1、汽車空氣動(dòng)力學(xué)汽車空氣動(dòng)力學(xué)36學(xué)時(shí)汽車空氣動(dòng)力學(xué)汽車空氣動(dòng)力學(xué)(32學(xué)時(shí))第一章第一章 緒論緒論1 1節(jié)節(jié) 汽車空氣動(dòng)力學(xué)的重要性汽車空氣動(dòng)力學(xué)的重要性汽車空氣動(dòng)力學(xué)是研究空氣流經(jīng)汽車時(shí)的流動(dòng)規(guī)律及空氣與汽車相互作用的一門(mén)科學(xué)。作用在汽車上的空氣力有三種：空氣阻力、升力、側(cè)向力。作用在汽車上的力矩也有三種：縱傾力矩、側(cè)向力矩、橫擺力矩。這些力和力矩稱之為空氣動(dòng)力六分力。xzy汽車空氣動(dòng)力特性對(duì)汽車的影響主要有三個(gè)方面：1、汽車動(dòng)力性：汽車的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度2、汽車經(jīng)濟(jì)性氣動(dòng)阻力與總阻力的比、氣動(dòng)阻力所耗功率、氣動(dòng)阻力與燃料消耗量3、汽車操縱穩(wěn)定性升力與縱傾力矩、側(cè)向力及橫擺力、

2、側(cè)傾力矩、一、汽車空氣動(dòng)力特性對(duì)動(dòng)力性的影響汽車的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度是評(píng)價(jià)汽車動(dòng)力性的主要指標(biāo)。1、汽動(dòng)阻力與最大速度汽車在水平路面上等速行使，其最大車速可表示為：12maxmax1(2)2DLFGfVA CC f最大驅(qū)動(dòng)力車重滾動(dòng)阻力系數(shù)氣動(dòng)升力系數(shù)氣動(dòng)阻力系數(shù)分析：當(dāng)車重及其他因素不變，一定的最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，汽車的最大速度取決于氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)。由于氣動(dòng)升力系數(shù)涉及到汽車的穩(wěn)定性，在此不討論，可見(jiàn)：減小氣動(dòng)阻力系數(shù)可提高最大速度。2、汽動(dòng)阻力與汽車加速度2360032tTDadPdvdtdtGfAC v發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨時(shí)間的變化率汽車傳動(dòng)系效率分析：當(dāng)車重及其他因素不變，一

3、定的傳動(dòng)效率時(shí)，汽車的加速度取決于氣動(dòng)阻力系數(shù)。可見(jiàn)：減小氣動(dòng)阻力系數(shù)可增加汽車的加速度。當(dāng)氣動(dòng)阻力增加，會(huì)使加速能力下降。若max0dvvvdt當(dāng)然，汽車的加速性能首先取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的加速特性。二、汽車空氣動(dòng)力特性對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響隨著世界能源危機(jī)，石油價(jià)格的上漲，改善汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性成為重要課題。1、汽動(dòng)阻力占總阻力的比例汽車上的總阻力由氣動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力組成：212()2()2DFFFRRRTAv CGLfGLf氣動(dòng)阻力在前后輪上的汽車重力和升力由圖可知，當(dāng)車速為（6080）km/h 時(shí)氣動(dòng)阻力與滾動(dòng)阻力相當(dāng)；當(dāng)車速為160 km/h 后，氣動(dòng)阻力是滾動(dòng)阻力的 23倍。氣動(dòng)阻力2、汽動(dòng)阻力所耗

