车身结构与设计__第6章汽车的空气动力性能.ppt

第六章汽车的空气动力性能,第一节概述第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布第四节改善汽车空气动力性能的措施,主要内容,空气动力学（Aerodynamics）是研究物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学，它属于流体力学的一个重要分支。长期以来，空气动力学成果的应用多侧重于航空及气象领域，特别是在航空领域内这门科学取得了巨大的进展，给汽车或路面车辆的空气动力学（AutomotiveAerodynamics-RoadVehicleAerodynamics）研究提供了借鉴。然而进一步的深入研究表明，汽车或车辆的空气动力学问题从理论到实际两方面都与航空等问题有本质的区别，汽车空气动力学已逐步发展成为了空气动力学的一个独立分支，在方程式赛车领域更是得到了极大的应用。,第一节概述,研究内容：1）汽车行驶中的气动力和力矩的研究2）汽车表面及周围的流谱和局部流场的研究3）发动机和制动装置的空气冷却问题的研究4）汽车内部自然通风和换气问题的研究,第一节概述,理论计算方法：1）无粘流理论，不考虑空气的粘滞性（欧拉方程）2）粘滞理论，考虑空气的粘滞性（有限差分法）,第一节概述,第一节概述,研究手段：风洞风洞（windtunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。1）全尺寸模型（实车）风洞试验2）缩尺型风洞模型,汽车风洞由大功率电动机带动鼓风机和按一定要求设计的管道构成，风洞可分为直流式和回流式两种直流式又称埃菲尔式风洞，其结构是鼓风机在试验阶段下游靠吸入空气形成气流回流式又称哥廷根式风洞，通过试验段的气流经过循环系统再返回流动形成回流故得此名，其优点是可节省驱动功率汽车风洞中用来产生强大气流的风扇是很大的，比如奔驰公司的汽车风洞，其风扇直径就达8.5m，驱动风扇的电动功率高达4000kW，风洞内用来进行实车试验段的空气流速达270kmh。建造一个这样规模的汽车风洞往往需要耗资数亿美元，甚至10多亿，而且每做一次汽车风洞试验的费用也是相当大的。,第一节概述,第一节概述,第一节概述,中国汽车风洞（2009年同济大学）,第一节概述,风阻系数风阻系数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。风阻系数的大少取决于汽车的外形。风阻系数愈大，则空气阻力愈大。已知雨滴的风阻系数最小，在0.05左右。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,1气动力和气动力矩2汽车的空气阻力3汽车的气动升力4汽车的空气动力稳定性,1.汽车行驶时所受到的气动力和力矩,气动力F：将整个汽车外表面上压力合成而得到作用在汽车上的合力。,风压中心CP：合力在汽车上的作用点。,质心CG,迎风面积S,车身形状系数,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,空气阻力：,气动升力:,侧向分力：,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,纵倾力矩又称俯俯仰力矩My，(以使汽车抬头为正)：,式中Xc，Zc风压中心到质心的距离；L特征长度，一般指汽车轴距；CMy俯仰力矩系数。,横摆力矩Mz(以汽车右偏为正)：,侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正)：,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,2.汽车的空气阻力,正比：空气阻力系数CD，迎风面积S，空气密度及车速v2,分为5个部分：形状阻力摩擦阻力诱导阻力干扰阻力内部阻力,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,（一）空气阻力与最大车速的关系如果汽车在水平路面上作等速行使，驱动力全部用来克服滚动阻力和空气阻力，即：,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,在其它因素不变情况下，具有最大驱动力Ftmax时，可以获得最高车速：,可以看出，当Ftmax和G一定时，减小阻力系数CD使最高车速Vamax提高，或提高升力系数CZ可以使最大车速提高。但应注意到提高汽车的升力会影响到汽车的稳定性，所以不能通过提高CZ来提高Vamax。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,（二）空气阻力对加速度的影响加速性能是汽车的动力性指标之一，因此我们需要研究空气阻力对汽车加速度的影响。我们对下式两边求时间t的导数并加以整理，即可得汽车加速度：,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,式中，dPe/dt是表示汽车发动机功率随时间的增长率，它取决于发动机功率曲线。其值可由发动机试验确定。由上式可见，汽车的加速能力首先取决于发动机的加速性能，其次，汽车加速度还与汽车的空气阻力系数CD近似反比关系，减小汽车的空气阻力，就可以使汽车的加速度增大。同时看出，减小汽车重量G，也会有利于汽车加速度的提高。