第六讲汽车造型设计与空气动力学

第六讲汽车造型设计与空气动力学————《汽车车身结构与设计》课程教师:李迪专业：车辆工程学院：交通与车辆工程学院2006年11月6日汽车车身结构与设计2/34概要汽车空气动力学性能汽车行驶时所受到的气动力和力矩改善汽车空气动力性能的措施汽车空气动力学的发展阶段整体优化法设计汽车造型设计汽车造型设计的发展过程汽车造型技术与方法汽车车身结构与设计3/34一、汽车的空气动力学性能1.汽车行驶时所受到的气动力和力矩气动力F：将整个汽车外表面上压力合成而得到作用在汽车上的合力。风压中心C．P．：合力在汽车上的作用点。质心C．G．212qFFFPSCSC迎风面积S车身形状系数xyzFFFF汽车车身结构与设计4/34一、汽车的空气动力学性能气动阻力：212xDFSC气动升力:212zyFSC侧向分力：212yZFSC汽车车身结构与设计5/34一、汽车的空气动力学性能2211()22yxCZCDCZCMyMFZFXCZCXLC纵倾力矩又称俯俯仰力矩My，(以使汽车抬头为正)：式中Xc，Zc——风压中心到质心的距离；L——特征长度，一般指汽车轴距；CMy——俯仰力矩系数。横摆力矩Mz(以汽车右偏为正)：221122ZyCyCMZMFXSCXSLC侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正)：221122xyCZCMXMFZSCZSLC汽车车身结构与设计6/34一、汽车的空气动力学性能2.汽车的空气阻力212xDFSC正比：空气阻力系数CD，迎风面积S，空气密度ρ及车速v2分为5个部分：形状阻力摩擦阻力诱导阻力干扰阻力内部阻力汽车车身结构与设计7/34一、汽车的空气动力学性能阻力名称产生原因影响因素一般轿车CD=0.45理想型跑车CD=0.20形状阻力汽车前后压差车身表面形状及其交接处的转折方式58%70%摩擦阻力空气与车身摩擦车身表面的面积和光顺程度9%20%诱导阻力空气升力的纵向分力气动升力7%0干扰阻力扰动表面突起和各种附件14%5%内部阻力内循环阻力冷却气流和车内通风12%5%汽车车身结构与设计8/34一、汽车的空气动力学性能3.汽车的空气升力212xZFSC正比升力产生的原理CZ上下表面曲率上下表面压差f(x)反映了车身形状和位置状态对升力的影响程度，是评价汽车升力特性的重要指标。提示：为安全考虑，减小气动升力比降低气动阻力更为重要!!!汽车车身结构与设计9/34一、汽车的空气动力学性能降低升力的措施：（1）采用负迎角迎角:汽车前、后形心的连线与水平线的夹角。前高后低为正,迎角越大,升力越大造型应前低后高，产生负升力更好！汽车车身结构与设计10/34一、汽车的空气动力学性能（2）在汽车前端底部、后端加扰流板汽车车身结构与设计11/34一、汽车的空气动力学性能（3）车尾地板向上翘起一个角度汽车车身结构与设计12/34（4）汽车底部板向两侧略微上翘使底部气流有一部分流向两个侧面。当气流向两侧疏导时加快了底部的气流速度而使升力下降。（5）斜背加”鸭尾”一、汽车的空气动力学性能汽车车身结构与设计13/34一、汽车的空气动力学性能4.汽车的空气动力稳定性风压中心在质心前边不好！汽车车身结构与设计14/34一、汽车的空气动力学性能使风压中心和汽车重心重合;形心在质心之后,靠近后轮;质心在L(轴距)/2之前；尽量使风压中心和汽车重心位于同一水平面.汽车车身结构与设计15/34一、汽车的空气动力学性能5.改善汽车空气动力性能的措施5.1汽车外形的设计（1）汽车头部的平面和侧面形状轮廓线应尽量圆滑汽车车身结构与设计16/34一、汽车的空气动力学性能（2）车头前端应尽量低矮汽车车身结构与设计17/34一、汽车的空气动力学性能（3）头部与前风窗下缘的交接处,前风窗顶部与顶盖的交接处以及前风窗两侧的拐角等过渡区域都应尽量地圆滑汽车车身结构与设计18/34一、汽车的空气动力学性能（4）汽车中部应呈腰鼓形,汽车纵向的最大横截面不宜过分地前移,以降低汽车的升力系数值;（5）汽车的底部形状最好采用整体平顺的底板,减小升力.（6）汽车车身的后部采用逐渐缓慢收缩的长尾式.（7）注意驾驶室向后部车厢的过渡,避免形状的突变.