汽車空氣動力學課件

汽車空氣動力學

3.1概述

汽車空氣動力學是研究汽車與周圍空氣在相對運動時兩者之間相互作用力的關系及運動規(guī)律的學科，它屬于流體力學的一個重要部分。汽車向前行使時與空氣產(chǎn)生復雜的相互作用，對汽車的行使狀態(tài)影響很大，特別是汽車高速行使時會承受強大的氣動力作用。眾所周知，汽車行使時受到的氣動力是與汽車速度平方成正比，而汽車克服氣動阻力所消耗的功率和燃料是隨車速的三次方急劇增加的，因此，使汽車具有良好的形狀以降低汽車的氣動阻力，不但可以提高汽車的動力性，而且還可以提高汽車的燃料經(jīng)濟性。對于高速汽車來說，空氣動力穩(wěn)定性是汽車高速安全行使的前提。隨著汽車工業(yè)發(fā)展與汽車行駛速度日益提高，汽車空氣動力學亦愈來愈受到重視，其研究工作日益深入，汽車空氣動力學已發(fā)展成為流體力學一個重要分支學科。汽車空氣動力學與航空、船舶、鐵路車輛，在研究流場、空氣動力學方面有許多相似之處，但是汽車行駛在地面上是種鈍頭體，汽車行駛狀態(tài)異常復雜，因而汽車空氣動力學亦區(qū)別于上述分支學科，具有自身的特點。例如：汽車空氣動力學與航空空氣動力學有著非常相似之處，都需要降低氣動阻力并保持行駛穩(wěn)定性或飛行穩(wěn)定性，從而得到良好的行駛性能或飛行性能。另外，航空動力學僅承受空氣動力學；汽車行駛在地面，除空氣動力學外，還受地面?zhèn)鱽淼母鞣N力，汽車底部的氣流狀況與飛機底部完全不同；汽車與飛機在處理升力問題上差別很大；此外飛機速度接近或超過聲速，而汽車的速度遠小于聲速，在研究空氣動力性質(zhì)和基本假設是不同的。圖3-1汽車空氣動力坐標系

動力合力在這個坐標系上的分解。為了評價汽車的空氣動力性能，引入氣動力系數(shù)的概念。如氣動阻力系數(shù)CX定義為：(3-1)式中，F(xiàn)X為X向氣動阻力；ρ為空氣密度；Vr為汽車與空氣相對速度；A為汽車的正投影面積。氣動阻力系數(shù)是一個無量綱數(shù)，它代表了氣動阻力與氣流能量之比。對于其它氣動力系數(shù)也類似，對于氣動力矩系，上式應除以一個特征長度單位，使其成為無因次量，例如側傾力矩系數(shù)CMx

(3-2)式中，L為汽車特征長度（如軸距L）。表3-1給出了六分力的名稱及系數(shù)公式。應該指出的是，汽車正投影面積A應包括車身、輪胎、發(fā)動機及底盤等零件的前視投影。

3.2氣動阻力

空氣作用于車身的向后的縱向分力稱為氣動阻力，這種阻力與車速平方成正比，為了克服氣動阻力所消耗的功率和燃料是隨車速的三次方急劇增加的，當車速超過100km/h時，發(fā)動機功率有80%用來克服氣動阻力，要消耗很多燃料，在高速行使時，如能減少10%的氣動阻力，就可使燃料經(jīng)濟性提高百分之幾十，當前汽車設計師十分重視氣動阻力系數(shù)Cx，因為它直接關系到汽車動力性，經(jīng)濟性和輕量化帶來很多好處。氣動阻力由五部分組成：1．形狀阻力，占總阻力58%；2．摩擦阻力，占總阻力9%；3．誘導阻力，占總阻力7%；4．干擾阻力，占總阻力14%；5．內(nèi)循環(huán)阻力，占總阻力12%。3.2.1形狀阻力

