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文档简介

摘 要 汽车车速的提高受到许多因素的制约。根据汽车空气动力学的原理,汽车行 驶时的空气阻力是一个不可忽视的关键因素,并且空气阻力的影响因素也是多方 面的。为了提高汽车的行车速度,从汽车空气阻力空气阻力的影响因素出发,分 汽车迎风面积和空气阻力系数两个方面,说明了降低汽车空气阻力与提高车速的 理论基础。并引用具体事例及试验数据,对汽车车身结构设计(分前部、中部、 后部)进行了分析改进,以期探讨降低汽车空气阻力的措施和方法,从而达到提高 车速的目的。 关键词: 汽车;车身结构;空气阻力; abstrat the improvement of vehicle speed is restricted by many factors. according to the principle of aerodynamics, the air resistance when the automobile runs is a key factor that can not be ignored, and the influence of the air resistance factors are in many aspects. in order to improve the speed of the car, starting from the influencing factors of automobile air resistance and air resistance, divided into two parts for automotive frontal area and air resistance coefficient, illustrates the theoretical basis of lower speed automotive air drag and improve. and citing specific examples and test data, the car body structure design (anterior, middle, posterior branch) is analyzed and improved, in order to explore the measures and methods to reduce the air resistance, so as to improve the speed of. keywords: automobile body structure; air resistance; 目 录 摘 要 1 前 言 3 1 空气阻力 5 1.1 空气阻力的概念及分类 5 1.2 摩擦阻力 5 1.3 压力阻力 5 1.4 形状阻力 5 1.5 干扰阻力 5 1.6 内循环阻力 5 1.7 诱导阻力 5 2 降低汽车空气阻力的措施和方法 5 2.1 降低汽车空气阻力系数的意义 6 2.2 汽车车身的设计要求 7 2.3 扰流器 8 2.4 汽车加装尾翼法 8 2.5 新型涂料法 9 2.6 新型喷射系统 9 结 论 .10 参考文献 .11 致 谢 .12 前 言 汽车问世后的 100 多年间,科技突飞猛进,时至今日,已成为集当代高科技于 一身且与人类生活息息相关的时代骄子。尤其是近年来,国家加大交通设施的投 资力度,高速公路等交通网络四通八达,大大缩短了城市之间的距离,方便了人们 的日常生活。欣喜之余,能否进一步提高汽车车速摆在了每一个汽车工作者的面 前。随着汽车速度的不断提高,随之出现的与汽车气动性能有关的问题也越来 越多,如空气阻力(当车速达到 250300km/h 时,空气阻力占总阻力的 50% 以上)、气动噪声以及对周围环境的影响等,均与汽车外形的流线程度有关。 为此,还必须进一步优化车体外形,减少空气阻力等对汽车的影响。