第三章　汽车造型工作方法

12KA2,主编,第三章汽车造型工作方法第四章汽车空气动力学,第三章汽车造型工作方法,第一节前期准备第二节初步设计第三节技术设计1.11内部模型的作用第四节现代化汽车造型技术,第一节前期准备,一、产品开发计划二、汽车造型前期工作,一、产品开发计划,1.车型定位2.可行性分析3.设计任务书,1.车型定位,2.可行性分析,3.设计任务书,1)对产品技术指标的描述，其中写明对汽车的车型、各个主要尺寸、主要质量指标、主要性能指标以及各个总成的型式和性能等具体要求。2)设计开发进度时间表。,1)对产品技术指标的描述，其中写明对汽车的车型、各个主要尺寸、主要质量指标、主要性能指标以及各个总成的型式和性能等具体要求。,2)设计开发进度时间表。,二、汽车造型前期工作,1.造型项目的任务2.造型人员的组织与配备3.资料准备,1.造型项目的任务,(1)局部造型(现生产车型改型)一个车型经历设计开发各个环节以及生产准备各个环节，需要一段较长的时间并且投入相当的资金。(2)整车造型(换代造型)随着汽车的更新换代，需要对整辆汽车进行造型，实现产品美感的全面升级，使其艺术面貌发生质的飞跃，以期对顾客产生强烈的视觉冲击和精神感染，推动市场销售。,(1)局部造型(现生产车型改型)一个车型经历设计开发各个环节以及生产准备各个环节，需要一段较长的时间并且投入相当的资金。,(2)整车造型(换代造型)随着汽车的更新换代，需要对整辆汽车进行造型，实现产品美感的全面升级，使其艺术面貌发生质的飞跃，以期对顾客产生强烈的视觉冲击和精神感染，推动市场销售。,2.造型人员的组织与配备,(1)造型师造型师负责提供造型方案，绘制效果图，制作胶带图，并配合与指导实物模型师和数字模型师的工作。(2)色彩花纹设计师色彩花纹设计师负责汽车外部色彩设计和室内覆饰材料的图案、纹理、色彩的设计或选择。(3)实物模型师实物模型师负责制作实体汽车模型(物理模型)，亦即根据造型方案和胶带图，在造型师的配合与指导下雕塑出光顺、连续、精确的模型。(4)三维数字模型师三维数字模型师负责在计算机中构造汽车模型，亦即根据造型师给出的形体数据运用计算机进行造型。(5)逆向工程师逆向工程师负责实物模型的三维坐标测量，把实物模型的形面转化为三维数字，再进一步转换成数学模型。,(1)造型师造型师负责提供造型方案，绘制效果图，制作胶带图，并配合与指导实物模型师和数字模型师的工作。,(2)色彩花纹设计师色彩花纹设计师负责汽车外部色彩设计和室内覆饰材料的图案、纹理、色彩的设计或选择。,(3)实物模型师实物模型师负责制作实体汽车模型(物理模型)，亦即根据造型方案和胶带图，在造型师的配合与指导下雕塑出光顺、连续、精确的模型。,(4)三维数字模型师三维数字模型师负责在计算机中构造汽车模型，亦即根据造型师给出的形体数据运用计算机进行造型。,(5)逆向工程师逆向工程师负责实物模型的三维坐标测量，把实物模型的形面转化为三维数字，再进一步转换成数学模型。,3.资料准备,1)查找有关的国家标准和法规，使汽车造型符合这些标准和法规所给定的范围。2)获取与造型相关的布置图和控制尺寸，如整车的总布置图、车身总布置图、相关部件和零件的布置和外廓形状等，作为造型基本形体的依据。3)造型资料。,1)查找有关的国家标准和法规，使汽车造型符合这些标准和法规所给定的范围。,2)获取与造型相关的布置图和控制尺寸，如整车的总布置图、车身总布置图、相关部件和零件的布置和外廓形状等，作为造型基本形体的依据。,3)造型资料。,第二节初步设计,一、汽车总布置设计与车身总布置设计二、效果图三、缩小比例模型四、选型讨论会,一、汽车总布置设计与车身总布置设计,1.总布置设计的作用2.汽车总布置设计3.车身总布置设计,1.总布置设计的作用,2.汽车总布置设计,3.车身总布置设计,1)确定车身内部、外部主要尺寸。2)确定驾驶人操作位置及乘客乘坐位置。3)校核各项性能法规所要求的尺寸(如风窗刮扫面积及视野性等)。4)承载式轿车车身为各总成提供的支承方式及尺寸。5)确定车前板制件的尺寸界限，根据前轮跳动图确定前翼板及挡泥板的形状。6)布置车身附件及其他装置。,1)确定车身内部、外部主要尺寸。,2)确定驾驶人操作位置及乘客乘坐位置。,3)校核各项性能法规所要求的尺寸(如风窗刮扫面积及视野性等)。