車輛車輛工程概論

1、1.空氣動(dòng)力學(xué)的概述空氣動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究物體在同氣體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的受力特性、氣體流動(dòng)規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化。它是在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，隨著航空工業(yè)和噴氣推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展而成長(zhǎng)起來(lái)的一個(gè)學(xué)科?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性直接影響汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性等。為改進(jìn)汽車性能，汽車工業(yè)界投人大量人力、物力和財(cái)力研究汽車內(nèi)外的空氣流動(dòng)及其相關(guān)的各種現(xiàn)象。風(fēng)洞試驗(yàn)是汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的傳統(tǒng)而又有效的方法，但風(fēng)洞建設(shè)

2、投資大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展而蓬勃興起的數(shù)值仿真方法為汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究開辟了新的途徑。近年來(lái)，汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真發(fā)展迅速，數(shù)值仿真在汽車流場(chǎng)研究中的重要性不斷增加，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。下面從不同方面闡述汽車空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展情況。2空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展國(guó)外的汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究可以追朔到本世紀(jì)的2030年代，但直到7O年代以覷，還沒(méi)有比較完整系統(tǒng)的研究。此學(xué)科在近3O年中得到了較大發(fā)展。7O年代以來(lái)，國(guó)外陸續(xù)發(fā)表了汽

3、車空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究成果、研究報(bào)告和專著，研究手段普遍采用航空試驗(yàn)用的風(fēng)洞對(duì)汽車空氣動(dòng)力特性進(jìn)行研究，研究的重點(diǎn)主要是空氣動(dòng)力的特性以及它們對(duì)汽車性能的影響。國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，盡管也開過(guò)專題性的學(xué)術(shù)會(huì)議，但總體上說(shuō)還處于起步階段。從有關(guān)學(xué)術(shù)刊物上看到，有關(guān)汽車空氣動(dòng)力學(xué)方面的論文很少，也還沒(méi)有見(jiàn)到國(guó)內(nèi)學(xué)者編著有關(guān)汽車動(dòng)力學(xué)方面的學(xué)術(shù)著作或教科書。也就是說(shuō)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有有效地進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究。但是，鑒于這項(xiàng)課題研究的經(jīng)濟(jì)

4、效益和社會(huì)效益，以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中長(zhǎng)期戰(zhàn)略，都迫切地需要將這個(gè)課題的研究提到議事日程上來(lái)。就國(guó)內(nèi)目前的情況看，無(wú)論從人力還是設(shè)備上都完全具備研究的條件與實(shí)力，關(guān)鍵是要引起國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此項(xiàng)研究的重視以及有關(guān)部門的組織與必要的投資，從而有遠(yuǎn)見(jiàn)地對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行先期研究，以適應(yīng)今后十年乃至更長(zhǎng)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，為國(guó)家創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。3動(dòng)力學(xué)空氣的研究1.基礎(chǔ)理論研究空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)是質(zhì)量守衡、動(dòng)量守衡和能量守衡定律，可由Eule

5、r、NS等數(shù)學(xué)方程組來(lái)描述。然而有關(guān)不可壓流體特性、流體阻力理論以及汽車?yán)@流特性等基礎(chǔ)理論研究還有待深化。2.風(fēng)洞試驗(yàn)洞設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在動(dòng)力裝置功率最小和成本最低的情況下，提供各種速度范圍內(nèi)模型試驗(yàn)所必需的氣動(dòng)力環(huán)境，即希望在一個(gè)簡(jiǎn)單的風(fēng)洞中能大范圍地改變各種相似參數(shù)。然而經(jīng)驗(yàn)表明，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上這都是不現(xiàn)實(shí)的。從而就出現(xiàn)了各種各樣的風(fēng)洞。風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)組成，各部分的形式因風(fēng)洞類型而異。洞體有一個(gè)能對(duì)模型進(jìn)行

6、必要測(cè)量和觀察的試驗(yàn)段。試驗(yàn)段上游有提高勻直度、降低湍流度的穩(wěn)定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管。試驗(yàn)段下游有降低流速、減少能量損失的擴(kuò)壓段和將氣流引向風(fēng)洞外的排氣段或?qū)Щ氐斤L(fēng)洞入口的回流段。為了降低風(fēng)洞內(nèi)外的噪聲，往往在穩(wěn)定段和排氣口等處裝有消聲器。4空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車造型的影響空氣動(dòng)力特性直接影響車輛的動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及貨車的噪聲和車身美觀。隨著車速的提高，在汽車造型中越來(lái)越重視空氣動(dòng)力學(xué)這方面的影響。下面將從轎

7、車前部、尾部、底部以及車輪淺談對(duì)汽車造型的影響。1.車頭造型對(duì)氣動(dòng)阻力影響因素主要有：車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗造型等。程度因具體車型而定。車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯，則氣動(dòng)升力越小，甚至可以產(chǎn)生負(fù)升力。長(zhǎng)尾車可能產(chǎn)生較大的橫擺力矩，而切尾的快背式汽車的橫擺力矩并不大，可以通過(guò)加尾翼減小橫擺力矩，改善汽車的操縱穩(wěn)定性。4.擾流器的設(shè)計(jì)擾流器通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的干涉，調(diào)整汽車表面壓強(qiáng)分布，以達(dá)到減小氣動(dòng)阻力和