从时速不 超过 50km/h 的马车型汽车,发展到现在的流线型汽车时速可以达到 200300km/h ,百年的汽车发展给人类社会带来了巨大而深刻的变化。为此, 本文将对汽车行驶时的空气阻力这一不可忽视的关键因素进行具体分析,以期探 讨降低汽车空气阻力,提高汽车车速的措施和方法。 小轿车在高速行驶中所受空气阻力主要包括以下几种: 一、摩擦阻力 二、压力阻力 三、形状阻力 四、干扰阻力 五、内循环阻力 六、诱导阻力 针对汽车高速行驶的空气阻力的的特点,就对应解决降低汽车空气阻力的 办法,其中有: 一、汽车车身的设计 二、汽车加装尾翼法 三、新型涂料法 四、新型喷射系统 1 空气阻力 11 空气阻力的概念及分类: 空气阻力指空气对运动物体的阻碍力,是运动物体受到空气的弹力而产生 的。物体在运行时,由于前面的空气被压缩,两侧表面与空气的摩擦,以及尾 部后面的空间成为部分真空,这些作用所引起的阻力。在逆风运行时,还要把 风力附加在内。 空气阻力是汽车在空气介质中行驶,汽车相对于空气运动时空气作用力在 行驶方向形成的分力,与汽车速度的平方成正比,车速越快阻力越大。如果空 气阻力占汽车行驶阻力的比率很大,则会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车 的动力性能。 在一级方程式赛车界中有这么一句话:“谁控制好空气,谁就能赢得比赛!”。 追求最佳的空气动力是现代一级方程式赛车中最重要的部分之一。在时速达 300km 以上的赛车世界中,空气在很大程度上决定了赛车的速度。空气动力中, 要考虑的要素简而言之有两点。1:减少空气阻力;2:增加把赛车下压的下压 力。空气阻力越小赛车的速度越能越快,下压力越大赛车在弯道时的速度就越 快。空气动力学简单说就是如何取决在某些时候这两个完全相反的力的最佳平 衡。实际操作时要与环境因素造成的气流量的压强挂钩。 否则你将区别不出什 么是空气动力和空气阻力。 空气阻力是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力。空气阻力系数, 又称风阻系数,是计算汽车空气阻力的一个重要系数。它是通过风洞实验和下 滑实验所确定的一个数学参数, 用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风 阻系数的大小取决于汽车的外形.风阻系数愈大,则空气阻力愈大.现代汽车的风 阻系数一般在 0.3-0.5 之间。 风阻是车辆行驶时来自空气的阻力,一般空气阻力有好几种形式,其中一 种是气流撞击车辆正面所产生的阻力,就像拿一块木板顶风而行,所受到的阻 力几乎都是气流撞击所产生的阻力。还有就是摩擦阻力,空气与划过车身一样 会产生摩擦力,然而以一般车辆能行驶的最快速度来说,摩擦阻力小到几乎可 以忽略。另外还有外型阻力,一般来说,车辆高速行驶时,外型阻力是最主要 的空气阻力来源。外型所造成的阻力来自车后方的真空区,真空区越大,阻力 就越大。 一般来说,三厢式的房车之外型阻力会比掀背式休旅车小。 车辆在行驶时,所要克服的阻力有机件损耗阻力、轮胎产生的滚动阻力(一 般也称做路阻)及空气阻力。 随著车辆行驶速度的增加,空气阻力也逐渐成为 最主要的行车阻力,在时速 200km/h 以上时,空气阻力几乎占所有行车阻力的 85%。 一般车辆在前进时,所受到风的阻力大致来自前方,除非侧面风速特别大。 不然不会对车辆产生太大影响,就算有,也可通过方向盘来修正。风阻对汽车 性能的影响甚大。根据测试,当一辆轿车以 80 公里/时前进时,有 60%的耗油 是用来克服风阻的。 风阻系数 cd 是衡量一辆汽车受空气阻力影响大小的一个 标准。风阻系数越小,说明它受空气阻力影响越小,反之亦然,因此说风阻系 数越小越好。一般来讲,流线性越强的汽车,其风阻系数越小。 风阻系数可以通过风洞测得。当车辆在风洞中测试时,借由风速来模拟汽 车行驶时的车速,再以测试仪器来测知这辆车需花多少力量来抵挡这风速,使 这车不至于被风吹得后退。在测得所需之力后,再扣除车轮与地面的摩擦力, 剩下的就是风阻了,然后再以空气动力学的公式就可算出所谓的风阻系数。 