,4)承载式轿车车身为各总成提供的支承方式及尺寸。,5)确定车前板制件的尺寸界限，根据前轮跳动图确定前翼板及挡泥板的形状。,6)布置车身附件及其他装置。,二、效果图,1.形象草图2.概念草图3.彩色效果图(Rendering),1.形象草图,图3-1形象草图绘制,2.概念草图,图3-2中国第一代红旗轿车设计草图,2.概念草图,图3-3捷豹C-X16概念车草图,3.彩色效果图(Rendering),图3-4整车外形效果图,3.彩色效果图(Rendering),图3-5室内造型效果图,3.彩色效果图(Rendering),图3-6三种角度的汽车透视图a)30透视角度b)45透视角度c)60透视角度,三、缩小比例模型,1.缩小比例模型(Scale2.缩小比例模型的作用3.制作模型的工具4.缩小比例模型的构造与制作步骤5.制作缩小比例模型的技术协作,1.缩小比例模型(Scale,1)按尺寸分类，缩小比例模型(简称缩比模型)基本上可分为110和15两种。2)按材料分类，又可分为造型泥(油泥)模型、石膏模型、仿真模型3种。,1)按尺寸分类，缩小比例模型(简称缩比模型)基本上可分为110和15两种。,2)按材料分类，又可分为造型泥(油泥)模型、石膏模型、仿真模型3种。,2.缩小比例模型的作用,(1)缩小比例模型是造型构思的延续彩色效果图经过研讨与初步评议，选择优秀的方案作为雕塑缩小比例模型的依据。(2)缩小比例模型比效果图的三维空间感更强模型与效果图的最大区别是真实的三维空间感。(3)缩小比例模型是全尺寸(11)模型的前期试验品对于轿车，缩小比例模型最合适的比例是15。(4)缩小比例模型是选型的重要依据在初步设计结束时，需要有几个缩小比例的模型送交评审，作为选型的重要依据。,(1)缩小比例模型是造型构思的延续彩色效果图经过研讨与初步评议，选择优秀的方案作为雕塑缩小比例模型的依据。,(2)缩小比例模型比效果图的三维空间感更强模型与效果图的最大区别是真实的三维空间感。,(3)缩小比例模型是全尺寸(11)模型的前期试验品对于轿车，缩小比例模型最合适的比例是15。,(4)缩小比例模型是选型的重要依据在初步设计结束时，需要有几个缩小比例的模型送交评审，作为选型的重要依据。,3.制作模型的工具,(1)雕塑工具雕塑油泥模型所使用的工具可以说没有什么限制，木模工、钳工、艺术雕塑使用的工具，如扁铲、刮刀、刻刀、刮片、锯条，甚至餐刀等都可以用来进行泥模塑形。(2)普通手工量具量具在泥模的制造过程中具有重要的地位，量具的精度与使用量具的水平直接决定了泥模型的尺寸精度和曲面质量。(3)三坐标测量仪一种可以替代上述主要测量工具的先进仪器，可以通过探针接触或不接触模型表面的方式，直接读取测点的三维绝对坐标数据并输入计算机。(4)三维扫描仪一种近几年出现的更加先进快速的三维测量仪器。,3.制作模型的工具,(5)油泥烤箱与油泥回收机油泥需要用工业烤箱加热到4560才能变得柔软而易于成形。(6)其他辅助工具与设备其他辅助工具包括用来制作样板的工具、制作油泥模型骨架的工具、制作效果附件的工具以及搬运工具等。,(1)雕塑工具雕塑油泥模型所使用的工具可以说没有什么限制，木模工、钳工、艺术雕塑使用的工具，如扁铲、刮刀、刻刀、刮片、锯条，甚至餐刀等都可以用来进行泥模塑形。,图3-7刮铲工具,(1)雕塑工具雕塑油泥模型所使用的工具可以说没有什么限制，木模工、钳工、艺术雕塑使用的工具，如扁铲、刮刀、刻刀、刮片、锯条，甚至餐刀等都可以用来进行泥模塑形。,图3-8成形雕刻工具,(1)雕塑工具雕塑油泥模型所使用的工具可以说没有什么限制，木模工、钳工、艺术雕塑使用的工具，如扁铲、刮刀、刻刀、刮片、锯条，甚至餐刀等都可以用来进行泥模塑形。,图3-9钢制修光工具,(2)普通手工量具量具在泥模的制造过程中具有重要的地位，量具的精度与使用量具的水平直接决定了泥模型的尺寸精度和曲面质量。,1)模型平台。2)直角尺。3)高度规。4)方箱或标准块。5)桥尺。6)曲线尺。7)直尺、卡尺、量角器、水平尺、圆角规、划规、刻针等常用测量器具。,1)模型平台。,2)直角尺。,3)高度规。,4)方箱或标准块。,5)桥尺。,6)曲线尺。,7)直尺、卡尺、量角器、水平尺、圆角规、划规、刻针等常用测量器具。,图3-10三坐标测量仪,(3)三坐标测量仪一种可以替代上述主要测量工具的先进仪器，可以通过探针接触或不接触模型表面的方式，直接读取测点的三维绝对坐标数据并输入计算机。