第三章汽车空气动力学.pptx
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1、第三章第三章 汽车空气动力学汽车空气动力学 3.1 概述概述 3.2 气动阻力气动阻力 3.3 升力和俯仰力矩升力和俯仰力矩 3.4 侧向力和横摆力矩侧向力和横摆力矩 3.5 侧倾力矩侧倾力矩 3.6 侧风作用下的气动阻力系数侧风作用下的气动阻力系数 3.7 汽车空气动力学试验汽车空气动力学试验第一节第一节 概述概述定义:定义:汽车在路面上行驶,除受到路面作用力外,还汽车在路面上行驶,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
2、力学。空气动力学。汽车行驶中受到的气动力有迎面阻力、升力、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。作用对汽车性能的影响也会愈来愈显著。回主目录回主目录气动六分力与坐标系: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
3、点,我们通常称为风压中心,记用力在汽车上的作用点,我们通常称为风压中心,记作作C.P,由于汽车外型的对称性,风压中心在汽车的,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(对称平面内,但它不一定与重心(CG)重合。)重合。为了研究方便,建立一套坐标系,通常把汽车空为了研究方便,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上,前后轴中点处。规定各轴的正值方向如图3-13-1示:示:回主目录回主目录 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所有的空气
4、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。正投影面积成正比,其比例系数称为气动力系数。表表3-13-1列出了国内外对六分力名称和系数公式的对照表列出了国内外对六分力名称和系数公式的对照表回主目录回主目录 名名 称称代代 号号美、日规定美、日规定德国规定德国规定系数公式系数公式气动阻力气动阻力DragDrag 侧向力侧向力Side forceSide force 升力升力LiftLift 侧倾力矩侧倾力矩Rolling Rolling momentm
5、oment 俯仰力矩俯仰力矩Pitching Pitching momentmoment 横摆力矩横摆力矩Yawing Yawing momentmoment 表表3-13-1回主目录回主目录第二节第二节 气动阻力气动阻力 空空气气作作用用于于车车身身的的向向后后的的纵纵向向分分力力称称为为气气动动阻阻力力,这这种种阻阻力力与与车车速速平平方方成成正正比比。为为了了克克服服气气动动阻阻力力所所消消耗耗的的功功率率和和燃燃料料是是随随车车速速的的三三次次方方急急剧剧增增加加的的,当当车车速速超超过过100km/h时时,发发动动机机功功率率有有80%用用来来克克服服气气动动阻阻力力,要要消消耗耗很
6、很多多燃燃料料。在在高高速速行行驶驶时时,如如能能减减少少10%的的气气动动阻阻力力,就就可可使使燃燃料料经经济济性性提提高高百百分分之之几几十十。当当前前汽汽车车设设计计师师十十分分重重视视降降低低气气动动阻阻力力系系数数Cx,因因为为它它对对汽汽车车动动力力性、经济性和轻量化有很多好处。性、经济性和轻量化有很多好处。回主目录回主目录气动阻力由五部分组成:气动阻力由五部分组成:1.形状阻力,占总阻力形状阻力,占总阻力58%;2.诱导阻力,占总阻力诱导阻力,占总阻力7%;3.摩擦阻力,占总阻力摩擦阻力,占总阻力9%;4.干扰阻力,占总阻力干扰阻力,占总阻力14%;5.5.内循环阻力,占总阻力内
7、循环阻力,占总阻力12%。6.这几部分阻力的大致比例这几部分阻力的大致比例7.如图如图3-2所示。所示。8.图图3-2 回主目录回主目录3.2.1 3.2.1 形状阻力形状阻力 当汽车行使时,气流流经汽车表面过程中,在当汽车行使时,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,如汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流,如图图3-33-3中在车身后部有明显的涡流区,在涡流区产生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,也称为形状阻差阻力,又因为这
8、都和车身形状有关,也称为形状阻力,它占整个阻力的力,它占整个阻力的 。回主目录回主目录图图3-3 3-3 汽车表面气流图汽车表面气流图回主目录回主目录3.2.2 诱导阻力诱导阻力 诱导阻力是由于气流经诱导阻力是由于气流经车身上下部时,由于空气质车身上下部时,由于空气质点流经上下表面的路程不同,点流经上下表面的路程不同,流速不同从而产生压差,即流速不同从而产生压差,即升力,升力在水平方向上的升力,升力在水平方向上的分力称为诱导阻力,如图分力称为诱导阻力,如图3-43-4所示。所示。图图3-4 汽车的诱导阻力汽车的诱导阻力回主目录回主目录诱导阻力系数诱导阻力系数 升力系数升力系数 间有如下近似关系