,（三）空气阻力对燃油经济性的影响,汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。在中国及欧洲，燃油经济性指标的单位为L/100km，即行驶100km所消耗的燃油升数，其数值越大，汽车燃油经济性越差。美国为MPG线mile/USgal，指的是每加仑燃油能行驶的英里数，这个数值越大，汽车燃油经济性越好。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,影响汽车燃油经济性的因素包括发动机性能、传动系性能、汽车重量、汽车外形、轮胎性能、行驶车速、挡位选择和使用保养等。下面主要就汽车外形所决定的空气阻力对燃油经济性的影响加以举例说明。空气阻力对燃油消耗量的影响，是与车种、行使道路和使用情况有关，因为各种汽车的空气阻力的大小是各不相同的。当汽车在丘陵地带行驶时，在汽车上除作用有滚动阻力和空气阻力外，还作用有加速阻力和爬坡阻力，这些阻力都要由驱动力来克服，因而都要消耗燃油，各种车辆的每100km的燃油消耗量，以及各种阻力燃油消耗量的百分比例示如图。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,各种车辆燃油消耗量,由图可见，小型客车用于克服空气阻力的燃油消耗量的比例最大，其次是普通货车。前者占总燃油消耗量的比例为50%左右而后者为32%左右。如汽车在平路上行使，当车速Va=80100km/h时，空气阻力占城际客车总阻力的相当大一部分。而市内客车，由于其停车次数的增加，平均速度下降而空气阻力也就大大减小。但其加速阻力却增大很多，因而其空气阻力所占比例较小。空气阻力系数降低对燃油经济性是很可观的。下图为AUDI100轿车的试验数据，例如，CD从0.42降到0.30，在混合循环时，燃油经济性可改善9%左右，而当以150km/h高速行驶时，燃油经济性竟能改善25%左右。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,AUDI100空气阻力系数降低导致的燃油经济性改善,半挂车空气阻力对燃油消耗量的影响,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,半挂车、大客车和轻型客车在各种道路条件下空气阻力减小带来的燃油节省量如图。,大客车空气阻力对燃油消耗量的影响,轻型客车空气阻力对燃油消耗量的影响,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,国产CA141货车曾进行了公路实车百公里油耗试验，采用加与不加附加装置对比试验，得出百公里油耗降低量如表。结果表明，加前阻风板、蓬和导流罩等空气动力学附加装置，可使CA141油耗降低24L/100km。,CA141货车采用附加装置后的百公里油耗降低量（L/100km）,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,下面我们举例计算一辆CA141货车的年油耗节省量。假设货车以45km/h的平均车速，每天行驶3h，每年使用260天，则年行驶里程为81900km，采用空气动力学附加装置后年油耗节省量为16383272L。这个数字是非常可观的,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,3汽车的气动升力,正比,升力产生的原理,反映了车身形状和位置状态对升力的影响程度，是评价汽车升力特性的重要指标。,提示：为安全考虑，减小气动升力比降低空气阻力更为重要!,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,降低升力的措施：,（1）采用负迎角,迎角:汽车前、后形心的连线与水平线的夹角。,前高后低为正,迎角越大,升力越大,造型应前低后高，产生负升力更好！,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,（2）在汽车前端底部、后端加扰流板,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,（3）车尾地板向上翘起一个角度,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,（4）汽车底部板向两侧略微上翘使底部气流有一部分流向两个侧面。当气流向两侧疏导时加快了底部的气流速度而使升力下降。（5）斜背加”鸭尾”,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,4汽车的空气动力稳定性,影响汽车操纵稳定性的气动力可分为：升力和纵倾力矩：关系到附着力和牵引力；侧向力和横摆力矩：关系到侧风稳定性和直线行驶性；侧倾力矩：关系到侧向稳定性；,1.升力及纵倾力矩由于汽车车身上部和下部气流流速不同而产生压力差，从而产生升力FZ。由于升力而产生绕y的俯仰力矩MY。2.侧向力及横摆力矩当汽车受到非正迎面风时，气流的合成相对速度与x轴成角，在y方向上受到了侧向力，侧向力将随角的增加而直线上升。如果侧向力的作用点与坐标原点有个距离（这个值指随车身形状和横摆角而变化），即产生绕z轴回转的横摆力矩。3侧倾力矩由于来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕x轴的侧倾力矩。