,(4)三维扫描仪一种近几年出现的更加先进快速的三维测量仪器。,(5)油泥烤箱与油泥回收机油泥需要用工业烤箱加热到4560才能变得柔软而易于成形。,(6)其他辅助工具与设备其他辅助工具包括用来制作样板的工具、制作油泥模型骨架的工具、制作效果附件的工具以及搬运工具等。,图3-11制作过程及模型精修,4.缩小比例模型的构造与制作步骤,(1)缩小比例模型的构造缩小比例模型不是全部用油泥制成的，首先需要用木料搭出骨架，车轮通常也用木材镟制。(2)制作步骤先将白色泡沫塑料贴在骨架上并用刀削成所需的形状(比模型外形的真实尺寸均匀缩小1520mm)，然后把在烘箱内加热成胶状的油泥抹在泡沫的上面，直至所需的厚度(大于外形真实尺寸)。,(1)缩小比例模型的构造缩小比例模型不是全部用油泥制成的，首先需要用木料搭出骨架，车轮通常也用木材镟制。,(2)制作步骤先将白色泡沫塑料贴在骨架上并用刀削成所需的形状(比模型外形的真实尺寸均匀缩小1520mm)，然后把在烘箱内加热成胶状的油泥抹在泡沫的上面，直至所需的厚度(大于外形真实尺寸)。,5.制作缩小比例模型的技术协作,四、选型讨论会,1.组织2.程序,1.组织,图3-12选型讨论会,2.程序,1)准备好若干套造型方案提交评审，每套方案应包括几幅彩色效果图和一个缩小比例模型。2)项目负责人主持会议。3)每套方案由一位造型师陈述，各套方案依次进行，就造型、结构、工艺等问题展开答辩讨论。4)最后的评审意见只能集中到唯一的方案上，如果不能从现成的方案中选出一套最满意的方案，就要根据归纳的意见进行返工修改，此时主持人宣布休会。5)等待修改方案完成后再恢复会议，直到方案令人满意为止。,1)准备好若干套造型方案提交评审，每套方案应包括几幅彩色效果图和一个缩小比例模型。,2)项目负责人主持会议。,3)每套方案由一位造型师陈述，各套方案依次进行，就造型、结构、工艺等问题展开答辩讨论。,4)最后的评审意见只能集中到唯一的方案上，如果不能从现成的方案中选出一套最满意的方案，就要根据归纳的意见进行返工修改，此时主持人宣布休会。,5)等待修改方案完成后再恢复会议，直到方案令人满意为止。,第三节技术设计,一、11胶带图二、11效果图三、11外部模型四、11内部模型,一、11胶带图,1.胶带图(Tape2.工具3.工作方法,1.胶带图(Tape,2.工具,(1)胶带图专用面板它是一块面积很大的竖立面板，它的表面要尽可能平整，周围要有坚固的骨架并安装有万向轮，可以移动。(2)塑料薄膜纸在它上面可用大型绘图仪绘制出坐标网格、造型尺寸理论控制线、相关部件位置及轮廓，因此它不但作为胶带的粘贴面，而且在粘贴时也起参考图的作用。(3)专用胶带这是一种进口的不干胶带，细窄，通常是黑色，但可选择其他颜色()。,(1)胶带图专用面板它是一块面积很大的竖立面板，它的表面要尽可能平整，周围要有坚固的骨架并安装有万向轮，可以移动。,(2)塑料薄膜纸在它上面可用大型绘图仪绘制出坐标网格、造型尺寸理论控制线、相关部件位置及轮廓，因此它不但作为胶带的粘贴面，而且在粘贴时也起参考图的作用。,(3)专用胶带这是一种进口的不干胶带，细窄，通常是黑色，但可选择其他颜色()。,图3-13胶带图,(3)专用胶带这是一种进口的不干胶带，细窄，通常是黑色，但可选择其他颜色()。,图3-14专用胶带,3.工作方法,(1)准备将绘有参考图的塑料纸绷紧，并用普通透明胶带固定在专用面板上，要求塑料纸紧紧贴附在面板平面上。(2)操作过程和注意事项画出全尺寸主视图，无皱纹并以合适的工作高度加到展示板上，车顶或车门框都能容易地用手够到。(3)造型可行性研究在胶带制作的过程中，造型可行性研究工作同时进行。(4)胶带图的后期修改在模型制作过程中，可能会发现模型的形体不够美观(非技术结构问题)而需要进行修改。,(1)准备将绘有参考图的塑料纸绷紧，并用普通透明胶带固定在专用面板上，要求塑料纸紧紧贴附在面板平面上。,(2)操作过程和注意事项画出全尺寸主视图，无皱纹并以合适的工作高度加到展示板上，车顶或车门框都能容易地用手够到。,图3-15胶带上的标记,(2)操作过程和注意事项画出全尺寸主视图，无皱纹并以合适的工作高度加到展示板上，车顶或车门框都能容易地用手够到。