小型螺杆式清雪车设计

1、· 小型螺杆式清雪车设计高速行驶时稳定性更好。如果您驾车以100公里的时速撞向一堵砖墙，将会产生怎样的后果呢？ 车体分崩离析，玻璃全部粉碎，安全气囊迅速弹出，试图保护您的安全。尽管我们的新式汽车配备了各种先进的安全措施，但如果陷入这种事故，我们仍然很难幸免。毕竟汽车可不是用来撞穿砖墙的。然而我们的汽车每时每刻都要面对另一堵“墙”，那就是阻碍汽车高速行驶的空气墙。我们通常认为空气或风不能算作墙。在低速行驶或者无风的情况下，汽车与空气间的相互作用力通常可以忽略不计。但在高速行驶或遇到大风天时，空气阻力将对车辆的加速性能、操控性能和燃油效能产生巨大影响。空气动力学的作用就在于此。空气动力学

2、主要研究物体在空气中穿行时产生的各种力。几十年以来，空气动力学一直是车辆设计的重要参考。为了帮助汽车穿越气流之墙，制造商也提出了各种方案，以减少空气阻力对车辆行驶的影响。最重要的是，根据空气动力原理设计的汽车能够获得更好的加速性能和燃油效能，因为引擎不需要产生太多能量帮助车辆穿越气墙。工程师们已经设计出数种方法。比如说，更为圆滑的车身外观设计，使得空气从车辆四周平缓流过，将阻力减至最小。一些高性能的车辆甚至连底盘设计也考虑到了空气动力学的问题。许多车配有阻流板，也称尾翼，以防止空气抬升车轮，提高车辆高速行驶时的稳定性。不过正如您将在后文中阅读到的那样，阻流板的装饰作用可能还大过实际意义。在本文

3、中您将浏览到空气动力学和空气阻力的物理学原理，以及它们在汽车设计中的发展沿革，我们还将为您介绍在环保汽车的风潮中，空气动力学为何体现出前所未有的重要性。 空气动力学 在了解空气动力学在汽车工业的应用之前，让我们先来温习一下基础物理知识。当一个物体穿过空气时，会使周围的空气发生位移。同时，该物体会受重力和阻力影响。固体穿过流质比如水或空气时，就会受到阻力。阻力的大小与速度成正比，速度越快，阻力越大。我们通常使用牛顿定律中的变量来描述物体的运动。它包括：质量、速度、重量、所受外力和加速度。阻力会对加速度产生直接影响。物体的加速度(a)的大小等于重力(W)减去阻力(D)，再除以它的质量(m)。请注意

4、，重力等于质量乘以作用在物体上的重力加速度。月球的重力加速度系数小，所以您在月球上的重量也会相应变小，但是质量仍保持不变。 简单来说：a=（W-D）/m物体在加速过程中，速度和所受阻力同时增加，最终达到阻力与重力相等的临界点，这时物体便没法继续加速。假设我们所说的物体是一辆车。车开得越快，所受空气阻力越大，这就限制了它的加速，并将它控制在一定速度以内。怎样将这些知识应用于汽车设计呢？ 明确一些概念是很有必要的，比如阻力数。这是决定物体能否轻松穿过空气的最主要因素之一。风阻系数(Cd)等于阻力(D)除以密度（r），再乘以速度的平方和面积，再乘0.5。即：Cd=D/（A×0.5×

5、;r×V²）那么回到我们的问题上来，汽车设计者应用空气动力学原理设计汽车时，需要将阻力系数限制在多大呢？风阻系数 我们刚才已经知道风阻系数（Cd）是衡量空气对于物体（比如汽车）的阻力的重要指数。现在我们来设想一下行进中的汽车所受到的空气阻力。一辆时速为110公里的汽车所受到的阻力是它在时速55公里时的四倍。汽车的空气动力学性能是用风阻系数来衡量的。从本质上讲，风阻系数越小，汽车的空气动力学特征越明显，也就越易于穿越阻挠行进的气墙。丰田新普锐斯有很高的燃油效能，这要部分归功于它独特的外形。让我们来看一下几个有关风阻系数的数据。您还记得上世纪七八十年代沃尔沃古老的方块车吗？旧款

