第5章汽车空气动力学与造型设计

1、1 .了解汽车造型设计的特点和要求2 .掌握汽车空气动力学的基本知识3 .了解汽车空气动力特性在车身造型设计中的应用。 5.1汽车造型设计的特点和要求，汽车造型设计是汽车车身设计的开始，在汽车整体布局和车身整体布局基本确定后，进一步使汽车获得具体形状和艺术姿态的过程，是汽车设计过程的重要组成部分。 1汽车造型设计的特点：汽车造型是一个需要综合结构力学、工效学、空气动力学、造型艺术、工程材料等多学科知识的综合设计问题。 汽车造型艺术与美术雕刻、家具、建筑及其他机电产品造型艺术不同，具有独特的艺术特征。 汽车产品的造型必须具有物质和精神功能的双重特性。 既有使用价值，又有艺术感染力，满足人们审美的

2、要求，就是技术与艺术的统一。 反映了民族精神和审美的要求，具有很强的时尚性。 要在一盏茶上反映力学、材料学、机构学的新成果，体现最新材料、先进结构、先进技术的特点. 2、汽车造型设计内容汽车造型设计包括外形设计和家居装饰设计两部分。 汽车造型设计大师的工作是参与汽车总布置设计和车身总布置设计，画效果图，雕刻模型，外形体曲线表现在主板上，制定室内造型和装饰设计方案，最后结合结构设计大师，将造型具体表现在车身结构上。 汽车造型特征的重点认知部位，3 .汽车造型设计要求1 )良好的空气动力特性汽车具有合理的外形，减小空气阻力，改善汽车动力性，使能提高燃油消耗率的云同步，使汽车具有良好的空气动力稳定性

3、。 2 )良好的适用性按照工效学原理使汽车结构合理化，保证了乘车安全性、舒适性、操作便利性、视野良好等要求。 3 )汽车的艺术形象应该具有完美的艺术形象，必须强调国家、地区、民族的特征。 例如，美国的汽车豪华、舒适、优秀的日本汽车简单明亮的德意志车精良实用。 我国汽车的艺术形象表现出朴实、含蓄、慷慨大方特点。 4 )车身必须具有合理的类似于块状物的良好工艺性，尽量减小拉深，减少冲压工序，极简化冲模结构，使零配件具有良好的焊接工艺性等。 5 )需要考虑材料装饰效果的汽车车身采用了铁元素钢、非铁金属、玻璃、机织物、皮革、工程塑料、橡胶、木材、纸、涂膜剂等多种材料。 造型设计大师必须深入了解各种材料

4、的性能、技术方式，做出正确的选择，表现装饰效果。 6 )对造形人员的要求在汽车造形需要多方面、多领域的知识，至少需要造形师、色彩花样设计大师、实物造形师、三次元数码造形师和反方向工程师等五方面的技术人员构成。 他们必须具备丰富的创造性、卓越的实施表现能力、广阔的知识面、良好的合作精神、人与办事儿能力等。 各汽车制造厂之间的竞争，汽车每年都有局部改善。 轿车车身每隔36年更新一次(卡车每隔810年)。 车身造型应把实际的使用价值考虑在一盏茶，满足人们的审美要求，因此车身造型的美学规则是基于汽车的特定使用功能、生产技术和车身的一定结构形式而体现的。 5.2汽车空气动力学的基本知识随着汽车的前进，与

5、空气发生复杂的相互作用，产生很大的空气动力作用，特别是高速行驶的轿车，气流会对轿车的行驶状态产生很大影响。 汽车的空气动力特性主要取决于车身形状。 汽车造型与空气动力学的关系直接影响汽车的以下要素： (1)车速(3)高速行驶的稳定性(3)因侧风而直线行驶的稳定性(4)空气噪声的干扰作用(5)汽车表面的泥土污染。(1)汽车空气动力学研究内容汽车空气动力学主要应用流体动力学知识，研究汽车行驶时，即与空气相对运动时，汽车周围气流和空气对汽车的力(称为空气动力)以及汽车各种外形对气流和空气动力的影响。 汽车空气动力学研究的重要手段是风洞试验，原理上、方法上与航空、船舶、动车组等空气动力学风洞试验的共同

6、点和相似点都很多。 例如，在研究空气动力、气压场、流场的表示方面有非常接近的地方。 但是，由于汽车是在地面行驶的钝头体，空气特性位于尖溜溜边的平板和流线体之间，且行驶情况非常复杂，因此汽车的空气动力学与上述分支学科不同，具有独特的特点。 (2)汽车的空气动力汽车行驶时，车体的外表面受到空气阻力、提升力和侧向力，这3种压力合成得到作用于轿车的合力，称为空气动力。 作用于汽车的气压和气压与汽车的性能密切相关，气压阻力直接影响轿车的加速性和燃油消耗率等经济性和动力性指标。 气压的横向力、提升力和偏航力矩直接影响汽车的稳定性和直线行驶能力，影响汽车的操纵性能，影响行驶安全性。 气压阻力(Drag-Fo

