車身結構與設計論文(共7頁)

1、車身(ch shn)結構與設計基于理論(lln)分析汽車(qch)氣動力及力矩(l j)【摘要】汽車空氣動力性是汽車的重要特性之一，氣動力和氣動力矩是它的主要內容。通過運用數(shù)學和物理方法，理論分析氣動力及氣動力矩的相關參數(shù)，進而與汽車的動力性及燃油經(jīng)濟性綜合在一起進行分析，找到相關的影響因素，通過改變這些因素來改善汽車性能，合理的選擇相關參數(shù)，為接下來的設計及模擬仿真做好鋪墊?！娟P鍵詞】空氣動力性 氣動力 氣動力矩 氣動阻力 動力性 燃油經(jīng)濟性前言汽車空氣動力性是汽車的重要特性之一，它直接影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱性、舒適性及安全性，它是指汽車在流場中所受的以阻力為主的包括升力、側向力

2、的三個氣動力及其相應的力矩的作用而產(chǎn)生的車身外部和內部的氣流特性、側風穩(wěn)定性、氣動噪聲特性、泥土及灰塵的附著與上卷、刮水器上浮以及發(fā)動機冷卻、駕駛室內通風、空氣調節(jié)等特性。當一輛汽車以80km/h的速度前進時，有60%的動力用于克服空氣阻力。從世界上首款流線型汽車“氣流”誕生開始，迄今為止，國內外對于汽車空氣動力學的研究方法大致分為一般采取試驗法、試驗與理論相結合法及數(shù)值模擬仿真研究法。理論研究方法主要是通過數(shù)學工具來建立空氣運動規(guī)律及相應初始、邊界條件的理論模型，以揭示氣動力產(chǎn)生機理及作用關系。而試驗及模擬仿真都是在理論研究和計算的基礎之上進行的，可見理論研究對于汽車空氣動力學來說是不容忽視

3、的。氣動力及氣動力矩分析1、氣動力及力矩汽車與空氣相對運動并相互作用，會在汽車車身上產(chǎn)生一個氣動力F，這個力的大小與相對運動速度的平方、汽車的迎風面積及取決于車身形狀的無量綱氣動系數(shù)成正比，可表示為F = qSCF = 0.5vSCF (1)式中，F(xiàn)為氣動力，S為汽車迎風面積，CF為氣動系數(shù)。 圖1為汽車(qch)所受氣動力及力矩坐標表示圖氣動(q dn)阻力 FX=qSCD=1/2vSCD氣動(q dn)側力 FY = qSCL=1/2vSCL氣動升力 FZ = qSCZ=1/2vSCZ氣動側傾力矩 MX=FZ*YC-FY*ZC=SlCq氣動橫擺力矩 MY=FX*ZC-FZ*XC=SlCN氣

4、動縱傾力矩 MZ=FY*XC-FX*YC=SlCM 圖1 汽車所受氣動力及力矩坐標示意圖實際中上述力和力矩都應盡量降低，以保證汽車的機動性和燃油經(jīng)濟性。而從以上各式分析，車速、車身迎風面積是我們可以改進的地方?，F(xiàn)代高檔汽車都力求把車身前端盡量做得扁平，減少穩(wěn)流，進而減少行駛阻力。2、氣動阻力及側傾力矩汽車氣動阻力由壓差阻力FXA、摩擦阻力FXB、誘導阻力FXC、干涉阻力FXD和內流阻力FXE五部分組成。氣動阻力系數(shù)只與汽車外形形狀有關，與大小無關。壓差阻力因它的大小取決于物體的形狀，尤其是物體的后部形狀，故又稱為形狀阻力。對汽車而言，約占總氣動阻力的50%-65%。由流體力學及伯努利方程可得靜

5、壓強系數(shù)Cp=P-P/(0.5v)=1-(u/v) (2)無粘流時，O點處由（2）式知Cp=1。當來流流至A時，流速由0增到最大值，Cp由1降為負壓最大值。當來流至B時，流速由最大值降為0，Cp由負壓最大值增至1。不存在氣動阻力?？紤]到粘流，O處Cp仍為1，流向A點時，由于增加了表面粘性阻力的作用，使得流速達到最大值的點提前，負壓最大值出現(xiàn)在A點之前。再流至B時，由于粘性阻力，氣流發(fā)生分離，增大并迅速擴散，從而在二元圓柱后部產(chǎn)生湍流區(qū)，有壓力差產(chǎn)生氣動阻力a 無粘流繞二元圓柱流動b 有粘流繞二元圓柱流動c 無粘流流動(lidng)力場 d 有粘流流動(lidng)力場 SHAPE * MERG

