汽车车身结构与设计CAI第5章汽车空气动力学与造型设计

5.2 汽车空气动力学基本知识
当汽车向前行驶时，与空气产生复杂的相互作用，需要承受很大的气动力作 用，特别是高速行驶的轿车，气流对轿车的行驶状态将产生极大的影响。汽车 的空气动力学特性主要取决于车身造型。汽车造型与空气动力学的关系，将直 接影响汽车的下列因素：
(1)车速； (3)高速行驶的稳定性； (3)在侧风作用下，直线行驶的稳定性； (4)空气噪音的干扰； (5)汽车表面的泥尘污染。
1）良好的空气动力特性
汽车具有合理的外形，可以减小空气阻力，以改善汽车的动力性和提高燃油经济 性；同时还要使汽车具有良好的空气动力稳定性 。
2）良好的适用性
按照人机工程学的原理使汽车结构合理，保证乘坐的安全性、舒适性、操作方便 性及视野良好等要求。
3）应具有完美的艺术形象
汽车的艺术形象应突出国家、地域、民族的特点，如美国汽车豪华、舒适、气派； 日本汽车简约、明快；德国汽车精良、实用等。我国汽车的艺术形象表现出朴实、 含蓄、大方的特点 。
轿车所受的气动力和气动力矩
气动阻力(Drag-Force)（即空气阻力） 气动侧向力(Side Force) 气动升力(Lift-Force) 侧倾力矩Mx 俯仰力矩My 横摆力矩Mz
1. 气动阻力（即空气阻力）和空气阻力系数
当汽车速度达到60～70km/h时， 空气阻力将逐渐增大，超过 100km/h时，功率几乎全部消 耗在克服空气阻力上了 。 当一辆轿车以80公里／小时的 时速前进时，有60％的油耗是 用来克服风阻的。
空气动力特性在车身 造型设计中的应用
了解汽车外形优化实例
优化方法
空气动力性实验
了解空气动力性实验任务 风洞试验
5.1 汽车造型设计的特点和要求 汽车造型设计是汽车车身设计的开始，是指汽车总布置和车身总布置 基本确定之后进一步使汽车获得具体形状和艺术面貌的过程，是汽车设 计过程中的重要组成部分。 1. 汽车造型设计的特点： ①汽车造型是一个需要综合结构力学、人机工程学、空气动力学、造 型艺术、工程材料等多学科知识的综合性设计问题。 ② 汽车造型艺术不同于美术雕塑、家具、建筑以及其它机电产品的造 型艺术，具有独特的的艺术特点。 ③汽车产品的造型应具有物质与精神功能的双重特性。既具有使用价 值，又有艺术感染力，满足人们的审美要求，是技术与艺术的统一。同 时反映民族精神和审美要求，具有强烈的时尚性。 ④要充分反映力学、材料学、机构学的新成就，体现最新材料、先进 结构、先进工艺的特征。
车速与阻力的关系
汽车空气阻力系数——用于描述汽车空气动力学特ຫໍສະໝຸດ Baidu的系数，也称为风阻系
数，用 CD 表示，是评价车身外形空气动力特性的重要指标 。
CD

FD / q
A

2FD
2 A
FD ——汽车的空气阻力；
q
——动压，
2 q
2
——空气密度；
——气流速度(相当于汽车行驶速度)；
4）车身应具有良好的工艺性
如合理分块，尽量减少拉延深度，减少冲压工序，简化冲模结构，并使零件具有 良好的装焊工艺性等。
5）应考虑材料的装饰效果
汽车车身上采用多种材料，如钢铁、有色金属、玻璃、纺织品、皮革、工程塑料、 橡胶、木材、纸、油漆等。造型设计师应深入了解各种材料的性能、工艺方式，并 正确选用，以表现其装饰效果。
作用在汽车上的气动力和气动力矩与汽车的性能密切相关，气动阻力直接 影响轿车加速性和燃油消耗率等经济性以及动力性方面的指标。气动侧向力、 升力和横摆力矩直接影响汽车的稳定性和直线行驶能力，影响汽车的操纵性能， 从而影响行驶安全性。
气动阻力、气动侧向力和气动升力分别是沿着X轴、Y轴和Z铀三个坐标方向 的分力，其实际作用点分别是汽车正面、侧面和水平面的风压中心，即正投影、 侧投影与水平投影的形心。一般情况下，这三个形心相互不重合，与车辆的重 心也不重合。当把这三个力转移到汽车的重心位置时，就会产生围绕以汽车重 心为原点的三个坐标轴的三个力矩。
2. 汽车造型设计内容 汽车造型设计包括外形设计和室内装饰设计两部分。汽车造型设计师
的工作是：参与汽车总布置设计和车身总布置设计，绘制效果图，雕塑 模型，将外形形体上的曲线表达在主图板上，制定室内造型和覆饰设计 方案，最后协同结构设计师将造型具体体现在车身结构上。
汽车造型特征重点认知部位
3. 汽车造型设计要求
例如在研究空气动力、压强场和流场显示方面有非常相近之处。但是 汽车是在地面上行驶的钝头体，气动特性介于锐边的平板和流线体之间， 且行驶状况异常复杂，因而，汽车空气动力学有别于上述分支学科，有 其自身的特点。
（二）汽车的空气动力
汽车在行驶时，车身外表面会受到空气阻力、升力和侧向力，这三种压力 合成得到作用于轿车上的合力，称为气动力。
学习目标
1. 了解汽车造型设计的特点和要求； 2. 掌握汽车空气动力学基本知识； 3. 了解汽车空气动力特性在车身造型设计中的应用。
学习要求
知识要点
能力要求
相关知识
汽车造型的特点和要 求
汽车空气动力学基本 知识
了解汽车造型的特点和要 求
汽车造型演变与空气动力学关系
掌握空气动力学基本概念
空气阻力、空气阻力系数、粘滞现象 、流谱
（一）汽车空气动力学的研究内容
汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与 空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力 （称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的 影响。
汽车空气动力学研究的重要手段是风洞试验，在原理、方法上和航空、 船舶、火车等的空气动力学风洞试验有很多相同和相似之处。
6）对造型人员的要求
汽车造型需要多方面、多领域的知识，至少应有造型师、色彩花纹设计师、实物 模型师、三维数字模型师和逆向工程师等五方面技术人员组成。要求他们应具备丰 富的创造性、卓越的实施表现能力、较宽广的知识面、良好的协作精神和与人共事 的能力等等。
各汽车制造公司之间的竞争，汽车一般每年都有局部改进。轿车车身每隔3～6 年即进行全部更新换型(货车每隔8～10年)。车身造型必须充分考虑实际使用价值 和满足人们审美要求，所以车身造型的美学规律是以汽车特定的使用功能、生产工 艺和车身一定结构型式为基础而表现的。