这个力矩通过悬挂装置到车架至左右车轮，引起车轮负荷的变化，对应于力矩回转的方向，使一侧车轮的负荷增加，而另一侧车轮负荷减小。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,侧向力对稳定性的影响,风压中心在质心前边不好！,克服侧向力和横摆力矩的措施横摆力矩关系到行驶时的直线性和侧风稳定性，它具体表现在侧向力对重心的关系上（如上图）。侧向力作用于重心之前，这时汽车头部将随侧向风向外侧转动，它趋向于使侧向力增大，导致稳定性恶化。侧向力作用于重心之后时，汽车头部将向内侧转动，有利于减弱侧向力，提高稳定性。侧向力作用在重心点上时，汽车将有侧移，但能基本保持行驶方向。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,克服横摆力矩的汽车造型措施：总体设计时，尽量合理安排各总成，做到风压中心处于重心之后，以提高稳定性。尽量压低车身高度，处理好横截面的流线型性，以降低横摆力矩。车身后端加尾翘或采用方背式布置，使风压中心后移，以减小横摆力矩的不安定成分。但加尾翘后，汽车承受的侧向风将增大，此点不容忽视。,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,一般前置发动机的汽车，其风压中心与车身的重心较接近，而后置发动机的汽车则往往因其车身重心后移，因侧向风的作用而产生不安定性。箱型车比一般小轿车的侧风稳定性要好一些，因箱型车的车身截面后部较大，风压中心在重心之后，当遭受侧风时，侧向偏移及横摆角速度不致太大。,使风压中心后移的附加措施a）加尾翘b）方背式,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,使风压中心和汽车重心重合;形心在质心之后,靠近后轮;质心在L(轴距)/2之前；尽量使风压中心和汽车重心位于同一水平面.,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,第二节汽车行驶时所受到的气动力和力矩,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,1、附面层与分离点2、汽车前部的流谱3、汽车尾部的流谱4、汽车底部的流谱5、汽车周围的流谱6、汽车的内部气流与表面压强分布,空气的力学特性空气具有可压缩、粘性和热传导性等性质。但是在实际研究中为了研究的方便，一般不考虑空气的压缩性，称为理想空气。1、流线和流谱流线：空气流动的轨迹，即该假想曲线上任一点的切线方向与该时刻气流质点速度向量的方向相同。流谱：在某一瞬时的流场中，许多流线的集合称为该时刻气流的流谱。通过流谱来描述气流流动的全貌。2、流体流动的连续性流体的流速与流管的截面积的关系,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,1、附面层与分离点附面层研究表明，附在运动物体表面一层很薄的空气的流动情况与外层空气不同。在附面层内的空气流动存在速度梯度，空气的粘性不可忽略。附面层各层间的速度变化小，各层间是以不同速度错动的，称之为“层流”。而当附面层内各层间的速度梯度较大时，整个附面层充满了涡流，称之为“湍流”,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,汽车表面附面层分布,分离现象与涡流空气由a到d流速逐渐增加，过最大截面d后逐渐减小，而产生空气堆积，于是在K点使气流的速度为零，K以下微层的气流方向变为负值，产生倒流现象。从K点形成一个分离面K-K，在分离面下面产生涡流，涡流被外层空气带走，同时在分离面又卷入新的涡流，这种现象称为分离现象，K点称为分离点。会使运动阻力增大。,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,2、汽车前部的流谱,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,通过观察流谱，确定气流在发动机罩上的分离线和在风窗玻璃上的再附着线,影响其转角部位气流的主要因素有：1)发动机罩与前风窗的交角，轿车一般在35502)发动机罩的三维曲率和结构3)前风窗的三维曲率和结构,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,3、汽车尾部的流谱当气流沿汽车表面流动到汽车尾部时，气流分离而形成尾随汽车后面的湍流尾流。,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,1)在汽车造型中的短尾就是将尾流区中的车身切短，且产生的运动阻力不变；2)在造形设计时，可考虑运用引导气流对后风窗玻璃的冲刷作用,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,4、汽车底部的流谱一般认为，汽车底部和地面之间的气流状态受下列因素的影响：地面和底部间的距离（离地间歇）。车辆宽度、长度和高度之比及车身造型。底部的平整程度。地板的纵向曲率和横向曲率。,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,5、汽车周围的涡系,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,6、汽车的内部气流与表面压强分布研究车内气流的目的在于如何恰当地引入外部气流以最有效地完成冷却、通风后再排出车外，并使气流的进出对整车气动性能的影响最小。