风阻系数=正面风阻力 2(空气密度 x 车头正面投影面积 x 车速平方)。 一辆车的风阻系数是固定的,根据风阻系数即可算出车辆在各种速度下所 受的阻力。 12 摩擦阻力 指空气粘度在车身表面产生的切向力在行驶方向的分力;该力仅占空气阻 力总额的 9%,在航空和航天中其作为重点考虑对象,在地面一般车辆中可予以 忽略。 13 压力阻力 指汽车外表面大气作用的法向压力在行驶方向的分力;根据阻力源的不同, 压力阻力又分为:形状阻力、干扰阻力、内循环阻力及诱导阻力。 14 形状阻力 由车身形状的不同而产生的空气阻力(主要由作用在汽车前、后两面的压 力差所至) ,其占空气阻力总额的 58%; 15 干扰阻力 车身中局部突起部分(如:反光镜、车门把手等)产生的空气阻力,其占 空气阻力总额的 14%; 16 内循环阻力 发动机进、排气系统、冷却系、车身通风系统等所需要和产生的空气流流 经车体内部所产生的阻力,其占空气阻力总额的 12%; 17 诱导阻力 空气升力在水平方向的投影(主要由作用在车身上、下两面的压力差所至) , 其占空气阻力总额的 7%; 2 降低汽车空气阻力的措施和方法 汽车空气动力学性能对汽车的安全性、经济性和舒适性具有重要影响。文 中通过分析汽车前部、客舱、尾部、底部、附加装置和车轮对汽车空气动力学 性能的影响,从汽车空气动力学设计的角度优化汽车造型,进而提高汽车的安全 性、经济性和舒适性。 汽车具有良好的空气动力学性能,有利于提高 汽车的动力性和燃油经济性、 改善汽车的操纵性和行驶稳定性进而提高汽车的安全性、改善汽车的乘坐舒适 性。随着汽车设计、制造技术的进步和对汽车性能的要求越来越高,汽车空气动 力学性能已成为汽车车身设计中必须考虑的重要因素。 通过改善汽车的空气动力学性能,比如变化尾翼、底盘罩、前部进风口和 轮毂帽,都能降低风阻系数。而降低车身高度,等于减小了截面积,或使车身 更多的覆盖住轮子,也有利于降低空气阻力。 2.1 汽车空气阻力系数的意义 汽车的空气阻力系数是一种车型的重要参数。对新车型设计和车型改装来 说,为减少空气阻力系数,以获得良好的汽车动力性和燃料经济性,是汽车设 计者的一项重要工作。 1970 年美国人设计了一辆名为/蓝色火焰 0(theblueflame)的赛车,其最高 速度纪录已近 1000kmph;1983 年英国/推力 2 号 0 火箭车在美国的黑石沙漠创 1020kmph 的世界陆地速度记录;日本近年来研制成功的磁悬浮列车,其原理就是 它们的外形似火箭,迎风面积小,速度极快,降低了空气阻力系数。从本世纪初 期的汽车发展到现在,车身外形从箱形 v 甲虫形 v 船形 v 鱼形 v 楔形,其主要目 的之一就是降低空气阻力系数。 汽车在行驶中由于空气阻力的作用,围绕着汽车重心同时产生纵向、侧向 和垂直等三个方向的空气动力量,其中纵向空气力量是最大的空气阻力,大约 占整体空气阻力的 80%以上。 由于空气阻力与空气阻力系数成正比关系,现代轿车为了减少空气阻力就 必须要考虑降低空气阻力系数。从 20 世纪 50 年代到 70 年代初,轿车的空气阻 力系数维持在 0.4 至 0.6 之间。70 年代能源危机后,各国为了进一步节约能源, 降低油耗,都致力于降低空气阻力系数。现在轿车的空气阻力系数一般在 0.28 至 0.4 之间。 试验表明,空气阻力系数每降低 10%,燃油节省 7%左右。曾有人对两种相 同质量、相同尺寸;但具有不同空气阻力系数(分别是 0.44 和 0.25)的轿车进 行比较,以每小时 88km 的时速行驶了 100km,燃油消耗后者比前者节约了 1.7l。 小轿车高速行驶中空气在汽车头部气流开始分流,而汽车外形的变化使流 速开始加快。在汽车的顶部和底部产生高速区,且在车顶部分产生最高流速, 然后开始逐渐回落。汽车尾流中有纵向的涡流产生,随尾流的发展,涡流由强 到弱,涡心降低(逐渐接近轨面),涡核向外移动。通过比较,流线型车型优 于其他车型,且在低速和高速时都有较好的空气动力性能。