,图3-16制作胶带图,(3)造型可行性研究在胶带制作的过程中，造型可行性研究工作同时进行。,(4)胶带图的后期修改在模型制作过程中，可能会发现模型的形体不够美观(非技术结构问题)而需要进行修改。,二、11效果图,图3-1711效果图与11模型,三、11外部模型,1.全尺寸模型(Full2.制作方法,三、11外部模型,图3-1811油泥模型制作,1.全尺寸模型(Full,2.制作方法,(1)胶带图数据采集将胶带图上的每一条线编号，再把反映线条特征的一些关键点定出，同时将它们的坐标数值采集下来，记录在纸上。(2)制作主断面样板主断面样板是泥模形体的主要依据，一般至少需要制作3个样板，分别为车身正侧视轮廓线样板、车身前视(后视)轮廓线样板和车身俯视轮廓线样板。(3)制作骨架及泡沫粗模型首先制作骨架。(4)油泥毛坯用烘箱将油泥加热成糊状。,2.制作方法,(5)模型尺寸大致定位在这一阶段，模型师首先利用三维坐标测量仪在油泥毛坯上确定坐标原点(0，0，0)的位置并做好标记，再根据原点位置将胶带图数据所表示的坐标位置，在油泥毛坯表面扎孔(划痕的深度就是未来模型的表面位置)，孔的数量要以能够表达模型的粗略形体为准，之后再将专用的白色粉末涂进这些有深度的孔中，这些粉末则成为后来模型师刮削油泥的参考标准。(6)模型粗刮粗刮工具齿形较大，所以下泥量也大，具有速度快的特点。(7)精刮精刮时宜采用刃口光滑的刮片刮削。,2.制作方法,(8)模型装饰模型师对加工好的模型的表面进行装饰，模型装饰的目的是使模型在外表感观上像真车一样。,(1)胶带图数据采集将胶带图上的每一条线编号，再把反映线条特征的一些关键点定出，同时将它们的坐标数值采集下来，记录在纸上。,(2)制作主断面样板主断面样板是泥模形体的主要依据，一般至少需要制作3个样板，分别为车身正侧视轮廓线样板、车身前视(后视)轮廓线样板和车身俯视轮廓线样板。,图3-19制作泥模的断面样板,(2)制作主断面样板主断面样板是泥模形体的主要依据，一般至少需要制作3个样板，分别为车身正侧视轮廓线样板、车身前视(后视)轮廓线样板和车身俯视轮廓线样板。,图3-20安装主断面样板,(3)制作骨架及泡沫粗模型首先制作骨架。,(4)油泥毛坯用烘箱将油泥加热成糊状。,(5)模型尺寸大致定位在这一阶段，模型师首先利用三维坐标测量仪在油泥毛坯上确定坐标原点(0，0，0)的位置并做好标记，再根据原点位置将胶带图数据所表示的坐标位置，在油泥毛坯表面扎孔(划痕的深度就是未来模型的表面位置)，孔的数量要以能够表达模型的粗略形体为准，之后再将专用的白色粉末涂进这些有深度的孔中，这些粉末则成为后来模型师刮削油泥的参考标准。,(6)模型粗刮粗刮工具齿形较大，所以下泥量也大，具有速度快的特点。,1)先用车身正侧视轮廓线样板把模型的正侧视轮廓加工出来。2)使用车身前视(后视)轮廓线样板加工模型两侧曲面和顶盖曲面，曲面与曲面的交界线保持尖锐，圆角留到后期再加工。3)使用车身俯视轮廓线样板把车身俯视的形体加工出来。4)车体“皇冠线”(CrownLine)的加工与调整。5)使用车轮孔模板把车轮孔挖出来，可以一直挖到骨架。,1)先用车身正侧视轮廓线样板把模型的正侧视轮廓加工出来。,2)使用车身前视(后视)轮廓线样板加工模型两侧曲面和顶盖曲面，曲面与曲面的交界线保持尖锐，圆角留到后期再加工。,3)使用车身俯视轮廓线样板把车身俯视的形体加工出来。,4)车体“皇冠线”(CrownLine)的加工与调整。,5)使用车轮孔模板把车轮孔挖出来，可以一直挖到骨架。,(7)精刮精刮时宜采用刃口光滑的刮片刮削。,1)侧面成型。2)车头与车尾成型。3)细节成型。4)油泥模型的光顺性检验。,1)侧面成型。,2)车头与车尾成型。,3)细节成型。,4)油泥模型的光顺性检验。,(8)模型装饰模型师对加工好的模型的表面进行装饰，模型装饰的目的是使模型在外表感观上像真车一样。,1)胶带装饰。2)薄膜装饰。3)喷涂装饰。,(8)模型装饰模型师对加工好的模型的表面进行装饰，模型装饰的目的是使模型在外表感观上像真车一样。,图3-21薄膜装饰,1)胶带装饰。,2)薄膜装饰。,3)喷涂装饰。,图3-22喷涂装饰,3)喷涂装饰。,图3-23油泥模型后处理,3)喷涂装饰。,图3-24模型最终整体效果,四、11内部模型,1.11内部模型的作用,(1)验证内部造型效果11内部模型应采用真实的内饰材料或仿真材料制成，力求展示出一个与真车相同的室内环境。