车辆车辆工程概论

1.空气动力学的概述空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等。为改进汽车性能，汽车工业界投人大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的各种现象。风洞试验是汽车空气动力学研究的传统而又有效的方法，但风洞建设投资大，试验周期长。随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值仿真方法为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。近年来，汽车空气动力学数值仿真发展迅速，数值仿真在汽车流场研究中的重要性不断增加，应用范围不断扩大。下面从不同方面阐述汽车空气动力学的发展情况。2空气动力学的发展国外的汽车空气动力学研究可以追朔到本世纪的20-30年代，但直到7O年代以觑，还没有比较完整系统的研究。此学科在近3O年中得到了较大发展。7O年代以来，国外陆续发表了汽车空气动力学方面的研究成果、研究报告和专著，研究手段普遍采用航空试验用的风洞对汽车空气动力特性进行研究，研究的重点主要是空气动力的特性以及它们对汽车性能的影响。国内在这方面的研究起步较晚，尽管也开过专题性的学术会议，但总体上说还处于起步阶段。从有关学术刊物上看到，有关汽车空气动力学方面的论文很少，也还没有见到国内学者编著有关汽车动力学方面的学术著作或教科书。也就是说，国内还没有有效地进行汽车空气动力学的研究。但是，鉴于这项课题研究的经济效益和社会效益，以及我国经济发展的中长期战略，都迫切地需要将这个课题的研究提到议事日程上来。就国内目前的情况看，无论从人力还是设备上都完全具备研究的条件与实力，关键是要引起国内学者对此项研究的重视以及有关部门的组织与必要的投资，从而有远见地对汽车空气动力学进行先期研究，以适应今后十年乃至更长期国民经济发展的需要，为国家创造较大的经济效益。3动力学空气的研究1.基础理论 研究空气运动规律的基础是质量守衡、动量守衡和能量守衡定律，可由Euler、NS等数学方程组来描述。然而有关不可压流体特性、流体阻力理论以及汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。2.风洞试验 洞设计的主要任务是在动力装置功率最小和成本最低的情况下，提供各种速度范围内模型试验所必需的气动力环境，即希望在一个简单的风洞中能大范围地改变各种相似参数。然而经验表明，在技术上和经济上这都是不现实的。从而就出现了各种各样的风洞。风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。洞体有一个能对模型进行必要测量和观察的试验段。试验段上游有提高匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速到所需流速的收缩段或喷管。试验段下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排气段或导回到风洞入口的回流段。为了降低风洞内外的噪声，往往在稳定段和排气口等处装有消声器。4空气动力学对汽车造型的影响空气动力特性直接影响车辆的动力性、操纵稳定性、燃油经济性以及货车的噪声和车身美观。随着车速的提高，在汽车造型中越来越重视空气动力学这方面的影响。下面将从轿车前部、尾部、底部以及车轮浅谈对汽车造型的影响。1.车头造型对气动阻力影响因素主要有：车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型等。2.车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度、尾部横向收缩。3.车身底部对对气动阻力的影响主要因素有：车身底部离地高度、纵倾角、曲率、扰流器4.车轮对气动力的影响（被轮腔覆盖车轮的影响）5改善汽车空气动力学性能的措施1.车头造型的设计 车头造型中影响汽车空气动力学性能的因素很多，如车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小和格栅形状等。车头边角主要是指车头上缘边角和横向两侧边角。对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区；R8车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区，整体弧面车头产生的气动阻力比车头边角倒圆产生的气动阻力小；车头头缘位置较低的下凸型车头的气动阻力系数最小。但气动阻力系数不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化，车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。