故在汽车外形发展 设计研究时,应尽量将汽车外形设计成流线型,外形曲面曲率不应出现突变或 变化过大,避免产生流动分离。 针对摩擦阻力、诱导阻力,轿车车身应该尽量设计成流线型,横向截面面 积不要太大,车身各部分用适当的圆弧过渡,尽量减少突出车身的附件,前脸、 发动机舱盖、前挡风玻璃适当向后倾斜,后窗、后顶盖的长度、倾角的设计要 适当。此外,还可以在适当的位置安装导流板或 扰流板。通过研究汽车外部的 气流规律,不仅可以设计出更加合理的车身结构,还可以巧妙地引导气流,适 当利用局部气流的冲刷作用减少车身上的尘土沉积。 针对形状阻力、内循环阻力阻力,要设法降低行驶中的升力,包括使弦线 前低后高,底版尾部适当上翘,安装导流板和扰流板等措施。一部分外部气流 被引进汽车内部,可能会在一定程度上减少了外部气流对汽车的阻力,但气流 在流经内部气道时也产生的摩擦、旋涡损失。研究汽车内部的气流规律,可以 尽量减少内部气阻,有效地进行冷却和通风。利用气流分布规律,还可以巧妙 地把发动机的进气口安排在高压区,提高进气效率,减少高压区附近的涡流, 同时把排气口安排在低压区,使排气更加顺畅。 2.2 汽车车身的设计要求 2.2.1 汽车前部 车头造型中影响汽车空气动力学性能的因素很多, 如车头边角、车头形状、 车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气 口大小和格栅形状等。车头边角主要是指车头上缘边角和横向两侧边角。对于 非流线型车头, 存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负 压区; 车头横向边角倒圆角, 也有利于产生减小气动阻力的车头负压区 , 圆角 与阻力的关系 r / b= 0. 045( r 为车头横向边角倒圆角半径 , b 为车宽) 时, 即可保持空气流动的连续; 整体弧面车头产生的气动阻力比车头边角倒圆产生 的气动阻力小;车头头缘位置较低的下凸型车头的气动阻力系数最小。但气动 阻力系数不是越低越好, 因为低到一定程度后, 车头阻力系数不再变化, 车头 头缘的最大离地间隙越小, 则引起的气动升力越小 , 甚至可以产生负升力。增 加下缘凸起唇, 气动阻力变小, 减小的程度与唇的位置有关。发动机罩与前风 窗的设计可以改变再附着点的位置, 从而影响汽车的气动特性。例,以 2 块相 交成一定角度的平板模拟汽车发动机罩与前风窗的实验研究表明, 分离点 s 的 位置 x / c 与再附着点 r 的位置 x / d 具有对称性, 且分离点 s 与再附着点 r 之间的有旋分离泡 sr 的大小与 有很重要的关系。发动机罩的纵向曲率越 小( 目前采用的纵向曲率大多为 0. 02 m- 1 ) , 气动阻力越小; 发动机罩的 横向曲率也有利于减小气动阻力。发动机罩具有适当的斜度( 与水平面的夹角) 对降低气动阻力有利, 但如果斜度进一步加大, 则降阻效果不明显。风窗玻璃 纵向曲率越大越好, 但不宜过大, 否则将导致视觉失真、刮雨器刮扫效果变差; 前风窗玻璃的横向曲率也有利于减小气动阻力; 前风窗玻璃的斜度( 与垂直面 的夹角) 小于 30 时, 降阻效果不明显, 但过大的斜度, 将使视觉效果和舒适 性降低; 前风窗斜度等于 48 时, 发动机罩与前风窗凹处会出现明显的压力降, 因而造型设计时应避免出现这个角度; 前风挡玻璃的倾斜角度( 与垂直面的夹 角) 增大, 气动升力系数略有增加。发动机罩与前风窗的夹角及结合部位的细 部结构对气流也有重要影响。 汽车前端形状对汽车的空气动力学性能具有重要影响。前端凸且高, 不仅 会产生较大的气动阻力,而且还将在车头上部形成较大的局部负升力区。具有较 大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。 2.2.2 汽车客舱 前立柱上的凹槽、小台面和细棱角处理不当, 将导致较大的气动阻力、较 严重的气动噪声和侧窗污染, 因此, 应设计成圆滑过渡的外形。