汽车车身的空气动力学应用.docx

研究性学习论文

小组成员：
班级：机电1011
指导教师：卢梅

汽车车身的空气动力学应用
摘要：汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响。因此轿车的车身设计既要服从空气动力学，要有尽量低的空阻系数，降低发动机的输出负担，又要采取措施，降低诱导阻力，以保证轿车的行驶安全。
关键词：空气动力学，车身外形设计，导流板，扰流板
背景：迄今为止，汽车的发展已经过了112年，无论是汽车的速度，还是汽车的配置，或者是汽车的造型多有了长足的发展。随着汽车速度的提高，空气阻力成为汽车前进的最大障碍。在此因素下，汽车造型经历了马车型汽车,箱型汽车,甲壳虫型汽车,船型汽车,鱼型汽车以及楔型汽车等六个阶段的演变，从而越来越符合空气动力学的要求，越来越符合人们的审美观。在这一发展历程，也可看做是人们对空气动力学的认识及应用过程。
1934年，流体力学研究中心的雷依教授，采用模型汽车在风洞中试验的方法测量了各种车身的空气阻力，这是具有历史意义的试验。它标志着人们开始运用流体力学原理研究汽车车身的造型。1937年，德国设计天才费尔南德·保时捷开始设计类似甲壳虫外形的汽车。它是第一代大量销售的空气动力学产物的汽车。1949年福特公司推出了福特V8汽车,这种车型改变了以往汽车造型模式、使前翼子板和发动机罩,后翼子板和行李舱溶于一体,大灯和散热器罩也形成整体,车身两侧是一个平滑的面,驾驶室位于中部,整个造型很象一只小船,因此,我们把这类车称为“船型汽车”。船形汽车不论从外形上还是从性能上来看都优于甲壳虫形汽车，并且还较好地解决了甲壳虫形汽车对横风不稳定的问题。船型汽车尾部过分向后伸出,形成阶梯状,在高速行驶时会产生较强的涡流,为了克服这一缺点,人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜,倾斜的极限即成为斜背式。由于这个背部很象鱼的背脊,所以这类车称为“鱼型汽车”。“鱼”型虽然解决了涡流的困难，但也引起了一些空气动力学缺陷。是当汽车高速行驶时汽车的升力会比较大。鉴于鱼形汽车的缺点，设计师在鱼形汽车的尾部安上了一个上翘的“鸭尾巴”以此来克服一部分空气的升力，这便是“鱼形鸭尾式”车型。这是最早为克服气动升力而做的空气动力学设计。为了从根本上解决鱼型车的升力问题,科学家们设想了种种方案,最后终于找到了一种楔型造型。就是将车身整体向前下方倾斜,车身后部像刀切一样平直，这种造型有效地克服了升力。目前,各种身价过百万元的超级跑车设计都基本上采用楔型。各大车厂也都开发带有楔型效果的小客车，如两厢式旅行车,子弹头面包车等形式的轿车。在此基础上，增加扰流板等装置，进一步解决了空气升力的问题。
正文：
汽车气动阻力分析：
从种类上分，汽车气动阻力由形状阻力、干扰阻力、摩擦阻力、诱导阻力和内部阻力五部分迭加构成。
形状阻力：由于气流分离现象。在汽车后面形成尾流区，前后气流压力不相等，从而形成压差阻
力。压差阻力的大小是由车身外部形状决定的，所以一般称为形状阻力。它约占空气阻力的58％ ，是气动阻力的主要部分。
干扰阻力：车身表面凸起物、凹槽和车轮等局部影响气流流动，从而引起空气阻力，约占14％。
摩擦阻力：空气的粘滞性使气流在经过车身表面时产生一个切向力．其综合合力在汽车行驶方向的分力就是摩擦阻力。约占气动阻力的10％。
诱导阻力：汽车两侧的涡流使得汽车后背的气流方向向下偏转，产生一个指向后上方的力，这个力表现在垂直方向是升力，在水平方向就是诱导阻力，约占气动阻力的6％。
内部阻力：这是由于气流流经车身内部气流通道，如发动机的冷却气流和车厢内部通风气流以及流动中的能量损耗产生的，约占12％。
在这里，所讨论的主要为汽车外形和空气动力学的关系，因此内部阻力不做讨论。

一．车型的研究
在汽车设计中，风阻系数C 值是衡量现代轿车性能的第一参数，这个值越小说明汽车的加速性越优越。普通城市轿车的C 值一般维持在0．28一O．4之间。根据气动阻力的计算公式

