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1、车身结构与设计基于理论分析汽车气动力及力矩【摘要】汽车空气动力性是汽车的重要特性之一，气动力和气动力矩是它的主要内容。通过运用数学和物理方法，理论分析气动力及气动力矩的相关参数，进而与汽车的动力性及燃油经济性综合在一起进行分析，找到相关的影响因素，通过改变这些因素来改善汽车性能，合理的选择相关参数，为接下来的设计及模拟仿真做好铺垫。【关键词】空气动力性 气动力 气动力矩 气动阻力 动力性 燃油经济性前言汽车空气动力性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵性、舒适性及安全性，它是指汽车在流场中所受的以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩的作用而产生的车身外
2、部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥土及灰尘的附着与上卷、刮水器上浮以及发动机冷却、驾驶室内通风、空气调节等特性。当一辆汽车以80km/h的速度前进时，有60%的动力用于克服空气阻力。从世界上首款流线型汽车“气流”诞生开始，迄今为止，国内外对于汽车空气动力学的研究方法大致分为一般采取试验法、试验与理论相结合法及数值模拟仿真研究法。理论研究方法主要是通过数学工具来建立空气运动规律及相应初始、边界条件的理论模型，以揭示气动力产生机理及作用关系。而试验及模拟仿真都是在理论研究和计算的基础之上进行的，可见理论研究对于汽车空气动力学来说是不容忽视的。气动力及气动力矩分析1、气动力及力矩汽车与
3、空气相对运动并相互作用，会在汽车车身上产生一个气动力F，这个力的大小与相对运动速度的平方、汽车的迎风面积及取决于车身形状的无量纲气动系数成正比，可表示为F = qSCF = 0.5vSCF (1)式中，F为气动力，S为汽车迎风面积，CF为气动系数。 图1为汽车所受气动力及力矩坐标表示图气动阻力 FX=qSCD=1/2vSCD气动侧力 FY = qSCL=1/2vSCL气动升力 FZ = qSCZ=1/2vSCZ气动侧倾力矩 MX=FZ*YC-FY*ZC=SlCq气动横摆力矩 MY=FX*ZC-FZ*XC=SlCN气动纵倾力矩 MZ=FY*XC-FX*YC=SlCM 图1 汽车所受气动力及力矩坐
4、标示意图实际中上述力和力矩都应尽量降低，以保证汽车的机动性和燃油经济性。而从以上各式分析，车速、车身迎风面积是我们可以改进的地方。现代高档汽车都力求把车身前端尽量做得扁平，减少稳流，进而减少行驶阻力。2、气动阻力及侧倾力矩汽车气动阻力由压差阻力FXA、摩擦阻力FXB、诱导阻力FXC、干涉阻力FXD和内流阻力FXE五部分组成。气动阻力系数只与汽车外形形状有关，与大小无关。（1） 压差阻力因它的大小取决于物体的形状，尤其是物体的后部形状，故又称为形状阻力。对汽车而言，约占总气动阻力的50%-65%。由流体力学及伯努利方程可得静压强系数Cp=P-P/(0.5v)=1-(u/v) (2)无粘流时，O点
5、处由（2）式知Cp=1。当来流流至A时，流速由0增到最大值，Cp由1降为负压最大值。当来流至B时，流速由最大值降为0，Cp由负压最大值增至1。不存在气动阻力。考虑到粘流，O处Cp仍为1，流向A点时，由于增加了表面粘性阻力的作用，使得流速达到最大值的点提前，负压最大值出现在A点之前。再流至B时，由于粘性阻力，气流发生分离，增大并迅速扩散，从而在二元圆柱后部产生湍流区，有压力差产生气动阻力a 无粘流绕二元圆柱流动b 有粘流绕二元圆柱流动c 无粘流流动力场 d 有粘流流动力场 图2 汽车车身压强分布（阴影为正压） 图3 粘流有无与气动阻力示意图（2） 摩擦阻力摩擦阻力是由于空气的粘性作用使得空气与汽
