第三章 汽车空气动力学

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气动阻力由五部分组成：
1. 2. 3. 4. 形状阻力，占总阻力58%； 诱导阻力，占总阻力7%； 摩擦阻力，占总阻力9%； 干扰阻力，占总阻力14%； 这几部分阻力的大致比例 如图3-2所示。
图3-2
5. 内循环阻力，占总阻力12%。
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3.2.1
形状阻力
当汽车行使时，气流流经汽车表面过程中，在 汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流， 如图3-3中在车身后部有明显的涡流区，在涡流区产 生负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力 是压差阻力，又因为这都和车身形状有关，也称为 形状阻力，它占整个阻力的58 0 。
2 C xi C y
C xi Fxi
1 Vr2 A 2
（3-1）
b2 A
式中，b为汽车宽度，m ；
为空气密度，kg
m3 m2 。 A为汽车正投影面积，
诱导阻力占总空气阻力的 7 0 0 。
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3.2.3
摩擦阻力
汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气 的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。 空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流 过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板 表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的 流动，形成一种阻力称为摩擦阻力，约占总 空气阻力的 9 0 0。
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第六节
侧风作用下的气动阻力系数
在侧风作用下直线行驶的汽车受到由行驶速度产 生的行驶风 (负号表示与行驶速度方向相反)和侧 风 r 的影响，气流流入合成速度 w 就是两者的矢量 和： w
其合成速度 与汽车轴线成 角 ( 图3-6 )。
r
r w 2w cos 式中 ' ——风与汽车轴线夹角。
2 2
r
流入角，单位为
r
。

的大小可用下式求出：
' 12
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图3-6
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流入角可用下式求出：
所以：
在逆风时：
2 arccos w 2
cos w
2 r 2 r 2 r 2 r

' 0 r w
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3.2.4
干扰阻力
它是车身外面的凸起物如后视镜、流水槽、导流 板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所 造成的阻力，占总阻力的14%。
3.2.5
内循环阻力
它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空 气气流通过车身的内部构造所产生的阻力，它占总阻 力12%。
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3.2.5
小结
减少气动阻力系数 CD C x 在车身造型设计中主要 采取下列措施 ： 1、 光顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面 层剥离和涡流的产生； 2、 调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后 窗等造型的倾斜角度有效地减少阻力的产生； 3、 减少凸起物，形成平滑表面； 4、 设计空气动力附件，整理和引导气流流向。
附面层厚度 8.5 0 0 汽车模型离地间隙
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为了尽可能真实地复现汽车车身底部的速度分布， 要求地板的边界层尽可能薄，常用以下三种方法 ( 见图3-10)：
1) 把模型支在距风洞底部一定高度的地板上； 2) 把模型支在传动带上； 3) 在风洞地板上设孔以吸除(或吹除)附面层.
图3-10
地面效应模拟方法
第三章
3.1
汽车空气动力学
概述
3.2
3.3
气动阻力
升力和俯仰力矩
3.4
3.5
侧向力和横摆力矩
侧倾力矩
3.6
3.7
侧风作用下的气动阻力系数
汽车空气动力学试验
第一节
概述
定义：汽车在路面上行驶，除受到路面作用力外，还
受到周围气流对它作用的各种力和力矩。研究这些 力的特性及其对汽车性能所产生的影响的学科称为 汽车空气动力学。 汽车行驶中受到的气动力有迎面阻力、升力、 侧向力及这些力形成的俯仰力矩、侧倾力矩和横摆 力矩，他们的大小，大致都与空气对汽车的相对速 度的平方成正比，因此随着汽车行驶速度的日益提 高，其作用对汽车性能的影响也会愈来愈显著。
不但几何尺寸相似，而且雷诺数也相似 。
4、要有侧六分力的天平仪
图3-11为意大利平宁法里那设计的机械式六分 力天平仪，能同时测出所需六分力和三个力矩。
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图3-11
机械式六分力天平
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3.7.2
1.
空气动力学的室外试验
一般试验项目有：
测定气动阻力系数 C x C D ； 气动阻力系数是通过滑行法来测定。在平坦 路面上，把汽车加速到一定值( 60~100km/h )，然 后挂空档，任其滑行，记录速度下降和时间的关系， 并由此求得各速度间的平均减速度，由此可计算出 对应的总阻力，它包括轮胎滚动阻力、传动系阻力 和空气阻力。从总阻力中间去轮胎滚动阻力和传动 系阻力，即得空气阻力，进而求出空气气动阻力系 数 C x C D 。
0
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图3-3
汽车表面气流图
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3.2.2 诱导阻力
诱导阻力是由于气流经
车身上下部时，由于空气质
点流经上下表面的路程不同， 流速不同从而产生压差，即 升力，升力在水平方向上的 分力称为诱导阻力，如图3-4 所示。
图3-4 汽车的诱导阻力
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诱导阻力系数 C xi 升力系数 C y 间有如下近似关系：
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3.7.1
风洞试验设施和技术
汽车风洞由大功率电动机带动鼓风机和按一定要 求设计的管道构成，可分为直流式和回流式两种：
1、直流式风洞又称为埃菲尔式风洞，其结构是鼓 风机在试验阶段下游靠吸入空气形成气流。图3-9a即 是英国 MIRA 研究中心的一个直流式风洞,试验段长 3.8m，截面2.12 m 2 , 高1m ,最高风速为160km/h ，风 扇功率为37.3kW，由于截面小，只作模型试验，试 验段一般为长方形截面，其长度应为1.5-2倍当量截 面直径。
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2、模拟边界条件
汽车在路上行驶，四周气流均匀，风洞中除地板 上有附面层外，管径如太小，其附面层也影响气流 特性，为此设计的风洞试验段截面积与模型的正面 投影面积之比有一定要求： 模型的正面投影面积要小于 5 0 的试验段面积， 0 地板以上面积，模型高度要小于试验段高度 30 0 0。
3、必须符合相似原则
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风洞的技术要求：
1、模拟地面效应
汽车在真实路面上行驶时，受到与行驶速度相同 的风的作用，与此同时，路面以相同速度向后方移 动，而在风洞中，汽车或汽车模型不动，风以与汽 车行驶速度相同的风速作用于汽车上，但在地板上 形成边界层，这种边界层是由于流体粘性造成的， 使测量阻力减少，升力值增大。因此规定：
Fx C x
F C
y y
DC
D

