汽车空气动力装置研究.pdf

设计 研 究 汽 实 刖 技术 AUT MOBILE APPLl EI 】TECI I N f Y 2 0 1 2 ； 1 - 第5 期 2Ol 2 ．5 汽车空气动力装置研究 毕中军 ，庞龙强 ，朱永刚 1 ． 郑州 日产汽车有限公司，河南郑州4 5 0 0 1 6 ；2 ． 郑州科技学院，河南郑州4 5 0 0 1 6 摘要 空气动力学部件是汽车车身外部安装的零部件之一，对改善整车的风阻和浮升力等起着 至关重要的作用 。本文通过对空气动力部件的介绍，从其在车体的安装位置 ，形状尺 寸、类别等 方面，逐一分析了它们的力学特性和作用原理 。结合图例深入介绍 了空气动力学部件 ，使读者对 扰流器等概念有 了更加全面的认识 。 关键词 空气动力学 ；汽车 ；扰流器 S t ud y o n a e r o dy na mi c de v i c e s o f a u t o mo bi l e Z h o n g j u n Bi ， L o n g q i a n g P a n g ， Y o n g g a n g Z h u 1 ． Zh e n g z h o u Ni s s a n Au t o mo b i l e Co ． ，L t d ． ， Z h e n g z h o u ，He n a n ，4 5 0 0 1 6 2 ． Zh e n g z h o u i n s t i t u t e o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u ， He n a n ， 4 5 0 0 1 6 Abs t r a c t Ae r o d y n a mi c d e v i c e s a s o n e o f t he pa r t s fi xe d a t t he s u r f a c e o ut s i de o f t he a u t o mo b i l e p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n r e d uc i n g wi n d d r a g a n d b u o y a n c y l i ft．Th i s pa p e r t h r o u g h i n t r o d u c i n g t h e a e r o d y na mi c d e v i c e sf r o m i ns t a l l a t i o npo s i t i o n，s h a pe ，s i z ea nd c a t e g o r y， a n a l y z etheme c h a n i c a l b e h a v i o ro f d i f f e r e n t p a r t s a nd e x pl a i n h o w t h e m wo r k． Ta k i ng u s e o f fig u r e s t o i l l u s t r a t e the a i r flo w i n p a r t i c u l a r c i r c u ms t a nc e s o n t h e a u t o s u r f a c e a n d t h e c o nc e p t i o n o f s po i l e r ． Ke y wo r d s Ae r o dy n a mi c ， a u t o mo b i l e， s po i l e r 前 言 随着汽车技术的 日益提高，关于汽车的速度和 稳定性研 究有了进一步的发展，汽车涉 及到的空气 动力学问题成为了左右汽车外观结构设计的主要指 标之一 。由于与驾驶者 的生命休戚相关，汽车高速 行驶时的操控稳定性显得非常重要 。而这其中空气 流动所产 生的影响不容忽视。 