6、车车身表面产生摩擦所形成的阻力。对汽车而言，约占总气动阻力的6%-10%。 引入附面层定义，即将u=0.99v处距物面的距离定义为附面层厚度，在附面层内有较大的速度梯度。靠近汽车车身表面前部的附面层内，各层气流之间互不干涉、运动有序，称为“层流附面层”；后部附面层内的流动会变得杂乱无章，互相干扰，称为“紊流附面层”。在进行汽车造型时，尽可能使车身表面的气流为层流附面层，减少紊流附面层和气流分离。图4附面层（3） 诱导阻力由尾涡诱导形成，是气动升力所产生的纵向水平分力，一般约占气动阻力的57。CDi=CL/(3.14) （3）CDi为诱导阻力系数，为宽长比，为修正系数，CL为升力系数。由上式可知
7、诱导阻力与升力直接相关，因而要减小诱导阻力，就要设法减小升力。（4） 干涉阻力是由暴露在汽车外部的各种附件引起气流相互干扰而形成的阻力，对汽车而言，约占总气动阻力的12%-16%。这些附件包括后视镜、门把手、雨刷、流水槽、前牌照、照明灯、前保险杠 图5诱导阻力图示以及天线和装饰物等。不仅本身存在气动阻力，而且当被装配到汽车车身时，会引起附近区域气流的状况，从而产生一个附加的气动阻力。这就是空气动力学干涉现象。（5） 内流阻力又称内循环阻力，是由冷却发动机等的气流和车内通风气流而形成的阻力，约占气动阻力的12%20%。当气流流经等截面直管时，其粘性效应不仅发生在管壁附近，而且还会扩展至整个内部截
8、面，从而产生阻力。当气流流经渐放变截面直管时，由于管截面的扩张，静压递增形成阻力，可能发生气流分离，进一步产生阻力。当气流流经突变截面直管、弯管时气流分离现象更为严重，阻力也更大。侧倾力矩主要有车身侧面形状决定，流线型好侧倾力矩相对较小；汽车的高度和宽度对侧倾力矩影响很大，一般低而宽的汽车侧倾力矩系数比高而窄的汽车侧倾力矩系数小。3、气动升力及纵倾力矩一辆汽车在行驶时，会对相对静止的空气造成不可避免的冲击，空气会因此向四周流动，而窜入车底的气流会被暂时困于车底的各个机械部件之中，空气会被行驶的汽车拉动，地面上的纸张或树叶会被卷起。由于汽车车身上下部气流的流速不同，使其上下部形成压力差，从而产生
9、升力。依据伯努利方程，作用在汽车上的升力将减小轮胎对地面的压力，使轮胎附着力和侧偏刚度降低，影响汽车的操纵稳定性。无侧风时，升力系数CL在-0.4和+0.4之间，受到侧风影响时，升力系数可能增到3倍。目前一些两厢车的后部都安装有扰流板，这是一个类似于飞机机翼的原理，只不过向上凹，上部面积小，流速低，下部大流速高，在压差作用下汽车受到向下的作用力，起阻碍升力的作用。此外还起到美观的作用。4、侧向力及横摆力矩侧向力及横摆力矩主要影响汽车的直线行驶性能。由FY = qSCL=0.5vSCL，MY=FX*ZC-FZ*XC=SlCN 。分析，车身侧面积、车身长度对侧向力及横摆力矩有很大影响，因而一般长度
10、较小、宽度较大、车身低矮的汽车比较好。有些汽车上在侧方加设侧翼，可以改变侧面气流的旋涡，降低CN，这样就能够在不增大侧向力和升力的条件下，减小横摆力矩。汽车性能与气动力相关性分析汽车性能主要包括汽车动力性、燃油经济性、操纵稳定性等方面，本文主要从动力性和燃油经济性角度来分析。动力性汽车的动力性是指汽车在良好的路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的所能达到的平均行驶速度。最高车速、加速时间和最大爬坡度为其主要评价指标。（1） 最高车速用直接档或超速档在良好的水平路面上行驶时所能达到的最高速度，汽车牵引力只需要克服气动阻力和滚动阻力。满足的关系式如下F=(G-FZ)f+FX=(G-0.5CLv