增加下缘凸起唇，气动阻力变小，减小的程度与唇的位置有关。发动机罩与前风窗的设计可以改变再附着点的位置，从而影响汽车的气动特性。发动机罩的纵向曲率越小(目前采用的纵向曲率大多为002m)，气动阻力越小；发动机罩的横向曲率也有利于减小气动阻力。发动机罩具有适当的斜度(与水平面的夹角)对降低气动阻力有利，但如果斜度进一步加大，则降阻效果不明显。风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则将导致视觉失真、刮雨器刮扫效果变差；前风窗玻璃的横向曲率也有利于减小气动阻力；前风窗玻璃的斜度(与垂直面的夹角)小于30时，降阻效果不明显，但过大的斜度，将使视觉效果和舒适性降低；前风窗斜度等于48时，发动机罩与前风窗凹处会出现明显的压力降，因而造型设计时应避免出现这个角度；前风挡玻璃的倾斜角度(与垂直面的夹角)增大，气动升力系数略有增加。发动机罩与前风窗的夹角及结合部位的细部结构对气流也有重要影响。汽车前端形状对汽车的空气动力学性能具有重要影响。前端凸且高，不仅会产生较大的气动阻力，而且还将在车头上部形成较大的局部负升力区。具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。2.前立柱的设计 前立柱上的凹槽、小台面和细棱角处理不当，将导致较大的气动阻力、较严重的气动噪声和侧窗污染，因此，应设计成圆滑过渡的外形。英国White于1967年根据试验结果对气动阻力影响最关键的车身外形参数进行分级，具有重大实际指导作用。轿车侧壁略外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数；外鼓系数(外鼓尺寸与跨度之比)应避免处于002004。顶盖有适当的上扰系数(上鼓尺寸与跨度之比)，有利于减小气动阻力、综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度和强度等方面因素，顶盖的上扰系数应在006以下。对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由093增至117，会较大程度地减小气动升力系数。但发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不3.车身尾部造型的设计 车身尾部造型中影响气动阻力的因素主要有后风窗的斜度(后风窗弦线与水平线的夹角)与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度及尾部横向收缩。后风窗斜度对气动阻力的影响较大，对斜背式轿车，斜度等于30时，阻力系数最大；斜度小于30时，阻力系数较小。后挡风玻璃倾斜角一般以控制在25之内为宜；后风窗与车顶的夹角为2832时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。典型的尾部造型有斜背式、阶背式和方(平)背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切地断言尾部造型式样的优劣，但从理论上说，小斜背(角度小于30)具有较小的气动阻力系数。流线型车尾的汽车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小，此高度需要根据具体车型及结构要求而定。后车体横向收缩可以减小截面面积，一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数增加。收缩程度因具体车型而定。车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力。长尾车可能产生较大的横摆力矩，而切尾的快背式汽车的横摆力矩并不大，可以通过加尾翼减小横摆力矩，改善汽车的操纵稳定性。4.扰流器的设计 扰流器通过对流场的干涉，调整汽车表面压强分布，以达到减小气动阻力和气动升力的目的。前扰流器(车底前部)的适当高度、位置和大小对减小气动阻力和气动升力至关重要。目前，大多将前保险杠位置下移并加装车头下缘凸起唇，以起到前扰流器的作用。后扰流器(车尾上部)的形状、尺寸和安装位置对减小气动阻力及气动升力也非常重要，但后扰流器对气流到达扰流器之前就已分离的后背无效。有的把天线外形设计成扰流器，装在后风窗顶部；在赛车上设计前、后负升力翼，以抵消部分升力，从而改善汽车转向轮的附着性能。5.车身主体与车轮之间的设计 车身主体与车轮之间存在很大的相互干涉。适度加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。不同形状的车轮辐板及车轮辐板上开孔面积的布置方式对气动性能有很大影响，在总开孔面积相同的情况下，适当增加开孔数有利于改善气动性能。