英国 white 于 1967 年根据试验结果对气动阻力影响最关键的车身外形参数进行分级, 具有重 大实际指导作用。轿车侧壁略外鼓, 将增加气动阻力 , 但有利于降低气动阻力 系数; 外鼓系数( 外鼓尺寸与跨度之比) 应避免处于 0. 02 0. 04。顶盖有适 当的上扰系数( 上鼓尺寸与跨度之比 ) , 有利于减小气动阻力、综合气动阻力 系数、气动阻力、工艺、刚度和强度等方面因素,顶盖的上扰系数应在 0. 06 以下。对阶背式轿车而言, 客舱长度与轴距之比由 0. 93 增至 1. 17, 会较大 程度地减小气动升力系数。但发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响 不大。 2.2.3 汽车尾部 车身尾部造型中影响气动阻力的因素主要有后风窗的斜度( 后风窗弦线与 水平线的夹角) 与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度及尾部横向收缩。后风 窗斜度对气动阻力的影响较大 , 对斜背式轿车, 斜度等于 30 时, 阻力系数 最大; 斜度小于 30 时, 阻力系数较小。后挡风玻璃的倾斜角一般以控制在 25 之内为宜; 后风窗与车顶的夹角为 28 32 时, 车尾将介于稳定和不稳 定的边缘。典型的尾部造型有斜背式、阶背式和方( 平) 背式。由于具体后部 造型与气流状态的复杂性, 一般很难确切地断言尾部造型式样的优劣, 但从理 论上说, 小斜背 ( 角度小于 30) 具有较小的气动阻力系数。流线型车尾的汽 车存在最佳车尾高度, 此状态下 , 气动阻力系数最小 , 此高度需要根据具体车 型及结构要求而定。后车体横向收缩可以减小截面面积, 一定程度的后车体的 横向收缩对降低气动阻力系数有益, 但过多的收缩会引起气动阻力系数增加。 收缩程度因具体车型而定。车尾最大离地间隙越大, 车尾底部的流线越不明显, 则气动升力越小, 甚至可以产生负升力。长尾车可能产生较大的横摆力矩, 而 切尾的快背式汽车的横摆力矩并不大, 可以通过加尾翼减小横摆力矩, 改善汽 车的操纵稳定性。 2.2.4 汽车底部 一般随车身底部离地高度的增加, 气动阻力系数有所减小, 但高度过小, 将增加气动升力, 影响操纵稳定性及制动性; 另外 , 确定离地高度时, 还要考 虑汽车的通过性与汽车重心高度。车身底部纵倾角对气动阻力影响较大, 纵倾 角越大, 气动阻力系数越大, 故底板应尽量具有负的纵倾角 , 将底板做成前低 后高的形状有利于减小气动升力。车身底板适度的纵向曲率( 用弯度线与直线 的最大高度差 h 与直线长度 l 之比为弯度来描述 ) 可以降低平均压力 , 相应 地减小气动升力; 适度的车身底板横向曲率可以减小气动阻力, 但太大, 可能 引起底部横向气流与侧面气流相干扰。合适的后部离去角, 也可能减小空气阻 力。 2.2.5 汽车车轮 车身主体与车轮之间存在很大的相互干涉, 被轮腔覆盖的车轮的车轮- 轮 腔特性参数( 被轮腔所覆盖的车轮高度 h 与车轮直径 d 的比值) 对气动阻力的 影响如图 4 所示。h/ d 0. 75 时, 气动阻力系数回升。适度加宽轮胎对气动阻力系数有利, 但不宜过宽, 存 在一个最佳宽度。不同形状的车轮辐板及车轮辐板上开孔面积的布置方式对气 动性能有很大影响, 在总开孔面积相同的情况下,适当增加开孔数有利于改善气 动性能。 2.3 扰流器 扰流器通过对流场的干涉, 调整汽车表面压强分布, 以达到减小气动阻力 和气动升力的目的。前扰流器( 车底前部) 的适当高度、位置和大小对减小气 动阻力和气动升力至关重要。目前, 大多将前保险杠位置下移并加装车头下缘 凸起唇, 以起到前扰流器的作用。后扰流器( 车尾上部 ) 的形状、尺寸和安装 位置对减小气动阻力及气动升力也非常重要,但后扰流器对气流到达扰流器之前 就已分离的后背无效。有的把天线外形设计成扰流器, 装在后风窗顶部; 在赛 车上设计前、后负升力翼, 以抵消部分升力, 从而改善汽车转向轮的附着性能。 