1、車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)基于理論分析汽車氣動(dòng)力及力矩【摘要】汽車空氣動(dòng)力性是汽車的重要特性之一，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，通過改變這些因素來改善汽車性能，合理的選擇相關(guān)參數(shù)，為接下來的設(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)性前言汽車空氣動(dòng)力性是汽車的重要特性之一，它直接影響汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱性、舒適性及安全性，它是指汽車在流場(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)生的車身外

2、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“氣流”誕生開始，迄今為止，國內(nèi)外對(duì)于汽車空氣動(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數(shù)學(xué)工具來建立空氣運(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和計(jì)算的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，可見理論研究對(duì)于汽車空氣動(dòng)力學(xué)來說是不容忽視的。氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩分析1、氣動(dòng)力及力矩汽車與

3、空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)并相互作用，會(huì)在汽車車身上產(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、汽車的迎風(fēng)面積及取決于車身形狀的無量綱氣動(dòng)系數(shù)成正比，可表示為F = qSCF = 0.5vSCF (1)式中，F(xiàn)為氣動(dòng)力，S為汽車迎風(fēng)面積，CF為氣動(dòng)系數(shù)。 圖1為汽車所受氣動(dòng)力及力矩坐標(biāo)表示圖氣動(dòng)阻力 FX=qSCD=1/2vSCD氣動(dòng)側(cè)力 FY = qSCL=1/2vSCL氣動(dòng)升力 FZ = qSCZ=1/2vSCZ氣動(dòng)側(cè)傾力矩 MX=FZ*YC-FY*ZC=SlCq氣動(dòng)橫擺力矩 MY=FX*ZC-FZ*XC=SlCN氣動(dòng)縱傾力矩 MZ=FY*XC-FX*YC=SlCM 圖1 汽車所受氣動(dòng)力及力矩坐

4、標(biāo)示意圖實(shí)際中上述力和力矩都應(yīng)盡量降低，以保證汽車的機(jī)動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性。而從以上各式分析，車速、車身迎風(fēng)面積是我們可以改進(jìn)的地方?，F(xiàn)代高檔汽車都力求把車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)傾力矩汽車氣動(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)只與汽車外形形狀有關(guān)，與大小無關(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/(0.5v)=1-(u/v) (2)無粘流時(shí)，O點(diǎn)

5、處由（2）式知Cp=1。當(dāng)來流流至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?？紤]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 無粘流繞二元圓柱流動(dòng)b 有粘流繞二元圓柱流動(dòng)c 無粘流流動(dòng)力場(chǎng) d 有粘流流動(dòng)力場(chǎng) 圖2 汽車車身壓強(qiáng)分布（陰影為正壓） 圖3 粘流有無與氣動(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

6、車車身表面產(chǎn)生摩擦所形成的阻力。對(duì)汽車而言，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，在附面層內(nèi)有較大的速度梯度?？拷囓嚿肀砻媲安康母矫鎸觾?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)變得雜亂無章，互相干擾，稱為“紊流附面層”。在進(jìn)行汽車造型時(shí)，盡可能使車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57。CDi=CL/(3.14) （3）CDi為誘導(dǎo)阻力系數(shù)，為寬長比，為修正系數(shù)，CL為升力系數(shù)。由上式可知

7、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)汽車而言，約占總氣動(dòng)阻力的12%-16%。這些附件包括后視鏡、門把手、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)被裝配到汽車車身時(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)等的氣流和車內(nèi)通風(fēng)氣流而形成的阻力，約占?xì)鈩?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

8、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)傾力矩主要有車身側(cè)面形狀決定，流線型好側(cè)傾力矩相對(duì)較??；汽車的高度和寬度對(duì)側(cè)傾力矩影響很大，一般低而寬的汽車側(cè)傾力矩系數(shù)比高而窄的汽車側(cè)傾力矩系數(shù)小。3、氣動(dòng)升力及縱傾力矩一輛汽車在行駛時(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)，而竄入車底的氣流會(huì)被暫時(shí)困于車底的各個(gè)機(jī)械部件之中，空氣會(huì)被行駛的汽車?yán)瓌?dòng)，地面上的紙張或樹葉會(huì)被卷起。由于汽車車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

9、升力。依據(jù)伯努利方程，作用在汽車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，影響汽車的操縱穩(wěn)定性。無側(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。目前一些兩廂車的后部都安裝有擾流板，這是一個(gè)類似于飛機(jī)機(jī)翼的原理，只不過向上凹，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的直線行駛性能。由FY = qSCL=0.5vSCL，MY=FX*ZC-FZ*XC=SlCN 。分析，車身側(cè)面積、車身長度對(duì)側(cè)向力及橫擺力矩有很大影響，因而一般長度

10、較小、寬度較大、車身低矮的汽車比較好。有些汽車上在側(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。汽車性能與氣動(dòng)力相關(guān)性分析汽車性能主要包括汽車動(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)性角度來分析。動(dòng)力性汽車的動(dòng)力性是指汽車在良好的路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的所能達(dá)到的平均行駛速度。最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度為其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。（1） 最高車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-0.5CLv

11、S)f+0.5CDvS (4)式中，F(xiàn)為牽引力，G為汽車重量，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)汽車的牽引力達(dá)到最大，即F=Fmax時(shí)，最高車速Vmax =2(Fmax-Gf)/ S(CD-CL f) (5)由上式可以看出，最高車速與氣動(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均可以提高最高車速，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=3600T Pe-(FX+Gf- FZf) v/3600T/(Gv) (6)由上式分析，減小氣動(dòng)阻力，提高氣動(dòng)升力可以提高汽車加速性能。目前高檔汽車加速到100km

12、/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=tan為爬坡度，其中為坡度角。Cos近似等于1汽車牽引力只需克服滾動(dòng)阻力、氣動(dòng)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，減小氣動(dòng)阻力可以增加最大爬坡度。通過以上汽車動(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動(dòng)力性

13、，未來那些追求速度的汽車公司需要在這兩個(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)來衡量。Q=ge(Ff+FD)/(3672T) =ge(0.5CDvS)+(G-0.5CLvS)f/( 3672T) (10)式中，Q為百公里耗油量，ge為燃油消耗率，為燃油重度，T為效率。由上式分析，氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力依然是汽車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，普通車輛只需盡量從減小氣動(dòng)阻力方面來完善即可。為了減少氣動(dòng)力對(duì)汽車性能的影響，現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)理念是將汽車設(shè)計(jì)的更流線更平滑，車身附件更小巧更隱蔽；車輪不宜太寬，車輪室不宜過深；車身底部布局合理；車前部進(jìn)氣格柵設(shè)計(jì)也應(yīng)合理。目前依據(jù)汽車空氣動(dòng)力學(xué)原理而應(yīng)用于汽車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)用讓汽車外形更美觀、性能更優(yōu)越。結(jié)論汽車?yán)碚摲治?，空氣?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