第三章汽车空气动力学

第三章汽车空气动力学3.1概述3.2气动阻力3.3升力和俯仰力矩3.4侧向力和横摆力矩3.5侧倾力矩3.6侧风作用下的气动阻力系数3.7汽车空气动力学试验第一节概述定义：汽车在路面上行驶，除受到路面作用力外，还受到周围气流对它作用的各种力和力矩。研究这些力的特性及其对汽车性能所产生的影响的学科称为汽车空气动力学。汽车行驶中受到的气动力有迎面阻力、升力、侧向力及这些力形成的俯仰力矩、侧倾力矩和横摆力矩，他们的大小，大致都与空气对汽车的相对速度的平方成正比，因此随着汽车行驶速度的日益提高，其作用对汽车性能的影响也会愈来愈显著。回主目录气动六分力与坐标系：汽车在行使时，受到气流的气动力作用，该作用力在汽车上的作用点，我们通常称为风压中心，记作C.P，由于汽车外型的对称性，风压中心在汽车的对称平面内，但它不一定与重心（CG）重合。为了研究方便，建立一套坐标系，通常把汽车空气动力坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的交线上，前后轴中点处。规定各轴的正值方向如图3-1示：回主目录所有的空气力向上述坐标原点化简，产生三个分力和三个绕坐标轴的力矩。各种气动力的数值都与动压力和迎风的汽车正投影面积成正比，其比例系数称为气动力系数。表3-1列出了国内外对六分力名称和系数公式的对照表回主目录名称代号美、日规定德国规定系数公式气动阻力Drag侧向力Sideforce升力Lift侧倾力矩Rollingmoment俯仰力矩Pitchingmoment横摆力矩Yawingmoment表3-1xxCFyyCFzzCFDCDDCDsCSyCDLCLLCLMxxCMRMRCMMyyCMPMPCMMzzCMyMyCMRCRMCMNCN22AFCrXx22AFCrYy22AFCrZz22ALMCrXMx22ALMCrYMy22ALMCrZMz回主目录第二节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。在高速行驶时，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降低气动阻力系数Cx，因为它对汽车动力性、经济性和轻量化有很多好处。回主目录气动阻力由五部分组成：1.形状阻力，占总阻力58%；2.诱导阻力，占总阻力7%；3.摩擦阻力，占总阻力9%；4.干扰阻力，占总阻力14%；5.内循环阻力，占总阻力12%。这几部分阻力的大致比例如图3-2所示。图3-2回主目录3.2.1形状阻力当汽车行使时，气流流经汽车表面过程中，在汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流，如图3-3中在车身后部有明显的涡流区，在涡流区产生负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力是压差阻力，又因为这都和车身形状有关，也称为形状阻力，它占整个阻力的。0058回主目录图3-3汽车表面气流图回主目录3.2.2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。图3-4汽车的诱导阻力回主目录诱导阻力系数升力系数间有如下近似关系：（3-1）式中，b为汽车宽度，m；为空气密度，A为汽车正投影面积，。诱导阻力占总空气阻力的。xiCyC3mkg0072mAbAVFCCCrxixiyxi22221回主目录3.2.3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，约占总空气阻力的。回主目录009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，约占总空气阻力的。3.2.4干扰阻力它是车身外面的凸起物如后视镜、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%。回主目录3.2.5小结减少气动阻力系数在车身造型设计中主要采取下列措施：1、光顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面层剥离和涡流的产生；2、调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等造型的倾斜角度有效地减少阻力的产生；3、减少凸起物，形成平滑表面；4、设计空气动力附件，整理和引导气流流向。xDCC回主目录第三节升力和俯仰力矩升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气流速不等形成压力差而造成的。升力不通过重心时对汽车产生俯仰力矩。升力使车轮有抬升的趋势，减少驱动轮上的附着力，对转向车轮的影响是升力使侧向最大附着力和侧偏刚度降低，而使转向性能变坏。现代高速汽车特别是赛车在设计上都力图减少升力。回主目录影响因素：1、车身形状把车身前后端形心用直线连接，称此直线为中线，此中线与水平面的夹角称为迎角。中线前高后低，迎角为正，反之为负。正迎角越大升力越大。如果汽车风压中心处于中心之前，则升力对中心造成俯仰力矩，使前轮更加有离地趋势，所以最新设计的车身形状采取以下措施：（1）尽量做到风压中心与重心重合；（2）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迎角；回主目录(3)车身前部设阻风板后面设扰流板使后面翘起，如图3-5示；图3-52、驱动形式一般前置前驱汽车其风压中心与车身中心接近，后置发动机汽车的重心往往偏后，因而风压中心可能在重心前，俯仰力矩大些。