改善汽车空气动力学性能，除了优化汽车造型之外，人们也在寻求其他方法。虽然低阻汽车的动力性和经济性得以提高，但任何事物都有两面性。Kamm认为，对于流线型汽车，随着横摆角的变化，阻力系数有很大变化，即低阻汽车的侧风稳定性差。汽车设计中必须综合各方面因素，权衡利弊，才能设计出高性能的汽车。6.总结 空气动力学与汽车的造型有很大的关系，空气动力学主要研究运动汽车与空气之间的相互作用力，力的大小取决于空气与汽车之间的相对速度和汽车形状，通过对空气动力学课的学习，我们知道了汽车的形状对汽车的阻力有很大的影响，通过对汽车的造型演变历程研究发现，汽车的造型的改变很大方面是为了减少空气阻力，所以汽车造型与空气动力学有很大的关系在当今社会，汽车作为一种新型交通工具走进了我们的生活并扮演了重要角色。如今人们已不在仅仅把汽车当作一种交通工具，从而多汽车的外型、动力性、驾驶安全性、乘坐舒适性、操纵灵活性、燃油经济性等性能提出了更高要求。本文将讨论汽车外型对其动力性的影响。由于汽车外型与汽车高速行驶时所受的气动阻力密切相关，且车速越快阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比，空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。三、优化分析由于气动阻力以及功率与气动阻力系数成正比关系，现代轿车为了减少气动阻力就必须要考虑降低气动阻力系数。从50年代到70年代初，轿车的气动阻力系数维持在0.4至0.6之间。在70年代能源危机后，各国为了进一步节约能源，降低油耗，都致力于降低气动阻力系数，现在的轿车气动阻力系数一般在0.28至0.4之间。根据方程式（2）可看出，在空气密度不变的前提下，如果汽车发动机消耗的功率一定，减少汽车正投影面积或者减小气动阻力系数都可以提高汽车的最大速度，而由上可知气动阻力系数又与车身表面的处理有关。因此可以利用流线型设计方法以减少汽车的正投影面积和气动阻力系数，达到节油减排或者提高汽车速度的目的。有实验数据表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油就可以节省百分之七，当车速超过100km/h时，发动了功率有80%用来克服气动阻力，所以降低阻力系数可以很好的降低汽车的油耗。曾有人对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的轿车进行比较，以每小时88公里的时速行驶了100公里，燃油消耗后者比前者节约了1.7公升流线型原是空气动力学名词,用来描述表面圆滑、线条流畅的物体形状，流线型设计的物体在流体中运动时可以保证流体从物体表面流过而不会分离物体表面。所谓流线型化是将在流体（例如空气或水）中运动的物体外形设计成流线型,这种形状能减少物体在高速运动时的风阻。上面已经说过，气动阻力与汽车的正有影面积和气动阻力系数成正比，并且涡流对风阻也有很大的影响，流线型设计车型不仅可以减小气动阻力系数。并且通过风洞试验知道具有流线型车身的汽车抗涡流的性能最好。汽车尾部的流线型设计，也可以减少阻力。汽车通过后留下的真空地带需要空气填补，就会对汽车有一个拖后的力叫曳力（drag）。流线型就解决了这个问题。原来汽车尾部的截面是正方形，汽车通过后产生很大的真空地带，所受的曳力就很大。改成流线型的尾巴后在高速运动中产生的真空空间就小，曳力就小了；并且可得空气相对于汽车的垂直速度减小，根据康达效应，当汽车外形流线化设计时（可以满足物体表面的曲率不是很大），可以使空气在车身截面积变化时不脱离车身，而是从汽车的表面流过，然后在摩擦力的作用下，空气的相对速度减小，即弱化流动分离现象，从而减小压差阻力。根据世界轿车车型的发展历史，从19世纪末到20世纪初的马车型车身，到1915年福特公司生产出第一部箱型汽车，虽然在高速行驶时帮助驾驶员抵挡住了风雨的侵袭，但是又不利于车速的大幅度提高，因为箱型车车身大，空气阻力也就很大。所以人们开始研究流线型车身的设计。这也是汽车的运动首次与空气动力学相结合。1934年美国的克莱斯勒公司生产的气流牌小轿车首先采用了流线型的车身外形。以达到减少更多空气阻力的目的，特别是流体力学的深入研究和应用，为船型车身的出现奠定了理论基础。因为在船型车身高速行驶时会产生较强的空气涡流，为了克服这一缺陷，设计师把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜，这就是鱼型车的雏形。但是这种车身对横风有很强的不稳定性，当其高速行驶时，会产生升力，使车轮附着力减小。1963年首次亮相的美国斯蒂贝克公司设计出的楔形车很好的解决了鱼型车的升力问题，因为这种车身前部向下方倾斜，导致后行李箱明显高于前发动机舱，而车尾平直，形成良好的风压，防止车轮发飘。现在的轿车基本上都朝这个方向发展。其中每一种车型的出现，都不是单纯的工业产物或者艺术的作品，而是与流体力学尤其是空气动力学的发展相结合。