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1、 車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 基于理論分析汽車(chē)氣動(dòng)力及力矩 【摘要】汽車(chē)空氣動(dòng)力性是汽車(chē)的重要特性之一，氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩是它的主要內(nèi)容。通過(guò)運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理方法，理論分析氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而與汽車(chē)的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性綜合在一起進(jìn)行分析，找到相關(guān)的影響因素，通過(guò)改變這些因素來(lái)改善汽車(chē)性能，合理的選擇相關(guān)參數(shù)，為接下來(lái)的設(shè)計(jì)及模擬仿真做好鋪墊。 【關(guān)鍵詞】空氣動(dòng)力性 氣動(dòng)力 氣動(dòng)力矩 氣動(dòng)阻力 動(dòng)力性 燃油經(jīng)濟(jì)性 前言 汽車(chē)空氣動(dòng)力性是汽車(chē)的重要特性之一，它直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱性、

2、舒適性及安全性，它是指汽車(chē)在流場(chǎng)中所受的以阻力為主的包括升力、側(cè)向力的三個(gè)氣動(dòng)力及其相應(yīng)的力矩的作用而產(chǎn)生的車(chē)身外部和內(nèi)部的氣流特性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、氣動(dòng)噪聲特性、泥土及灰塵的附著與上卷、刮水器上浮以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、駕駛室內(nèi)通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)等特性。當(dāng)一輛汽車(chē)以80km/h的速度前進(jìn)時(shí)，有60%的動(dòng)力用于克服空氣阻力。從世界上首款流線型汽車(chē)“氣流”誕生開(kāi)始，迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法大致分為一般采取試驗(yàn)法、試驗(yàn)與理論相結(jié)合法及數(shù)值模擬仿真研究法。理論研究方法主要是通過(guò)數(shù)學(xué)工具來(lái)建立空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相應(yīng)初始、邊界條件的理論模型，以揭示氣動(dòng)力產(chǎn)生機(jī)理及作用關(guān)系。而試驗(yàn)及模擬仿真都是在理論研究

3、和計(jì)算的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，可見(jiàn)理論研究對(duì)于汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)是不容忽視的。 氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩分析 1、氣動(dòng)力及力矩 汽車(chē)與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)并相互作用，會(huì)在汽車(chē)車(chē)身上產(chǎn)生一個(gè)氣動(dòng)力F，這個(gè)力的大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的平方、汽車(chē)的迎風(fēng)面積及取決于車(chē)身形狀的無(wú)量綱氣動(dòng)系數(shù)成正比，可表示為 F = qSCF = 0.5ρvSCF (1) 式中，F(xiàn)為氣動(dòng)力，S為汽車(chē)迎風(fēng)面積，CF為氣動(dòng)系數(shù)。 圖1為汽車(chē)所受氣動(dòng)力及力矩坐標(biāo)表示圖 氣動(dòng)阻力 FX=qSCD=1/2ρvSCD 氣動(dòng)側(cè)力 FY = qSCL=1/2ρvSCL

4、 氣動(dòng)升力 FZ = qSCZ=1/2ρvSCZ 氣動(dòng)側(cè)傾力矩 MX=FZ*YC-FY*ZC=ρSlCq 氣動(dòng)橫擺力矩 MY=FX*ZC-FZ*XC=ρSlCN 氣動(dòng)縱傾力矩 MZ=FY*XC-FX*YC=ρSlCM 圖1 汽車(chē)所受氣動(dòng)力及力矩坐標(biāo)示意圖 實(shí)際中上述力和力矩都應(yīng)盡量降低，以保證汽車(chē)的機(jī)動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性。而從以上各式分析，車(chē)速、車(chē)身迎風(fēng)面積是我們可以改進(jìn)的地方。現(xiàn)代高檔汽車(chē)都力求把車(chē)身前端盡量做得扁平，減少穩(wěn)流，進(jìn)而減少行駛阻力。 2、氣動(dòng)阻力及側(cè)傾力矩