DC
D

r2 A 2
FX



S Cs
DC y
Cy Cz C
Mx
r2 A 2
FY
F C
z
x
z
LCL M C
R RM
LC
L

r2 A 2
FZ
M C
M C
y
Mx

RC
R

r2 AL 2
MX
My

M C

减少侧向力的影响有以下措施：
( 1 ) 尽量使风压中心位于重心之后；
( 2 ) 尽量压低车身高度，处理好横截面的流线形性， 增加车宽。
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第五节
侧倾力矩
侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并影响左 右车轮负荷重新分配。
侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，减少侧倾力 矩的措施主要是： ( 1 ) 尽量降低车身，增大车宽； ( 2 ) 使风压中心在高度上接近侧倾轴线；
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图3-9
两个典型的汽车风洞
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2、 回流式风洞又称哥根廷式风洞，通过试验段的气 流经过循环系统再返回流动形成回流，故此得名， 其优点是可节省驱动功率，图3-9a示出德国奔驰公司 的回流式风洞，其试验段截面达32.6 m 2 ，长10m,最 高风速达270km/h,风扇功率高达4000kW。 世界上的风洞按其试验段面积和最高风速可分 为大中小三类：
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第三节
升力和俯仰力矩
升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气 流速不等形成压力差而造成的。升力不通过重心时 对汽车产生俯仰力矩。 升力使车轮有抬升的趋势，减少驱动轮上的附 着力，对转向车轮的影响是升力使侧向最大附着力 和侧偏刚度降低，而使转向性能变坏。
现代高速汽车特别是赛车在设计上都力图减少 升力。
（2 ）采用类似楔型造型。尽量压低车身前端，使尾 部肥厚向上翘以产生负迎角；
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( 3 ) 车身前部设阻风板后面设扰流板使后面翘起，如
图3-5示；
图 3-5 2、驱动形式
一般前置前驱汽车其风压中心与车身中心接近， 后置发动机汽车的重心往往偏后，因而风压中心可 能在重心前，俯仰力矩大些。
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顺风时：
' 180 r w
90
r w arctg w
2
2 12
图3-7表示有侧风时行驶速度、风速与合成速度 及迎角之间的关系。在有侧风时，气动阻力系数成 为 CT ，它要比无风时的气动阻力系数 C D 大， 图3-8 是在风洞中测出三种车型的 CD、CT 和迎角 的关系， 前 0 时， CT C D 随着 的增大 ， CT 一般要增大。
小型风洞 A 1.5 ~ 6m 2 max 20 ~ 44 m s 功率 50 ~ 560kW 中型风洞 A 10 ~ 22m 2 max 33 ~ 57 m s 功率 600 ~ 2000kW 大型风洞 A 30 ~ 38m 2 max 63 ~ 75 m s 功率 1800 ~ 12700kW
P
PM