9、:间有如下近似关系:(3-13-1)式中,式中,b为汽车宽度,为汽车宽度,m m;为空气密度,为空气密度,A为汽车正投影面积,为汽车正投影面积,。诱导阻力占总空气阻力的诱导阻力占总空气阻力的 。回主目录回主目录3.2.3 摩擦阻力摩擦阻力 汽汽车车空空气气阻阻力力中中的的摩摩擦擦阻阻力力是是由由于于空空气气的的粘粘性性在在车车身身表表面面上上产产生生的的切切向向力力造造成成的的。空空气气与与其其它它流流体体一一样样都都具具有有粘粘性性,当当气气流流流流过过平平板板时时,由由于于粘粘性性作作用用,空空气气微微团团与与平平板板表表面面之之间间发发生生摩摩擦擦,这这种种摩摩擦擦阻阻碍碍了了气气体体的
10、的流流动动,形形成成一一种种阻阻力力称称为为摩摩擦擦阻阻力力,约约占占总总空气阻力的空气阻力的 。回主目录回主目录 汽汽车车空空气气阻阻力力中中的的摩摩擦擦阻阻力力是是由由于于空空气气的的粘粘性性在在车车身身表表面面上上产产生生的的切切向向力力造造成成的的。空空气气与与其其它它流流体体一一样样都都具具有有粘粘性性,当当气气流流流流过过平平板板时时,由由于于粘粘性性作作用用,空空气气微微团团与与平平板板表表面面之之间间发发生生摩摩擦擦,这这种种摩摩擦擦阻阻碍碍了了气气体体的的流流动动,形形成成一一种种阻阻力力称称为为摩摩擦擦阻阻力力,约约占占总总空气阻力的空气阻力的 。3.2.4 3.2.4 干
11、扰阻力干扰阻力 它是车身外面的凸起物如后视镜、流水槽、导流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,占总阻力的造成的阻力,占总阻力的14%。3.2.5 3.2.5 内循环阻力内循环阻力 它它是是指指为为了了发发动动机机冷冷却却和和乘乘坐坐舱舱内内换换气气而而引引起起空空气气气气流流通通过过车车身身的的内内部部构构造造所所产产生生的的阻阻力力,它它占占总总阻阻力力12%。回主目录回主目录3.2.5 小结小结 减少气动阻力系数减少气动阻力系数 在车身造型设计中主要在车身造型设计中主要采取下列措施
12、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;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;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;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。设计空气动力附件,整理和引导气流流向。回主目录回主目录第三节第三节 升力和俯仰力矩升力和俯仰力矩 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
13、形成压力差而造成的。升力不通过重心时对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。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。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现代高速汽车特别是赛车在设计上都力图减少升力。升力。回主目录回主目录影响因素:影响因素:1、车身形状、车身形状 把车身前后端形心用直线连接,称此直线为中把车身前后端形心用直线连接,称此直线为中线,此中线与
14、水平面的夹角称为迎角。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。正迎角中线前高后低,迎角为正,反之为负。正迎角越大升力越大。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: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;尽量做到风压中心与重心重合;(2)采用类似楔型造型。尽量压低车身前端,使尾采用类似楔型造型。尽量压低车身前端,使尾部肥厚向上翘以产生负迎角;部肥厚向上翘以产生负迎角;回主目录
15、回主目录 (3)车身前部设阻风板后面设扰流板使后面翘起,如车身前部设阻风板后面设扰流板使后面翘起,如图图3-5示示;图图 3-52、驱动形式、驱动形式 一般前置前驱汽车其风压中心与车身中心接近,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。在重心前,俯仰力矩大些。回主目录回主目录第四节第四节 侧向力和横摆力矩侧向力和横摆力矩 汽车受侧风时,如风力与中轴成汽车受侧风时,如风力与中轴成 角,则在角,则在 方方向产生分力向产生分力 ,此分力随,此分力随 角的增加而直线上升,如角的增加而直线
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