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
汽车车身的空气动力学设计
汽车车身的空气动力学设计一、引言随着现代汽车技术的不断发展，空气动力学设计已成为汽车设计领域中不可忽视的重要因素。
汽车车身的空气动力学设计能够显著影响车辆的性能和油耗，并调整车辆的稳定性和行驶舒适度。
本文将探讨汽车车身的空气动力学设计要点以及对整体性能的影响。
二、减少空气阻力的设计减少空气阻力是汽车车身空气动力学设计的主要目标之一。
为了降低阻力，设计师需要考虑以下几个方面。
1.车身外形设计车身外形应该尽可能流线型，减少空气流动中的湍流现象。
流线型车身能够使空气更加顺利地流过车辆，减少空气阻力。
设计师通常会借鉴飞机和鱼的形态进行车身外形设计，以减少阻力。
2.车身下部设计车身的底部设计也是关键。
通过优化车底板的设计，可以减少底部空气的湍流，并提高车辆的稳定性。
此外，添加护板、扰流板等装置也能减少车辆底部的阻力，进一步提高车辆的空气动力学性能。
3.车窗、后视镜、轮毂等细节设计车窗、后视镜、轮毂等汽车细节设计也应考虑减少阻力。
设计师可以采用更小的车窗、更小的后视镜，以及流线型的轮毂设计，来减少空气阻力的产生。
三、增加空气附着力的设计除了减少空气阻力外，增加空气附着力也是汽车车身空气动力学设计的重要目标。
通过增加空气附着力，可以提高汽车的操控性和行驶的稳定性。
1.扰流板设计扰流板的设计可以帮助车辆在高速行驶时增加空气附着力。
扰流板的位置和形状是关键，设计师需要根据车辆的具体情况进行合理设计，以提高车辆在高速行驶时的稳定性。
2.车顶翼设计车顶翼是一种常见的增加空气附着力的装置。
它可以改变车辆后部的气流流向，增加下压力，提高车辆行驶时的稳定性。
3.侧裙设计侧裙是装在车辆两侧下部的附着装置，可以减少空气从侧面流入车辆底部的湍流，增加车辆的空气附着力，提高行驶的稳定性和安全性。
四、提高行驶舒适度的设计除了影响性能和油耗外，汽车车身的空气动力学设计也可以调整车辆的行驶舒适度。
1.减少噪音汽车在行驶时产生的风噪和空气流动噪音会影响驾驶舒适度。
汽车空气动力学设计
风洞实验可以提供精确的测量数据，如车辆阻力、气动升力和气动稳定性等，为汽 车设计提供重要的参考依据。
车辆阻力测试
车辆阻力测试是评估汽车空气动 力学性能的重要指标之一，它反 映了汽车在行驶过程中受到的空
气阻力大小。
噪，提高驾驶舒适性和安全性。
03
节能环保
随着能源和环境问题的日益严重，低能耗、低排放的汽车已成为发展趋
势。良好的空气动力学设计有助于提高汽车的燃油经济性，减少排放，
符合节能环保的要求。
汽车空气动力学的发展历程
初期发展
早期的汽车设计主要依靠经验和试错法进行，没有系统的空气动力学研究。
快速发展期
随着流体力学和计算技术的发展，汽车空气动力学逐渐成为一个独立的学科领域。流线型 车身设计、尾翼等空气动力学部件开始出现。
总结词
提高运营效率
详细描述
城市客车的空气动力学设计主要目标是提高运营效率。通过流线型车身设计、减少车身 附件和优化底盘高度，可以降低风阻和提升行驶稳定性。此外，合理的进气口和排气口 设计也有助于提高客车的散热性能和减少噪音，从而提高城市客车的运营效率和乘客舒
适度。
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现代发展
现代汽车空气动力学研究更加深入和精细化，涉及到数值模拟、风洞试验和实车测试等多 种手段。同时，随着电动汽车的兴起，空气动力学与热管理之间的联系也更加紧密。
02
汽车空气动力学原理
伯努利定律
• 伯努利定律：流体的速度越大，其静压越小；反之，流体的速 度越小，其静压越大。在汽车设计中，可以利用伯努利定律来 控制车头的进气和车尾的排气，以优化汽车的空气动力学性能。
汽车造型设计与空气动力学
汽车造型与空气动力学的关系T813-9 20080130921 乔东兴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。