(2)验证内部尺寸11内部模型还提供了一个尺寸准确的三维立体空间。2.制作要点五、造型的审批,(1)验证内部造型效果11内部模型应采用真实的内饰材料或仿真材料制成，力求展示出一个与真车相同的室内环境。,(2)验证内部尺寸11内部模型还提供了一个尺寸准确的三维立体空间。,2.制作要点,1)模型的空间构架通常用木材搭成，然后安装各个部分(模块)：亦即包括仪表板和转向盘、门内护板、座椅、顶篷、地板等主要部分。2)单独制作主要部分(模块)。3)11内部模型与11外部模型的制作同时进行，互相对照。,1)模型的空间构架通常用木材搭成，然后安装各个部分(模块)：亦即包括仪表板和转向盘、门内护板、座椅、顶篷、地板等主要部分。,2)单独制作主要部分(模块)。,3)11内部模型与11外部模型的制作同时进行，互相对照。,图3-25与全尺寸外部模型同时制作的全尺寸内部模型,五、造型的审批,1.造型审批的依据2.审批程序,1.造型审批的依据,2.审批程序,(1)审批人员的组成审批人员必须包括企业的最高领导和最高技术主管，再聘请企业战略专家和造型、设计、工艺等方面的专家组成审批委员会。(2)审批方法(3)审批的贯彻经过最高领导人审批的造型是结构设计和生产制造的依据，必须严格贯彻。,(1)审批人员的组成审批人员必须包括企业的最高领导和最高技术主管，再聘请企业战略专家和造型、设计、工艺等方面的专家组成审批委员会。,(2)审批方法,1)把上述4项造型放置在合适的场所展示。2)由造型部门负责人做汇报和答辩。3)审批委员会进行评价。4)审批委员会的文件最后呈交最高领导人签字审批。,1)把上述4项造型放置在合适的场所展示。,2)由造型部门负责人做汇报和答辩。,3)审批委员会进行评价。,4)审批委员会的文件最后呈交最高领导人签字审批。,(3)审批的贯彻经过最高领导人审批的造型是结构设计和生产制造的依据，必须严格贯彻。,第四节现代化汽车造型技术,一、信息的获取与交流二、效果图三、数字化模型四、11效果图五、制作11实体模型六、虚拟成像系统七、并行工程,一、信息的获取与交流,二、效果图,图3-26计算机绘制的透视效果图,三、数字化模型,四、11效果图,五、制作11实体模型,图3-27用五轴数控加工机切削11油泥模型,六、虚拟成像系统,(1)虚拟现实的概念及其内容Virtual在中国译文出版社的新英汉字典中有两个注释:“虚的”、“有效的”。(2)虚拟现实技术在汽车开发中的应用产品的最初构思来源于人类认识和改造世界的欲望和逻辑思维、形象思维的结果。,(1)虚拟现实的概念及其内容Virtual在中国译文出版社的新英汉字典中有两个注释:“虚的”、“有效的”。,1)三维计算机图形学技术。2)采用多种功能传感器的交互式接口装置。3)高清晰度显示装置。1)虚拟现实系统的结构。2)虚拟现实的编辑系统。实时三维图形生成与显示技术。三维声音定位与合成技术。传感器技术(视觉、触觉、力觉传感器等)。识别定位技术(语音、三维景物、表情、手势等)。环境建模技术(视觉建模、行为建模、CAD技术等)。,1)三维计算机图形学技术。,2)采用多种功能传感器的交互式接口装置。,3)高清晰度显示装置。,1)虚拟现实系统的结构。,图3-28VR系统结构,2)虚拟现实的编辑系统。,实时三维图形生成与显示技术。,三维声音定位与合成技术。,传感器技术(视觉、触觉、力觉传感器等)。,识别定位技术(语音、三维景物、表情、手势等)。,环境建模技术(视觉建模、行为建模、CAD技术等)。,(2)虚拟现实技术在汽车开发中的应用产品的最初构思来源于人类认识和改造世界的欲望和逻辑思维、形象思维的结果。,1)汽车设计的概念验证。2)空气动力学的研究虚拟风洞。3)布鲁诺西蒙的成功实践。显示不出汽车的真实尺寸。1991年制作的概念车通过观看计算机成像往往被认为是一辆小型车，而实际上它是很大的。当然，可以通过在景色中增加细节将汽车与周围环境进行比较，但增加细节相应需要更多的计算图像的时间，即景色的计算时间变得比计算汽车图像所需的必要时间还多。而汽车设计师当然不能将时间花在费时的背景制作上。在完全由数字控制的背景下，没有一点生命力，即没有“现实生活”中的自然生命景象。,1)汽车设计的概念验证。,2)空气动力学的研究虚拟风洞。