,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,6、汽车的内部气流与表面压强分布车身的表面压强分布与车内的通风根据车身表面的压强分布特性，在有高的正压强系数的前格栅处和驾驶室前围板处及发动机罩后部设置进风口。可设置出风口的部位：后柱、后窗下方、车顶后端、地板下方。轿车的进风口一般在发动机罩的后部，出风口设置在后窗柱下部,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,2）发动机的冷却发动机的冷却问题应同时考虑两个问题：A、如何减小空气阻力B、如何提高发动机的冷却效果根据车内的风路图，合理的设计发动机进气口和出气口的形状、大小及其位置。,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,第三节空气的粘滞现象、汽车的流谱和表面压强分布,湍流也会起到冷却引擎的作用,第四节改善汽车空气动力性能的措施,确定汽车车身造型有三个基本要素，即机械工程学、人体工程学和空气动力学。对空气动力学的主要要求有两个：一是减小空气阻力(与最高车速，加速性能和燃油经济性相关联)；二是减小气动升力和受横向风的不稳定性。长期以来使用的汽车空气动力学强调减少空气阻力，后来安全性和稳定性问题也受到了足够的重视。,第四节改善汽车空气动力性能的措施,一、汽车外形设计的局部优化二、采用各种气动附加装置三、外形设计的整体优化及汽车理想外形,第四节改善汽车空气动力性能的措施,一、汽车外形设计的局部优化1、车身头部棱角圆滑对阻力的影响头部棱角圆化可防止气流在转角处分离，减小阻力系数较长的车体有助于降低阻力系数，但长度过大阻力系数又会增加车头部不同流线型对阻力系数的影响程度不同车头边角圆化有助于降低阻力系数,第四节改善汽车空气动力性能的措施,不同形状及不同圆角对CD值的影响,第四节改善汽车空气动力性能的措施,车头及车头边角的最佳化,第四节改善汽车空气动力性能的措施,大客车车头边角倒圆和流线化对阻力系数的影响,第四节改善汽车空气动力性能的措施,2、前风窗立柱及流水槽形状对阻力的影响由于A柱在使用、设计、制造中的原因，一般都有凹面或凸面，则会造成气流的分离，产生气动噪声，同时增加阻力系数。,第四节改善汽车空气动力性能的措施,3、车身后部形状对阻力的影响,后背倾角小于30对应的流谱称为快背型流谱，大于30的称为方背型流谱。30倾角称为临界后背倾角,4、表面的光洁程度,a)后风窗大倾角,b)后风窗小倾角,第四节改善汽车空气动力性能的措施,第四节改善汽车空气动力性能的措施,二、采用各种气动附加装置在汽车上安装各种气动附加装装置，可以使汽车的气动性能得到明显改善。1、前部扰流器在车头下部安装扰流器，可减小阻力系数和升力系数，但扰流器必须有适当的高度及角度,第四节改善汽车空气动力性能的措施,前扰流器对阻力系数和前轴升力的影响,第四节改善汽车空气动力性能的措施,2、后扰流器在轿车后部设置后扰流器的目的：推迟涡流的产生（或气流的分离）、减弱涡流的强度并形成局部正压以降低阻力系数和升力系数。右图是行李箱盖后端的扰流器高度与空气阻力及空气升力系数的关系。,第四节改善汽车空气动力性能的措施,右图是不同结构形式的扰流器对阻力系数和升力系数的影响,是否需要加装后扰流器，需要根据后车体的形状及在其上的气流流动状况而定。一般而言，对具有平顺气流的快背形车，有可能起到好作用；而对于有些阶梯背的轿车，由于气流早已分离，所以无需再装扰流器。,第四节改善汽车空气动力性能的措施,3、导流罩一般为了降低空气阻力系数，降低油耗，在有的货车、大客车和半挂车上应用。导流罩和减阻装置一般可按功能分三种型式：减阻型调整压力分布型改善气流型,第四节改善汽车空气动力性能的措施,第四节改善汽车空气动力性能的措施,牵引挂车的车身细节和导流罩对阻力系数的影响（菲亚特研究中心）,第四节改善汽车空气动力性能的措施,4、隔离装置在牵引车和半挂车间应用，与导流罩配合使用，可起到稳定导流罩后部气流的作用，保证导流罩的减阻作用,第四节改善汽车空气动力性能的措施,三、外形设计的整体优化,车身的特点：车身表面积较小，可减小摩擦阻力车顶呈凸线型，可减小压差阻力和空气升力此概念车的风洞试验阻力系数为0.16,平宁法利那公司的研究成果,第四节改善汽车空气动力性能的措施,汽车外形空气动力学开发过程：汽车的造形设计必须以空气动力学开发为中心。对初期造型完成的多个缩小比例模型进行风洞试验，并根据结果修改再进行风洞试验，最后定型；按定型方案制作1：1模型，并加装各种附件，再进行风洞试验，作改进；按改进的模型设计样车，并进行最终的风洞试验,第四节改善汽车空气动力性能的措施,小结：本节由汽车外形与空气动力学特性的关系出发，介绍了汽车空气动力学开发的途径：一、细节优化从现有汽车外形出发，通过其各部分外形的细部优化，逐步改进，使其接近理想的流线型外形，获得理想的气动力学特性（理想流线型的阻力系数仅为0.040.05）二、从低阻外形开始的设计（整体优化设计）,第四节改善汽车空气动力性能的措施,车身外形设计各阶段的空气阻力系数变化及其空气气流的变化,第四节改善汽车空气动力性能的措施,理想气动外形1、车身侧面尽量降低车很总高减小离地间隙前领扁平，后端处理尽量使阻力降低（加尾翼等）发动机罩和顶盖扁平为确保方向稳定性加尾翼2、