汽车空气动力学讲稿.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,中国汽车工程论坛 称,代 号,美日规定,德国规定,系数公式,气动阻力,Drag,F,X,(C,X,),D(C,D,),D(C,D,),侧向力,Side force,F,Y,(C,Y,),S(C,S,),Y(C,Y,),升力,Lift,F,Z,(C,Z,),L(C,L,),L(C,L,),侧倾力矩,Rolling momen,t,M,X,(C,MX,),M,R,(C,RM,),R(C,R,),俯仰力矩,Pitching moment,M,Y,(C,MY,),M,P,(C,PM,),M(C,M,),横摆力矩,Yawing moment,M,Z,(C,MZ,),M,Y,(C,YM,),N(C,CN,),表 3,-,1 六分力名称及系数公式,中国汽车工程论坛 气动阻力,空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动阻力，这种阻力与车速平方成正比，为了克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急剧增加的，当车速超过100km/h时，发动机功率有80%用来克服气动阻力，要消耗很多燃料，在高速行使时，如能减少10%的气动阻力，就可使燃料经济性提高百分之几十，当前汽车设计师十分重视气动阻力系数Cx，因为它直接关系到汽车动力性，经济性和轻量化带来很多好处。,中国汽车工程论坛 形状阻力,当汽车行使时，气流流经汽车表面过程，在汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流，涡流产生意味着能量的消耗，使运动阻力增大，汽车在前窗下凹角处，在后窗和行李箱凹角处，以及后部尾流都出现了气流分离区，产生涡流，即形成负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力也称压差阻力，又因为这部阻力与车身形状有关，也称形状阻力，它占整个阻力的58%。图3,-,2详细地显示了汽车周围流谱的情况，可见汽车仅前部很小区域存在层流，其余大部分区域中的气流状态是紊流。,中国汽车工程论坛 3-2 汽车表面附面层,中国汽车工程论坛 摩擦阻力,汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的流动，形成一种阻力称为摩擦阻力。,中国汽车工程论坛 ，所以产生有粘性,中国汽车工程论坛 大小有关，如今y=0处的粘,性切应力为,0,:,(3-3),在标准状况下（一个大气压，15C），空气动力粘度,=1.789410,-5,Ns。尽管空气动力粘度系数很小，但由于附面层的厚度很小，附面层内的速度梯度很大，所以附面层内产生的切应力和摩擦力不能忽略。由于附面层外的速度梯度较小，在那里我们可以不考虑空气的粘性作用而把它看成为理想流体。,中国汽车工程论坛 诱导阻力,诱导阻力是由于气流经车身上下部时，由于空气质点流经上下表面的路程不同，流速不同从而产生压差，即升力，升力在水平方向上的分力称为诱导阻力。如图3,-,4所示。诱导阻力系数C,Xi,升力系数C,Z,间有如下近似关系：,图 3,-,4 汽车的诱导阻力,(3-4),(3-5),(3-6),式中，b为汽车宽度，A为汽车正投影面积。,中国汽车工程论坛 干扰阻力,它是车身外面的凸起物例如后视镜、流水槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所造成的阻力，占总阻力的,14%,。,3.2.5 内循环阻力,它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空气气流通过车身的内部构造所产生的阻力,，,它占总阻力12%。,中国汽车工程论坛 气动力对汽车性能的影响,3.3.1 气动力对汽车动力性的影响,汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线行使时由汽车受到的纵向外力决定的所能达到的平均行使速度。汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度是汽车动力性的主要评价指标。,一、行驶阻力与车速的关系,汽车在实际道路上行使时，不仅会遇到气动阻力，由于汽车是靠车轮在地面上滚动才能,中国汽车工程论坛 3,-,5 行驶阻力随车速的变化,中国汽车工程论坛 (3,-,8),式中，G为汽车重力，F,Z,汽车升力。如果汽车在水平路面上作等速行使，坡度阻力与加速阻力等于零，那么行使阻力只有滚动阻力和气动阻力两项：,(3,-,9),图3,-,5所示为一个典型轿车的行驶阻力与车速的关系曲线。在车速大于20km/h后，气动阻力急剧上升；当车速达到75km/h左右时，气动阻力与滚动阻力将各占一半；当车速再高时气动阻力在总行驶阻力中所占比例就更大了。因此，对高速行驶的汽车都必须尽量减小气动阻力。,中国汽车工程论坛 发动机功率与车速关系,汽车行使阻力所消耗的功率（kw）为：,(3,-,10),而发动机功率P,e,与阻力功率P的关系为：P,e,=P,为汽车传动效率。通常作用在汽车上的升力F,Z,不大，如忽略升力项，则有：,(3,-,11),上式中，前一项为滚动阻力公式，它与车速成正比；后一项为气动阻力功率，它与车速的三次方成正比。