,图3-29概念车进行虚拟风洞测试,3)布鲁诺西蒙的成功实践。,显示不出汽车的真实尺寸。1991年制作的概念车通过观看计算机成像往往被认为是一辆小型车，而实际上它是很大的。当然，可以通过在景色中增加细节将汽车与周围环境进行比较，但增加细节相应需要更多的计算图像的时间，即景色的计算时间变得比计算汽车图像所需的必要时间还多。而汽车设计师当然不能将时间花在费时的背景制作上。,在完全由数字控制的背景下，没有一点生命力，即没有“现实生活”中的自然生命景象。,图3-30带有背景的汽车造型图,在完全由数字控制的背景下，没有一点生命力，即没有“现实生活”中的自然生命景象。,图3-31并行工艺示意图a)串联式b)串接式c)并行工程,七、并行工程,第四章汽车空气动力学,第一节汽车空气动力学的重要性第二节汽车空气动力学的发展第三节汽车空气动力学的研究内容第四节气动力、力矩与车身表面的压力分布第五节汽车的阻力特性第六节与汽车相关的流场第七节汽车空气动力学的特点及相关学科第八节汽车外形与空气动力特性的关系第九节车身外形的最佳化,第一节汽车空气动力学的重要性,一、汽车空气动力特性对动力性的影响二、汽车空气动力特性对经济性的影响三、汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响,第一节汽车空气动力学的重要性,图4-1作用在汽车上的六分力,一、汽车空气动力特性对动力性的影响,1.气动阻力与最高车速2.气动阻力与汽车加速度,1.气动阻力与最高车速,2.气动阻力与汽车加速度,二、汽车空气动力特性对经济性的影响,1.气动阻力占总阻力的比例2.消耗于气动阻力的功率3.气动阻力与燃料消耗量,1.气动阻力占总阻力的比例,图4-2气动阻力占总阻力的比例,2.消耗于气动阻力的功率,3.气动阻力与燃料消耗量,图4-3消耗于气动阻力的功率,3.气动阻力与燃料消耗量,图4-4各种车辆每行驶100km燃料消耗量,三、汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响,1.升力与纵倾力矩对操纵稳定性的影响2.侧向力及横摆力矩对操纵稳定性的影响3.侧倾力矩对操纵稳定性的影响,1.升力与纵倾力矩对操纵稳定性的影响,2.侧向力及横摆力矩对操纵稳定性的影响,3.侧倾力矩对操纵稳定性的影响,第二节汽车空气动力学的发展,一、汽车空气动力学的发展阶段二、商用车的发展三、汽车空气动力学的发展趋势,一、汽车空气动力学的发展阶段,1.基本形状化造型阶段2.流线型化造型阶段3.车身细部优化阶段4.汽车造型的整体优化阶段5.小结,一、汽车空气动力学的发展阶段,图4-5汽车空气动力学的四个发展阶段,1.基本形状化造型阶段,图4-6最早按空气动力学观点设计的汽车,1.基本形状化造型阶段,图4-7飞艇状汽车,1.基本形状化造型阶段,图4-8船型外形汽车,2.流线型化造型阶段,(1)用空气动力学观点指导汽车造型空气动力学理论被用于汽车设计中，经历了一个很缓慢的发展历程。(2)对内流阻力及操纵稳定性的认识汽车空气动力学最初研究的是在静止空气中的纵向对称流动的气动阻力问题，但人们很快注意到驾驶室内通风、发动机冷却及侧风稳定性等方面的问题。(3)流线型车的发展为了获得低阻汽车，人们曾试图采用“半车身”形状。,(1)用空气动力学观点指导汽车造型空气动力学理论被用于汽车设计中，经历了一个很缓慢的发展历程。,1)杰瑞提出了“最小阻力的外形是以流线型的一半构成的车身”(以下称“半车身”)。2)认识到流场的三维性能。3)罩住车轮。4)杰瑞提出了“只有消除尾部的分离，才能降低阻力”的理论。5)认识到车身前部流场与尾部流场之间强烈的相互影响。6)切尾可明显降低阻力。,1)杰瑞提出了“最小阻力的外形是以流线型的一半构成的车身”(以下称“半车身”)。,表格,2)认识到流场的三维性能。,图4-10流场特性a)二维流动b)一个靠近地面形状的三维流动,3)罩住车轮。,4)杰瑞提出了“只有消除尾部的分离，才能降低阻力”的理论。,图4-11翼型截面和旋转体汽车造型,4)杰瑞提出了“只有消除尾部的分离，才能降低阻力”的理论。,图4-12杰瑞的两种“合成型式”简图,5)认识到车身前部流场与尾部流场之间强烈的相互影响。,图4-13主要车身参数对气动阻力的影响及相互作用,5)认识到车身前部流场与尾部流场之间强烈的相互影响。