚向上翹以產(chǎn)生負(fù)迎角； 回主目錄. ( 3 ) 車身前部設(shè)阻風(fēng)板后面設(shè)擾流板使后面翹起，如圖3-5示；圖 3-52、驅(qū)動(dòng)方式 普通前置前驅(qū)汽車其風(fēng)壓中心與車身中心接近，后置發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的重心往往偏后，因此風(fēng)壓中心能夠在重心前，俯仰力矩大些?；刂髂夸?第四節(jié) 側(cè)向力和橫擺力矩 汽車受側(cè)風(fēng)時(shí)，如風(fēng)力與中軸成 角，那么在 方向產(chǎn)生分力 ，此分力隨 角的添加而直線上升，如側(cè)風(fēng)作用的

9、風(fēng)壓中心(C.P)在重心之前，那么汽車將順風(fēng)偏轉(zhuǎn)，結(jié)果使 增大。側(cè)向力和橫擺力矩增大，導(dǎo)致穩(wěn)定性變壞，如側(cè)向力的風(fēng)壓中心位于中心之后，那么汽車逆風(fēng)偏轉(zhuǎn)，使側(cè)向力和橫擺力矩減少利于行駛穩(wěn)定性；如風(fēng)壓中心與重心重合，那么汽車在側(cè)向力作用下側(cè)移，但能堅(jiān)持行駛方向。 減少側(cè)向力的影響有以下措施： ( 1 ) 盡量使風(fēng)壓中心位于重心之后； ( 2 ) 盡量壓低車身高度，處置好橫截面的流線形性，添加車寬?；刂髂夸?第五節(jié) 側(cè)傾力矩 側(cè)傾力矩直接影響到汽車的側(cè)傾角，并影響左右車輪負(fù)荷重新分配。 側(cè)傾力矩主要由車身側(cè)面外形決議，減少側(cè)傾力矩的措施主要是： ( 1 ) 盡量降低車身，增大車寬； ( 2 ) 使風(fēng)

10、壓中心在高度上接近側(cè)傾軸線；回主目錄.第六節(jié) 側(cè)風(fēng)作用下的氣動(dòng)阻力系數(shù) 在側(cè)風(fēng)作用下直線行駛的汽車遭到由行駛速度產(chǎn)生的行駛風(fēng) (負(fù)號(hào)表示與行駛速度方向相反)和側(cè)風(fēng) 的影響，氣流流入合成速度 就是兩者的矢量和： 其合成速度 與汽車軸線成 角 ( 圖3-6 )。 流入角，單位為 。 的大小可用下式求出： 式中 風(fēng)與汽車軸線夾角。回主目錄.圖3-6 回主目錄.流入角可用下式求出： 所以：在逆風(fēng)時(shí)： 順風(fēng)時(shí)：回主目錄.橫風(fēng)時(shí)： 圖3-7表示有側(cè)風(fēng)時(shí)行駛速度、風(fēng)速與合成速度及迎角之間的關(guān)系。在有側(cè)風(fēng)時(shí)，氣動(dòng)阻力系數(shù)成為 ，它要比無(wú)風(fēng)時(shí)的氣動(dòng)阻力系數(shù) 大， 圖3-8是在風(fēng)洞中測(cè)出三種車型的 和迎角 的關(guān)系

11、，前 時(shí)， 隨著 的增大 ， 普通要增大?；刂髂夸? 圖3-7 自然側(cè)風(fēng)風(fēng)速不同時(shí)，合成風(fēng)速 和迎角 與行駛速度之間的關(guān)系 ( 直線行駛時(shí),自然風(fēng)垂直于汽車縱軸線 ) 回主目錄. 圖3-8 三種典型車身的切向力系數(shù)與迎角的關(guān)系回主目錄.第七節(jié) 汽車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 汽車的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)分室內(nèi)和室外兩種： 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)普通是把汽車或汽車模型置于能模擬汽車行駛中流場(chǎng)的管狀實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中，用巨型風(fēng)扇呵斥所需的汽車氣流的相對(duì)速度，測(cè)定各種氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的一種實(shí)驗(yàn)安裝，這種安裝稱為風(fēng)洞( Wind Tunnel )。 室外實(shí)驗(yàn)是把實(shí)車在室外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)展空氣阻力系數(shù)的測(cè)定和研討橫風(fēng)對(duì)汽車的作用?；刂髂夸?3.7.1

12、 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù) 汽車風(fēng)洞由大功率電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)和按一定要求設(shè)計(jì)的管道構(gòu)成，可分為直流式和回流式兩種： 1、直流式風(fēng)洞又稱為埃菲爾式風(fēng)洞，其構(gòu)造是鼓風(fēng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)階段下游靠吸入空氣構(gòu)成氣流。圖3-9a即是英國(guó) MIRA 研討中心的一個(gè)直流式風(fēng)洞,實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)3.8m，截面2.12 , 高1m ,最高風(fēng)速為160km/h ，風(fēng)扇功率為37.3kW，由于截面小，只作模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)段普通為長(zhǎng)方形截面，其長(zhǎng)度應(yīng)為1.5-2倍當(dāng)量截面直徑?；刂髂夸?圖3-9 兩個(gè)典型的汽車風(fēng)洞回主目錄. 2、 回流式風(fēng)洞又稱哥根廷式風(fēng)洞，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段的氣流經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)再前往流動(dòng)構(gòu)成回流，故此得名，其優(yōu)點(diǎn)是可節(jié)省驅(qū)動(dòng)功率，圖