當汽車行使時，氣流流經(jīng)汽車表面過程，在汽車表面局部氣流速度急劇變化部位會產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生意味著能量的消耗，使運動阻力增大，汽車在前窗下凹角處，在后窗和行李箱凹角處，以及后部尾流都出現(xiàn)了氣流分離區(qū)，產(chǎn)生渦流，即形成負壓，而汽車正面是正壓，所以渦流引起的阻力也稱壓差阻力，又因為這部阻力與車身形狀有關，也稱形狀阻力，它占整個阻力的58%。圖3-2詳細地顯示了汽車周圍流譜的情況，可見汽車僅前部很小區(qū)域存在層流，其余大部分區(qū)域中的氣流狀態(tài)是紊流。對于運動的物體，分離現(xiàn)象產(chǎn)生越晚，空氣阻力越小，所以在設計上力求將分離點向后推移。在一定形體上作局部調(diào)整即可推遲渦流的生成。從而減少形狀阻力。3.2.2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表面上產(chǎn)生的切向力造成的。空氣與其它流體一樣都具有粘性，當氣流流過平板時，由于粘性作用，空氣微團與平板表面之間發(fā)生摩擦，這種摩擦阻礙了氣體的流動，形成一種阻力稱為摩擦阻力。

由于空氣的粘性作用，使與平板表面接觸的那層空氣粘附在平板表面上，于是這層氣流的速度v降為零。緊靠這層氣流上面部分的氣流，由于空氣微團之間的摩擦作用，部分地降低了它的運動速度，在它更上面的那部分，氣流由于受到的影響更小，因而其運動速度減小量也更小。這樣最下面的那層氣流速度v為零，隨著距平板距離的增加，氣流的速度逐漸增大，一直增至與來流速度v∞相等，形成了薄薄的附面層，如圖3-3示。由于附面層內(nèi)有速度梯度，所以產(chǎn)生有粘性切應力τ，摩擦阻力直接與氣流底層y=0處的速度梯度大小有關，如今y=0處的粘性切應力為τ0:

(3-3)在標準狀況下（一個大氣壓，15°C），空氣動力粘度η=1.7894×10-5N·s／㎡。盡管空氣動力粘度系數(shù)很小，但由于附面層的厚度很小，附面層內(nèi)的速度梯度很大，所以附面層內(nèi)產(chǎn)生的切應力和摩擦力不能忽略。由于附面層外的速度梯度較小，在那里我們可以不考慮空氣的粘性作用而把它看成為理想流體。3.2.4干擾阻力

它是車身外面的凸起物例如后視鏡、流水槽、導流板、擋泥板、天線、門把手、底盤下面凸出零部件所造成的阻力，占總阻力的14%。3.2.5內(nèi)循環(huán)阻力

它是指為了發(fā)動機冷卻和乘坐艙內(nèi)換氣而引起空氣氣流通過車身的內(nèi)部構造所產(chǎn)生的阻力，它占總阻力12%。

3.3氣動力對汽車性能的影響

3.3.1氣動力對汽車動力性的影響汽車的動力性系指汽車在良好路面上直線行使時由汽車受到的縱向外力決定的所能達到的平均行使速度。汽車的最高車速、加速時間和最大爬坡度是汽車動力性的主要評價指標。一、行駛阻力與車速的關系汽車在實際道路上行使時，不僅會遇到氣動阻力，由于汽車是靠車輪在地面上滾動才能前進，因而不可避免地還會遇到滾動阻力；當汽車在有坡度的道路上行駛時，還會遇到爬坡阻力。此外，汽車在行使中必然會遇到各種交通情況，時而需要加速，時而需要減速，因而還會有加速阻力。在水平路面上勻速行駛時只有氣動阻力和滾動阻力，下面主要介紹這兩種阻力。