4、功率克服氣動(dòng)阻力所需的功率來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)所做的功有相當(dāng)大一部分用來(lái)克服氣動(dòng)阻力。不同的車形、不同的速度所耗功率不等。耗功與速度3次方正比。351 12DNCAv3、汽動(dòng)阻力與燃料消耗量不同的車形、不同的速度每百公里所耗油不等。小型車用于克服氣動(dòng)阻力每百公里所耗油量占總耗油量的 50左右，比例最大，故減小氣動(dòng)阻力可使每百公里耗油量下降。降低氣動(dòng)阻力而減小油耗，提高經(jīng)濟(jì)性，可通過(guò)采用空氣 動(dòng)力學(xué)附加裝置來(lái)改善汽車的空氣動(dòng)力特性，以達(dá)到節(jié)油目的。在車身平整 的表面上，氣流以高速順利流過(guò)處，可以附加適當(dāng)?shù)牟灰?guī)則形狀，以改善整車的空氣動(dòng)力特性如擋板可以用來(lái)整流，延緩氣流剝離與控制渦流的產(chǎn)生；發(fā)動(dòng)機(jī)

5、罩上的凸臺(tái)形成兩條棱線，將氣流引導(dǎo)到車門(mén)后視鏡處，從而降低 CD值。翼板的局部凸起，可使輪孔附近氣流加速流動(dòng)，防止小渦流增長(zhǎng)和流入輪孔，從而有助于降低 CD值。等等三、汽車空氣動(dòng)力特性對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響空氣流經(jīng)汽車時(shí)，在車上作用有三個(gè)力和三個(gè)力矩，它們分別對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。1、升力與縱傾力矩對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響由于汽車車身上部和下部不對(duì)稱，導(dǎo)致氣流上下流速不等，使車身上部和下部形成壓差，從而產(chǎn)生升力及縱傾力矩。汽車前后輪上也有升力的產(chǎn)生。前輪的升力使汽車上浮，前輪失去附著力而使汽車失去控制；后輪上的升力減小了后輪負(fù)荷，使驅(qū)動(dòng)力減小。汽車上產(chǎn)生的升力和縱傾力矩使轉(zhuǎn)向輪失去轉(zhuǎn)向力

6、，驅(qū)動(dòng)輪失去牽引力，而且車速越高，這種影響越大。為提高車輛的直進(jìn)性和穩(wěn)定性，應(yīng)減小升力。xzy2、側(cè)向力與橫擺力矩對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響當(dāng)風(fēng)力正對(duì)汽車前面吹來(lái)時(shí)，側(cè)向力為零；當(dāng)風(fēng)以一傾角從汽車前面吹來(lái)或風(fēng)從汽車側(cè)面吹來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力。如果側(cè)向力的作用點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)不重合，會(huì)產(chǎn)生繞z軸回轉(zhuǎn)的橫擺力矩。側(cè)向力可使汽車方向盤(pán)產(chǎn)生抖動(dòng)和直線穩(wěn)定性不良的現(xiàn)象。要想減小側(cè)向力，必需改進(jìn)汽車側(cè)面的形狀，并且使側(cè)向力的作用點(diǎn)移向車身后方。3、側(cè)傾力矩對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響風(fēng)從汽車側(cè)面吹來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力。側(cè)向力繞x軸產(chǎn)生側(cè)傾力矩，使兩邊車輪受力不等，影響了汽車轉(zhuǎn)向特性。在不同車輛中，三種力矩所起的作用重要性不同。對(duì)高

7、速行駛的汽車，縱傾力矩對(duì)行駛穩(wěn)定性有重要作用；對(duì)高車身的汽車，側(cè)傾力矩不可忽視；對(duì)有側(cè)風(fēng)行駛的汽車，橫擺力矩起著重要作用。作用在汽車上的所有空氣力的合力集中點(diǎn)稱為空氣動(dòng)力中心，它與汽車重心并不總是重合。當(dāng)二者偏離時(shí)，便以此偏距為力臂而形成力矩。汽車重心與氣動(dòng)中心四、空氣阻力與汽車基本尺寸的關(guān)系車長(zhǎng)與阻力的關(guān)系：車越長(zhǎng)，阻力越小。車寬與阻力的關(guān)系：車越寬，阻力越小。車高與阻力的 關(guān)系：車越高，阻力越大。2 2節(jié)節(jié) 汽車空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展汽車空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展汽車的發(fā)展距今已有一百多年的歷史，而把空氣動(dòng)力學(xué)的概念理論研究結(jié)果引入汽車設(shè)計(jì)是從上世界20年代末期才開(kāi)始的。總共經(jīng)歷了四個(gè)階段：基本形狀造型、