11、S)f+0.5CDvS (4)式中，F为牵引力，G为汽车重量，FZ为气动升力，f为滚动摩擦系数，FX为气动阻力。当汽车的牵引力达到最大，即F=Fmax时，最高车速Vmax =2(Fmax-Gf)/ S(CD-CL f) (5)由上式可以看出，最高车速与气动阻力和气动升力密切相关，F、G一定时，减小气动阻力系数CD和提高气动升力系数CL均可以提高最高车速，但考虑到行驶稳定性，一般不采用提高气动升力系数的办法。（2） 加速度dv/dt=3600T Pe-(FX+Gf- FZf) v/3600T/(Gv) (6)由上式分析，减小气动阻力，提高气动升力可以提高汽车加速性能。目前高档汽车加速到100km
12、/h只需不到10秒，有的如布加迪威龙甚至只需短短的3秒。对于普通汽车而言，改善加速性能，采用降低气动阻力的方式即可。（3） 最大爬坡度最大爬坡度对应的加速度为0，定义i=tan为爬坡度，其中为坡度角。Cos近似等于1汽车牵引力只需克服滚动阻力、气动阻力和爬坡阻力。F=(Gcos-FZ)f +0.5CDvS+ Gsin (7)由上式可得最大爬坡度imax= F-(G -FZ)f -0.5CDvS / G (8)由上式分析，减小气动阻力可以增加最大爬坡度。通过以上汽车动力性分析可知，气动力在其中扮演了很重要的角色，尤其是气动升力和气动阻力。减小气动阻力，适当增大气动升力可以很大程度上改善汽车动力性
13、，未来那些追求速度的汽车公司需要在这两个方面做更多更深远的研究。燃油经济性燃油经济性在保证动力性的前提下，尽量节省耗油量，主要由百公里燃油消耗量作为标准来衡量。Q=ge(Ff+FD)/(3672T) =ge(0.5CDvS)+(G-0.5CLvS)f/( 3672T) (10)式中，Q为百公里耗油量，ge为燃油消耗率，为燃油重度，T为效率。由上式分析，气动阻力和气动升力依然是汽车的百公里油耗的影响因素之一，气动阻力越大、升力越大，燃油经济性越好，同样考虑到行驶安全性，普通车辆只需尽量从减小气动阻力方面来完善即可。为了减少气动力对汽车性能的影响，现代汽车的设计理念是将汽车设计的更流线更平滑，车身
14、附件更小巧更隐蔽；车轮不宜太宽，车轮室不宜过深；车身底部布局合理；车前部进气格栅设计也应合理。目前依据汽车空气动力学原理而应用于汽车上的器件主要有阻风板、扰流器、导流罩、底板、裙边、导流板、整流罩、轮辐盖、轮毂罩等，这些应用让汽车外形更美观、性能更优越。结论汽车理论分析，空气动力学是必不可少的，而气动力、气动力矩又是其中的重中之重。通过数学工具建立的空气运动规律及相应的初始边界条件的理论模型，揭示了气动力产生的机理及相关参数，它与相对运动速度的平方、汽车的迎风面积、长宽高及车身形状的无量纲气动系数有关，根据相应的公式可以定性和定量的分析一辆汽车所受到的各个气动力及气动力矩，进而定性分析汽车的加速度、耗油量、最高车速等汽车性能参数，并优化它们，以便于进一步分析和设计。参考文献【1】 傅立敏 汽车空气动力学 机械工业出版社【2】 傅立敏 汽车空气动力学数值计算 北京理工大学出版社【3】 谷正气 汽车车身现代技术 机械工业出版社【4】 辛喆 汽车发动机原理 中国农业大学出版社