即便在无风 的环境中， 汽车 以速度 v高速行驶在路面上 ，也会产生一个 与 空气相对运动的速度 。此时可将汽车视为静止 ，则 空气以 v与车身迎面流过，在车身周围形成一些复 杂的流场。这些流场会造成车体在不 同方 向上的受 力【 1 ] 。本文结合安装在不 同位置的扰流装置或气动 作者简介 毕中军， 助理工程师， 就职于郑州日产有限公司 研究领域为机械设计制造及其自动化。 附件 ，对车身不同位置流场进行分析，从气体动力 学原理上说明部件 的具体作用。 1 、汽车前端空气动力装置 1 ． 1空气桥 汽车在前端首先受到迎风力的作用，由于沿车 体行驶方向的风阻占了总风阻的 8 0 ％左右，而车头 的横截面是沿纵向最大的迎风面，所 以这其中位于 车头的风阻的大小对汽车行驶的速度和油耗都有很 大的影响 。 登载于名为 “ 汽车之家 ”网站 2 0 l 2年 4月 2 3 日的⋯则新闻报道 了关于法拉利跑车最新设计的信 息。2 0 1 2年法拉利发布 了它的 l 2缸跑车 ，其油耗 降低了 3 0 ％。 之所 以在性能上能有如此巨大的变化， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 5 期 毕中军等汽车空气动力装置研究 2 得益于它独特 的外观 设计 ，这其中空气桥的应用无 疑是亮点之一，如图 1所示画圈位置结构即为空气 桥 ，白色线条为流线。暂时忽略湍流气体的影响 ， 当来流气体沿水平方向接触到车体前端 ，其水平力 可分解为沿车体表面流动的剪切力 ，和垂直于车体 表面的压力，而压力进一步可分解为水平方向的阻 力贡献，和竖直方向的压力。空气桥 的设计 ，使得 冲击到车体前端 的空气流可经其 “ 桥洞 ”分流至车 体侧翼，从某种程度上减小了迎风面积 ，使得水平 阻力分量减小。而当气流来到侧翼位 置时，通过车 体侧面的流线设计，形成沿斜 向下方 的流动，这一 流动很显然补偿 了前面 由于空气桥孔洞失去的沿竖 直方 向的下压力 。 图 1 空 气 桥 1 _ 2导流罩 导流罩一般多应用在货车， 大客车或半挂车上 ， 其力学原理简单 ，即将迎风面设计成流线型，使空 气能够沿其表面流动 ，而降低沿水平方 向的力的分 量 ，降低风阻。 2 、汽车底部前扰流器 汽车底部 的空气流动是造成汽车行驶过程 中出 现升力的主要原因。设置前扰流器 的 目的是使进入 车底部的气流减少，同时使气体加速流动，压力降 低，减小阻力系数和升力系数 。 如 图 2所示，当不考虑车轮和底盘其它凹凸部 位扰流产生的效果，仅针对前端扰流器进行研究， 则前方来流空气受到扰流板 的阻隔时，部分空气被 分流至车体上方 ，而能够流经扰流板进入车体底部 的气 流 ，根 据 流 体 流 动 的连 续 性 方 程 ，有 Al v l A 2 v 2 。其 中 A1 、A 2代表气体流经不 同过流 断面 的面积 ，v l 、V 2代表空气流过这两个过流断面 时相应的流速【 3 ] 。将汽车底盘与地面之问包含的流 体流动近似认为管流 ，则前扰流板处 的过流断面面 积设为 Al ，扰流板后的过流断面面积设为 A 2 ，则 可知 ，气体通过扰流板后 ，流速骤 然下降，由于附 面层空气 的粘性 ，和来流空气源源 不断地注入 ，在 前扰流板后形成 了类似车尾的 “ 边界层分离现象 ” ， 在扰流板后与车底连接 的位置区域产生涡流 ，形成 负压区域 J 。 图 2 前扰 流器 示意简图 3 、汽车侧面扰流装置 在车的侧翼设置空气动力装置的 目的是为 了提 高车 的稳定性。 目前所知 的侧翼空气动力装置主要 有一下几种 车侧梭型扰流器 ，底盘扰流裙 ，扩散 器等 。 3 ． 1车侧梭型扰流器 安装在车侧 的梭型扰流器 ，曾见于某国外轿车 上 ，普通轿车并不常用 ，其利用的力学原理与前扰 流板类似 ，其 结构为如图 3所示 的中空部件 。当空 气来到车体侧翼，流经车体左右对称设置的小扰流 器 ，使扰流器 的锥形空腔 内形成负压 ，从而加强车 体 的横 向的稳 定。 ／ 来流空气 ■ 图 3车侧 小扰流器示意图 3 ． 2底盘扰流裙 底盘扰流裙 的形状非常形象 ，像是少女穿着的 裙装 ，它安装 的 目的根据具体设计 的形状不 同也不 尽相同。但总体来说，它的 目的是使车体侧翼的空 气流能够按照设计的方 向流动 ，不产生大的涡流、 逆流影响车的稳定，并阻碍气体进入车底 ，减弱车 体底部由气体产生的升力 ，增强汽车高速行驶时的 稳定性。 除此之外 ，车体侧翼上安装的空气动力装置还 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 汽车实用技术 2 0 1 2年第 5期 有一些 ，但所基于的原理也基本与上述两者相 同， 只是在造型或者叫法上有所不同而 已，在此不作详 述 了 。 4 、汽车后部空气动力部件 关于汽车尾部涉及到的力学问题是汽车空气动 力学的又一重点。 当气体流经车身到达车尾的时候， 由于受到车体结构形状 的影响，气体的流动状态势 必会发生改变，这其中，边界层分离现象就是典型 的尾部气流 问题。这种现象使得气体在车尾部形成 较大的涡流区域，使车的升力增加 ，影响车的稳定 性 ，同时产生的负压，使车体水平方向压力差变大， 在尾部形成沿车行速度方 向相反的拉力，从而增加 了油耗 。通过缩短车尾长度可以大大减轻尾流对车 体的影响，因为这部分的动力学原理不涉及空气动 力附件 的应用，所 以本文不做研究。 4 ． 1尾 翼 尾翼安装在车辆的尾部，表面狭窄、形状类似于 倒置的机翼，水平面离开车身安装，有的与水平面呈 一 定角度 。用来提供下压力，使车辆稳定性提升。 一 图 4尾翼 根据流体力学中伯努利方程 的基本原理 ，压强 与流速有关，当流速变大的时候 ，压强相应减小， 流速减小的时候压强相应增大，这一原理在前述车 头与车侧及车底的扰流装置 中也多有应用。汽车尾 翼的上表面较为平坦 ，而下表面则突出较大 ，当空 气遇到尾翼时，会沿壁面绕流，其中下表面流线弯 曲大 ，流管变细，根据不可压缩流体 的连续性方程 ， 流速加快 ，气压降低 。此时尾翼上下表面出现压力 差，上表面的压力大于下表面压力，机翼产生下压 作用I 引 。 4 ． 2 其他尾部扰流器 除了尾翼以外 ， 尾部还有其他类型的扰流装置 。 其他 的车尾扰流装置有的也可以提供下压力，但常 见的还是以减少升力和尾部气流拉力为主。有的尾 部扰流器单纯用来分割尾流，有 的可以令气流更顺 畅，避免车尾空气边界分离面下产生涡流及空气聚 集 ，减少空气拉力，降低浮升力【 6 ] 。 5 、结论语 根据 车辆运行 中气流在车 身绕流 的动力学特 性，分别对车身不同部位空气动力装置的作用原理 进行了分析 。通过分析可以看 出，汽车空气动力部 件虽然尺寸普遍不大，但其对汽车性能的提升，行 驶 的安全性和稳定性都起着举足轻重的作用 。随着 研究的深入，空气动力学的更多应用将会使汽车技 术获得更大程度上的提升 。 参考文献 [ 1 ]1 叶南海， 郭惠听． 汽车空气阻力分析[ J 】 ． 常德师范学院学报 自然科学 2 0 0 0 1 2 ． [ 2 ]2 李永恒． 具有吸引力的汽车尾翼[ J ] ， 轿车情报． 1 9 9 7 1 ． [ 3 ]3 陈文义，张伟． 流体力学【 M] ．天津大学出版社． 2 0 0 4 ． 2 ． 天津 [ 4 ]马晖扬，尹协远等． 航天飞机高超音速旋涡分离流动现象 分析[ J 】 导弹与航天运载技术 1 9 8 9 0 5 [ 5 ]陈永丽 ． 机翼 升 力 的物理 原 理分 析 [ J ] ． 现代 物 理知 识． 2 0 1 0 0 2 ． [ 6 ]6 马菲， 寿千里． 汽车尾翼的原理及其种类和意义[ J ] ． 物理教 学探讨． 2 0 0 8 1 1 1 ． 三 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m