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1、汽车空气动力学,36学时,汽车空气动力学,(32学时),第一章 绪论,1节 汽车空气动力学的重要性,汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及空气与汽车相互作用的一门科学。,作用在汽车上的空气力有三种：空气阻力、升力、侧向力。作用在汽车上的力矩也有三种：纵倾力矩、侧向力矩、横摆力矩。这些力和力矩称之为空气动力六分力。,x,z,y,汽车空气动力特性对汽车的影响主要有三个方面：,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,3、汽车操纵稳定性,升力与纵倾力矩、侧向力及横摆力、侧倾力矩、,一、汽车空气动力特性
2、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：,最大驱动力,车重,滚动阻力系数,气动升力系数,气动阻力系数,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,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
3、，会使加速能力下降。若,当然，汽车的加速性能首先取决于发动机的加速特性。,二、汽车空气动力特性对经济性的影响,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：,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（6080）km/h 时气动阻力与滚动阻力相当；当车速为160 km/h 后，气动阻力是滚动阻力的 23倍。,气动阻力,2、汽动阻力所耗功率,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。,3、汽动阻
4、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。,降低气动阻力而减小油耗，提高经济性，可通过采用空气 动力学附加装置来改善汽车的空气动力特性，以达到节油目的。,在车身平整 的表面上，气流以高速顺利流过处，可以附加适当的不规则形状，以改善整车的空气动力特性 如挡板可以用来整流，延缓气流剥离与控制涡流的产生； 发动机罩上的凸台形成两条棱线，将气流引导到车门后视镜处，从而降低 CD值。 翼板的局部凸起，可使轮孔附近气流加速流动，防止小涡流增长和流入轮孔，从而有助于降低 CD值。等等
5、,三、汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响,空气流经汽车时，在车上作用有三个力和三个力矩，它们分别对汽车的操纵稳定性起着至关重要的作用。,1、升力与纵倾力矩对操纵稳定性的影响,由于汽车车身上部和下部不对称，导致气流上下流速不等，使车身上部和下部形成压差，从而产生升力及纵倾力矩。汽车前后轮上也有升力的产生。前轮的升力使汽车上浮，前轮失去附着力而使汽车失去控制；后轮上的升力减小了后轮负荷，使驱动力减小。,汽车上产生的升力和纵倾力矩使转向轮失去转向力，驱动轮失去牵引力，而且车速越高，这种影响越大。为提高车辆的直进性和稳定性，应减小升力。,x,z,y,2、侧向力与横摆力矩对操纵稳定性的影响,当风力正对汽
6、车前面吹来时，侧向力为零；当风以一倾角从汽车前面吹来或风从汽车侧面吹来，就会产生侧向力。如果侧向力的作用点与坐标原点不重合，会产生绕z轴回转的横摆力矩。侧向力可使汽车方向盘产生抖动和直线稳定性不良的现象。要想减小侧向力，必需改进汽车侧面的形状，并且使侧向力的作用点移向车身后方。,3、侧倾力矩对操纵稳定性的影响,风从汽车侧面吹来，就会产生侧向力。侧向力绕x轴产生侧倾力矩，使两边车轮受力不等，影响了汽车转向特性。,在不同车辆中，三种力矩所起的作用重要性不同。对高速行驶的汽车，纵倾力矩对行驶稳定性有重要作用；对高车身的汽车，侧倾力矩不可忽视；对有侧风行驶的汽车，横摆力矩起着重要作用。,作用在汽车上的
7、所有空气力的合力集中点称为空气动力中心，它与汽车重心并不总是重合。当二者偏离时，便以此偏距为力臂而形成力矩。,汽车重心与气动中心,四、空气阻力与汽车基本尺寸的关系,车长与阻力的关系：车越长，阻力越小。,车宽与阻力的关系：车越宽，阻力越小。,车高与阻力的 关系：车越高，阻力越大。,2节 汽车空气动力学的发展,汽车的发展距今已有一百多年的历史，而把空气动力学的概念理论研究结果引入汽车设计是从上世界20年代末期才开始的。总共经历了四个阶段：基本形状造型、流线形化造型、细部优化、整体优化。,基本形：汽车车身外形酷似水滴，但加上车轮和行驶系统后，整个流场已不是单纯的水滴外形，气动阻力很大。,流线形：汽车