M C
M
CMy CMz
r2 AL 2
MY
M z CMz M y C yM
N C N
r2 AL 2
MZ
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第二节
气动阻力
空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动 阻力，这种阻力与车速平方成正比。为了克服气 动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急 剧增加的，当车速超过 100km/h 时，发动机功率 有80%用来克服气动阻力，要消耗很多燃料。在 高速行驶时，如能减少10%的气动阻力，就可使 燃料经济性提高百分之几十。当前汽车设计师十 分重视降低气动阻力系数Cx，因为它对汽车动力 性、经济性和轻量化有很多好处。
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所有的空气力向上述坐标原点化简，产生三个分力和三个绕 坐标轴的力矩。各种气动力的数值都与动压力和迎风的汽车 正投影面积成正比，其比例系数称为气动力系数。 表3-1列出了国内外对六分力名称和系数公式的对照表
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表3-1
名
称
代
号 美、日规定
德国规定
系数公式
Cx
气动阻力 Drag
侧向力 Side force 升力 Lift 侧倾力矩 Rolling moment 俯仰力矩 Pitching moment 横摆力矩 Yawing moment
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气动六分力与坐标系：
汽车在行使时，受到气流的气动力作用，该作 用力在汽车上的作用点，我们通常称为风压中心，记 作C.P，由于汽车外型的对称性，风压中心在汽车的 对称平面内，但它不一定与重心（CG）重合。 为了研究方便，建立一套坐标系，通常把汽车空 气动力坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的交线 上，前后轴中点处。规定各轴的正值方向如图3-1示：
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影响因素：
1、车身形状 把车身前后端形心用直线连接，称此直线为中 线，此中线与水平面的夹角称为迎角。 中线前高后低，迎角为正，反之为负。正迎角 越大升力越大。 如果汽车风压中心处于中心之前，则升力对中 心造成俯仰力矩，使前轮更加有离地趋势，所以最 新设计的车身形状采取以下措施：
（1 ） 尽量做到风压中心与重心重合；


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图3-7 自然侧风风速不同时，合成风速 res 和 迎角 与行驶速度之间的关系 ( 直线行驶时,自然风 垂直于汽车纵轴线 )


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图3-8 三种典型车身的切向力系数与迎角的关系
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第七节
汽车空气动力学试验
汽车的空气动力学试验分室内和室外两种：
室内实验一般是把汽车或汽车模型置于能模拟汽 车行驶中流场的管状试验场中，用巨型风扇造成所 需的汽车气流的相对速度，测定各种气动力和气动 力矩的一种试验装置，这种装置称为风洞( Wind Tunnel )。 室外实验是把实车在室外试验场上进行空气阻力 系数的测定和研究横风对汽车的作用。
第四节
侧向力和横摆力矩
汽车受侧风时，如风力与中轴成 角，则在 y 方 向产生分力 Fy ，此分力随 角的增加而直线上升，如 侧风作用的风压中心(C.P)在重心之前，则汽车将顺风 偏转，结果使 增大。侧向力和横摆力矩增大，导致 稳定性变坏，如侧向力的风压中心位于中心之后，则 汽车逆风偏转，使侧向力和横摆力矩减少利于行驶稳 定性；如风压中心与重心重合，则汽车在侧向力作用 下侧移，但能保持行驶方向。