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车身结构与设计 基于理论分析汽车气动力及力矩 【摘要】汽车空气动力性是汽车的重要特性之一，气动力和气动力矩是它的主要内容。通过运用数学和物理方法，理论分析气动力及气动力矩的相关参数，进而与汽车的动力性及燃油经济性综合在一起进行分析，找到相关的影响因素，通过改变这些因素来改善汽车性能，合理的选择相关参数，为接下来的设计及模拟仿真做好铺垫。 【关键词】空气动力性 气动力 气动力矩 气动阻力 动力性 燃油经济性 前言 汽车空气动力性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵性、舒适性及安全性，它是指汽车在流场中所受的以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥土及灰尘的附着与上卷、刮水器上浮以及发动机冷却、驾驶室内通风、空气调节等特性。当一辆汽车以80km/h的速度前进时，有60%的动力用于克服空气阻力。从世界上首款流线型汽车“气流”诞生开始，迄今为止，国内外对于汽车空气动力学的研究方法大致分为一般采取试验法、试验与理论相结合法及数值模拟仿真研究法。理论研究方法主要是通过数学工具来建立空气运动规律及相应初始、边界条件的理论模型，以揭示气动力产生机理及作用关系。而试验及模拟仿真都是在理论研究和计算的基础之上进行的，可见理论研究对于汽车空气动力学来说是不容忽视的。 气动力及气动力矩分析 1、气动力及力矩 汽车与空气相对运动并相互作用，会在汽车车身上产生一个气动力F，这个力的大小与相对运动速度的平方、汽车的迎风面积及取决于车身形状的无量纲气动系数成正比，可表示为 F = qSCF = 0.5ρvSCF (1) 式中，F为气动力，S为汽车迎风面积，CF为气动系数。 图1为汽车所受气动力及力矩坐标表示图 气动阻力 FX=qSCD=1/2ρvSCD 气动侧力 FY = qSCL=1/2ρvSCL 气动升力 FZ = qSCZ=1/2ρvSCZ 气动侧倾力矩 MX=FZ*YC-FY*ZC=ρSlCq 气动横摆力矩 MY=FX*ZC-FZ*XC=ρSlCN 气动纵倾力矩 MZ=FY*XC-FX*YC=ρSlCM 图1 汽车所受气动力及力矩坐标示意图 实际中上述力和力矩都应尽量降低，以保证汽车的机动性和燃油经济性。而从以上各式分析，车速、车身迎风面积是我们可以改进的地方。现代高档汽车都力求把车身前端尽量做得扁平，减少稳流，进而减少行驶阻力。 2、气动阻力及侧倾力矩 汽车气动阻力由压差阻力FXA、摩擦阻力FXB、诱导阻力FXC、干涉阻力FXD和内流阻力FXE五部分组成。气动阻力系数只与汽车外形形状有关，与大小无关。 压差阻力 因它的大小取决于物体的形状，尤其是物体的后部形状，故又称为形状阻力。对汽车而言，约占总气动阻力的50%-65%。 由流体力学及伯努利方程可得静压强系数 Cp=P-P∞/(0.5ρv∞)=1-(u/v∞) (2) 无粘流时，O点处由（2）式知Cp=1。当来流流至A时，流速由0增到最大值，Cp由1降为负压最大值。当来流至B时，流速由最大值降为0，Cp由负压最大值增至1。不存在气动阻力。 考虑到粘流，O处Cp仍为1，流向A点时， 由于增加了表面粘性阻力的作用，使得流速 达到最大值的点提前，负压最大值出现在A 点之前。再流至B时，由于粘性阻力，气流 发生分离，增大并迅速扩散，从而在二元圆 柱后部产生湍流区，有压力差产生气动阻力 a 无粘流绕二元圆柱流动b 有粘流绕二元圆柱流动 c 无粘流流动力场 d 有粘流流动力场 图2 汽车车身压强分布（阴影为正压） 图3 粘流有无与气动阻力示意图 摩擦阻力 摩擦阻力是由于空气的粘性作用使得空气与汽车车身表面产生摩擦所形成的阻力。对汽车而言，约占总气动阻力的6%-10%。 引入附面层定义，即将u=0.99v∞处距物面的距离定义为附面层厚度δ， 在附面层内有较大的速度梯度。靠近 汽车车身表面前部的附面层内，各层 气流之间互不干涉、运动有序，称为 “层流附面层”；后部附面层内的流动 会变得杂乱无章，互相干扰，称为 “紊流附面层”。在进行汽车造型时，尽可能使车身表面的气流为层流附面层，减少紊流附面层和气流分离。 图4附面层 诱导阻力 由尾涡诱导形成，是气动升力所产生的纵向水平分力，一般约占气动阻力的5％～7％。 CDi=βCL/(3.14λ)