6、沃尔沃960轿车的风阻系数是0.36；新款沃尔沃的外观更光滑，更具有流线美感。s80系列轿车的风阻系数只有0.28。这证明了汽车的发展趋势是更加光滑，更具流线型的外观，也就是说更符合空气动力学原理的设计。让我们以自然界中最符合空气动力学性能的物体眼泪为例。泪滴是光滑圆润的，它的顶端呈锥形。在眼泪下落的过程中，空气从周围顺畅滑过。这与汽车一样，光滑圆润的车身使得空气从周围流过，减少了空气阻力。现今大多数汽车都已经达到约为0.30的风阻系数。运动型多功能汽车（SUV）由于体积更大，载客更多，看起来也更笨拙，并且通常需要更大的格栅来冷却发动机，所以风阻系数通常在0.3到0.4之间，或是略高一些。而皮

7、卡车（Pickup trucks）由于特意设计成立方体，其系数通常在0.4左右引用：。许多人曾质疑丰田新普锐斯（Toyota Prius hybrid）的奇特外观，但它却有着极佳的空气动力学性能。它0.26的风阻系数使之达到了很高的燃油效能。实际上风阻系数每减少0.01，每加仑燃油的行驶里程就能增加0.2英里（即每公升增加0.09千米）。下面让我们来了解一下空气动力学设计在汽车工业中的历史。 空气动力学汽车的历史从这些老式汽车中可以看出，20世纪早期人们对于空气动力学在汽车上的应用还知之甚少。虽然科学家们早已或多或少地意识到设计一款符合空气动力学的车身需要做出哪些改进，但这些技术在汽车设计上得

8、以实用还是费了不少时间。早期的汽车外形并不符合空气动力学原理。福特的T型车（Ford's seminal Model T）被设计得方方正正，很像一辆没有马拉的马车。这些早期设计不用考虑空气动力学，因为它们本身的行驶速度就很慢。然而，20世纪早期出现的一些赛车在某种程度上融入了尖形头部和其他空气动力学的设计元素。德国设计师爱德穆德 朗普勒（Edmund Rumpler）在1921年设计出了“泪珠车”（Rumpler-Tropfenauto）。这款车参考了自然界中空气动力学性能最好的物体，它的风阻系数只有0.27，但是怪诞的外观无法取悦大众，只生产了100辆便停产了。而在美国，空气动力学设

9、计的最大突破是20世纪30年代出产的克莱斯勒空气流线型汽车（Chrysler Airflow）。这款车受了飞鸟的启示，是最早的几款以空气动力学为设计理念的汽车之一。它的设计中采用了一些独一无二的构造技术，而且将车身重量分布控制在前后轮轴各占百分之五十，以提高汽车的操控性。然而饱受经济大萧条之苦的民众非但没有对它不寻常的外观给予赞扬，而且认为它是个败笔。诚然，它的流线型设计超出那个时代的审美包容度。随着五六十年代的到来，赛车工业带来了空气动力学设计的长足进步。一开始，工程师们通过针对不同设计的试验，了解到流线型设计能让汽车行驶得更快，并且在高速行驶时更容易控制。这些研究最终演化出精深细致的制造工

10、艺，用以制造最符合空气动力学的跑车。前后阻流板、铲形前端和空气动力学组件变得越发常见，它们能使气流从车身上部平滑通过，并且生成必要的作用于前后轮的压力。针对消费者的需要，许多公司开始研发流线型车身，例如莲花汽车、雪铁龙、保时捷。但这些设计主要应用于高性能赛车而不是普通家用车。这种局面在80年代有所改观，作为载客轿车的奥迪100（Audi 100）有着当时前所未闻的0.30的风阻系数。时至今日，几乎所有小轿车都以符合空气动力学作为设计理念、在这股风潮中，有个东西助益非浅。它就是风洞。以风洞测量阻力 为了衡量一辆汽车的空气动力学性能，工程师们借用了飞机制造业的一项技术风洞。汽车（和飞机）通过风洞来

11、计算它们的空气阻力。简单来说，风洞就是个巨大的管道。这个管道内装有多个风扇，它们能够产生作用于风洞内物体的气流。这类物体可能是汽车、飞机，或者任何需要计算空气阻力的东西。工程师们在风洞后方的一个房间里研究空气与物体之间的相互作用以及气流通过物体表面的方式。风洞内的汽车或飞机并不移动，但是风扇可以制造了不同速度的风，以此模拟现实情况。有时设计师们甚至不用真车，而是用大小与真车完全相同的车模来计算风阻。当风从风洞穿过车身时，计算机就会计算出风阻系数。风洞不算什么新发明，它在十九世纪晚期就被用来计算早期飞行器具的空气阻力。就连怀特兄弟也曾用过。二战之后，工程师们为了寻求竞争优势，用风洞来精确计算汽车