四、优化结果汽车车型的发展史说明了随着空气动力学的逐渐完善，人们明白了汽车车身的流线化对降低空气阻力的重要性。一般情况下有以下几种方法：（1）流线化车头和车尾；（2）封闭车辆各部件不使其暴露在外；（3）尽可能的使车身光滑无突出物。但是车辆不是独立的行驶在空气中的，地面效应将使行驶的汽车受到的空气动力量发生较大的变化。（4）使汽车弦线前低后高，底版尾部适当上翘，在适当的位置安装导流板或扰流板（5）利用气流分布规律，还可以巧妙地把发动机的进气口安排在高压区，提高进气效率，减少高压区附近的涡流，同时把排气口安排在低压区，使排气更加顺畅。综上所述，流线型设计车身并结合上述各种经验可以很好的减小空气对汽车的阻力，从而减小能耗，提高动力性。汽车车型的不断改进，流线型设计不断进步，会使得汽车的所受阻力越来越小，直到接近某一临界值。汽车造型与空气动力学汽车造型与空气动力学的关系一、轿车前部车头造型对气动阻力影响因素很多，主要有：车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小、格栅形状等。车头边角的影响：车头边角主要是车头上缘边角和横向两侧边角。对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区。车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区。车头形状的影响整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。车头高度的影响头缘位置较低的下凸型车头气动阻力系数最小。但不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化。车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。车头下缘凸起唇的影响增加下缘凸起唇后，气动阻力变小。减小的程度与唇的位置有关。（2）斜度：前风窗玻璃的斜度（与垂直面的夹角）=300时，降阻效果不明显，但过大的斜度，使视觉效果和舒适性降低。前风窗斜度=480时，发动机罩与前风窗凹处会出现一个明显的压力降，因而造型时应避免这个角度。(3)前风挡玻璃的倾斜角度（与垂直面的夹角）越大，气动升力系数略有增加。发动机罩与前风窗的夹角与结合部位的细部结构。6.汽车前端形状前凸且高不仅会产生较大的阻力而且还将会在车头上部形成较大的局部负升力区。具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。二、轿车客舱A柱前立柱上的凹槽、小台面和细棱角，处理不当，将导致较大的气动阻力和较严重的气动噪声和测窗污染。应设计成圆滑过渡的外形。侧壁轿车侧壁略有外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数。但外鼓系数（外鼓尺寸与跨度之比）应避免在0.020.04之间。顶盖综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度、强度等方面的因素，顶盖的上扰系数（上鼓尺寸与跨度之比）应在0.06以下。4.客舱长度对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由0.93增至1.17，会较大程度的减小气动升力系数。三、轿车尾部车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度、尾部横向收缩。后风窗斜度后风窗斜度（后风窗弦线与水平线的夹角）对气动阻力影响较大，对斜背式轿车，斜度等于300时，阻力系数最大；斜度小于300时，阻力系数较小。后挡风玻璃的倾斜角控制在25度之内。尾窗与车顶的夹角介于28至32度时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。2.尾部造型式样典型的尾部造型有斜背式、阶背式、方（平）背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切的断言或部造型式样的优劣。但从理论上说，小斜背（角度小于300）具有较小的气动阻力系数。3.车尾高度流线型车尾的轿车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小。此高度需要根据具体车型以及结构要求而定。后车体的横向收缩一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数的增加。收缩程度受具体车型而定。5.车尾形状车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力。