8、流線形化造型、細(xì)部?jī)?yōu)化、整體優(yōu)化。基本形：汽車車身外形酷似水滴，但加上車輪和行駛系統(tǒng)后，整個(gè)流場(chǎng)已不是單純的水滴外形，氣動(dòng)阻力很大。流線形：汽車外形不再是簡(jiǎn)單的水滴形，地面效應(yīng)已被人們認(rèn)識(shí)。首先出現(xiàn)了半車身形造型，采用罩住車輪等減阻措施，認(rèn)識(shí)到消除尾部的氣流分離及車身前部流場(chǎng)與后部流場(chǎng)的相互影響等車身細(xì)部?jī)?yōu)化：汽車設(shè)計(jì)首先應(yīng)服從汽車工程需要，即首先充分保證整體布置、安全、舒適和制造工藝的要求，并在保證造型風(fēng)格的前提下，進(jìn)行外形設(shè)計(jì)，然后對(duì)形體細(xì)部進(jìn)行修正，控制及防止氣流的分離發(fā)生。這樣即可使車輛外形挺拔，氣動(dòng)阻力系數(shù)也小。整體優(yōu)化：這一階段從1983年開(kāi)始，其方法是采用具有極低氣動(dòng)阻力系數(shù)的原

9、形，在不改變其整體流場(chǎng)的條件下，使其逐步形成具有低氣動(dòng)阻力的實(shí)車。在實(shí)用化車型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一部都應(yīng)嚴(yán)格保證形體的光順性，使氣流不從汽車表面分離。1923 年理想流線形試驗(yàn)車一、關(guān)于渦流的一些知識(shí)渦流是由附面層的剝離而形成，當(dāng)汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)，在車身表面會(huì)形成一薄層空氣附面層，附面層隨的車一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，附面層便被破壞而離開(kāi)所依附的表面，這種現(xiàn)象稱之為剝離，附面層剝離后在車尾部形成紊亂而破碎的氣流便是漩渦。漩渦一經(jīng)形成便會(huì)增大、衰減乃至分裂，或保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。一旦尾渦形成，便會(huì)增大氣動(dòng)阻力。故一定要采取措施使剝離點(diǎn)后移達(dá)到減小阻力的目的。二、關(guān)于風(fēng)洞的一些知識(shí)一臺(tái)新車設(shè)計(jì)好后，需進(jìn)

10、行風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)有模型風(fēng)洞和實(shí)車風(fēng)洞。最后還需進(jìn)行道路試驗(yàn)。1、汽車風(fēng)洞的分類與名稱(1)、全尺寸風(fēng)洞與模型風(fēng)洞為試驗(yàn)真車的風(fēng)洞叫全尺寸風(fēng)洞。為試驗(yàn)縮比模型或零部件的風(fēng)洞叫模型風(fēng)洞。(2)、空氣動(dòng)力試驗(yàn)風(fēng)洞、全天候風(fēng)洞與多用風(fēng)洞不能隨意調(diào)節(jié)試驗(yàn)段氣流溫度、濕度的風(fēng)洞稱為空氣動(dòng)力試驗(yàn)風(fēng)洞；一般在這種風(fēng)洞中主要進(jìn)行不受氣流溫度影響的空氣動(dòng)力測(cè)定。可改變?cè)囼?yàn)段氣流溫度、濕度、陽(yáng)光強(qiáng)弱和其它氣候條件的風(fēng)洞稱為全天候風(fēng)洞；那種即用于測(cè)定空氣動(dòng)力又用于測(cè)定氣候環(huán)境效果的風(fēng)洞稱為多用風(fēng)洞。意大利菲亞特公司多用風(fēng)洞試驗(yàn)段意大利平寧法里那公司全尺寸風(fēng)洞(3)、回流型風(fēng)洞和直流型風(fēng)洞通過(guò)試驗(yàn)段的氣流經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)

