第六章 汽车的空气动力性能

第六章汽车空气动力性能概述汽车受到的外力路面作用力空气动力重力汽车在路面上行驶时，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。•对动力性的影响•影响高速时的加速性能;•影响最高车速。•对燃油经济性的影响对于CdA=0.8m2的轿车，v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力；v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力；轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。•对安全性的影响•高速时的加速性能影响行车的安全；•空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性；•空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。•对汽车外观的影响•汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形；•空气动力学影响着人们的审美观。空气动力学对汽车性能的影响汽车空气动力学研究内容研究汽车运动时，空气对汽车的作用。包括：作用力（力矩）、噪声、冷却、通风换气、车身表面清洁、对附件工作性能的影响等。1.空气动力学基础知识1.1连续性方程和伯努利方程(Bernoulli’sLaw)连续性方程对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等，即ρ1V1A1=ρ2V2A2=······=常数对于不可压缩流体（ρ1=ρ2=······=常数），有V1A1=V2A2=······=常数•连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。•汽车周围的空气压力变化不大，可近似认为空气密度不变。伯努利方程对于不可压缩流体，有：mgz+mp/ρ+mV2/2=常数即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。当气体流速不太高时，密度ρ可视为不变，且气体的重力很小，则p/ρ+V2/2=常数或p+ρV2/2=常数即静压力与“动压力”之和为一常数。•伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。•流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。文丘里效应(VentureEffect)：流体经过狭窄通道时压力减小的现象。吹纸条:热水淋浴器:球浮气流：发动机化油器喉管同向行舟:1.2空气的粘滞性和气流分离现象附面层(boundarylayer)由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流速较低的区域，即为附面层。•附面层随流程的增加而增厚。•附面层的流态由层流转变为紊流。顺压梯度和逆压梯度•顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓）逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）•轿车的横截面积分布和气流压力梯度气流分离现象(flowseparation)当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面层内，流动尤为困难。在物面法向速度梯度为零(=0)时，气流开始分离。靠近物面的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与物面隔开。ePYeY=0•尾流区在分离点后，是一不规则流动的涡流区，总体上是静止不动的“死水区”。物体向前运动时，它随之运动，故称“尾流”。尾流区内各点压力几乎相等，与分离点处压力相同。•压差阻力(pressuredrag)在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。•影响气流分离的因素•压力梯度只有在逆压梯度条件下才会产生分离。逆压梯度越大，越易分离。•流态紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。•减小形状阻力的措施•降低逆压梯度减缓物体背流面的截面变化，使分离点（分离线）向后移，减小尾流区。•增大紊流度增大物面的粗糙度。•分离是产生在附面层•流体没有粘度，就没有附面层。•没有附面层，就不会产生气流分离现象。•汽车上的分离区气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称为“气泡”(bubble)）。汽车空气作用的六分力与汽车运动状态的关系，主要靠模型或实车的风洞试验求得。坐标系风压中心（C.P——Centerofairpresure）空气动力的合力作用点，位于汽车对称平面内，不一定与重心重合所有的空气动力向坐标原点化简，即产生三个分力和绕x,y,z三个坐标轴的力矩横摆力矩侧倾力矩侧向力2.汽车空气动力与空气动力矩•空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(SideForce)Ｓ。•将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为：侧倾力矩(RollingMoment)MX、俯仰力矩(PitchingMoment)MY、横摆力矩(YowMoment)MZ。空气动力的表达式空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特性的重要指标，它主要取决于汽车外形。空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为AVCLL22AVCSY22AVCDd22空气动力矩的表达式俯仰力矩令则一般取汽车的轴距作为特征长度l。