自从德国工程师 Karl Benz 1885年发明了世界上第一辆汽车后25 a,德国就在Zeppelin工厂的航空风洞中进行了一系列有关车形的实验研究。
后来德国工程师杰瑞和他的助手 W. Klemperer发现前圆后尖的物体阻力最小 ,从而找到了解决形状阻力的途径 ,鱼和鸟的体形正是形状阻力较小的造型。
美国于 1934年采用风洞和模型汽车 ,测量了各种车身的空气阻力系数 ,这是具有重要历史意义的试验。
例如 ,他提出了“如果头部不是干净利落的圆滑 ,即使有良好的尾部造型也意义不大。
”我国是在 80年代才较为系统地研究汽车空气动力学。
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。
此外 ,空气对汽车的作用还表现在对汽车发动机的冷却 ,车厢里的通风换气 ,车身外表面的清洁 ,气流噪声 ,车身表面覆盖件的振动 ,甚至刮水器的性能等方面的影响。
空气动力学上的每一项进展 ,都直观的反映在汽车造型的变化上。
几十年来 ,汽车造型的种种变化 ,都可以找到其空气动力学的依据。
当汽车的车速提高到每小时 50 km的时候 ,迎面而来的风使驾乘人员难以忍受 ,迫使人们考虑改变汽车的外形以克服其缺陷。
于是人们设计了一种带有球面的挡风板的汽车 ,这是流线型的萌芽。
汽车总高度的降低 ,汽车上部宽度的减小 ,都是为了减小汽车的迎风面积。
汽车车身设计空气动力学和外观的平衡
汽车车身设计空气动力学和外观的平衡在汽车设计领域中，平衡汽车车身的空气动力学和外观是至关重要的。
优秀的汽车设计师必须考虑到车辆在高速行驶时的空气动力学性能，同时还要满足人们对汽车外观的审美要求。
本文将探讨如何在汽车车身设计中实现空气动力学和外观的平衡。
首先需要明确的是，汽车车身设计的空气动力学性能对汽车的性能和燃油经济性有着重要的影响。
通过减少空气阻力和气流的扰动，可以提高汽车的稳定性和操控性能，同时减少燃油消耗。
因此，在汽车车身设计中，重要的一点是保持车辆表面的流线型。
为了实现流线型的外观，可以采用一系列的设计手段。
首先是车辆的整体造型设计。
曲线流畅的车顶线条和侧窗设计可以降低车辆的空气阻力，同时增加车辆的美感。
其次是前脸的设计，应采用更多的格栅设计，以便引导空气流向车辆底部，减少气流的紊乱。
此外，还可以通过一些细节设计来提高空气动力学性能，例如减少车身上突出的零部件、减小轮毂的空气阻力等。
然而，仅仅追求空气动力学性能并不足以满足消费者的要求。
外观设计对于购买者来说同样重要，它是用户与汽车建立情感联系的重要方式。
因此，在汽车车身设计中，还要考虑用户的审美需求和市场趋势。
汽车的外观设计需要与品牌形象相匹配，并与消费者的审美观相契合。
通过采用动感的线条、饱满的车身比例和独特的设计细节，可以使汽车在外观上具有高度辨识度和吸引力。
实现汽车车身设计空气动力学和外观的平衡需要汽车设计师具备深厚的专业知识和丰富的设计经验。
他们需要与工程师紧密合作，确保在满足空气动力学性能的同时实现美观的外观设计。
在设计过程中，可以借助计算机辅助设计技术，通过模拟和分析进行优化，以达到最佳的平衡效果。
此外，随着科技的发展，一些新的材料和制造工艺也为实现空气动力学和外观的平衡提供了更多可能性。
例如，采用轻质材料可以降低整车重量，减少空气阻力；采用3D打印技术可以实现更加复杂的外观造型。
这些创新技术的应用可以进一步推动汽车设计的发展，提高空气动力学性能和外观设计的平衡。
汽车造型与空气动力学
汽车造型与空气动力学汽车造型设计2010-03-28 16:23:52 阅读11 评论0 字号：大中小前言：受辽宁省自然科学基金的资助，本人正在主持“汽车轻量化虚拟样机关键技术研究”项目，该项目以国内某著名汽车制造有限公司正在设计制造中的汽车为应用对象，包括汽车碰撞安全性、汽车外形的计算流体力学仿真（CFD）、面向日本用户的日系车汽车音响轻量化设计、汽车关键部件轻量化设计等若干核心子课题。
合作单位包括：大连奥托汽车、日本独资大连阿尔派汽车音响制造有限公司、大连理工大学、一汽奥迪等。