6、EFORMAT 圖2 汽車車身(ch shn)壓強分布（陰影為正壓） 圖3 粘流有無與氣動阻力示意圖摩擦阻力摩擦阻力是由于空氣的粘性作用使得空氣與汽車車身表面產(chǎn)生摩擦所形成的阻力。對汽車而言，約占總氣動阻力的6%-10%。 引入附面層定義，即將u=0.99v處距物面的距離定義為附面層厚度，在附面層內有較大的速度梯度?？拷囓嚿肀砻媲安康母矫鎸觾?，各層氣流之間互不干涉、運動有序，稱為“層流附面層”；后部附面層內的流動會變得雜亂無章，互相干擾，稱為“紊流附面層”。在進行汽車造型時，盡可能使車身表面的氣流為層流附面層，減少紊流附面層和氣流分離。圖4附面層誘導阻力由尾渦誘導形成，是氣動升力所產(chǎn)生的縱

7、向水平分力，一般約占氣動阻力的57。CDi=CL/(3.14) （3）CDi為誘導阻力系數(shù)，為寬長比，為修正系數(shù)，CL為升力系數(shù)。由上式可知誘導阻力與升力直接相關，因而要減小誘導阻力，就要設法減小升力。干涉阻力是由暴露在汽車外部的各種附件引起氣流相互干擾而形成的阻力，對汽車而言，約占總氣動阻力的12%-16%。這些附件包括后視鏡、門把手、雨刷、流水槽、前牌照、照明燈、前保險杠 圖5誘導阻力圖示以及天線和裝飾物等。不僅本身存在氣動阻力，而且當被裝配到汽車車身時，會引起附近區(qū)域氣流的狀況，從而產(chǎn)生一個附加的氣動阻力。這就是空氣動力學干涉現(xiàn)象。內流阻力又稱內循環(huán)阻力，是由冷卻發(fā)動機等的氣流和車內通風

8、氣流而形成的阻力，約占氣動阻力的12%20%。當氣流流經(jīng)等截面直管時，其粘性效應不僅發(fā)生在管壁附近，而且還會擴展至整個內部截面，從而產(chǎn)生阻力。當氣流流經(jīng)漸放變截面直管時，由于管截面的擴張，靜壓遞增形成阻力，可能發(fā)生氣流分離，進一步產(chǎn)生阻力。當氣流流經(jīng)突變截面直管、彎管時氣流分離現(xiàn)象更為嚴重，阻力也更大。側傾力矩主要有車身側面形狀決定，流線型好側傾力矩相對較??；汽車的高度和寬度(kund)對側傾力矩影響很大，一般低而寬的汽車側傾力矩系數(shù)比高而窄的汽車側傾力矩系數(shù)小。3、氣動(q dn)升力及縱傾力矩(l j)一輛汽車在行駛時，會對相對靜止的空氣造成不可避免的沖擊，空氣會因此向四周流動，而竄入車底

9、的氣流會被暫時困于車底的各個機械部件之中，空氣會被行駛的汽車拉動，地面上的紙張或樹葉會被卷起。由于汽車車身上下部氣流的流速不同，使其上下部形成壓力差，從而產(chǎn)生升力。依據(jù)伯努利方程，作用在汽車上的升力將減小輪胎對地面的壓力，使輪胎附著力和側偏剛度降低，影響汽車的操縱穩(wěn)定性。無側風時，升力系數(shù)CL在-0.4和+0.4之間，受到側風影響時，升力系數(shù)可能增到3倍。目前一些兩廂車的后部都安裝有擾流板，這是一個類似于飛機機翼的原理，只不過向上凹，上部面積小，流速低，下部大流速高，在壓差作用下汽車受到向下的作用力，起阻礙升力的作用。此外還起到美觀的作用。4、側向力及橫擺力矩側向力及橫擺力矩主要影響汽車的直線

10、行駛性能。由FY = qSCL=0.5vSCL，MY=FX*ZC-FZ*XC=SlCN 。分析，車身側面積、車身長度對側向力及橫擺力矩有很大影響，因而一般長度較小、寬度較大、車身低矮的汽車比較好。有些汽車上在側方加設側翼，可以改變側面氣流的旋渦，降低CN，這樣就能夠在不增大側向力和升力的條件下，減小橫擺力矩。汽車性能與氣動力相關性分析汽車性能主要包括汽車動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性等方面，本文主要從動力性和燃油經(jīng)濟性角度來分析。動力性汽車的動力性是指汽車在良好的路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的所能達到的平均行駛速度。最高車速、加速時間和最大爬坡度為其主要評價指標。最高車速用直接檔或