类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为AlVCMMYY22AlVCMMXX22AlVCMMZZ22AVZCXCDZLXMCdCLCCY2)(2MYCdCLlCZCXC空气动力的各分力的数值都与动压力和迎风的汽车正投影面积成正比，其比例系数称为空气动力系数(风阻系数)——空气密度，vr——气流相对汽车速度A——汽车正投影面积，L——汽车特征长度单位气动阻力Drag侧向力Sideforce升力Lift侧倾力矩Rollingmoment俯仰力矩Pitchingmoment横摆力矩YawingmomentFxFyFzMxMyMz212xxrFCvA212yyrFCvA212zzrFCvA212xMxrMCvAL212yMyrMCvAL212zMzrMCvAL3.空气阻力3.1空气阻力的分类及影响的相关因素•形状阻力(FormDrag)•干扰阻力(InterferenceDrag)•内部阻力(InternalFlowDrag)•诱导阻力(InducedDrag)•摩擦阻力(SkinFriction)前四种为压力阻力。Cd总值：0.45A—形状阻力(Cd=0.262)；B—干扰阻力(Cd=0.064)；C—内部阻力(Cd=0.053)；D—诱导阻力(Cd=0.031)；E—形状阻力(Cd=0.040)。空气作用于车身的向后纵向分力称为气动阻力。与车速平方成正比与车身形状有很大关系升力在水平方向上的分力由于空气具有粘性，在流经车身表面对空气质点与车身表面的摩擦力在逆行驶方向的分力车身表面突起物造成的阻力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内部构造所产生的阻力汽车空气阻力对汽车的影响主要有两个方面：1、汽车动力性：汽车的最高车速、加速时间、最大爬坡度2、汽车经济性气动阻力与总阻力的比、气动阻力所耗功率、气动阻力与燃料消耗量汽车空气阻力对动力性的影响汽车的最高车速、加速时间、最大爬坡度是评价汽车动力性的主要指标。1、汽动阻力与最大速度汽车在水平路面上等速行使，其最大车速可表示为：12maxmax1(2)2DLFGfVACCf车重分析：当车重及其他因素不变，一定的最大驱动力时，汽车的最大速度取决于气动阻力系数和气动升力系数。由于气动升力系数涉及到汽车的稳定性，在此不讨论。可见：减小气动阻力系数可提高最大速度。2、汽动阻力与汽车加速度2360032tTDadPdvdtdtGfACv发动机功率随时间的变化率汽车传动系效率分析：当车重及其他因素不变，一定的传动效率时，汽车的加速度取决于气动阻力系数。可见：减小气动阻力系数可增加汽车的加速度。当气动阻力增加，会使加速能力下降。若max0dvvvdt当然，汽车的加速性能首先取决于发动机的加速特性。汽车空气阻力对经济性的影响随着世界能源危机，石油价格的上涨，改善汽车的燃料经济性成为重要课题。1、汽动阻力占总阻力的比例汽车上的总阻力由气动阻力和滚动阻力组成：212()2()2DFFFRRRTAvCGLfGLf气动阻力在前后轮上的汽车重力和升力由图可知，当车速为（60－80）km/h时气动阻力与滚动阻力相当；当车速为160km/h后，气动阻力是滚动阻力的2－3倍。气动阻力空气阻力所耗功率克服气动阻力所需的功率来源于发动机，发动机所做的功有相当大一部分用来克服气动阻力。不同的车形、不同的速度所耗功率不等。耗功与速度3次方正比。35112DNCAv空气阻力与燃料消耗量不同的车形、不同的速度每百公里所耗油不等。小型车用于克服气动阻力每百公里所耗油量占总耗油量的50％左右，比例最大，故减小气动阻力可使每百公里耗油量下降。3.2形状阻力形状阻力主要是压差阻力，是由车身的外部形状决定的。前风窗对空气阻力的影响•前风窗对气流的影响•减小前风窗处空气阻力的措施•增大风窗与发动机罩间的夹角；•风窗横向弯曲。气动阻力（系数）与车身外形的关系29箱型汽车•1908~1931•CD～0.7甲虫型汽车•1935～1944•CD～0.46船型汽车•1945～1970•CD～0.4鱼型汽车•1970～1980•CD～0.35楔型汽车•1980～1990•CD～0.3Cd（风阻系数）世界记录Cd年款车型注释0.1371986福特ProbeV概念车0.191996通用EV1电动车0.251999本田Insight混合动力车0.252000雷克萨斯LS4300.252000奥迪A23升0.261989欧宝Calibra2.0i基本型0.262000奔驰C1800.271996奔驰E2300.271997大众帕萨特0.271997雷克萨斯LS4000.271998宝马318i0.272000奔驰C级重视人体工程学，内部空间大，乘坐舒适空气阻力大，妨碍了汽车前进的速度，越呈流线型汽车的正面阻力和后面涡流越小乘员活动空间狭小对横风的不稳定性汽车车室置于两轴之间解决了对横风不稳定的问题车的尾部过长，为阶梯状，高速行驶时会产生较强的空气涡流，影响了车速的提高后窗倾斜大，面积大，降低了车身强度汽车高速行驶时易产生很大的升力，使汽车地面附着力减小，使汽车行驶稳定性和操纵稳定性降低车身整体向前下方倾斜，车身后部像刀切一样平直，这种造型能有效地克服升力楔型对于目前的高速汽车，已接近理想造型车身后背对空气阻力的影响•几种典型的车身后背型式•直背式(Fastback)：后背倾角＜20°；•舱背式(Hatchback)：后背倾角20°～50°；•方背式(Squareback)：后背倾角＞50°；•折背式(Notchback)。•后背倾角与空气阻力•分离点在后端时，后背倾角增大，尾流区减小；•分离点在后背上时，后背倾角增大，尾流区增大。•有一空气阻力最小的最佳后背倾角。•后背长度越大，空气阻力越小。•车身后背形状与空气阻力•截尾式•两厢式与三厢式•行李箱高度3.3诱导阻力(induceddrag)在侧面由下向上的气流形成的涡流(vortice)的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，使产生的实际升力有一向后的水平分力，这个分力就是诱导阻力。。•气流在后背的偏转角越大，诱导阻力越大；后背倾角越大，气流在后背的偏转角越大。•气流在后背的流程越长，诱导阻力越大。分离点前移，气流在后背的流程减小。•后背倾角的变化，对形状阻力和诱导阻力都有影响。随倾角增大，诱导阻力增大，并随分离点前移，增大速度减缓，最终减小，至消失；随后背倾角增大，形状阻力先减小，再增大，分离点前移至后背顶端时，不再增大。•车身后背上减小诱导阻力的措施•选择适当的后背倾角•后背后缘处为尖锐棱角形成稳定的气流分离线；减小转角处产生的诱导阻力。•设扰流器减小诱导阻力，同时减小空气升力。3.4干扰阻力干扰阻力是由于车身表面的