计算流体力学（CFD）是一门研究液体和气体和它周围的固体如何相互作用的学问：考虑高速气体流过形状复杂的汽车的情况。
近年来CFD的发展可以让计算机在计算机中模拟虚拟汽车--而汽车制造商不再只能依靠简单的风洞去了解气流是如何影响汽车的！制造商可以在制造金属部件之前先研究模拟数据，这会大大节省时间和资金。
从事此项研究时，所需要学习及应用到的软件：CATIA（或I-DEAS或UG或PRO/E或SOLIDWORKS）、FLUENT。
汽车的CFD仿真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。
汽车的车身造型和空气动力学性能
汽车的车身造型和空气动力学性能汽车作为现代社会中最主要的交通工具之一，车身造型和空气动力学性能在其设计和制造中起着至关重要的作用。
本文将从汽车的车身造型和空气动力学性能两个方面论述其对汽车性能和品质的影响。
一、车身造型1.1 外观设计汽车的外观设计是一种艺术和科学的结合。
通过创新的车身造型设计，汽车制造商可以塑造出独特而吸引人的外观，使消费者在购买时产生情感认同。
同时，优秀的外观设计还能增强汽车的品牌形象和市场竞争力。
1.2 内在空间布局除了外观设计，车身造型还直接影响汽车的内在空间布局。
科学合理的车身造型能够提供更宽敞舒适的乘坐空间，并最大程度地提升乘客的舒适感。
同时，合理的车身布局还可以提供更多的储物空间和便利的操作性，从而增加汽车的实用性和便捷性。
1.3 安全性能车身造型对汽车的安全性能也有直接影响。
优秀的车身设计可以最大程度地吸收和分散碰撞能量，保护车内乘客免受损伤。
此外，合理的车身造型还能减少气动力学产生的风阻，提高车辆行驶的稳定性和操控性。
二、空气动力学性能2.1 空气阻力汽车在行驶时，与空气之间的相互作用会产生空气阻力。
合理的空气动力学设计可以减小车辆与空气的摩擦力，从而提高汽车的燃油效率。
减小空气阻力还能降低汽车的噪音和振动，提升行驶的平顺性和舒适度。
2.2 车辆稳定性空气动力学性能还与汽车的稳定性密切相关。
合理的空气动力学设计可以减小车辆在高速行驶时产生的升力，降低翻滚和侧倾的风险，从而提高汽车的稳定性和安全性。
2.3 空气动力学改进为了提高空气动力学性能，汽车制造商可以采用一系列的改进措施。
例如，优化车身曲线和倾角，减小车身的前后过渡曲线，以及增加底部护板和后扰流板等空气动力学设计元素。
这些改进措施可以降低气流阻碍和分离，减小气流湍流，提高汽车的空气动力学性能。
综上所述，汽车的车身造型和空气动力学性能是决定汽车性能和品质的重要因素。
良好的车身设计可以提升汽车的外观吸引力、内在空间布局和安全性能。
新能源汽车的车身设计和空气动力学
新能源汽车的车身设计和空气动力学随着环保意识的增强和能源资源的紧缺，新能源汽车的发展成为全球汽车业的热点话题。
在新能源汽车的设计中，车身设计和空气动力学起到至关重要的作用。
本文将探讨新能源汽车的车身设计以及空气动力学如何影响其性能和效率。
一、新能源汽车的车身设计1. 整体外观设计新能源汽车的外观设计需要融入时尚、科技和环保的元素。
其外观线条应流畅，体现现代感和未来感。
同时要注重减少空气阻力，提高车辆行驶的稳定性。
2. 材料选择为了减轻车身重量和提高能源利用效率，新能源汽车通常采用轻量化材料，如高强度钢、铝合金以及碳纤维等。
这些材料不仅能降低整车质量，还能提高车辆的刚性和安全性。
3.车身结构设计为了适应新能源汽车的特点，车身结构设计需要兼顾安全性、刚性和制造成本。
利用先进的仿真技术，可以对车身进行虚拟测试，优化设计方案，在满足安全要求的基础上，尽可能减少车身的重量。
二、新能源汽车的空气动力学1. 空气阻力车辆在行驶过程中，空气阻力对行驶性能和能耗起着重要影响。
通过优化车身外形和减小风阻系数，可以降低空气阻力，提高车辆的行驶效率。
2. 充电效率新能源汽车充电是其使用过程中不可或缺的环节。
空气动力学可以影响充电效率，如通过合理设置充电接口位置和设计充电孔，可以减少充电时的风阻，提高充电效率。
3. 温度管理由于新能源汽车的电池需要不断充放电，会产生热量。
空气动力学设计可以优化车辆散热系统，提高散热效果，避免电池过热，影响性能和寿命。
