第四章小轿车的气动造型

二、车体外形对气动力的影响
将客舱以前的部位作为前车体，包括车头、发动机罩、 风挡玻璃 1、车头的形状 图4－ 7是改变矩形体的形状在风洞中测出的压强分布变 化的情况，由该图可以看出气动特性的好坏。 变形方式改变圆角。 0，0.1，0.3，0.5 r / h 由图知当r / h 增大、愈接近流线体，阻力愈小。 1）车头流线型式的影响 ' CX CX 以百分比表示的气动阻力系数的减小量 C X 100% CX C / -------变形后的阻力系数； X C X ---原形的阻力系数
二、隆起物阻力
（一） 轮子 轮坑 见图4－52
轮子（平均值）前轮0.037+后轮0.018=0.055 轮坑 开口实验值0.035 两者之和0.09-0.07
（二） 滴水横档阻力0.01—0(取消) （三） 后视镜阻力 特点突出在汽车外部，外形好可以 减小阻力，使镜 面不易污染0.01—0.05 (四) 侧窗凹进阻力0.01—0.005 （五）挡泥板阻力 作用：防止尘土飞扬 大小 没有估计
一个实例 图4－11为一车头变形的例子。
４）保险杠对气动性能的影响
保险杠是突出在汽车最前部对汽车起保护 作用的部件，由于其位置的特殊，对汽车的气 动性能有很大的影响。 ①保险杠的横截面形状 保险杠的形状应使前部阻滞区小，有利于 气流向上下分流，图 4 － 12 表示了矩形保险杠 和三角形保险杠的差别 矩形：阻滞区大、升力、阻力都大。 三角形：阻滞区小、升力、阻力都小。
4、 客舱顶部的负压区 前缘速度增大 压强降低，均呈现负压。 5、 后体上部 后体的形状不同，流动 机制不同。 三种后体的流动机制，如图4－27。
二、 汽车底部的气流
1、 汽车底部的气流如图4－3所示
2、 汽车附面层 条件底部光滑，观察者 随同汽车一同运动，则气流相对汽车运动 产生附面层，厚度 w d m ───混合距离 3、 次生地面边界层 d m 之后汽车底部的空 气被诱导着一起运动，而在近地面处产生 和地面的相对速度产生边界层 。 4、次生地面边界层前的涡流区 g 由于地面 的影响轮胎的转动在 d m 之前产生一个旋涡 区。
第四章 小轿车的气动造型
轿车的空气动力学问题
§4－1 小轿车周围的流场和压强分布
引起压强变化的因素 a、 形状变化 引起各部位的流速变化 压强变化 速度增大 压强减小 b、 边界层问题 分离──旋涡 c、 各部位的气流相互干扰诱发旋涡 由于上述因素的影响汽车表面出现较为 复杂的流场和压强 场如图4－1 图4－2
三、内部气流阻力
1、 需要冷却的设备：发动机 制动装置 客舱 内的通风 2、 进入形式 风扇强制流动 3、 产生阻力的原因摩擦、涡流、漏泄等 有利、有弊 4、 估算公式
X R QRV QR 散热器流量
C XR
X R 散热器阻力
V 汽车行驶速度
XR
2） 影响该部分气动阻力的几个因素 a、 发动机罩的倾斜
Y1 P F sinF X1 X2 PF P F cosF
实践表明 PF sin F ＋ X 2 X 1 ，Y2 变为负值，故 在一定的范围内增大发动机罩的倾角，气动阻 力和升力都减小。
图4－16表明0度5度时，气动阻力系数 由0.460.42。进一步增大效果不明显
1 1 2 V A V 2 A 2 2 VR-----散热器平均流速

QRV
VR AR 2 V A
AR-----散热器通道截面积
5、 几种进气形式的比较 如图4－6所示
0.01《 CXR 《0.06
四、 小轿车的总阻力及其减小潜力
1、 减小量的表示方法 设 C X (c) --现代小轿车各部分的平均阻力系数 C X (m)--可能实现的最小值
5、 流动特点 后部的涡流区对汽车的阻 力和升力有较大的影响，当该区域增大 时，壅塞作用增强, V p X Y 并且向两侧的分流量增大，诱导旋涡增 强。
故汽车底部的气流对阻力和升力、稳 定性有较大的影响。
三、汽车周围的涡系
1、 涡系的产生 1） 以阶梯背为例分析 风挡玻璃前的涡流 区中间大两边小；由于风挡玻璃有一定的横向 曲率，便于分离区的气流向两侧分流，加之 A 柱的影响旋涡增强，由侧面上部向后延伸。见 图4－15。 2） 分流到侧面的气流，由于侧面平整，速 度增大压强降低，而底部气流速度降低压强升 高，故由底部上卷，上卷气流和侧面气流会合， 产生螺旋流，向后延伸。以上两个螺旋流在尾 流会合，如图4－4
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2、 对气动力的影响 1） 升力
2bU CY AV
J Xi J
U 旋涡边界上的切向速度； b－－－汽车宽度； A－－－汽车的迎风面积； V 汽车行驶速度。
诱导阻力 如第二章所述 J --旋涡强度。
Xi J
§4－2 小轿车气动阻力的构成
Cx (m) －0.015 0.070 0.025 0.020 0.100 0.070 0 0.005 0.005
0.010 0.019
Cx 0.070 0.070 0 0.040 0.180 0.020 0.010 0.005 0.005
0.025 0.245
Cx 16 16 0 9 41 5 2 1 1