5、 汽車(chē)氣動(dòng)阻力由壓差阻力FXA、摩擦阻力FXB、誘導(dǎo)阻力FXC、干涉阻力FXD和內(nèi)流阻力FXE五部分組成。氣動(dòng)阻力系數(shù)只與汽車(chē)外形形狀有關(guān)，與大小無(wú)關(guān)。 （1） 壓差阻力 因它的大小取決于物體的形狀，尤其是物體的后部形狀，故又稱為形狀阻力。對(duì)汽車(chē)而言，約占總氣動(dòng)阻力的50%-65%。 由流體力學(xué)及伯努利方程可得靜壓強(qiáng)系數(shù) Cp=P-P∞/(0.5ρv∞)=1-(u/v∞) (2) 無(wú)粘流時(shí)，O點(diǎn)處由（2）式知Cp=1。當(dāng)來(lái)流流至A時(shí)，流速由0增到最大值，Cp由1降為負(fù)壓最大值。當(dāng)來(lái)流至B時(shí)，流速由最大值降為0，Cp由負(fù)壓最大值增至1。不存在氣動(dòng)阻力

6、。 考慮到粘流，O處Cp仍為1，流向A點(diǎn)時(shí)， 由于增加了表面粘性阻力的作用，使得流速 達(dá)到最大值的點(diǎn)提前，負(fù)壓最大值出現(xiàn)在A 點(diǎn)之前。再流至B時(shí)，由于粘性阻力，氣流 發(fā)生分離，增大并迅速擴(kuò)散，從而在二元圓 柱后部產(chǎn)生湍流區(qū)，有壓力差產(chǎn)生氣動(dòng)阻力 a 無(wú)粘流繞二元圓柱流動(dòng)b 有粘流繞二元圓柱流動(dòng) c 無(wú)粘流流動(dòng)力場(chǎng) d 有粘流流動(dòng)力場(chǎng) 圖2 汽車(chē)車(chē)身壓強(qiáng)分布（陰影為正壓） 圖3 粘流有無(wú)與氣動(dòng)阻力示意圖 （2） 摩擦阻力 摩擦阻力是由于空氣的粘性作用使得空氣與汽車(chē)車(chē)身表面產(chǎn)生摩擦所形成的

7、阻力。對(duì)汽車(chē)而言，約占總氣動(dòng)阻力的6%-10%。 引入附面層定義，即將u=0.99v∞處距物面的距離定義為附面層厚度δ， 在附面層內(nèi)有較大的速度梯度?？拷? 汽車(chē)車(chē)身表面前部的附面層內(nèi)，各層 氣流之間互不干涉、運(yùn)動(dòng)有序，稱為 “層流附面層”；后部附面層內(nèi)的流動(dòng) 會(huì)變得雜亂無(wú)章，互相干擾，稱為 “紊流附面層”。在進(jìn)行汽車(chē)造型時(shí)，盡可能使車(chē)身表面的氣流為層流附面層，減少紊流附面層和氣流分離。 圖4附面層 （3） 誘導(dǎo)阻力 由尾渦誘導(dǎo)形成，是氣動(dòng)升力所產(chǎn)生的縱向水平分力，一般約占?xì)鈩?dòng)阻力的5％～7％。 CDi=βCL/(3.14λ) （3） CDi為誘導(dǎo)阻力系數(shù)，λ為寬

8、長(zhǎng)比，β為修正系數(shù)，CL為升力系數(shù)。 由上式可知誘導(dǎo)阻力與升力直接相關(guān)，因而要減小誘導(dǎo)阻力，就要設(shè)法減小升力。 （4） 干涉阻力 是由暴露在汽車(chē)外部的各種附件引起氣流相互干擾而形成的阻力，對(duì)汽車(chē)而言，約占總氣動(dòng)阻力的12%-16%。 這些附件包括后視鏡、門(mén)把手、雨刷、流水槽、前牌照、照明燈、前保險(xiǎn)杠 圖5誘導(dǎo)阻力圖示 以及天線和裝飾物等。不僅本身存在氣動(dòng)阻力，而且當(dāng)被裝配到汽車(chē)車(chē)身時(shí)，會(huì)引起附近區(qū)域氣流的狀況，從而產(chǎn)生一個(gè)附加的氣動(dòng)阻力。這就是空氣動(dòng)力學(xué)干涉現(xiàn)象。 （5） 內(nèi)流阻力 又稱內(nèi)循環(huán)阻力，是由冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)等的氣流和車(chē)內(nèi)通風(fēng)氣流而形成的阻力，約占?xì)?/p>