四、轿车底部车身底部离地高度一般虽车身底部离地高度的增加气动阻力系数上升，但高度过小，将增加气动升力，影响操作稳定性及制动性。另外离地高度的确定还要考虑汽车的通过性与汽车中心高度。车身底部纵倾角车身底部纵倾角对气动阻力影响较大，纵倾角越大，气动阻力系数越大，故底板应尽量具有负的纵倾角。将汽车底板做成前底后高的形状对减小气动升力有用。车身底板的曲率纵向曲率：适度的纵向曲率可以减小压差阻力。横向曲率：适度的横向曲率可以减小气动升力。最佳曲率视具体车型而定。扰流器对气动阻力的影响富康是典型的半水滴造型，这样的造型符合当今汽车设计的最新潮流，充分运用了空气动力学的最新成果。经过严格的风洞试验，富康的风阻系数仅为0.31。风阻系数在过去的轿车手册中从未出现过，今天则是介绍轿车的常用术语之一，在国外已经成为人们十分关注的一种参数了，它是指汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生的纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，它的系数值是由风洞测试得出来的。汽车行驶速度越快其所受到的空气阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比。如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性。雪铁龙ZX系列的风阻系数只有0.305，是普及型汽车里面最优秀的，而如今的帕萨特B5德国版已达到0.28。据试验表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油节省百分之七左右。曾有人对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的轿车进行比较，以每小时88公里的时速行驶了100公里，燃油消耗后者比前者节约了1.7公升。因此，当你决定选择一种经济实用的私家车时，这也是不可或缺的考量因素。当然，并不是所有的轿车都会公布自身的风阻系数，除非它在这方面很优秀。汽车空气动力学知识阻力一辆轿车的气动效率是由其阻力系数(Cd)所决定的。而阻力系数与面积无关，它仅仅是反映出物体的形状对于气动阻力的影响。理论上来讲，一个圆形的平板的阻力系数为1.0，但是如果考虑到其边缘周围的湍流效应，它的阻力系数将会变为1.2左右。气动效率最高的形状是水滴，它的阻力系数只有0.05。不过，我们不可能制造出一辆水滴形状的轿车。一辆典型的轿车的阻力系数大致为0.30。阻力的大小是与阻力系数(也叫牵引系数、风阻系数)、正面接触面积和车速的平方成比例的。你会发现一辆时速120英里的轿车所遇到的阻力是一辆时速60英里的轿车的四倍。你还可以发现阻力对于最高时速的影响。如果我们不改变一辆Testarossa的形状，而将其最高时速从180英里提高到Diablo的200英里的话，我们需要将其最大输出功率从390马力提升到535马力。如果我们宁愿把时间和资金花在风洞的研究上，只要将其阻力系数从0.36降低到0.29就能够达到同样的效果。斜背式车身在20世纪60年代，赛车工程师们开始认真对待空气动力学。他们发现如果他们将轿车后背的斜度减小到20度或更小的话，气流就会非常平稳地流过车顶线，从而大大减小了阻力。他们将这种设计命名为“斜背式车身”。这种关注的结果是很多赛车都增加了一个比较夸张的长长的尾翼，并把后背的高度降低了，比如这里展示的1978年的935MobyDick。对于一辆三厢式轿车，气流会直接从车顶线的尾部离开轿车。而后挡风玻璃的突然下降会在周围的区域形成低压，这就吸引了一些气流重新流入该区域进行补充，并因此形成了湍流。而湍流总是会损害到阻力系数。然而，这依然比可能出现在三厢式车身和斜背式车身之间的一些情况要好。如果后挡风玻璃的斜度为3035度的话，气流就会变得非常不稳定，而这将很损害到高速行驶时车辆的稳定性。在过去，轿车厂商对此知之甚少，所以生产了很多类似的轿车。升力另一个重要的空气动力学因素是升力。由于轿车顶部的气流移动的距离要长于轿车底部的气流，所以前者的速度会比后者快。根据柏努利(瑞士物理学家)原理，速度差会在上层表面产生一个净负压，我们将其称为“升力”。像阻力一样，升力也是与面积(不过是表面积而不是正面面积)、车速的平方和升力系数(Cl)成比例的，而升力系数是由形状决定的。在高速行驶时，升力可能会被提升到一个足够高的程度，从而让轿车变得很不稳定。升力对于车尾的影响更为重要，这一点很好理解，因为后挡风玻璃的周围存在一个低压。如果升力没有被充分抵消，后轮就很容易发生滑移，这对于一辆以时速160英里飞驰的轿车是很危险的。就这个方面来讲，斜背式车身是非常不利的，因为它与气流接触的表面积非常大。看起来良好的阻力和良好的升力是互相排斥的，你好像不可能同时拥有它们。不过，由于过去我们对空气动力学进行了更多的研究，所以我们还是发现了一些办法，可以解决同时拥有两者的问题