12、的空气动力学组件的性能。后来这项技术被应用于载客轿车和卡车的设计。然而近些年来，体积庞大并且花费巨大的风洞逐渐被抛弃了。计算机模拟测量取而代之，成为衡量汽车或飞机空气动力性能的最佳工具。许多情况下，风洞只被用来检验计算机模拟结果的准确性。许多人认为添加尾部阻流板是提高汽车空气动力性能的绝佳途径。空气动力学附件 空气动力学除了阻力还涉及到其它因素，例如提升力和下压力。提升力是物体重力的反作用力，它能拉高物体并使之悬浮在空中。下压力与提升力相反，它使物体更趋近于地面 。为了达到最大的下压力，F1赛车采用高风阻系数。您可能会认为一级方程式赛车的风阻系数非常低，毕竟空气动力性能很高的车肯定跑得更快，对

13、吧？但实际情况恰好相反。标准的F1赛车的风阻系数约为0.70。为什么F1赛车能以每小时300余公里的速度行驶，但却不具备您想象中的高空气动力性能呢？那是因为F1赛车在设计上必须考虑尽可能产生下压力。以赛车的行驶速度，再加上自身超轻的重量，F1赛车在达到一定速度时会开始产生提升力，迫使它们像飞机一样离地。当然汽车不是用来飞行的，一旦飞起来很可能造成毁灭性事故。所以必须最大化下压力，以确保赛车在地面上的高速行驶。因而采用高的风阻系数也是有必要的。装在F1赛车前后部的双翼和阻流板使风阻系数变高成为现实。双翼穿过气流产生下压力，这样使得转弯速度达到最大。但是必须保持与提升力之间的平衡，使赛车能够达到合

14、适的直线行驶速度 。许多汽车的生产囊括了空气动力组件以增加下压力，然而汽车媒体却批评了日产GT-超级汽车（Nissan GT-R supercar）的外观。该车被设计成为能使气流通过车体的形状，同时配以椭圆形的后阻流板，产生了巨大的下压力。法拉利 599GBT（Ferrari's 599 GTB Fiorano）也被设计成能引导气流通向尾部的拱壁中立柱形以减少阻力。在一些家用车上，我们能够看到阻流板和双翼，比如本田和丰田轿车。这些配件真的增加了汽车的气动性空气动力性能吗？某些情况下，它能稍许提高高速行驶的稳定性。例如，原本奥迪TT（Audi TT）的后行李箱盖上没有阻流板。但后来奥迪发

15、现它浑圆的周身产生了太多提升力而导致几起事故的发生，所以决定增加阻流板。然而在多数情况下，在普通车身后固定一个大型阻流板并不能提高驾驭性能、速度、或者整体操控性。有时甚至会产生转向力不足或者无法转弯的问题。但如果您认为大大的阻流板并不影响您的本田思域（Honda Civic）的美观性，您尽可不去理会别人的意见。汽车系统动力学综述  摘要：本文通过对大量教科书和文献进行了分析，对汽车系统动力学的研 究内容，研究方法及理论基础以及发展趋势做了清晰的阐述。  关键词：系统，汽车，系统动力学   1、系统及系统动力学概念 1.1 系统

16、0; “系统“这个名问含义很广，因此对系统的定义很多。我国著名科学家钱学森对系统作如下定义：“把很其复杂的研究对象称为系统即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结  合而成的具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分”。  这表明系统具有以下特征： 1、具有层次性  系统是由两个以上的元素或元件组成的事物。一个大系统往往可以分成几个子系统，每个子系统又能分成几个更小的子系统，并且子系统都有与其他系统相区别的特性。所以如果将大系统分解，可以形成很多层次的结构，这就是系统的层次性。  2、具有整体性  系统

17、由许多元素组成，但是系统的性能并不是各个元素性能的简单相加，而是相互影响，相互联系的，所以系统的整体功能具有各个元素所没有的更高的价值。例如一辆汽车是由发动机、传动系统、车轮、车身、操纵系等组成的。如果只有发动机，是不会自己行走的，但当发动机装在具有车轮的汽车底盘上时，就可以成为能够行驶的汽车。由此可见，研究系统应该从整体的观点来看。系统的性能是由其整体性能为代表的，而不是由某一元素所能代表的。 3、具有目的性  是指人工系统是为了某一个目的而构成的。目的不同，系统的构成也就不相同：例如货车是为运输货物这一目的而构成的，所以它必须有货箱来装载货物；而客车则是为运输乘客而设计

