汽车车身的空气动力学应用

研究性学习论文

小组成员：

班级：机电1011

指导教师：***

汽车车身的空气动力学应用

摘要：汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响。因此轿车的车身设计既要服从空气动力学，要有尽量低的空阻系数，降低发动机的输出负担，又要采取措施，降低诱导阻力，以保证轿车的行驶安全。

关键词：空气动力学，车身外形设计，导流板，扰流板

背景：迄今为止，汽车的发展已经过了112年，无论是汽车的速度，还是汽车的配置，或者是汽车的造型多有了长足的发展。随着汽车速度的提高，空气阻力成为汽车前进的最大障碍。在此因素下，汽车造型经历了马车型汽车,箱型汽车,甲壳虫型汽车,船型汽车,鱼型汽车以及楔型汽车等六个阶段的演变，从而越来越符合空气动力学的要求，越来越符合人们的审美观。在这一发展历程，也可看做是人们对空气动力学的认识及应用过程。

1934年，流体力学研究中心的雷依教授，采用模型汽车在风洞中试验的方法测量了各种车身的空气阻力，这是具有历史意义的试验。它标志着人们开始运用流体力学原理研究汽车车身的造型。1937年，德国设计天才费尔南德·保时捷开始设计类似甲壳虫外形的汽车。它是第一代大量销售的空气动力学产物的汽车。1949年福特公司推出了福特V8汽车,这种车型改变了以往汽车造型模式、使前翼子板和发动机罩,后翼子板和行李舱溶于一体,大灯和散热器罩也形成整体,车身两侧是一个平滑的面,驾驶室位于中部,整个造型很象一只小船,因此,我们把这类车称为“船型汽车”。船形汽车不论从外形上还是从性能上来看都优于甲壳虫形汽车，并且还较好地解决了甲壳虫形汽车对横风不稳定的问题。船型汽车尾部过分向后伸出,形成阶梯状,在高速行驶时会产生较强的涡流,为了克服这一缺点,人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜,倾斜的极限即成为斜背式。由于这个背部很象鱼的背脊,所以这类车称为“鱼型汽车”。“鱼”型虽然解决了涡流的困难，但也引起了一些空气动力学缺陷。是当汽车高速行驶时汽车的升力会比较大。鉴于鱼形汽车的缺点，设计师在鱼形汽车的尾部安上了一个上翘的“鸭尾巴”以此来克服一部分空气的升力，这便是“鱼形鸭尾式”车型。这是最早为克服气动升力而做的空气动力学设计。为了从根本上解决鱼型车的升力问题,科学家们设想了种种方案,最后终于找到了一种楔型造型。就是将车身整体向前下方倾斜,车身后部像刀切一样平直，这种造型有效地克服了升力。目前,各种身价过百万元的超级跑车设计都基本上采用楔型。各大车厂也都开发带有楔型效果的小客车，如两厢式旅行车,子弹头面包车等形式的轿车。在此基础上，增加扰流板等装置，进一步解决了空气升力的问题。

正文：

汽车气动阻力分析：

从种类上分，汽车气动阻力由形状阻力、干扰阻力、摩擦阻力、诱导阻力和内部阻力五部分迭加构成。

形状阻力：由于气流分离现象。在汽车后面形成尾流区，前后气流压力不相等，从而形成压差阻

力。压差阻力的大小是由车身外部形状决定的，所以一般称为形状阻力。它约占空气阻力的58％，是气动阻力的主要部分。

干扰阻力：车身表面凸起物、凹槽和车轮等局部影响气流流动，从而引起空气阻力，约占14％。

摩擦阻力：空气的粘滞性使气流在经过车身表面时产生一个切向力．其综合合力在汽车行驶方向的分力就是摩擦阻力。约占气动阻力的10％。

诱导阻力：汽车两侧的涡流使得汽车后背的气流方向向下偏转，产生一个指向后上方的力，这个力表现在垂直方向是升力，在水平方向就是诱导阻力，约占气动阻力的6％。

内部阻力：这是由于气流流经车身内部气流通道，如发动机的冷却气流和车厢内部通风气流以及流动中的能量损耗产生的，约占12％。

在这里，所讨论的主要为汽车外形和空气动力学的关系，因此内部阻力不做讨论。

一．车型的研究

在汽车设计中，风阻系数C 值是衡量现代轿车性能的第一参数，这个值越小说明汽车的加速性越优越。普通城市轿车的C 值一般维持在0．28一O．4之间。根据气动阻力的计算公式

可知，在给定车速的前提下，减小正投影面积S、选择低阻形状(降低C 值)来实现。可由于受装载能力、乘坐空间、抗倾翻能力等限制，减小迎风面积没有多少余地。因此减少气风阻系数才是现实和有意义的，这可以直接降低纵向气动阻力。风阻系数c 值与汽车形状有关。当长度直径比1／d =2．4时，C 值最小为0．04，也就是说，空气动力学意义上具有“较好”形状的物体是纺锤形流线体。例如，宝马H R氢燃料汽车的风阻系数仅为0．21，最高车速可达302．4 km／h，从静止加速到100 km／h，仅需6 S。理论上，楔形是最好的形态。主流车型发展经历了马车型，箱型车（T型），甲壳虫性，船型，鱼型最后到当今的楔形。这一历史变迁也证明了以上理论。

二．确定总体车型的基础上车身外形的研究：

通过对大量车型的空气动力学模拟分析．并进行分析总结，可以发现汽车造型中的以下特征对空气阻力的大小影响很大。

车身外形：英国的White 1967年根据试验结果对气动阻力影响最关键的车身外形参数进行分级，对实际有重大指导作用；轿车侧壁略有外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数；但外鼓系数(外鼓尺寸与跨度之比)应避免在0．02—0．04范围内。顶盖有适当的干扰系数有利于减小气动阻力，综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度、强度等方面的因素，顶盖的干扰系数(上鼓尺寸与跨度之比)应在0．06以下。对阶背式轿车而言。客舱长度与轴距之比由0．93增至1．17．会较大程度地减小气动升力系数。但发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。

车头圆角：整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。

车头高度：车头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。

发动机罩曲率与夹角：发动机罩的纵向曲率越小（目前大多数采用的纵向曲率为0．02／m）气动阻力越小；发动机罩的横向曲率也有利于减小气动阻力。发动机罩有适当的斜度(即发动机罩与水平面的夹角)对降低气动阻力有利。但如果斜度进一步加大对降阻效果不明显。