淺談汽車的空氣動力問題

摘 要：汽車空氣動力學是一門艱深的度量學科，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部的氣流被暫時困于車內的各個零件之中。汽車發動機在推動機械運轉的過程中已經消耗了一大部分動力，而當汽車在高速行駛時，其中一部分動力還會被用于克服空氣的阻力。所以，空氣動力學對于汽車設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施性方法。

關鍵字：力學分析；空氣阻力；汽車造型

1 空氣動力學的基本理論

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動的物體的通過性，當運動的物體通過時，它經過的路線上原來的空氣必然會被排擠開，這種被排擠開的運動，稱為受擾運動。

2 汽車空氣動力學的氣動特性研究

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，氣流的作用主要產生的是阻力和升力，當有側風存在時，由于汽車的橫擺倒角的存在，汽車還將受到一個側向力。這三個氣動力的合力在汽車的作用點成為風壓中心。將氣動力的合力沿汽車坐標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：1.汽車在水平良好路面上所能達到的最高速度；2.汽車每小時達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。當減小氣動阻力系數和增大升力系數來提高汽車速度，汽車的抓地力會變小，最大驅動力也會變小，因此不可取；氣動力對最大爬坡的影響：當汽車爬坡時，要想達到最大爬坡度，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濟性影響：燃油的經濟性指標是百公里耗油，當汽車在高速行駛時，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濟性的有效手段；氣動力對汽車操縱穩定性的影響：汽車操縱穩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向系及轉向車輪給定的方向行駛，且當遭到外界干擾是，汽車能夠抵抗干擾而保持穩定駕駛的能力。汽車的操縱穩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。汽車的操縱穩定性日益受到重視，已經成為競爭汽車市場的性能指標之一。

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、發動機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的邊角。對于非流線型車頭，在一定程度的尖銳邊角會產生有利于減少氣體阻力的車頭負壓區。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最小。但也并不是越低越好，因為低到一定程度后，車頭阻力系數不在變化。車頭頭緣的最大離地間隙越小，則引起的氣動升力越小，甚至可以產生負升力。2、發動機罩的造型對氣體阻力的影響：發動機罩的縱向曲率越小；發動機罩的橫向曲率越有利于減小氣動阻力。發動機罩要有適當的斜度以降低氣動阻力，但是如果進一步加大斜度則對減阻效果不明顯。發動機罩的長度與軸距之比對氣動升力系數影響不大。3、車身尾部造型對氣動阻力的影響主要有：后風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。后風窗的斜度對氣動阻力的影響較大，對于斜背式轎車，當斜度對于等于30時，阻力系數最大；斜度小于30時，阻力系數較小，因此后擋風玻璃的傾斜角應控制在25度以內。車身尾部造型樣式，車身尾部造型可分為斜背式、階背式。因為車身后部造型與氣流狀態關系比較復雜，一般很難確切的斷言造型樣式的優劣。但是理論上來講，斜背式具有較小的氣動阻力系數。車尾高度，流線型車尾的轎車存在最佳車尾高度，此狀態下，氣動阻力系數較小。此高度需要根據具體車型以及結構要求而定。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有益，但是過多的收縮會引起氣動阻力系數的增加。收縮程度要根據具體車型來確定收縮量。

5 總結

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，慣性力沒有漸變導致雷諾數過大，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定性：盡量在造型的時候，使車的風壓中心向后偏，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飄，以減少氣動升力。

作者簡介

黃明琦，鄭州大學工程力學學院，工程力學結構分析專業。