淺談汽車的空氣動力問題

摘 要：汽車空氣動力學(xué)是一門艱深的度量學(xué)科，一輛汽車在正常行駛的過程中，會有相對靜止的空氣造成不可避免的沖擊，空氣會向四周流動，或者是竄入汽車底部或是內(nèi)部的氣流被暫時困于車內(nèi)的各個零件之中。汽車發(fā)動機(jī)在推動機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中已經(jīng)消耗了一大部分動力，而當(dāng)汽車在高速行駛時，其中一部分動力還會被用于克服空氣的阻力。所以，空氣動力學(xué)對于汽車設(shè)計的意義不僅僅在于改善汽車的操控性，同時也是降低油耗的一種可實(shí)施性方法。

關(guān)鍵字：力學(xué)分析；空氣阻力；汽車造型

1 空氣動力學(xué)的基本理論

空氣具有粘性和流動性。其中粘性是空氣所具有的一種重要屬性，但是由于空氣的粘性并不是很大，所以人們在實(shí)際生活中難以覺察到。因此在處理很多氣流問題時，往往會忽略空氣的粘性作用，并稱其為理想流體。空氣還有一個特性就是流動性，氣體的流動性就是指空氣中運(yùn)動的物體的通過性，當(dāng)運(yùn)動的物體通過時，它經(jīng)過的路線上原來的空氣必然會被排擠開，這種被排擠開的運(yùn)動，稱為受擾運(yùn)動。

2 汽車空氣動力學(xué)的氣動特性研究

汽車在行駛的過程中，除了受到來自地面對輪胎的附著力以外，還受到其周圍氣體的氣流的氣動力作用，氣流的作用主要產(chǎn)生的是阻力和升力，當(dāng)有側(cè)風(fēng)存在時，由于汽車的橫擺倒角的存在，汽車還將受到一個側(cè)向力。這三個氣動力的合力在汽車的作用點(diǎn)成為風(fēng)壓中心。將氣動力的合力沿汽車坐標(biāo)系分解為三個力和三個力矩，稱為六分力，他們共同決定了汽車總的氣動力矢量。

3 汽車的氣動力對汽車行駛的影響

汽車的動力性有三大指標(biāo)：1.汽車在水平良好路面上所能達(dá)到的最高速度；2.汽車每小時達(dá)到百公里的加速時間；3.汽車的最大爬坡度（通常指在一檔下爬坡）；汽車氣動力對最高車速的影響：汽車最高車速是指用直接檔在良好的水平路面上所能達(dá)到的最高速度。此時無加速阻力和爬坡阻力，因此汽車的牽引力只需克服氣動阻力和滾動阻力。當(dāng)減小氣動阻力系數(shù)和增大升力系數(shù)來提高汽車速度，汽車的抓地力會變小，最大驅(qū)動力也會變小，因此不可取；氣動力對最大爬坡的影響：當(dāng)汽車爬坡時，要想達(dá)到最大爬坡度，則需要汽車的加速度為零，并且以最大的牽引力爬坡。汽車氣動力對燃油的經(jīng)濟(jì)性影響：燃油的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是百公里耗油，當(dāng)汽車在高速行駛時，汽車的氣動阻力所造成的燃油消耗是很大的，因此降低氣動阻力是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的有效手段；氣動力對汽車操縱穩(wěn)定性的影響：汽車操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭到外界干擾是，汽車能夠抵抗干擾而保持穩(wěn)定駕駛的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車的操縱方便程度，也是決定高速汽車安全行駛的一個重要性能。汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視，已經(jīng)成為競爭汽車市場的性能指標(biāo)之一。

4 汽車造型對汽車阻力的影響

汽車造型對氣體阻力的影響主要分為：車頭造型、發(fā)動機(jī)罩造型以及車尾造型。1、車頭造型對氣體阻力的影響因素主要有：車頭邊角、車頭形狀、車頭高度等；車頭邊角主要是車頭上邊緣與橫向兩側(cè)的邊角。對于非流線型車頭，在一定程度的尖銳邊角會產(chǎn)生有利于減少氣體阻力的車頭負(fù)壓區(qū)。整體弧面的車頭比車頭邊角倒圓氣體阻力小。車頭頭緣位置較低下凹想車頭氣體阻力系數(shù)最小。但也并不是越低越好，因?yàn)榈偷揭欢ǔ潭群螅囶^阻力系數(shù)不在變化。車頭頭緣的最大離地間隙越小，則引起的氣動升力越小，甚至可以產(chǎn)生負(fù)升力。2、發(fā)動機(jī)罩的造型對氣體阻力的影響：發(fā)動機(jī)罩的縱向曲率越小；發(fā)動機(jī)罩的橫向曲率越有利于減小氣動阻力。發(fā)動機(jī)罩要有適當(dāng)?shù)男倍纫越档蜌鈩幼枇Γ侨绻M(jìn)一步加大斜度則對減阻效果不明顯。發(fā)動機(jī)罩的長度與軸距之比對氣動升力系數(shù)影響不大。3、車身尾部造型對氣動阻力的影響主要有：后風(fēng)窗的斜度與三維曲率、尾部造型樣式、車尾高度、尾部橫向。收縮。后風(fēng)窗的斜度對氣動阻力的影響較大，對于斜背式轎車，當(dāng)斜度對于等于30時，阻力系數(shù)最大；斜度小于30時，阻力系數(shù)較小，因此后擋風(fēng)玻璃的傾斜角應(yīng)控制在25度以內(nèi)。車身尾部造型樣式，車身尾部造型可分為斜背式、階背式。因?yàn)檐嚿砗蟛吭煨团c氣流狀態(tài)關(guān)系比較復(fù)雜，一般很難確切的斷言造型樣式的優(yōu)劣。但是理論上來講，斜背式具有較小的氣動阻力系數(shù)。車尾高度，流線型車尾的轎車存在最佳車尾高度，此狀態(tài)下，氣動阻力系數(shù)較小。此高度需要根據(jù)具體車型以及結(jié)構(gòu)要求而定。后車體的橫向收縮。一定程度的后車體橫向收縮對降低氣動阻力系數(shù)有益，但是過多的收縮會引起氣動阻力系數(shù)的增加。收縮程度要根據(jù)具體車型來確定收縮量。

5 總結(jié)

針對以上的分析對于減少空氣阻力，我們可以通過改善阻力的各個成分來達(dá)到目的：可以減少汽車的投影面積，從根本上減少壓差阻力；增加汽車的流線程度，這樣可以減少氣體由于在形狀的突變下，慣性力沒有漸變導(dǎo)致雷諾數(shù)過大，以形成渦流，損失較多動能；增加車身的表面光潔度，這樣可以減少摩擦阻力，以減少動能損失；減少車身表面的棱角，是汽車在棱角處的壓力漸變，從而減少渦流，減少損失；對于增加汽車的操縱穩(wěn)定性：盡量在造型的時候，使車的風(fēng)壓中心向后偏，這樣可以得到良好的操縱性；增大汽車的抓地力，是汽車在高速的情況下不發(fā)飄，以減少氣動升力。

作者簡介

黃明琦，鄭州大學(xué)工程力學(xué)學(xué)院，工程力學(xué)結(jié)構(gòu)分析專業(yè)。