,中国汽车工程论坛 气动阻力与最高车速的关系,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气动阻力，即：,(3-12),中国汽车工程论坛 获得最高车速，由式(3,-,12)得：,(3-13),可以看出，当F,tmax,和G一定时，减小气动阻力系数C,X,使最高车速V,amax,提高，或提高升力系数C,Z,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C,Z,来提高V,amax,。,中国汽车工程论坛 气动阻力对加速度的影响,加速性能是汽车的动力性指标之一，因此我们需要研究气动阻力对汽车加速度的影响。为简单起见，我们可以利用式（3,-,11）来研究这一问题。如对此式两边求时间t的导数并加以整理，即可得汽车加速度：,(3-14),中国汽车工程论坛 气动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。,中国汽车工程论坛 CA141货车采用附加装置后的百公里油耗降低量,（L/100km）,中国汽车工程论坛 影响汽车操纵稳定性的气动力,3.5.1 汽车操纵稳定性的概念,汽车操纵稳定性是指驾驶者在不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。,汽车的操纵稳定性不仅影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。,中国汽车工程论坛 影响汽车操纵稳定性的气动力,影响汽车操纵稳定性的气动力可分为三组：,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,F,Z,。由于升力而产生绕y的俯仰力矩,M,Y,。,中国汽车工程论坛 3-11 升力系数的横摆角特性,图 3-12 侧向力系数的横摆角特性,中国汽车工程论坛 提高操纵稳定性的汽车造型措施,1克服升力和纵倾力矩的措施,升力和纵倾力矩都将减小车轮与路面间的压力，因而它将使转向轮失去转向力，驱动轮失去牵引力。,如果汽车的风压中心处于重心之前，则更会对前端的“抬头”十分敏感，这时，速度愈快前轮升力愈大，致使“摆头”也愈难控制，最终将导致失去操纵性。,中国汽车工程论坛 3-13 升力较低的车型,中国汽车工程论坛 总体设计时，尽量做到风压中心与重心接近。,采用类似楔型造型。尽量压低车身前端，使尾部肥厚向上翘以产生负的纵倾角，借车身前部的倾斜而将迎面气流压向路面，以抵抗因车底空气的挤压力而产生的升力。采用后置或中置发动机的总布置方案可使汽车前部十分低矮，这是目前跑车和赛车流行的布置形式。,在车顶后端或车尾做成翘起来的形状，可以很好地起到降低升力的作用（,图3-13,）。,中国汽车工程论坛 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。,中国汽车工程论坛 3-14 侧向力为支队稳定性的影响,中国汽车工程论坛 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（,图3-15,），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。,中国汽车工程论坛 3-15 使风压中心后移的附加措施,a）加尾翘 b）方背式,中国汽车工程论坛 侧倾力矩,侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并对左右侧车轮重量分配影响也较大。,侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，一般地，侧面流线型好的汽车，侧倾力矩就相对小。,克服侧倾力矩的汽车造型措施：,在总体设计时，尽量使风压中心在高度方向上接近于侧倾轴线。,尽量降低重心。,采用长度较小、宽度较大、车身低矮的布置形式。,中国汽车工程论坛 汽车空气动力学试验的基本方法,进行汽车空气动力学试验的主要设施就是汽车风洞，汽车工程需要通过风洞试验解决的主要问题可以归纳成如下几个方面：空气动力稳定性、升力、空气阻力、通风、气流噪声、污染发动机和传动装置的散势、风窗雨刮器的功能、汽车的气候环境适应性等。,中国汽车工程论坛 试验基本方法,1模型风洞试验法：用汽车比例模型在风洞中进行试验，模型的常用比例一般为3/8、1/4、1/5、1/10及全尺寸11模型。模型一般不动，空气流过模型，应满足必要的相似条件，与实车在静止空气中运行具有相同的物理规律。这种试验方法的优点是测量方便，气流参数如速度、压强等易于控制，试验不受气候变化的影响。其缺点是试验的流场一般不能与实车运行的流场完全相似，特别是洞壁和模型支架会对模型产生干扰，故试验数据一般都要进行修正。,中国汽车工程论坛 风洞试验的测量方法,风洞试验分为定性和定量测量。,风洞试验,六分力测量,压力分布测量,定量,定性流态显示试验,中国汽车工程论坛 3-16 机械式六分量天平,中国汽车工程论坛 车身表面的静压测量，通常在模型表面上沿法向开小孔，测量局部静压，为提高测量准确度，应注意侧压孔直径d在0.52,h/d大于2，测压孔的轴线应与壁面垂直，孔内壁应光滑，孔口应无刺或导角，孔口表面无凹坑或凸起，顺流动方向物面上该点处的压强梯度不应很大。,压强分布测量，测出模型表面的压强分布，研究汽车绕流状态。,3流态显示试验,汽车表面的流态显示,丝线法 油膜法 烟流法,中国汽车工程论坛