1．氣動阻力FX

由前面分析可知，無環(huán)境風時，氣動阻力可以用下式表示：

氣動阻力與車速平方成正比，與汽車正投影面積成正比。(3-7)2．滾動阻力Ff

由汽車理論可知，輪胎在地面上滾動時產(chǎn)生的滾動阻力為：(3-8)式中，G為汽車重力，F(xiàn)Z汽車升力。如果汽車在水平路面上作等速行使，坡度阻力與加速阻力等于零，那么行使阻力只有滾動阻力和氣動阻力兩項：(3-9)圖3-5所示為一個典型轎車的行駛阻力與車速的關系曲線。在車速大于20km/h后，氣動阻力急劇上升；當車速達到75km/h左右時，氣動阻力與滾動阻力將各占一半；當車速再高時氣動阻力在總行駛阻力中所占比例就更大了。因此，對高速行駛的汽車都必須盡量減小氣動阻力。3.3.2發(fā)動機功率與車速關系汽車行使阻力所消耗的功率（kw）為：(3-10)而發(fā)動機功率Pe與阻力功率∑P的關系為：Pe·η=∑Pη為汽車傳動效率。通常作用在汽車上的升力FZ不大，如忽略升力項，則有：(3-11)上式中，前一項為滾動阻力公式，它與車速成正比；后一項為氣動阻力功率，它與車速的三次方成正比。對于一般轎車來說，當車速Va=65km/h時，滾動阻力功率等于氣動阻力功率；當車速再大時，氣動阻力功率迅速上升，往往大于滾動阻力功率?？梢?，當汽車在高速公路上行使時，降低氣動阻力很有現(xiàn)實意義。3.3.3氣動阻力與最高車速的關系如果汽車在水平路面上作等速行使，驅(qū)動力全部用來克服滾動阻力和氣動阻力，即：(3-12)3.3.4氣動阻力對加速度的影響

加速性能是汽車的動力性指標之一，因此我們需要研究氣動阻力對汽車加速度的影響。為簡單起見，我們可以利用式（3-11）來研究這一問題。如對此式兩邊求時間t的導數(shù)并加以整理，即可得汽車加速度：(3-14)式中，dPe/dt是表示汽車發(fā)動機功率隨時間的增長率，它取決于發(fā)動機功率曲線。其值可由發(fā)動機試驗確定。由式（3-14）可知，汽車的加速能力首先取決于發(fā)動機的加速性能，其次，汽車加速度還與汽車的氣動阻力系數(shù)CX近似反比關系，減小汽車的空氣阻力，就可以使汽車的加速度增大。同時看出，減小汽車重量G，也會有利于汽車加速度的提高。圖3-6各種車輛燃油消耗量

由圖3-6可見，小型客車用于克服氣動阻力的燃油消耗量的比例最大，其次是普通貨車。前者占總燃油消耗量的比例為50%左右而后者為32%左右。如汽車在平路上行使，當車速Va=80～100km/h時，氣動阻力占城際客車總阻力的相當大一部分。而市內(nèi)客車，由于其停車次數(shù)的增加，平均速度下降而氣動阻力也就大大減小。但其加速阻力卻增大很多，因而其氣動阻力所占比例較小。氣動阻力系數(shù)降低對燃油經(jīng)濟性是很可觀的。圖3-7為AUDI100轎車的試驗數(shù)據(jù)，例如，Cx從0.42降到0.30，在混合循環(huán)時，燃油經(jīng)濟性可改善9%左右，而當以150km/h高速行駛時，燃油經(jīng)濟性竟能改善25%左右。圖3-7氣動阻力系數(shù)降低導致的燃油經(jīng)濟性改善圖3-8半掛車氣動阻力對燃油消耗量的影響

圖3-8、3-9和3-10分別示出了半掛車、大客車和輕型客車在各種道路條件下氣動阻力減小帶來的燃油節(jié)省量。圖3-9大客車氣動阻力對燃油消耗量的影響圖3-10輕型客車氣動阻力對燃油消耗量的影響國產(chǎn)CA141貨車曾進行了公路實車百公里油耗試驗，采用加與不加附加裝置對比試驗，得出百公里油耗降低量入表3-2所列。結果表明，加前阻風板、蓬和導流罩等空氣動力學附加裝置，可使CA141油耗降低2～4L/100km。附加裝置工

況加前阻風板加車箱及保險架輔助板加

蓬加蓬及導流罩滿載v=45km/h0.5～0.80.2～0.53～3.53～4空載v=45km/h0.2～0.50.15～0.22～32～3.5v=60km/h1～21～1.53.5～3.93.5～4.2表3-2CA141貨車采用附加裝置后的百公里油耗降低量（L/100km）下面我們舉例計算一輛CA141貨車的年油耗節(jié)省量。假設貨車以45km/h的平均車速，每天行駛3h，每年使用260天，則年行駛里程為81900km，采用空氣動力學附加裝置后年油耗節(jié)省量為1638～3272L。這個數(shù)字是非?？捎^的3.5影響汽車操縱穩(wěn)定性的氣動力