可知，在给定车速的前提下，减小正投影面积S、选择低阻形状(降低C 值)来实现。可由于受装载能力、乘坐空间、抗倾翻能力等限制，减小迎风面积没有多少余地。因此减少气风阻系数才是现实和有意义的，这可以直接降低纵向气动阻力。风阻系数c 值与汽车形状有关。当长度直径比1／d =2．4时，C 值最小为0．04，也就是说，空气动力学意义上具有“较好”形状的物体是纺锤形流线体。例如，宝马H R氢燃料汽车的风阻系数仅为0．21，最高车速可达302．4 km／h，从静止加速到100 km／h，仅需6 S。理论上，楔形是最好的形态。主流车型发展经历了马车型，箱型车（T型），甲壳虫性，船型，鱼型最后到当今的楔形。这一历史变迁也证明了以上理论。
二．确定总体车型的基础上车身外形的研究：
通过对大量车型的空气动力学模拟分析．并进行分析总结，可以发现汽车造型中的以下特征对空气阻力的大小影响很大。
车身外形：英国的White 1967年根据试验结果对气动阻力影响最关键的车身外形参数进行分级，对实际有重大指导作用；轿车侧壁略有外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数；但外鼓系数(外鼓尺寸与跨度之比)应避免在0．02—0．04范围内。顶盖有适当的干扰系数有利于减小气动阻力，综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度、强度等方面的因素，顶盖的干扰系数(上鼓尺寸与跨度之比)应在0．06以下。对阶背式轿车而言。客舱长度与轴距之比由0．93增至1．17．会较大程度地减小气动升力系数。但发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。
车头圆角：整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。

车头高度：车头头缘位置较低的下凸型车头气动阻力系数最小。但不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化，车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。
发动机罩曲率与夹角：发动机罩的纵向曲率越小（目前大多数采用的纵向曲率为0．02／m）气动阻力越小；发动机罩的横向曲率也有利于减小气动阻力。发动机罩有适当的斜度(即发动机罩与水平面的夹角)对降低气动阻力有利。但如果斜度进一步加大对降阻效果不明显。
前风挡玻璃的曲率与夹角：风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则导致视觉失真、刮雨器的刮扫效果变差；前风窗玻璃的横向曲率也有利于减小气动阻力；前风窗与水平面的交角一般在25。 35。之间比较有利于减小空气助力。
前立柱的影响：前立柱上的凹槽、小台面和细棱角处理不当，将导致较大的气动阻力和较严重的气动噪声和侧窗污染，应设计成圆滑过渡的外形。
后风窗斜度：后风窗斜度(后风窗弦线与水平线的夹角)对气动阻力影响较大，对斜背式轿车，斜度等于30。时，阻力系数最大；斜度小于30。时，阻力系数较小；后挡风玻璃的倾斜角一般控制在25。之内为宜。
后风窗与车顶夹角：从理论上说，小斜背(角度小于30o)具有较小的气动阻力系数。流线型车尾的汽车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小，此高度需要根据具体车型以及结构要求而定。
车轮的影响：车身主体与车轮之间存在着很大的相互干涉，车轮的特性参数(被轮腔所覆盖的车轮高度h与车轮直径D的比值)h／D对气动力的影响．h／D<0．75时，h／D越大．则气动阻力系数和气动升力系数越小，h／D=0．75时，气动阻力系数和气动升力系数最小，h／D>0．75后，气动阻力系数又会回升。适度地加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。不同形状的车轮辐板，车轮辐板上开孑L面积的布置方式对气动性能有很大的影响；在总开孔面积相同的情况下，将开孔数适量增大有利于气动性能的改善。
在综合以上分析基础啊上，现代轿车的外形一般用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用圆滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，前风窗与水平面的夹角一般在25度－33度之间，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等，这些措施有助于减少空气阻力系数。
在8O年代初问世的德国奥迪100一Ⅲ型轿车就是最突出的例子，它采用了上述种种措施，其空气阻力系数只有o．3，成为当时商业代轿车外形设计的最佳典范。