9、動(dòng)阻力的12%～20%。 當(dāng)氣流流經(jīng)等截面直管時(shí)，其粘性效應(yīng)不僅發(fā)生在管壁附近，而且還會(huì)擴(kuò)展至整個(gè)內(nèi)部截面，從而產(chǎn)生阻力。當(dāng)氣流流經(jīng)漸放變截面直管時(shí)，由于管截面的擴(kuò)張，靜壓遞增形成阻力，可能發(fā)生氣流分離，進(jìn)一步產(chǎn)生阻力。當(dāng)氣流流經(jīng)突變截面直管、彎管時(shí)氣流分離現(xiàn)象更為嚴(yán)重，阻力也更大。 側(cè)傾力矩主要有車(chē)身側(cè)面形狀決定，流線型好側(cè)傾力矩相對(duì)較?。黄?chē)的高度和寬度對(duì)側(cè)傾力矩影響很大，一般低而寬的汽車(chē)側(cè)傾力矩系數(shù)比高而窄的汽車(chē)側(cè)傾力矩系數(shù)小。 3、氣動(dòng)升力及縱傾力矩 一輛汽車(chē)在行駛時(shí)，會(huì)對(duì)相對(duì)靜止的空氣造成不可避免的沖擊，空氣會(huì)因此向四周流動(dòng)，而竄入車(chē)底的氣流會(huì)被暫時(shí)困于車(chē)底的各個(gè)機(jī)械

10、部件之中，空氣會(huì)被行駛的汽車(chē)?yán)瓌?dòng)，地面上的紙張或樹(shù)葉會(huì)被卷起。由于汽車(chē)車(chē)身上下部氣流的流速不同，使其上下部形成壓力差，從而產(chǎn)生升力。 依據(jù)伯努利方程，作用在汽車(chē)上的升力將減小輪胎對(duì)地面的壓力，使輪胎附著力和側(cè)偏剛度降低，影響汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。 無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)，升力系數(shù)CL在-0.4和+0.4之間，受到側(cè)風(fēng)影響時(shí)，升力系數(shù)可能增到3倍。 目前一些兩廂車(chē)的后部都安裝有擾流板，這是一個(gè)類(lèi)似于飛機(jī)機(jī)翼的原理，只不過(guò)向上凹，上部面積小，流速低，下部大流速高，在壓差作用下汽車(chē)受到向下的作用力，起阻礙升力的作用。此外還起到美觀的作用。 4、側(cè)向力及橫擺力矩 側(cè)向力及橫擺力矩主要影響汽車(chē)的直線行駛性能

11、。由FY = qSCL=0.5ρvSCL，MY=FX*ZC-FZ*XC=ρSlCN 。分析，車(chē)身側(cè)面積、車(chē)身長(zhǎng)度對(duì)側(cè)向力及橫擺力矩有很大影響，因而一般長(zhǎng)度較小、寬度較大、車(chē)身低矮的汽車(chē)比較好。 有些汽車(chē)上在側(cè)方加設(shè)側(cè)翼，可以改變側(cè)面氣流的旋渦，降低CN，這樣就能夠在不增大側(cè)向力和升力的條件下，減小橫擺力矩。 汽車(chē)性能與氣動(dòng)力相關(guān)性分析 汽車(chē)性能主要包括汽車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等方面，本文主要從動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)分析。 動(dòng)力性 汽車(chē)的動(dòng)力性是指汽車(chē)在良好的路面上直線行駛時(shí)由汽車(chē)受到的縱向外力決定的所能達(dá)到的平均行駛速度。最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度為其主要評(píng)價(jià)

12、指標(biāo)。 （1） 最高車(chē)速 用直接檔或超速檔在良好的水平路面上行駛時(shí)所能達(dá)到的最高速度，汽車(chē)牽引力只需要克服氣動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力。滿足的關(guān)系式如下 F=(G-FZ)f+FX=(G-0.5CLρv∞S)f+0.5CDρv∞S (4) 式中，F(xiàn)為牽引力，G為汽車(chē)重量，F(xiàn)Z為氣動(dòng)升力，f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，F(xiàn)X為氣動(dòng)阻力。當(dāng)汽車(chē)的牽引力達(dá)到最大，即F=Fmax時(shí)，最高車(chē)速 Vmax =[2(Fmax-Gf)/ ρS(CD-CL f) ] (5) 由上式可以看出，最高車(chē)速與氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力密切相關(guān)，F(xiàn)、G一定時(shí)，減小氣動(dòng)阻力系數(shù)CD和提高氣動(dòng)升力系數(shù)CL均