4. 噪音控制空气动力学设计还可以降低车辆行驶过程中的噪音产生。
通过减小车身与空气的摩擦和流动噪音，可以提升乘坐舒适度，减少噪音对驾驶员和乘客的影响。
三、新能源汽车的未来发展趋势1. 智能化与自动化随着人工智能和自动驾驶技术的快速发展，未来新能源汽车的车身设计将更加注重智能化和自动化。
车身传感器、智能导航系统等将与空气动力学相结合，提高驾驶安全性和舒适性。
2. 创新设计理念随着技术的不断进步，创新的设计理念将应用于新能源汽车的车身设计中。
汽车周围空气流动的物理特征
第第第555章章章汽汽车车造造型型与与空空气气动动力力学学
5.3 汽车周围空气流动的物理特性
影响汽车底部流谱的因素：
1）汽车底部与地面的距离； 2）车身造型以及汽车长度、宽度和高度之比； 3）底部的平整光滑度； 4）地板的纵横向曲率。 Ø 具有光滑底部的轿车，由于其底部减少了湍急的气流和摩擦损失，所以空气阻力将随离 地间隙的增加而减小。轿车地板的合理造型，力求使气流通畅，将有助于降低气动阻力 和升力。 Ø 实际上，车身底部由于底盘传动系统、发动机底部以及其他机构在底部外露，故很难实 现使底部平顺。
5.3 汽车周围空气流动的物理特性
第5章 汽车造型与空气动力学
《汽车车身结构与设计》
第5章 汽车造型与空气动力学
5.3 汽车周围空气流动的物理特性
1.空气的黏滞现象
当汽车在空气场中运动时，汽车表面与其相邻的空气粒子之间像有无数只小钩 子在相互牵扯，距离表面越近，空气粒子的运动受粘滞性的影响越大，气流速度 也越慢，与汽车表面接触的气体将受到该表面的阻滞，使相对速度为零，称为黏 滞现象。
风洞中得到的轿车流谱
第第第555章章章汽汽车车造造型型与与空空气气动动力力学学
55.3.3汽汽车车周周围围空空气气流流动动的的物物理理特特性性
1）汽车前部流谱
在研究汽车流谱时，汽车前部气流通常自发动机罩沿向上倾斜的表面移动，此时空 气粒子速度增加。因车身外形在发动机罩和风窗玻璃处出现转角，所以流速会变慢。从这 张图上看出，车身表面气流通常在S点出现分离现象。随后气流压力逐渐升高，气流在风 窗玻璃上的R点再次附着。
现代轿车发动机罩曲率都较小，对S点没有显著影响。但发动机罩侧面不要设置凸起 物以免阻碍气流流向两侧。在风窗玻璃下沿开设通风口，有利于减小该处涡流。此外，气 流还会受到玻璃下沿的压条、凸边及刮水器的干扰。
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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。
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
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。
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。
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 。
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。
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性的系数，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)；
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。
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
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。
（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。