三．导流板的作用和扰流板的设计
在空气动力学上，有法国物理学家贝尔努依证明的一条理论：空气流速的速度与压力成反比。也就是说，空气流速越快，压力越小；空气流速越慢，压力越大。例如飞机的机翼是上面呈正抛物形，气流较快；下面平滑，气流较慢，形成了机翼下压力大于上压力，产生了升力。如果轿车外型与机翼横截面形状相似，在高速行驶中由于车身上下两面的气流压力不同，下面大上面小，这种压力差必然会产生一种上升力，车速越快压力差越大，上升力也就越大。这种上升力也是空气阻力的一种，汽车工程界称为诱导阻力，约占整车空气阻力的6%，虽然比例较小，但危害很大。其它空气阻力只是消耗轿车的动力，这个阻力不但消耗动力，还会产生承托力危害轿车的行驶安全。因为当轿车时速达到一定的数值时，升力就会克服车重而将车子向上托起，减少了车轮与地面的附着力，使车子发飘，造成行驶稳定性变差。
在现代汽车造型上，将车身整体向前下方倾斜而在前轮上产生向下的压力，将车尾改为短平，减少从车顶向后部作用的负气压而防止后轮飘浮。除此之外，主要采取在导流板和扰流板来降低诱导阻力的影响。
现代空气动力学发现，车底的扰流效果更加重要，因此，降低诱导阻力的主要方法是使轿车拥有平顺的下腹部，使通过的流体遇到较少的阻碍，但由于成本因素，这种导流板只应用于价格昂贵的中置，后置发动机的轿车上。
比较普通的做法是，在车的前端的保险杠下方装上向下倾斜的连接板。连接板与车身前裙板联成一体，中间开有合适的进风口加大气流度，减低车底气压，这种连接板称为导流板。
在轿车行李箱盖上后端做成象鸭尾似的突出物将从车顶冲下来的气流阻滞一下形成向下的作用力，这种突出物称为扰流板。还有一种扰流板是人们受到飞机机翼的启发而产生的，就是在轿车的尾端上安装一个与水平方向呈一定角度的平行板，这个平行板的横截面与机翼的横截面相同，只是反过来安装，平滑面在上，抛物面在下，这样车子在行驶中会产生与升力同样性质的作用力，只是方向相反，利用这个向下的力来抵消车身上的升力。如下图。

后扰流板的加入还要考虑到功角的大小。为了比较全面地反映不同速度范围内，扰流板起升角度对汽车性能的影响，将对80kph，100kph，120kph，150kph四种速度下4度，8度，12度，16度四种扰流板攻角模型以及不加装扰流板模型进行计算。在通过模型计算之后，我们可以得到一定的流场下，当速度不变时，气动升力系数随着扰流板攻角的增大而减小，扰流板攻角越大，气动升力下降百分比越大。如下表。

但是气动阻力系数的变化则比较复杂，在小于8度范围内，气动阻力系数随着扰流板攻角增大而增大，汽车车速的提高也造成了汽车阻力的上升。在8～12度范围里，气动阻力系数随着攻角增大而减小。而在大于16度范围里，气动阻力系数再次随攻角增大而增大。
从图中可以看出，在速度不太快的情况下（小于120kph）将后扰流板以攻角12度进行安装，汽车可以获得最佳的气动升力参数。但是在速度高于120kph，接近150kph时，后扰流板对气动阻力系数以及气动升力系数影响不太大。因而对于跑车来说，后扰流板更多的在启动加速的过程中起到更大的作用。在著名跑车布加迪威龙中，我们可以发现，在其低速以及中速区间里，其扰流板攻角角度相对较大，而在高速行驶中则会收起扰流板。
四．降低横向侧摆力的措施
除了考虑克服气动阻力和气动升力外，还需要注意的是汽车在行进过程中可能会受横向风等不稳定
性因素干扰，横向风干扰在汽车高速行车时表现十分明显。实验证明，风压中心与汽车质心的距离越小，横向侧摆力矩就越小。因此可以通过改变风压中心与质心的相对位置来改善侧向稳定性(与行车安全性和乘坐舒适性相关廓和侧向投影面积形心，因此短背式汽车的稳定性要比直背式汽车好。此外，后尾部还可以设置垂直尾翼来增大车身面积，使风压中心后移。

结论：
经试验研究表明，汽车速度越高，受空气阻力的影响越严重。因此汽车造型要在遵循基本的空气动力学原理的前提下进行，首先获得整体具备出色气动特性的适当“理想基本形”，再进行局部优化，通过对其进行局部几何修整及加装少量气动部件。汽车造型在符合理论的基础上，也应多次实验验证，通过实验与理论相结合，做出最符合空气动力学与实际应用的双赢。由于高速时各种空气力学分析比较复杂，在设计时要采用更加先进的分析方法与手段。例如计算机辅助空气动力学(CAA)、辅助造型(CAS)和风洞仿真实验等新技术，以计算机数值与图象处理方式完成，并进行虚拟验证等工作。
参考文献：
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