回主目录第四节侧向力和横摆力矩汽车受侧风时，如风力与中轴成角，则在方向产生分力，此分力随角的增加而直线上升，如侧风作用的风压中心(C.P)在重心之前，则汽车将顺风偏转，结果使增大。侧向力和横摆力矩增大，导致稳定性变坏，如侧向力的风压中心位于中心之后，则汽车逆风偏转，使侧向力和横摆力矩减少利于行驶稳定性；如风压中心与重心重合，则汽车在侧向力作用下侧移，但能保持行驶方向。减少侧向力的影响有以下措施：(1)尽量使风压中心位于重心之后；(2)尽量压低车身高度，处理好横截面的流线形性，增加车宽。yyF回主目录第五节侧倾力矩侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并影响左右车轮负荷重新分配。侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，减少侧倾力矩的措施主要是：(1)尽量降低车身，增大车宽；(2)使风压中心在高度上接近侧倾轴线；回主目录第六节侧风作用下的气动阻力系数在侧风作用下直线行驶的汽车受到由行驶速度产生的行驶风(负号表示与行驶速度方向相反)和侧风的影响，气流流入合成速度就是两者的矢量和：其合成速度与汽车轴线成角(图3-6)。流入角，单位为。的大小可用下式求出：式中——风与汽车轴线夹角。rwwrrr21'22cos2wwr'回主目录图3-6回主目录流入角可用下式求出：所以：在逆风时：顺风时：rrw2cos22rrw2arccos22wr0'wr180'回主目录横风时：图3-7表示有侧风时行驶速度、风速与合成速度及迎角之间的关系。在有侧风时，气动阻力系数成为，它要比无风时的气动阻力系数大，图3-8是在风洞中测出三种车型的和迎角的关系，前时，随着的增大，一般要增大。warctgwr2122'90TCDCTDCC、0DTCCTC回主目录图3-7自然侧风风速不同时，合成风速和迎角与行驶速度之间的关系(直线行驶时,自然风垂直于汽车纵轴线)res回主目录图3-8三种典型车身的切向力系数与迎角的关系回主目录第七节汽车空气动力学试验汽车的空气动力学试验分室内和室外两种：室内实验一般是把汽车或汽车模型置于能模拟汽车行驶中流场的管状试验场中，用巨型风扇造成所需的汽车气流的相对速度，测定各种气动力和气动力矩的一种试验装置，这种装置称为风洞(WindTunnel)。室外实验是把实车在室外试验场上进行空气阻力系数的测定和研究横风对汽车的作用。回主目录3.7.1风洞试验设施和技术汽车风洞由大功率电动机带动鼓风机和按一定要求设计的管道构成，可分为直流式和回流式两种：1、直流式风洞又称为埃菲尔式风洞，其结构是鼓风机在试验阶段下游靠吸入空气形成气流。图3-9a即是英国MIRA研究中心的一个直流式风洞,试验段长3.8m，截面2.12,高1m,最高风速为160km/h，风扇功率为37.3kW，由于截面小，只作模型试验，试验段一般为长方形截面，其长度应为1.5-2倍当量截面直径。2m回主目录图3-9两个典型的汽车风洞回主目录2、回流式风洞又称哥根廷式风洞，通过试验段的气流经过循环系统再返回流动形成回流，故此得名，其优点是可节省驱动功率，图3-9a示出德国奔驰公司的回流式风洞，其试验段截面达32.6，长10m,最高风速达270km/h,风扇功率高达4000kW。世界上的风洞按其试验段面积和最高风速可分为大中小三类：2mkWsmmAkWsmmAkWsmmA12700~180075~6338~302000~60057~3322~10560~5044~206~5.1max2max2max2功率大型风洞功率中型风洞功率小型风洞回主目录风洞的技术要求：1、模拟地面效应汽车在真实路面上行驶时，受到与行驶速度相同的风的作用，与此同时，路面以相同速度向后方移动，而在风洞中，汽车或汽车模型不动，风以与汽车行驶速度相同的风速作用于汽车上，但在地板上形成边界层，这种边界层是由于流体粘性造成的，使测量阻力减少，升力值增大。因此规定：005.8汽车模型离地间隙附面层厚度回主目录图3-10地面效应模拟方法为了尽可能真实地复现汽车车身底部的速度分布，要求地板的边界层尽可能薄，常用以下三种方法(见图3-10)：1)把模型支在距风洞底部一定高度的地板上；2)把模型支在传动带上；3)在风洞地板上设孔以吸除(或吹除)附面层.回主目录2、模拟边界条件汽车在路上行驶，四周气流均匀，风洞中除地板上有附面层外，管径如太小，其附面层也影响气流特性，为此设计的风洞试验段截面积与模型的正面投影面积之比有一定要求：模型的正面投影面积要小于的试验段面积，地板以上面积，模型高度要小于试验段高度。3、必须符合相似原则不但几何尺寸相似，而且雷诺数也相似。4、要有侧六分力的天平仪图3-11为意大利平宁法里那设计的机械式六分力天平仪，能同时测出所需六分力和三个力矩。0050030回主目录图3-11机械式六分力天平回主目录3.7.2空气动力学的室外试验一般试验项目有：1.测定气动阻力系数；气动阻力系数是通过滑行法来测定。在平坦路面上，把汽车加速到一定值(60~100km/h)，然后挂空档，任其滑行，记录速度下降和时间的关系，并由此求得各速度间的平均减速度，由此可计算出对应的总阻力，它包括轮胎滚动阻力、传动系阻力和空气阻力。从总阻力中间去轮胎滚动阻力和传动系阻力，即得空气阻力，进而求出空气气动阻力系数。DxCCDxCC回主目录侧风稳定性试验要采用侧风发生器模拟自然侧风，图3-12默谢台斯奔驰公司试验场上所进行的侧风稳定性示意图。侧风发生器采用鼓风箱组成，全长32m。可产生速度为80km/h的侧风，相当于8-9级自然风。试验车辆在距侧风发生器3m处等速驶过(车速为100km/h)，转向盘保持不动，至少应记录进入侧风发生器前20m和到侧风段后50m的全部测量值,包括：转向盘转角；横向加速度；横摆速度；在侧风段50m处汽车侧向偏移量(汽车质心轨迹可通过在路面上喷水来确定，也可通过所测的横向加速度