7、rce ) (即空气阻力)气压提升力(Lift-Force )侧摆力矩Mx间距力矩My偏航力矩Mz、气压阻力、气压侧压力和气压提升力分别是沿着x轴、y轴、z铀三个坐标方向的分力，实际的作用点是一般来说，这3个心形不相互重叠，也不与车辆的重心重叠。 当这3个力向汽车的重心位置移动时，产生围绕以汽车重心为原点的3个坐标轴的3个力矩。轿车承受的空气动力和空气动力力矩、1 .空气动力阻力(即空气阻力)和空气阻力系数、车速和阻力的关系，汽车速度达到6070km/h时，空气阻力逐渐增大，超过100km/h时，电力几乎全部用于克服空气阻力。 轿车以时速80公里前进时，燃油消耗率有60个被用来克服风阻。 汽车

8、的空气阻力系数是描述汽车空气动力学特性的系数，也称为风阻系数，用表示，是做评估车身外形空气动力特性的重要指标。 汽车的空气阻力、动压、空气密度、气流速度(相当于汽车行驶速度)、汽车的上风向面积，即正面心理投射面积，包括汽车底部零配件和轮胎的正面心理投射面积。 空气阻力系数与空气阻力成正比，空气阻力系数越大，空气阻力就越大，与汽车的上风向面积成反比，也与汽车的行驶速度和空气密度有关。 因此，减小汽车的上风向面积可减小空气阻力。 从车身正面看，首先是降低车的高度。 实验表明，目前市场上主流中级车的风阻系数、车身高度的变化情况，每空气阻力系数下降10，燃料可节约约7%。 与曾经拥有相同质量、相同尺寸

9、两种不同空气阻力系数(分别为0.44和0.25 )的轿车相比，时速88公里行驶100公里，燃油消耗率比前者节约了1.7升。 车高与车速的关系，对汽车车体作用的空气阻力一般分为5个分力：形状阻力、表面摩擦阻力、感应阻力、声干扰阻力与内部阻力。 1 )形状阻力：乘用车前部的正压和车身后部的负压产生的压力差产生的阻力约占空气阻力的60%。 典型的静态压力分布和压力系数变化；2 )表面摩擦阻力：空气在汽车表面流动时产生摩擦力，该分力通常被称为表面阻抗，即表层摩擦力。 轿车的摩擦阻力约占空气阻力整体的9%。 取决于车身表面的面积和光滑度。3 )感应阻力：汽车在高速行驶中，由于车体上下两面的气流压力不同，

10、受到的气流压力比上面大，该压力差必然产生向上的提升力，汽车的提升力与其运动方向不完全垂直，其纵向水平分力称为感应阻力，车速越快，压力差越大轿车的感应阻力约占空气阻力整体的5%7%。 为了减小感应电阻，必须减小提升力。 4 )声干扰阻力：车身表面的突起物引起的气流相互干扰作用引起的阻力。 产生这种阻力的部件主要有车轮、轮罩、反射镜、门把手、排水沟、雨刮器、氟里昂车辆号牌等。 轿车的感应阻力约占空气阻力整体的15%。 5 )内部阻力：内部阻力也称为内循环阻力，是轿车发动机蒸发制冷系统、车室内通风等气流通过车身内部时的阻力，一般约为空气阻力的10%。 车身前部形状变化引起的阻力降低，2 .根据伯努利

11、流体动力学的原理，提升力在流体运动速度高时，密度低，压力小。 流体速度越低，密度越高，压力越大。 飞机利用这个原理得到上升的气压。 汽车底面大部分凹凸不平，不光滑，汽车底部产生的涡流和气流形成底面的表层严重阻碍底部气流流动，底部气流堵塞压力上升，形成对汽车的提升力作用。 在汽车上面流动的气流的流速大多比在底部流动的气流的流速大，产生的压力差之一是提升力。 汽车的断面形状和飞机机翼相似，但同样的效果对汽车有不好的影响。 轿车的提升力降低了轮胎的附着力，影响了轿车的驱动力、操纵性、稳定性。 轿车提升力与轿车运动方向不完全垂直，提升力为正负。 某轿车以160km/h的速度行驶时，前轴承的正提升力占轿

12、车质量的20%。 这大大降低了前轮和地面之间的附着力，减轻了重量，特别是重心后面的轿车，对前端的提升力更加敏感。 由于提升力随着车速的增加而上升，前轮失去了附着重量，轿车可能失去了空调特罗尔。 特别是从转弯时和侧面作用突然风的情况下，轿车失控的危险性更大。 因此，从安全的观点来看降低提升力比降低空气阻力更重要。 提升力与车身的形状有关，通常用中线和迎角来说明两者的关系。 连接轿车各横截面形心的线称为中心线，中心线的最前端和末端分别称为前缘和后缘。 把前缘和后缘连接起来的线叫弦。 弦和轿车行进方向所成的角称为迎角。 一般来说，前高后低的弦线规定迎角为正，反为负。 正迎角时，迎角越大，提升力越大，