18、的，所以必须有客箱和座椅，而运货设备就很小或者没有。  4、具有功能共性  系统中存在着物质、能量和信息的流动，并与外界进行物质、能量和信息的交流，即可以从外界环境输入或向外界输出物质、能量和信息。例如汽车系统把燃料燃烧所释放的能量转换为汽车的动能，这就是能量的流动。而在行驶过程中驾驶员从环境得到信息，加以判断，发出必要的指示信息，以保证汽车安全合理的运动，这就是信息流动。 1.2系统动力学  系统动力学就是讨论动态系统的数学模型和响应的学科。  当系统各变量对时间保持恒定时，称为静态系统。严格来讲真正的静态系统是没有的，而且根据静态分析结果来

19、判断系统特性将会得到不全面或者是错误的结论。所以系统动力学的研究对象放在动态系统上，动态系统的行为是随时间变化的，是时间的函数，动态系统分析比静态系统分析更为复杂，但更为必要，因为在动态的分析中可以考虑到许多外部干扰或者不稳定性。 2汽车系统动力学研究内容 2.1对纵向动力学的研究  纵向动力学研究车辆直线运动及其控制问题，主要是车辆沿前进方向的受力与其运动关系。按车辆工况的不同，可分为驱动动力学和制动动力学两大部分：在驱动动力学研究中，重点要了解车辆的行驶阻力，由此才能决定车辆驱动轮上所需的力矩和功率，以及能量消耗。它由两个最基本的部分组成：滚动阻力和空气阻力。

20、它代表了车辆对动力和功率的要求，而车辆动力与传动系统则为车辆提供了对动力和功率的供应，需求与供应之间的平衡关系还与路面附着系数有关，直接影响车辆驱动性能。  在制动动力学研究中，重要要了解车辆的制动性能评价指标，其次是对车辆前后车轮制动力的分配关系和制动稳定性进行研究。 2.2对行驶动力学的研究 在行驶动力学研究中，最重要的问题是要建立起考虑悬架特性在内的车辆动力学模型，而最简单的数学模型就是具有七自由度的整车系统模型。 行驶动力学问题一般可分为两类：一类是可以通过数学建模来分析的行驶动力学问题，有人称之为“主要行驶舒适性问题”。另一类还有像15Hz高频

21、振动的响应、更高频率范围内的振动噪声问题、悬架系统中橡胶村套的影响等等，这些几乎还没有办法用数学解析模型来准确地预测这些影响，这类问题被称为“次级行驶舒适性问题”。 2.3对操纵动力学的研究  轮胎对于汽车的操纵性具有重要的作用，因此操纵动力学建模中必须要与轮胎模型相吻合，否则建立的操纵模型将失去意义。 操纵动力学的研究范围分为三个区域，即： 1）线性域：侧向加速度约小于0.30.4g时，通常意味着车辆在高附着路面作小转向运动；  2）非线性域：在超过线性域且小于极限侧向加速度（约为0.8g）范围内； 3）非线性联合工况：通常指车辆在

22、转弯制动或转弯加速时的情况； 3汽车系统动力学研究方法及理论基础 3.1研究方法  解决任何一个系统问题的首要步骤就是把实际问题抽象化，并转变为简化的模型。抽象是通过一种思维去分出现象的本质而抽出其中非本质和次要的性质的一种逻辑方法。  在抽象的基础上就要建立表达系统行为的物理或数学的模式，这就是所谓的物理模型和数学模型。模型也可以定义如下：模型是一种过程或行为的定量或定性代表，它应能显示对所考虑目标只有决定性意义的后果。 模型的分类：  1）比例的物理模型  该模型和实物的物理本质相同，仅在形状和尺寸上有差别。其优点是可以同时观察到整体的物理性能，并作一些记录等，能消除一些次要因素的干扰，能准确的预测系统的性能和参数间的关系。 2）数学等效模型  在工程中有不同的物理系统，但是其动态行为的数学形式是相同的。不同系 统的行为可以用等效的常系数微分方程来描述。这就使得我们用一种系统来模拟另一种系统成为可能。 3）数学模型  这种模型比实物模型、模拟模型更为抽象，但是在实物和数学模型间存在很强的相似性，它建立了一组法则或运算，从而将一个或多个元素（运算对象）与运动结果联系起来。它有很多种表示方法，例如数学方程式、方块图等。 模型建