8、外形不再是简单的水滴形，地面效应已被人们认识。首先出现了半车身形造型，采用罩住车轮等减阻措施，认识到消除尾部的气流分离及车身前部流场与后部流场的相互影响等,车身细部优化：汽车设计首先应服从汽车工程需要，即首先充分保证整体布置、安全、舒适和制造工艺的要求，并在保证造型风格的前提下，进行外形设计，然后对形体细部进行修正，控制及防止气流的分离发生。这样即可使车辆外形挺拔，气动阻力系数也小。,整体优化：这一阶段从1983年开始，其方法是采用具有极低气动阻力系数的原形，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的实车。在实用化车型的设计过程中，每一部都应严格保证形体的光顺性，使气流不从汽车表
9、面分离。,1923 年理想流线形试验车,一、关于涡流的一些知识,涡流是由附面层的剥离而形成，当汽车运动时，在车身表面会形成一薄层空气附面层，附面层随的车一起运动，当流场发生变化时，附面层便被破坏而离开所依附的表面，这种现象称之为剥离，附面层剥离后在车尾部形成紊乱而破碎的气流便是漩涡。漩涡一经形成便会增大、衰减乃至分裂，或保持一定的稳定状态。一旦尾涡形成，便会增大气动阻力。故一定要采取措施使剥离点后移达到减小阻力的目的。,二、关于风洞的一些知识,一台新车设计好后，需进行风洞试验。风洞试验有模型风洞和实车风洞。最后还需进行道路试验。,1、汽车风洞的分类与名称,(1)、全尺寸风洞与模型风洞,为试验真
10、车的风洞叫全尺寸风洞。为试验缩比模型或零部件的风洞叫模型风洞。,(2)、空气动力试验风洞、全天候风洞与多用风洞,不能随意调节试验段气流温度、湿度的风洞称为空气动力试验风洞；一般在这种风洞中主要进行不受气流温度影响的空气动力测定。,可改变试验段气流温度、湿度、阳光强弱和其它气候条件的风洞称为全天候风洞；,那种即用于测定空气动力又用于测定气候环境效果的风洞称为多用风洞。,意大利菲亚特公司多用风洞试验段,意大利平宁法里那公司全尺寸风洞,(3)、回流型风洞和直流型风洞,通过试验段的气流经循环系统再返回试验段。这种风洞因其能量可以回收，可使用较小功率的风扇。而且可使气流的温度。湿度保持不变。但其结构较复
11、杂。,气流经试验段后不再回来，而是排放到外界称直流风洞。设备简单，成本低，但需要较大的风扇，且空气的温度和湿度受外界干扰较大，难以保证不变。有抽风式和吸风式两种。,(4)、敞开喷口式、半敞开喷口式、封闭喷口式,试验段被围墙封闭，气流与围墙接触的风洞称为闭式风洞。试验段局部有围墙，仍存在壁面效应的风洞称为半敞式。试验段无墙壁风洞称开式风洞，无壁面效应的影响。,(5)、按试验段尺寸分类,微型低速风洞：试验段尺寸几十毫米,小型低速风洞：试验段尺寸1 1.5 m,中型低速风洞：试验段尺寸2 4 m,大型低速风洞：试验段尺寸8 m以上,(6)、按试验段出口断面面积S和最大Vmax风速分类,A组：S1.5
12、 6m2 Vmax=20 70 m/s 这种风洞主要用于汽车模型的空气的试验。,B组：S10 22m2 Vmax=33 57 m/s这种风洞用于小型汽车实车的空气动力试验,C组：S30 38m2 Vmax= 2575 m/s 这种风洞多为综合性风洞。,2、风洞主要部件：,1）收缩段：要求气流沿收缩段流动时，流速单调增加，在洞壁上避免分离；在收缩段出口时气流分布均匀、稳定。,2）实验段：气流的温度、压力速度等在实验段各截面要均匀分布，且稳定；气流与风洞轴线之间偏角要尽可能小；具有合乎实际的紊流度；装卸模型与实验方便。,3）扩散段：将气流的动能变为压能，减少气流在非实验段的损失。,4）导流片：安装
13、在回路的拐角处，避免气流在拐角处分离。,5）蜂窝器与阻尼网：蜂窝器 的作用时将大漩涡变成小漩涡并对气流进行导向。 阻尼网是降低气流的紊流度，安装在收缩段的前面,6）气流的回路，可是扩散形,7）动力系统：风扇、反扭导流片、整流罩、动力机、机械传动系统,8）坐标架：固定模型、安装各种实验仪器,3、汽车风洞试验主要研究的问题：,1）研究汽车空气动力特性：汽车的气动阻力特性和操纵稳定性；汽车上的力及力矩,2）通过汽车表面的压力分布与流场性能分析，研究汽车各部位的流场。,3）发动机冷却气流的进气和排气特性。,4）驾驶室内的通风、取暖及噪声特性,4、汽车风洞试验测量仪器：,1）气动力天平：有单分力天平、三分力天平、六分力天平。按其工作原理分为机械式天平和电阻应变式天平。,2）压强测量议：需测量车身表面静压、气流静压、气流总压,3）温度测量：气流雷诺数随温度的变化很大，故需测量气流温度。使用大气温度计测量。,4）气流速度测量：气流速度的大小可用风速管或热线风速议及压差法测量。,5）气流方向测量：气流常用五孔探头或热线风速议测量。,6）气流紊流度测量：采用紊流球、压力球或热线风速议测量气流的紊流度。,