2.4 汽车加装尾翼法 它的主要作用是可以有效地减少轿车在高速行驶时的空气阻力和节省燃料。 汽车在行驶过程中阻力可分为纵向、侧向和垂直上升 3 个方面的作用力。根据 测试,当一辆车以 80 公里/小时前进时,有 60%的耗油是用来克服纵向风阻的。 为了有效地减少并克服汽车高速行驶时空气阻力的影响,人们设计使用了汽车 尾翼,其作用就是使空气对汽车产生第四种作用力,即对地面的附着力,它能 抵消一部分升力,控制汽车上浮,减小风阻影响,使汽车能紧贴着道路行驶, 从而提高行驶的稳定性。汽车尾翼形状尺寸是经过设计师精确计算而确定的, 不宜过大也不宜过小,不然反而会增加轿车的行车阻力或起不到应有的作用。 2.5 新型涂料法 美国芝加哥市一家化学公司研制成一种可减少空气阻力的新型涂料。这种 涂料涂在物体表面,会在被涂复物表面上形成致密的涂膜,在显微镜下观看, 涂膜的排列象流线形的鱼鳞状。把这种涂料涂刷在飞机、汽车、火车或其他交 通工具上,可以减少行驶时的空气阻力,降低燃料消耗。研究表明,非常光滑 的表面在气流和水流中并不是最佳选择。像鲨鱼那样有细微颗粒的皮肤实际上 更有利于在水中滑行。同样,这样的皮肤应该比光滑的皮肤更符合空气动力学 原理。研究人员希望将来在汽车、轮船和飞机上涂上这样“粗糙”的表层,减 少阻力,节省燃料。 2.6 新型喷射系统 法国雷诺在第 76 届日内瓦车展(76th international geneva motor show) 上发表了概念车“altic” 。该车配备了可减少空气阻力的“synthetic jet”系 统。该技术的专利由法国雷诺拥有,能够调整高速行驶时从车顶脱离后在车辆 后方形成乱流的气流。该系统在车顶后端设计有宽 2mm 的缝隙,从车顶流入缝 隙的空气遇到嵌装在缝隙内的振动膜时就会被间歇性喷射出去。这样便可防止 气流脱离车顶、减小在车辆后方产生的乱流,从而达到减小空阻力的目的。在 车速达到 130km/h 时,喷射系统耗电 10w 可减少 15%的空气阻力。 结 论 改善汽车空气动力学性能,降低小轿车高速行驶所受空气阻力,除了优化汽 车造型之外, 人们也在寻求其他方法。虽然低阻汽车的动力性和经济性得以提 高, 但任何事物都有两面性。卡姆认为, 对于流线型汽车 , 随着横摆角的变化, 阻力系数有很大变化, 即低阻汽车的侧风稳定性差。汽车设计中必须综合各方 面因素, 权衡利弊, 才能设计出高性能的汽车。 提高汽车车速,关系到与此相关的诸多因素。如发动机本身的功率、行车路 况的好坏及行车环境、管理等方面,从汽车空气动力学的角度出发,汽车空气阻 力 fx 则是制约车速 v 的关键因素。目前国内外的汽车生产厂家及科研部门均对 汽车空气阻力这一课题相当重视,进行了大量的(风洞)试验研究工作。吉林工业 大学、清华大学、湖南大学等高校以及一汽、二汽等大中型企业,走在我国汽车 工业科研开发的最前沿。试验研究表明:当汽车车速在 100kmph 以上时,空气阻 力对汽车车速的再度提高起着至关重要的制约作用,此时发动机输出功率的 80% 将 消耗用于克服空气的阻力。此外,汽车车身表面粗糙度、安装前后扰流器、 货车安装导流罩等,都可降低 fx。为此,本文着重讨论的汽车空气阻力的影响因 素,分析并提出的在汽车车身结构设计上的一些改进措施及其所带来的明显效果,对 汽车设计生产,尤其是高速车辆的研制,具有一定的实用参考价值。 对于现在这个年代,低风阻无疑并不只是一个车厂夸耀自己空气动力学造 诣的理由,而是相当重要的一项性能。当然,现在并不是 1990 年代初时候那个 过于强调风阻系数,而忽略了车辆的下压力的年代了,现在的低风阻系数车辆 并不会像那个年代的车一样,如果重量较轻就会发生“发飘”的现象。 基本上,主流车厂在空气动力学方面的研究在这 5 至 6 年里得到了迅猛的 发展(原因很简单,内燃机的改进在近十年步伐明显放缓,要想改善汽车的动 力表现只有从改善空气动力学和提高动力传输效率两方面入手) 。新的量产车在 空

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