11、再返回試驗(yàn)段。這種風(fēng)洞因其能量可以回收，可使用較小功率的風(fēng)扇。而且可使氣流的溫度。濕度保持不變。但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。氣流經(jīng)試驗(yàn)段后不再回來(lái)，而是排放到外界稱直流風(fēng)洞。設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，但需要較大的風(fēng)扇，且空氣的溫度和濕度受外界干擾較大，難以保證不變。有抽風(fēng)式和吸風(fēng)式兩種。(4)、敞開(kāi)噴口式、半敞開(kāi)噴口式、封閉噴口式試驗(yàn)段被圍墻封閉，氣流與圍墻接觸的風(fēng)洞稱為閉式風(fēng)洞。試驗(yàn)段局部有圍墻，仍存在壁面效應(yīng)的風(fēng)洞稱為半敞式。試驗(yàn)段無(wú)墻壁風(fēng)洞稱開(kāi)式風(fēng)洞，無(wú)壁面效應(yīng)的影響。(5)、按試驗(yàn)段尺寸分類微型低速風(fēng)洞：試驗(yàn)段尺寸幾十毫米小型低速風(fēng)洞：試驗(yàn)段尺寸1 1.5 m中型低速風(fēng)洞：試驗(yàn)段尺寸2 4 m大型低速風(fēng)洞

12、：試驗(yàn)段尺寸8 m以上(6)、按試驗(yàn)段出口斷面面積S和最大Vmax風(fēng)速分類A組：S1.5 6m2 Vmax=20 70 m/s 這種風(fēng)洞主要用于汽車模型的空氣的試驗(yàn)。B組：S10 22m2 Vmax=33 57 m/s這種風(fēng)洞用于小型汽車實(shí)車的空氣動(dòng)力試驗(yàn)C組：S30 38m2 Vmax= 2575 m/s 這種風(fēng)洞多為綜合性風(fēng)洞。2、風(fēng)洞主要部件：1）收縮段：要求氣流沿收縮段流動(dòng)時(shí)，流速單調(diào)增加，在洞壁上避免分離；在收縮段出口時(shí)氣流分布均勻、穩(wěn)定。2）實(shí)驗(yàn)段：氣流的溫度、壓力速度等在實(shí)驗(yàn)段各截面要均勻分布，且穩(wěn)定；氣流與風(fēng)洞軸線之間偏角要盡可能小；具有合乎實(shí)際的紊流度；裝卸模型與實(shí)驗(yàn)方便。3

13、）擴(kuò)散段：將氣流的動(dòng)能變?yōu)閴耗埽瑴p少氣流在非實(shí)驗(yàn)段的損失。4）導(dǎo)流片：安裝在回路的拐角處，避免氣流在拐角處分離。5）蜂窩器與阻尼網(wǎng)：蜂窩器 的作用時(shí)將大漩渦變成小漩渦并對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)向。阻尼網(wǎng)是降低氣流的紊流度，安裝在收縮段的前面6）氣流的回路，可是擴(kuò)散形7）動(dòng)力系統(tǒng)：風(fēng)扇、反扭導(dǎo)流片、整流罩、動(dòng)力機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)8）坐標(biāo)架：固定模型、安裝各種實(shí)驗(yàn)儀器3、汽車風(fēng)洞試驗(yàn)主要研究的問(wèn)題：1）研究汽車空氣動(dòng)力特性：汽車的氣動(dòng)阻力特性和操縱穩(wěn)定性；汽車上的力及力矩2）通過(guò)汽車表面的壓力分布與流場(chǎng)性能分析，研究汽車各部位的流場(chǎng)。3）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流的進(jìn)氣和排氣特性。4）駕駛室內(nèi)的通風(fēng)、取暖及噪聲特性4、汽車風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器：1）氣動(dòng)力