13、因此为了减小提升力，必须设法减小迎角，尽量使其为负值。 这也是现代汽车前低后高使提升力减少的原因。 前部低、后部肥厚的轿车造型，可以得到大的负迎角，减少提升力。 迎角的意思，3 .侧力汽车在行驶中经常遇到侧风，车体受到侧力、侧摆力矩的作用。 横向力会使汽车的驾驶盘颤动，降低汽车的直行稳定性，严重的情况下会失去汽车的控制而导致事故。 实验表明，风压中心位置对轿车空气动力稳定性影响很大。 风压的中心位于重心后面时，横力所产生的偏航力矩Mz会减弱横风的作用，使轿车稳定下来。 流线型越好的轿车，风压中心越接近前部。 这也是披头士轮(风压中心为前)存在横向不稳定现象的原因。 因此，轿车在造型设计时，必须

14、尽量减小轿车前部的侧面心理投射面积，同时增大后部的侧面心理投射面积，使风压中心接近后轴。 近年来开发的低乘用车和圆形乘用车的车身，对减小横向力有效果。只是研究汽车的气压造型问题，知道作用于汽车的气压和气压力矩是脚丫子不到的。 因为它直接关系到汽车表面流动的气流的流动。 因此，研究了空气在汽车周围流动的物理特性，即汽车的产水量谱问题和表面压力分布，了解了汽车表面气流的流动反应历程、气流的分离和尾流等状况，并可容易地分析空气现象和反应历程，改善车身的形状。 (3)空气在汽车周围流动的物理特性1 .空气的粘性现象就是所谓的粘性，即，在瓦斯气体相对于汽车表面运动时产生内摩擦力的作用。 当汽车在空气场中

15、运动时，汽车表面和相邻的空气粒子之间似乎缠绕了无数小钩状体，与汽车表面接触的气体在该表面被摇滾乐，相对速度为零。 与该表面相邻的空气层也因粘性摩擦力而封摇滾乐，其相对速度根据离表面的距离而变化。 越接近表面，空气粒子的运动越受粘性的影响，气流速度也越慢。 随着距离的增长，空气粒子受粘性影响的程度逐渐变小，它们的动作也变快。 与汽车表面的距离超过一定的数值时，空气粒子的运动几乎不受粘性的影响，其速度与外部空气的流动速度相同。 表示表面层内的速度分布，表面层：在包围运动物体的比较薄的空气层内，气流速度急剧变化，存在速度梯度。 该气流层称为表面层。 如果表面层中的气流变化相对于运动速度不大，那么层流

16、：能够保持所述层中的气流平行的相对运动状态，因此将该边界层称为层流。 湍流：气流的相对运动速度的变化在某种程度上变大时，各层间的气流分子越层运动，层流形式被破坏，形成湍流。 湍流在运动物体表面的黏性阻力大于层流。 轿车表面的表层，粘结阻力的大小与汽车外形有关。 如果表面平滑，没有局部的凹凸的变化，空气分子以层流平滑有用。 车身表面的小凹凸变化，如挡风录音带、反射镜等形成湍流，形成大的黏性阻力。 2汽车周围的流谱汽车表面的气流可以通过风洞在汽车表面贴线的方法观察，而汽车整体的表现可以通过烟风洞观察，该风洞按一定要求放出烟流，在烟流流过汽车和模型的过程中，可以清楚地观察到气流流过汽车的完整图像。

17、在风洞中得到了轿车的流动光谱，2 )汽车尾部的流动光谱尾流：气流沿着汽车表面流到尾部时，气流分离形成了轿车后边的尾流。 尾流主要有负压，如作用于汽车后部截面的吸引力，会产生运动阻力。 设计时，必须减小截面积，减小尾流负压，减小车身运动阻力。 良好的车身造型设计，首先应避免尾流漩涡在路面上引起过大的湍流，减少灰尘的飞扬；其次，考虑到引导气流对后玻璃等部分有一定的清洗作用，应防止灰尘的堆积。 a )尾流的尾流易于堆积在尾流中；b )尾流可以清除堆积在尾流中的灰尘，汽车前部的流动，面包车部的流动；1 )汽车前部的流动，“垂直角背部”的大规模流动分离和“斜背部”的流动生成；3 )汽车底部的流动汽车底部

18、大部分不平坦底部的气流堵塞，压力上升，形成对汽车的提升力作用。 在汽车行驶过程中，由于汽车底部与地面之间气流的粘性和干扰作用，在底部形成相当复杂强烈的旋涡(即湍流)，严重影响汽车的空气动力。汽车底部的里肌肉光谱的影响因素：1)汽车底部和地面的距离2 )车体的造型和汽车的长度，宽度和高度的比3 )底部的平滑度4 )地板的纵向和横向的曲率。 有光滑底部的轿车，由于底部急剧的气流和沿程水头损失减少，空气阻力会随着地面间隙的增加而减少。 轿车地板的合理造型，有助于降低气压阻力和提升力，使气流畅通。 实际上，车体底部的底盘传动机构、发动机底部、其他机构露出底部，所以很难使底部平滑。 4 )汽车侧面的产水量光谱一般情况下，汽车掌门人盖的气流速度高于底部的