13、3-9a示出德國(guó)飛馳公司的回流式風(fēng)洞，其實(shí)驗(yàn)段截面達(dá)32.6 ，長(zhǎng)10m,最高風(fēng)速達(dá)270km/h,風(fēng)扇功率高達(dá)4000kW。 世界上的風(fēng)洞按其實(shí)驗(yàn)段面積和最高風(fēng)速可分為大中小三類：回主目錄.風(fēng)洞的技術(shù)要求：1、模擬地面效應(yīng) 汽車在真實(shí)路面上行駛時(shí)，遭到與行駛速度一樣的風(fēng)的作用，與此同時(shí)，路面以一樣速度向后方挪動(dòng)，而在風(fēng)洞中，汽車或汽車模型不動(dòng)，風(fēng)以與汽車行駛速度一樣的風(fēng)速作用于汽車上，但在地板上構(gòu)成邊境層，這種邊境層是由于流體粘性呵斥的，使丈量阻力減少，升力值增大。因此規(guī)定：回主目錄.圖3-10 地面效應(yīng)模擬方法 為了盡能夠真實(shí)地復(fù)現(xiàn)汽車車身底部的速度分布，要求地板的邊境層盡能夠薄，常用以下

14、三種方法( 見圖3-10)：把模型支在距風(fēng)洞底部一定高度的地板上；把模型支在傳動(dòng)帶上；在風(fēng)洞地板上設(shè)孔以吸除(或吹除)附面層.回主目錄.2、模擬邊境條件 汽車在路上行駛，周圍氣流均勻，風(fēng)洞中除地板上有附面層外，管徑如太小，其附面層也影響氣流特性，為此設(shè)計(jì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段截面積與模型的正面投影面積之比有一定要求： 模型的正面投影面積要小于 的實(shí)驗(yàn)段面積，地板以上面積，模型高度要小于實(shí)驗(yàn)段高度 。3、必需符合類似原那么 不但幾何尺寸類似，而且雷諾數(shù)也類似 。4、要有側(cè)六分力的天平儀 圖3-11為意大利平寧法里那設(shè)計(jì)的機(jī)械式六分力天平儀，能同時(shí)測(cè)出所需六分力和三個(gè)力矩。回主目錄.圖3-11 機(jī)械式六分力

15、天平回主目錄.3.7.2 空氣動(dòng)力學(xué)的室外實(shí)驗(yàn)普通實(shí)驗(yàn)工程有： 測(cè)定氣動(dòng)阻力系數(shù) ； 氣動(dòng)阻力系數(shù)是經(jīng)過滑行法來(lái)測(cè)定。在平坦路面上，把汽車加速到一定值( 60100km/h )，然后掛空檔，任其滑行，記錄速度下降和時(shí)間的關(guān)系，并由此求得各速度間的平均減速度，由此可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的總阻力，它包括輪胎滾動(dòng)阻力、傳動(dòng)系阻力和空氣阻力。從總阻力中間去輪胎滾動(dòng)阻力和傳動(dòng)系阻力，即得空氣阻力，進(jìn)而求出空氣氣動(dòng)阻力系數(shù) ?；刂髂夸? 側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)要采用側(cè)風(fēng)發(fā)生器模擬自然側(cè)風(fēng)，圖3-12默謝臺(tái)斯飛馳公司實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上所進(jìn)展的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性表示圖。側(cè)風(fēng)發(fā)生器采用 鼓風(fēng)箱組成，全長(zhǎng)32m?？僧a(chǎn)生速度為80km/h的側(cè)風(fēng)，相當(dāng)于8-9級(jí)自然風(fēng)。實(shí)驗(yàn)車輛在距側(cè)風(fēng)發(fā)生器3m 處等速駛過( 車速為100km/h )，轉(zhuǎn)向盤堅(jiān)持不動(dòng)，至少應(yīng)記錄進(jìn)入側(cè)風(fēng)發(fā)生器前20m和到側(cè)風(fēng)段后50m的全部丈量值,包括： 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角； 橫向加速度； 橫擺速度； 在側(cè)風(fēng)段50m處汽車側(cè)向偏移量( 汽車質(zhì)心軌跡可通過在路面上噴水來(lái)確定，也可經(jīng)過所測(cè)的橫向加速度兩次積分求得 )。側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)回主目錄.圖3-12 汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)回主目錄. 圖3-13 汽車駛過側(cè)風(fēng)安裝(長(zhǎng)32m，風(fēng)速 ) 時(shí)，橫擺