,图4-14快背式、雷氏粗尾形和克氏长尾形的几种设计,6)切尾可明显降低阻力。,图4-15艾沃林车,6)切尾可明显降低阻力。,图4-16快背式车与杰瑞车的比较,(2)对内流阻力及操纵稳定性的认识汽车空气动力学最初研究的是在静止空气中的纵向对称流动的气动阻力问题，但人们很快注意到驾驶室内通风、发动机冷却及侧风稳定性等方面的问题。,1)低阻汽车的侧风稳定性较差。2)加尾翼可以减小横摆力矩，改善操纵稳定性。3)冷却系的气流增加了阻力。,1)低阻汽车的侧风稳定性较差。,2)加尾翼可以减小横摆力矩，改善操纵稳定性。,3)冷却系的气流增加了阻力。,(3)流线型车的发展为了获得低阻汽车，人们曾试图采用“半车身”形状。,表格,(3)流线型车的发展为了获得低阻汽车，人们曾试图采用“半车身”形状。,图4-18实际哥廷根气艇形半车身汽车,(3)流线型车的发展为了获得低阻汽车，人们曾试图采用“半车身”形状。,图4-19半车身汽车几种比例模型的试验结果,(3)流线型车的发展为了获得低阻汽车，人们曾试图采用“半车身”形状。,表格,3.车身细部优化阶段,图4-21对气动阻力影响最关键的车身外形参数的分级,3.车身细部优化阶段,图4-22车身外形参数的分值与的关系,3.车身细部优化阶段,图4-23流线型欧宝与细部优化的大众气动阻力系数比较a)欧宝GTA=1.51=0.41b)大众西若柯A=1.73=0.41,4.汽车造型的整体优化阶段,图4-24运用“交互形状优化法”进行汽车外形设计的过程,4.汽车造型的整体优化阶段,图4-25汽车外形从低阻参数开始的发展过程,5.小结,二、商用车的发展,1)较小的曲率半径使阻力下降。2)厢式车前端圆角半径与车宽之比(r/b)为0.045就足以使边角后的流动保持连续。3)空气动力学附加装置可以降低货车的气动阻力。,1)较小的曲率半径使阻力下降。,2)厢式车前端圆角半径与车宽之比(r/b)为0.045就足以使边角后的流动保持连续。,图4-26厢式车车身前端圆角半径对气动阻力的影响,2)厢式车前端圆角半径与车宽之比(r/b)为0.045就足以使边角后的流动保持连续。,图4-27第一辆大众厢式客车,2)厢式车前端圆角半径与车宽之比(r/b)为0.045就足以使边角后的流动保持连续。,图4-28全尺寸模型试验的结果,3)空气动力学附加装置可以降低货车的气动阻力。,三、汽车空气动力学的发展趋势,1.汽车的总布置设计2.汽车空气动力学的发展方向3.空气动力学设计的优胜者常常在市场竞争中获得胜利4.汽车造型个性化,1.汽车的总布置设计,1)注意空气动力学在汽车上的应用，但应避免同类汽车造型越来越相像的弊病。2)既要使汽车有很好的空气动力特性，又要使每个车型有强烈的独特风格，以创造千变万化的汽车外形。3)在不改变汽车正面投影面积的前提下，不断降低自重。4)整备质量与功率之比不断降低。,1)注意空气动力学在汽车上的应用，但应避免同类汽车造型越来越相像的弊病。,2)既要使汽车有很好的空气动力特性，又要使每个车型有强烈的独特风格，以创造千变万化的汽车外形。,3)在不改变汽车正面投影面积的前提下，不断降低自重。,图4-29轿车设计的尺寸约束,3)在不改变汽车正面投影面积的前提下，不断降低自重。,图4-30欧洲车正面投影面积与自重的关系,4)整备质量与功率之比不断降低。,图4-31欧洲车的中心断面尺寸a)小型车b)中型车c)大型车,4)整备质量与功率之比不断降低。,图4-32欧洲车高度的发展趋势,4)整备质量与功率之比不断降低。,图4-33欧洲车正面投影面积,4)整备质量与功率之比不断降低。,图4-34欧洲车整备质量与功率之比的变化趋势,4)整备质量与功率之比不断降低。,图4-35欧洲车最高车速的变化以整备质量为参数,2.汽车空气动力学的发展方向,(1)1920年至20世纪70年代中期图4-36表明从1920年至20世纪70年代，气动阻力系数的变化情况。(2)近期世界轿车图4-37和图4-38所示为轿车平均气动阻力系数的变化情况。(3)商用车由于燃油价格不断上涨，促进了商用车空气动力学的进展。(4)赛车赛车的车速越来越高，且更趋于安全。,(1)1920年至20世纪70年代中期图4-36表明从1920年至20世纪70年代，气动阻力系数的变化情况。,1)两次世界大战之间。