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②保险杠的俯视形状 保险杠的俯视形状应当使气流易于向两侧分流，以减 小头部气流的阻滞区。减小正压。图4－13为三种造型对气 流的影响情况，第一种气流分离严重、第二种气流平顺、第 三种效果最好，但造型不美。
③保险杠的位置──和车体之间的距离 前伸时保险杠处 的分离流对车头起着 一种屏蔽作用，使气 流沿屏蔽区的边界流 动，使头部正压区减 小、发动机罩前缘处 的分离区减小，故可 减小升力和阻力。图 4－14减小1.5%、减 小2.8%。
一、上表面气流
1、 头部气流滞止区 速度减小 压强增大 正压区 该区域的大小直接影响压差阻力。 2、 发动机罩前上缘的负压区 来不及折转而分离 压力保持分离区边界的压力，速度增大 压强降低。 3、 风挡处的气流分离区 由于风挡玻璃的阻碍作 用，沿流动方向压强增大速度降低，出现附面层分 离的条件。 形成较大的气流分离区，是一正压区。该区域 中间大两边小。该区域的大小与风挡玻璃的倾斜角 度和横向曲率有关。
结论：轿车头部修形减小对气流的阻碍，减小头部的正压 区和正压区的大小，是行之有效的措施。可使气动阻力明 显减小
再如国产红旗CA774轿车1:5木质模型的试验结果原前倾 14度改为后倾14度，气动阻力系数减小3.8％。
３）车头边角的影响
汽车头部修形往往受到诸多限制，如发动机、保 险杠、头部转向灯等，有些地方还要满足交通法规方 面的要求。 可在汽车原形基本不变的基础上，对头部边角进 行圆化处理也可获得好的效果。 图4－10即为修园边角的影响 图4－10a 当时 由0.43降为0.40下降7％。原因是有利 于气流向上折转、正压区减小、压差阻力减小。 图4－10b 为修园侧边角的影响 当由0上升到0.085时变化明显、即正压区减小。
图4－８是不同流线体的阻力系数
由图知下凸的流线体的阻力系数最小，车头愈下沉愈小， 效果就愈好。
2）车头修形的影响
完全的流线型在实际中难以做到，只能在原形的基础上加以 修改，使之向流线型逼近来减小阻力 图4－9是 7种方案的效果 1──原形 2──去掉前上缘 － 6％ 3──该前倾为直立 －10％ 4──上部剔除一部分 －10％ 5──头缘后倾 －10％ 6──头缘后倾上部剔除 －10％ 7──前部后倾增大发动机罩的斜率 －10％
④保险杠与车体之间的间隙 间隙的存在使气流横穿间隙， 产生附加摩擦、诱发气流分离、增 加流向底部的气流，能量消耗增大， 使阻力和升力增大。若封闭起来， 可避免上述弊病，改善气动性能、 改善发动机的冷却效率。
２、发动机罩和风挡玻璃的影响
1 ）在气流顺发动 机罩向上流动时， 由于气流受到风挡 玻璃的影响，产生 逆压强梯度，故产 生附面层分离。分 离线为 S ，附着线 为 R ，分离区的特 点：中间大、两边 小，这一区域为正 压区，是气动阻力 的主要来源，如图 4－15所示。
将汽车表面上的压强场和切应力场在汽 车表面积分并在汽车运动方向上投影， 就可以得到气流作用在汽车上的总阻力。 下面将轿车阻力分为车体阻力、隆起物 阻力、内部气流阻力进行讨论。
一、车体阻力
前车体的压差阻力 后车体的压差阻力 上车体的摩擦阻力 下车体的摩擦阻力
（一）前车体的压差阻力 （二）车头 0.009 ＋发动机罩 0 ＋风挡（－ 0.035） =0.055 最小值－0.015 （ （三）后车体的压差阻力不同的后车体差 别较： 阶梯背0.14 斜背0.07 （四）上车体摩擦阻力0.025 下车体摩擦阻力0.06---0.02
b、 风挡玻璃 由图 4-17知当风挡玻璃倾角增大时，分离区增 大，故阻力增大。
图4－18为 C X 和 的关系，由图知 增大C X 增大 风当倾角角不能太大，也不能太小，推荐值30～40度
红旗轿车 由40度减小到30度时， C X 减 小0.4%，CY 下降1.9%。
英国A.Jscibor-Rrlski指出 ∠40时，S和 R变化很小。 c、 风挡玻璃和发动机罩的横向曲率 由于增大横向曲率有利于气流向两侧分 流，可减小前部的正压区，但曲率太大 也不利，减小有效空间。
CX Cx (C) Cx (m)
减小量在总阻力中的比例 小轿车各部分气动阻力的减小量 见表4－1 2、现在生产的轿车阻力系数不高于0.40一般 在0.30左右。可望达到0.2的水平。
部 位 Cx (C ) 0.055 前车体 后车体 上车体 下车体 总车体 轮与轮坑 雨水槽 侧窗凹进 后视镜 0.140 0.250 0.060 0.280 0.090 0.010 0.010 0.010
6 56
内部气流 0.035 0.435 总阻力
§4－3 小轿车气动外形的设计
内容：分析气动力和外形之间的关系
一、 影响造型的主要因素 1 升力 当形状变化升力的大小、作用点都要发生变化。 后轮升力增大──驱动力下降 前轮升力增大──导向容易失灵 这些因素均对稳定性产生影响，影响驾乘人员的安全。 2、 侧向力 同上大小和作用点变化将影响横摆力矩和 侧倾力矩从而影响稳定性。 3、 阻力 和造型的关系密切，有直接影响 车速 C X V max 加速度 CX a 燃油经济性 同样情况下增大将消耗更多的燃油。