3.5.1汽車操縱穩(wěn)定性的概念汽車操縱穩(wěn)定性是指駕駛者在不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當遇到外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個主要性能。在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，常把汽車作為一個控制系統(tǒng)，給出汽車曲線行駛的時域響應與頻率響應特性，并以它們來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。汽車曲線行駛的時域響應系指汽車在方向盤輸入或外界側向干擾輸入下的側向運動響應。外界側向干擾輸入主要是指側向風與路面不平度產(chǎn)生的側向力。汽車操縱穩(wěn)定性的基本評價內(nèi)容有：直線行駛性、回正性、轉(zhuǎn)向半徑、轉(zhuǎn)向輕便性、典型行駛工況性能、極限行駛能力、橫擺角速度頻率響應特性、方向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應和瞬態(tài)響應。其中直線行駛性包括側向風穩(wěn)定性、路面不平度穩(wěn)定性和微曲率彎道行駛性。側向風穩(wěn)定性主要評價參量為側向偏移。關于汽車操縱穩(wěn)定性的詳細研究可參考郭孔輝著《汽車操縱動力性》[16]和余志生主編《汽車理論》[13]。這里只分析氣動力對汽車操縱穩(wěn)定性的影響。

3.5.2影響汽車操縱穩(wěn)定性的氣動力影響汽車操縱穩(wěn)定性的氣動力可分為三組：⑴升力和縱傾力矩：關系到附著力和牽引力；⑵側向力和橫擺力矩：關系到側風穩(wěn)定性和直線行駛性；⑶側傾力矩：關系到側向穩(wěn)定性；1.升力及縱傾力矩由于汽車車身上部和下部氣流流速不同而產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生升力FZ。由于升力而產(chǎn)生繞y的俯仰力矩MY。在車身上產(chǎn)生升力，汽車的附著力減小，影響操縱穩(wěn)定性和驅(qū)動力。重量輕的汽車，特別是重心靠后的汽車，對前輪的升力特別敏感，這種情況對行駛中的汽車非常危險，即當前端有升力使其上浮時，升力又隨著車速的增加而繼續(xù)增加，由于前輪失去附著力，而使汽車失去控制。在100km/h車速之下，升力和俯仰力矩對汽車的穩(wěn)定性影響不大。升力和俯仰力矩對高速行駛的操縱穩(wěn)定性影響很大，對于轎車，如果在設計階段沒有很好考慮，在強風時升力可達幾十甚至幾百牛頓，這個附加的力，給前輪減輕了負荷，從而破壞了汽車的操縱性；在后輪減小了負荷，使驅(qū)動力減小。產(chǎn)生的升力和側向風的合力具有二次曲線式的增加趨勢，對側風穩(wěn)定性影響很大。升力由汽車外形，特別是地盤下面的形狀所影響，一般無風升力系數(shù)CZ=-0.4～+0.4，但橫擺角特性的差別很大，尤其當橫擺角為10o以上時，升力急驟增加（如圖3-11）。一般流線型好的汽車升力大，敞篷車、載重車等升力小。作用在汽車上的空氣，有35%～40%在車身上面通過，10%～15%在車身下面通過，25%在車身側面通過，所以減小車身上、下壓力差，使大量的氣流流經(jīng)側面，可以減小升力。使底板下部流線型化，壓低發(fā)動機罩前端，減緩前風窗的傾角，都可減少前端的升力。減小升力，可提高汽車高速行駛的直線性及側向穩(wěn)定性。升力減小后，防止了汽車的擺頭，由于增大了車輪附著力而使穩(wěn)定性提高。圖3-11升力系數(shù)的橫擺角特性圖3-12側向力系數(shù)的橫擺角特性