汽车车身结构与设计19/34一、汽车的空气动力学性能5.2利用附加装置减小风阻（1）前部扰流器汽车车身结构与设计20/34一、汽车的空气动力学性能（2）后部扰流器可使后窗后部的负压力降低；又可引导气流将后窗表面清洗，避免尘土附着而影响后视野汽车车身结构与设计21/34一、汽车的空气动力学性能汽车车身结构与设计22/34一、汽车的空气动力学性能（3）导流罩汽车车身结构与设计23/34一、汽车的空气动力学性能（4）隔离装置是沿汽车中心线垂直地安装在牵引车和半挂车间的平板。可改善因侧向风引起的通过牵引车和半挂车间间隙的水平气流；当与导流罩连用时，可稳定导流罩的尾流，从而保证导流罩的效能。汽车车身结构与设计24/34一、汽车的空气动力学性能6.汽车空气动力学的发展阶段驾驶室内流、发动机冷却、空气动力噪声及消除车身上泥土附着等降低气动阻力气动升力及侧风稳定性汽车车身结构与设计25/34（1）基本形状造型阶段（1900——1930）一、汽车的空气动力学性能注意了空气动力特性，直接将水流和气流中的合理外形应用到汽车上。鱼雷形状汽车车身结构与设计26/34一、汽车的空气动力学性能汽车车身结构与设计27/34一、汽车的空气动力学性能汽车车身结构与设计28/34一、汽车的空气动力学性能（2）流线型化造型阶段（甲壳虫、船形）降低气动阻力，并获得了可观的进展。（3）细部优化阶段首先进行外形设计，然后对形体细部如圆角半径、曲面弧度、斜度及扰流器等逐步或同时进行修改，控制以及防止气流的分离现象发生，以降低阻力，称为“细部优化法’’(detailoptimization)。（4）汽车造型的整体优化阶段首先确定一个符合总布置要求的理想的低阻形体，在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中，都应严格地保证形体的光顺性，在不改变其整体流场的条件下，使其逐步形成具有低气动阻力系数的实车，称之为形体最佳化(ShapeOptimization)。汽车车身结构与设计29/34一、汽车的空气动力学性能汽车车身结构与设计30/34一、汽车的空气动力学性能Audi100C3整体优化设计1.设计基本形体多种缩比模型风洞试验。2.改造为基本汽车外形按空气动力学原理处理局部细节，如车身底部部件、冷却系前端保险杠的缝隙等。3.精制基本模型进行结构及工艺设计的详细考虑，使模型车基本接近于真车。4.试制产品车0.170.250.290.30CD值汽车车身结构与设计31/34一、汽车的空气动力学性能汽车车身结构与设计32/34二、汽车造型技术与方法1.汽车造型设计的发展过程（1）造型设计的原始阶段(1950年以前)汽车造型设计作为一个兼具技术和艺术要求的行业诞生。（2）造型设计的发展期(1950-1969)（3）造型设计的成熟期(1970-1989)（4）造型设计的辉煌期(1990年以后)（5）汽车造型设计技术的发展现状提出车型平台化概念，使开发技术要实现快速和低成本；实现了以计算机仿真与分析技术为主体的快速开发，并很快实现信息和知识工程技术为基础的虚拟设计；继续缩短设计周期。1999年ford和GM宣布实现全新车型开发周期为22个月和24个月,最终目标是12—18个月。汽车车身结构与设计33/34二、汽车造型技术与方法2.汽车造型遵循的原则满足汽车用户需求：国家、地域、民族文化、时代.法规需求：与造型有关的法规如视野,前后保险杠,灯具,牌照尺寸和碰撞安全性等.适应技术进步：造型设计通过数字化曲面构造、数控加工模型,在数控模型上少量修改便定型是未来汽车开发的主要形式,可以大大缩短开发时间和提高开发质量.具有完美的形象;良好的空气动力性;良好的工艺性;材料的装饰效果.汽车车身结构与设计34/343.汽车造型技术与方法二、汽车造型技术与方法（1）收集资料信息形成造型设计概念借鉴、继承和改进;征得消费者对汽车的意见和期望;每年参加各地举办的汽车展览会;收集市场的信息反馈.（2）获得造型设计的基本硬点-控制线图总布置设计、局部改型设计的控制关系（3）造型构思草图（4）造型彩色效果图汽车车身结构与设计35/34一、汽车的空气动力学性能（5）油泥模型制作或数字化构造模型-三维数字化过程手工缩比模型制作、全尺寸油泥模型（6）数控加工模型（7）测量与曲面光顺-数字化反求：Surface曲面、结构：UG、Proe、Catia谢谢!