8、氣動(dòng)升力的目的。前擾流器(車底前部)的適當(dāng)高度、位置和大小對(duì)減小氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力至關(guān)重要。目前，大多將前保險(xiǎn)杠位置下移并加裝車頭下緣凸起唇，以起到前擾流器的作用。后擾流器(車尾上部)的形狀、尺寸和安裝位置對(duì)減小氣動(dòng)阻力及氣動(dòng)升力也非常重要，但后擾流器對(duì)氣流到達(dá)擾流器之前就已分離的后背無(wú)效。有的把天線外形設(shè)計(jì)成擾流器，裝在后風(fēng)窗頂部；在賽車上設(shè)計(jì)前、后負(fù)升力翼，以抵消部分升力，從而改善汽車轉(zhuǎn)向輪的附著性能。5.車身主體與車輪之間的設(shè)計(jì)車

9、身主體與車輪之間存在很大的相互干涉。適度加寬輪胎對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)有利，但不宜過(guò)寬，存在一個(gè)最佳寬度。不同形狀的車輪輻板及車輪輻板上開孔面積的布置方式對(duì)氣動(dòng)性能有很大影響，在總開孔面積相同的情況下，適當(dāng)增加開孔數(shù)有利于改善氣動(dòng)性能。改善汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能，除了優(yōu)化汽車造型之外，人們也在尋求其他方法。雖然低阻汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得以提高，但任何事物都有兩面性。Kamm認(rèn)為，對(duì)于流線型汽車，隨著橫擺角的變化，阻力系數(shù)有很大變化，即低阻汽車的側(cè)風(fēng)

10、穩(wěn)定性差。汽車設(shè)計(jì)中必須綜合各方面因素，權(quán)衡利弊，才能設(shè)計(jì)出高性能的汽車。6.總結(jié)空氣動(dòng)力學(xué)與汽車的造型有很大的關(guān)系，空氣動(dòng)力學(xué)主要研究運(yùn)動(dòng)汽車與空氣之間的相互作用力，力的大小取決于空氣與汽車之間的相對(duì)速度和汽車形狀，通過(guò)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)課的學(xué)習(xí)，我們知道了汽車的形狀對(duì)汽車的阻力有很大的影響，通過(guò)對(duì)汽車的造型演變歷程研究發(fā)現(xiàn)，汽車的造型的改變很大方面是為了減少空氣阻力，所以汽車造型與空氣動(dòng)力學(xué)有很大的關(guān)系在當(dāng)今社會(huì)，汽車作為一種新型交通工具

11、走進(jìn)了我們的生活并扮演了重要角色。如今人們已不在僅僅把汽車當(dāng)作一種交通工具，從而多汽車的外型、動(dòng)力性、駕駛安全性、乘坐舒適性、操縱靈活性、燃油經(jīng)濟(jì)性等性能提出了更高要求。本文將討論汽車外型對(duì)其動(dòng)力性的影響。由于汽車外型與汽車高速行駛時(shí)所受的氣動(dòng)阻力密切相關(guān)，且車速越快阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比，空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，會(huì)增加汽車燃油消耗量或嚴(yán)重影響汽車的動(dòng)力性能。三、優(yōu)化分析由于氣動(dòng)阻力以及功率與氣動(dòng)阻力系數(shù)成正

12、比關(guān)系，現(xiàn)代轎車為了減少氣動(dòng)阻力就必須要考慮降低氣動(dòng)阻力系數(shù)。從50年代到70年代初，轎車的氣動(dòng)阻力系數(shù)維持在0.4至0.6之間。在70年代能源危機(jī)后，各國(guó)為了進(jìn)一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低氣動(dòng)阻力系數(shù)，現(xiàn)在的轎車氣動(dòng)阻力系數(shù)一般在0.28至0.4之間。根據(jù)方程式（2）可看出，在空氣密度不變的前提下，如果汽車發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的功率一定，減少汽車正投影面積或者減小氣動(dòng)阻力系數(shù)都可以提高汽車的最大速度，而由上可知?dú)鈩?dòng)阻力系數(shù)又與車身表面的

13、處理有關(guān)。因此可以利用流線型設(shè)計(jì)方法以減少汽車的正投影面積和氣動(dòng)阻力系數(shù)，達(dá)到節(jié)油減排或者提高汽車速度的目的。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，空氣阻力系數(shù)每降低百分之十，燃油就可以節(jié)省百分之七，當(dāng)車速超過(guò)100kmh時(shí)，發(fā)動(dòng)了功率有80%用來(lái)克服氣動(dòng)阻力，所以降低阻力系數(shù)可以很好的降低汽車的油耗。曾有人對(duì)兩種相同質(zhì)量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(shù)(分別是0.44和0.25)的轎車進(jìn)行比較，以每小時(shí)88公里的時(shí)速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節(jié)