13、可以提高最高車(chē)速，但考慮到行駛穩(wěn)定性，一般不采用提高氣動(dòng)升力系數(shù)的辦法。 （2） 加速度 dv∞/dt=3600ηT [Pe-(FX+Gf- FZf) v∞/3600ηT]/(Gδv∞) (6) 由上式分析，減小氣動(dòng)阻力，提高氣動(dòng)升力可以提高汽車(chē)加速性能。目前高檔汽車(chē)加速到100km/h只需不到10秒，有的如布加迪威龍甚至只需短短的3秒。對(duì)于普通汽車(chē)而言，改善加速性能，采用降低氣動(dòng)阻力的方式即可。 （3） 最大爬坡度 最大爬坡度對(duì)應(yīng)的加速度為0，定義i=tanθ為爬坡度，其中θ為坡度角。Cosθ近似等于1 汽車(chē)牽引力只需克服滾動(dòng)阻力、氣動(dòng)阻力和爬坡阻力。 F=(Gcosθ-F

14、Z)f +0.5CDρv∞S+ Gsinθ (7) 由上式可得最大爬坡度 imax=[ F-(G -FZ)f -0.5CDρv∞S] / G (8) 由上式分析，減小氣動(dòng)阻力可以增加最大爬坡度。 通過(guò)以上汽車(chē)動(dòng)力性分析可知，氣動(dòng)力在其中扮演了很重要的角色，尤其是氣動(dòng)升力和氣動(dòng)阻力。減小氣動(dòng)阻力，適當(dāng)增大氣動(dòng)升力可以很大程度上改善汽車(chē)動(dòng)力性，未來(lái)那些追求速度的汽車(chē)公司需要在這兩個(gè)方面做更多更深遠(yuǎn)的研究。 燃油經(jīng)濟(jì)性 燃油經(jīng)濟(jì)性在保證動(dòng)力性的前提下，盡量節(jié)省耗油量，主要由百公里燃油消耗量作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。

15、Q=ge(Ff+FD)/(3672ηTγ) =ge[(0.5CDρv∞S)+(G-0.5CLρv∞S)f]/( 3672ηTγ) (10) 式中，Q為百公里耗油量，ge為燃油消耗率，γ為燃油重度，ηT為效率。 由上式分析，氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力依然是汽車(chē)的百公里油耗的影響因素之一，氣動(dòng)阻力越大、升力越大，燃油經(jīng)濟(jì)性越好，同樣考慮到行駛安全性，普通車(chē)輛只需盡量從減小氣動(dòng)阻力方面來(lái)完善即可。 為了減少氣動(dòng)力對(duì)汽車(chē)性能的影響，現(xiàn)代汽車(chē)的設(shè)計(jì)理念是將汽車(chē)設(shè)計(jì)的更流線更平滑，車(chē)身附件更小巧更隱蔽；車(chē)輪不宜太寬，車(chē)輪室不宜過(guò)深；車(chē)身底部布局合理；車(chē)前部進(jìn)氣格柵設(shè)計(jì)也應(yīng)合理。目前依

16、據(jù)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)原理而應(yīng)用于汽車(chē)上的器件主要有阻風(fēng)板、擾流器、導(dǎo)流罩、底板、裙邊、導(dǎo)流板、整流罩、輪輻蓋、輪轂罩等，這些應(yīng)用讓汽車(chē)外形更美觀、性能更優(yōu)越。 結(jié)論 汽車(chē)?yán)碚摲治觯諝鈩?dòng)力學(xué)是必不可少的，而氣動(dòng)力、氣動(dòng)力矩又是其中的重中之重。通過(guò)數(shù)學(xué)工具建立的空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相應(yīng)的初始邊界條件的理論模型，揭示了氣動(dòng)力產(chǎn)生的機(jī)理及相關(guān)參數(shù)，它與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的平方、汽車(chē)的迎風(fēng)面積、長(zhǎng)寬高及車(chē)身形狀的無(wú)量綱氣動(dòng)系數(shù)有關(guān)，根據(jù)相應(yīng)的公式可以定性和定量的分析一輛汽車(chē)所受到的各個(gè)氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩，進(jìn)而定性分析汽車(chē)的加速度、耗油量、最高車(chē)速等汽車(chē)性能參數(shù)，并優(yōu)化它們，以便于進(jìn)一步分析和設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) 【1】 傅立敏 汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社 【2】 傅立敏 汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算 北京理工大學(xué)出版社 【3】 谷正氣 汽車(chē)車(chē)身現(xiàn)代技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 【4】 辛喆 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社