2)第二次世界大战之后。,(1)1920年至20世纪70年代中期图4-36表明从1920年至20世纪70年代，气动阻力系数的变化情况。,图4-36轿车气动阻力系数的降低,1)两次世界大战之间。,2)第二次世界大战之后。,(2)近期世界轿车图4-37和图4-38所示为轿车平均气动阻力系数的变化情况。,图4-371968-1976年生产的汽车的分布,(2)近期世界轿车图4-37和图4-38所示为轿车平均气动阻力系数的变化情况。,图4-381983年欧洲市场汽车的分布,(3)商用车由于燃油价格不断上涨，促进了商用车空气动力学的进展。,(4)赛车赛车的车速越来越高，且更趋于安全。,3.空气动力学设计的优胜者常常在市场竞争中获得胜利,4.汽车造型个性化,第三节汽车空气动力学的研究内容,图4-39汽车空气动力学研究内容,第四节气动力、力矩与车身表面的压力分布,一、气动力和力矩二、车身表面的压力分布,一、气动力和力矩,1.气动阻力D2.气动升力及纵倾力矩3.侧向力及横摆力矩4.侧倾力矩,一、气动力和力矩,图4-40汽车稳定坐标系,一、气动力和力矩,表4-1气动力和力矩及其系数,1.气动阻力D,表4-2同一风洞中测得的气动阻力系数,1.气动阻力D,图4-41三个红旗CA774轿车模型气动阻力系数的横摆角特性,1.气动阻力D,表4-3各种汽车气动阻力系数的横摆角特性,2.气动升力及纵倾力矩,图4-42各种外形汽车的前、后轮负荷随横摆角变化的状况,3.侧向力及横摆力矩,图4-43风压中心的位置,3.侧向力及横摆力矩,图4-44各种外形汽车的侧向力系数的横摆角特性,3.侧向力及横摆力矩,图4-45不同外形汽车的横摆力矩特性,3.侧向力及横摆力矩,图4-46尾翼对侧向力系数的影响,4.侧倾力矩,二、车身表面的压力分布,图4-47车身表面压力分布图,第五节汽车的阻力特性,一、阻力分类二、压差阻力与表面摩擦阻力三、诱导阻力四、粘滞阻力,一、阻力分类,图4-48汽车受到的气动阻力,一、阻力分类,图4-49汽车气动阻力的构成比例,二、压差阻力与表面摩擦阻力,三、诱导阻力,图4-50不同尾部外形汽车的尾流,四、粘滞阻力,图4-51改变尾部倾角对气动阻力系数及后轴升力系数影响的一例,第六节与汽车相关的流场,一、与汽车相关的流场的分类二、汽车外部流场三、汽车内部流场,一、与汽车相关的流场的分类,二、汽车外部流场,三、汽车内部流场,1.发动机冷却系的气流2.驾驶室内的气流,1.发动机冷却系的气流,2.驾驶室内的气流,1)保证足够的通风，使驾驶室内所有污染的空气和尘土排出，同时补充呼吸消耗的氧气。2)在车外气候极大的变化范围内，保证驾驶室内气候舒适。3)内部气流必须穿过车窗以除霜。,1)保证足够的通风，使驾驶室内所有污染的空气和尘土排出，同时补充呼吸消耗的氧气。,2)在车外气候极大的变化范围内，保证驾驶室内气候舒适。,3)内部气流必须穿过车窗以除霜。,第七节汽车空气动力学的特点及相关学科,一、汽车空气动力学的特点二、汽车空气动力学的相关学科,一、汽车空气动力学的特点,1.汽车空气动力学的重要结论来自于试验2.数值计算不能取代风洞试验,1.汽车空气动力学的重要结论来自于试验,2.数值计算不能取代风洞试验,二、汽车空气动力学的相关学科,1.建筑空气动力学2.火车(列车)空气动力学3.船舶空气动力学,1.建筑空气动力学,1)建筑物立面周围的流动。2)由分离而确定的流场。3)地面边界层及其影响。4)建筑物间的相互影响。5)风洞试验技术。1)建筑物整体受力。2)建筑物元件，如屋顶、立面和窗等的受力。3)为保护行人考虑环境效应而改变周围流场。4)内、外流的合理匹配(气候条件、烟囱抽力等)。,1)建筑物立面周围的流动。,2)由分离而确定的流场。,3)地面边界层及其影响。,4)建筑物间的相互影响。,5)风洞试验技术。,1)建筑物整体受力。,2)建筑物元件，如屋顶、立面和窗等的受力。,3)为保护行人考虑环境效应而改变周围流场。,4)内、外流的合理匹配(气候条件、烟囱抽力等)。,2.火车(列车)空气动力学,(1)火车周围的流场火车周围的流场与汽车很相像，主要区别是火车将单一的车厢连成一串，从而形成一个相对高度和宽度都较大的车身。(2)研究火车空气动力学的主要目的,(1)火车周围的流场火车周围的流场与汽车很相像，主要区别是火车将单