11、超速檔在良好的水平路面上行駛時所能達到的最高速度，汽車牽引力只需要克服氣動阻力和滾動阻力。滿足的關系式如下F=(G-FZ)f+FX=(G-0.5CLvS)f+0.5CDvS (4)式中，F(xiàn)為牽引力，G為汽車(qch)重量，F(xiàn)Z為氣動(q dn)升力，f為滾動摩擦系數(shù)，F(xiàn)X為氣動阻力。當汽車(qch)的牽引力達到最大，即F=Fmax時，最高車速Vmax =2(Fmax-Gf)/ S(CD-CL f) (5)由上式可以看出，最高車速與氣動阻力和氣動升力密切相關，F(xiàn)、G一定時，減小氣動阻力系數(shù)CD和提高氣動升力系數(shù)CL均可以提高最高車速，但考慮到行駛穩(wěn)定性，一般不采用提高氣動升力系數(shù)的辦法。加速度d

12、v/dt=3600T Pe-(FX+Gf- FZf) v/3600T/(Gv) (6)由上式分析，減小氣動阻力，提高氣動升力可以提高汽車加速性能。目前高檔汽車加速到100km/h只需不到10秒，有的如布加迪威龍甚至只需短短的3秒。對于普通汽車而言，改善加速性能，采用降低氣動阻力的方式即可。最大爬坡度最大爬坡度對應的加速度為0，定義i=tan為爬坡度，其中為坡度角。Cos近似等于1汽車牽引力只需克服滾動阻力、氣動阻力和爬坡阻力。F=(Gcos-FZ)f +0.5CDvS+ Gsin (7)由上式可得最大爬坡度imax= F-(G -FZ)f -0.5CDvS / G (8)由上式分析，減小氣動阻

13、力可以增加最大爬坡度。通過以上汽車動力性分析可知，氣動力在其中扮演了很重要的角色，尤其是氣動升力和氣動阻力。減小氣動阻力，適當增大氣動升力可以很大程度上改善汽車動力性，未來那些追求速度的汽車公司需要在這兩個方面做更多更深遠的研究。燃油經(jīng)濟性燃油經(jīng)濟性在保證動力性的前提下，盡量節(jié)省耗油量，主要由百公里燃油消耗量作為標準來衡量。Q=ge(Ff+FD)/(3672T) =ge(0.5CDvS)+(G-0.5CLvS)f/( 3672T) (10)式中，Q為百公里耗油量，ge為燃油消耗率，為燃油重度，T為效率(xio l)。由上式分析(fnx)，氣動阻力和氣動升力依然是汽車的百公里油耗的影響因素(yn

14、 s)之一，氣動阻力越大、升力越大，燃油經(jīng)濟性越好，同樣考慮到行駛安全性，普通車輛只需盡量從減小氣動阻力方面來完善即可。為了減少氣動力對汽車性能的影響，現(xiàn)代汽車的設計理念是將汽車設計的更流線更平滑，車身附件更小巧更隱蔽；車輪不宜太寬，車輪室不宜過深；車身底部布局合理；車前部進氣格柵設計也應合理。目前依據(jù)汽車空氣動力學原理而應用于汽車上的器件主要有阻風板、擾流器、導流罩、底板、裙邊、導流板、整流罩、輪輻蓋、輪轂罩等，這些應用讓汽車外形更美觀、性能更優(yōu)越。結論汽車理論分析，空氣動力學是必不可少的，而氣動力、氣動力矩又是其中的重中之重。通過數(shù)學工具建立的空氣運動規(guī)律及相應的初始邊界條件的理論模型，揭示了氣動力產(chǎn)生的機理及相關參數(shù)，它與相對運動速度的平方、汽車的迎風面積、長寬高及車身形狀的無量綱氣動系數(shù)有關，根據(jù)相應的公式可以定性和定量的分析一輛汽車所受到的各個氣動力及氣動力矩，進而定性分析汽車的加速度、耗油量、最高車速等汽車性能參數(shù)，并優(yōu)化它們，以便于進一步分析和設計。參考文獻傅立敏 汽車空氣動力學 機械工業(yè)出版社傅立敏 汽車空氣動力學