2.側向力及橫擺力矩當汽車受到非正迎面風時，氣流的合成相對速度與x軸成β角，在y方向上受到了側向力，側向力將隨β角的增加而直線上升（如圖3-12）。如果側向力的作用點與坐標原點有個距離（這個值指隨車身形狀和橫擺角而變化），即產(chǎn)生繞z軸回轉(zhuǎn)的橫擺力矩，如果側向力的合力通過側向反作用力中心，汽車將保持直線行駛，但相對原行駛方向會有偏轉(zhuǎn)，如果側向力的合力作用在側向反作用力中心以前時，汽車將隨著風的方向轉(zhuǎn)向，并且產(chǎn)生橫擺力矩，使汽車向著風的方向擺動，造成穩(wěn)定性惡化。要提高汽車行駛方向穩(wěn)定性，不僅要減小側向力，而且應該將其作用點向車身后方移動。3．側傾力矩由于來自車身側面及其周圍氣流的影響，產(chǎn)生了繞x軸的側傾力矩。這個力矩通過懸掛裝置到車架至左右車輪，引起車輪負荷的變化，對應于力矩回轉(zhuǎn)的方向，使一側車輪的負荷增加，而另一側車輪負荷減小。3.5.3提高操縱穩(wěn)定性的汽車造型措施

1．克服升力和縱傾力矩的措施升力和縱傾力矩都將減小車輪與路面間的壓力，因而它將使轉(zhuǎn)向輪失去轉(zhuǎn)向力，驅(qū)動輪失去牽引力。如果汽車的風壓中心處于重心之前，則更會對前端的“抬頭”十分敏感，這時，速度愈快前輪升力愈大，致使“擺頭”也愈難控制，最終將導致失去操縱性。實驗表明，對于流線型較差，外形方正的汽車，風壓中心大約在汽車的中部；流線型愈好的汽車，風壓中心愈靠近前部，這是因為氣流在汽車后部能夠平順地流動，不受阻礙因而對汽車后部壓力較小的緣故?？梢?，流線型較好的汽車（空氣阻力較?。?，其升力和縱傾力矩反而較大，這是一對共生的矛盾。圖3-13升力較低的車型克服升力和縱傾力矩的汽車造型措施：⑴總體設計時，盡量做到風壓中心與重心接近。⑵采用類似楔型造型。盡量壓低車身前端，使尾部肥厚向上翹以產(chǎn)生負的縱傾角，借車身前部的傾斜而將迎面氣流壓向路面，以抵抗因車底空氣的擠壓力而產(chǎn)生的升力。采用后置或中置發(fā)動機的總布置方案可使汽車前部十分低矮，這是目前跑車和賽車流行的布置形式。⑶在車頂后端或車尾做成翹起來的形狀，可以很好地起到降低升力的作用（圖3-13）。2．克服側向力和橫擺力矩的措施橫擺力矩關系到行駛時的直線性和側風穩(wěn)定性，它具體表現(xiàn)在側向力對重心的關系上（圖3-14）。⑴側向力作用于重心之前，這時汽車頭部將隨側向風向外側轉(zhuǎn)動，它趨向于使側向力增大，導致穩(wěn)定性惡化。⑵側向力作用于重心之后時，汽車頭部將向內(nèi)側轉(zhuǎn)動，有利于減弱側向力，提高穩(wěn)定性。⑶側向力作用在重心點上時，汽車將有側移，但能基本保持行駛方向。圖3-14側向力為支隊穩(wěn)定性的影響克服橫擺力矩的汽車造型措施：⑴總體設計時，盡量合理安排各總成，做到風壓中心處于重心之后，以提高穩(wěn)定性。⑵盡量壓低車身高度，處理好橫截面的流線型性，以降低橫擺力矩。⑶車身后端加尾翹或采用方背式布置（圖3-15），使風壓中心后移，以減小橫擺力矩的不安定成分。但加尾翹后，汽車承受的側向風將增大，此點不容忽視。一般前置發(fā)動機的汽車，其風壓中心與車身的重心較接近，而后置發(fā)動機的汽車則往往因其車身重心后移，因側向風的作用而產(chǎn)生不安定性。箱型車比一般小轎車的側風穩(wěn)定性要好一些，因箱型車的車身截面后部較大，風壓中心在重心之后，當遭受側風時，側向偏移及橫擺角速度不致太大。圖3-15使風壓中心后移的附加措施a）加尾翹b）方背式3.5.4側傾力矩側傾力矩直接影響到汽車的側傾角，并對左右側車輪重量分配影響也較大。側傾力矩主要由車身側面形狀決定，一般地，側面流線型好的汽車，側傾力矩就相對小。克服側傾力矩的汽車造型措施：⑴在總體設計時，盡量使風壓中心在高度方向上接近于側傾軸線。⑵盡量降低重心。⑶采用長