浅谈汽车的空气动力问题

摘 要：汽车空气动力学是一门艰深的度量学科，一辆汽车在正常行驶的过程中，会有相对静止的空气造成不可避免的冲击，空气会向四周流动，或者是窜入汽车底部或是内部的气流被暂时困于车内的各个零件之中。汽车发动机在推动机械运转的过程中已经消耗了一大部分动力，而当汽车在高速行驶时，其中一部分动力还会被用于克服空气的阻力。所以，空气动力学对于汽车设计的意义不仅仅在于改善汽车的操控性，同时也是降低油耗的一种可实施性方法。

关键字：力学分析；空气阻力；汽车造型

1 空气动力学的基本理论

空气具有粘性和流动性。其中粘性是空气所具有的一种重要属性，但是由于空气的粘性并不是很大，所以人们在实际生活中難以觉察到。因此在处理很多气流问题时，往往会忽略空气的粘性作用，并称其为理想流体。空气还有一个特性就是流动性，气体的流动性就是指空气中运动的物体的通过性，当运动的物体通过时，它经过的路线上原来的空气必然会被排挤开，这种被排挤开的运动，称为受扰运动。

2 汽车空气动力学的气动特性研究

汽车在行驶的过程中，除了受到来自地面对轮胎的附着力以外，还受到其周围气体的气流的气动力作用，气流的作用主要产生的是阻力和升力，当有侧风存在时，由于汽车的横摆倒角的存在，汽车还将受到一个侧向力。这三个气动力的合力在汽车的作用点成为风压中心。将气动力的合力沿汽车坐标系分解为三个力和三个力矩，称为六分力，他们共同决定了汽车总的气动力矢量。

3 汽车的气动力对汽车行驶的影响

汽车的动力性有三大指标：1.汽车在水平良好路面上所能达到的最高速度；2.汽车每小时达到百公里的加速时间；3.汽车的最大爬坡度（通常指在一档下爬坡）；汽车气动力对最高车速的影响：汽车最高车速是指用直接档在良好的水平路面上所能达到的最高速度。此时无加速阻力和爬坡阻力，因此汽车的牵引力只需克服气动阻力和滚动阻力。当减小气动阻力系数和增大升力系数来提高汽车速度，汽车的抓地力会变小，最大驱动力也会变小，因此不可取；气动力对最大爬坡的影响：当汽车爬坡时，要想达到最大爬坡度，则需要汽车的加速度为零，并且以最大的牵引力爬坡。汽车气动力对燃油的经济性影响：燃油的经济性指标是百公里耗油，当汽车在高速行驶时，汽车的气动阻力所造成的燃油消耗是很大的，因此降低气动阻力是提高汽车燃油经济性的有效手段；气动力对汽车操纵稳定性的影响：汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭到外界干扰是，汽车能够抵抗干扰而保持稳定驾驶的能力。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车的操纵方便程度，也是决定高速汽车安全行驶的一个重要性能。汽车的操纵稳定性日益受到重视，已经成为竞争汽车市场的性能指标之一。

4 汽车造型对汽车阻力的影响

汽车造型对气体阻力的影响主要分为：车头造型、发动机罩造型以及车尾造型。1、车头造型对气体阻力的影响因素主要有：车头边角、车头形状、车头高度等；车头边角主要是车头上边缘与横向两侧的边角。对于非流线型车头，在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气体阻力的车头负压区。整体弧面的车头比车头边角倒圆气体阻力小。车头头缘位置较低下凹想车头气体阻力系数最小。但也并不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不在变化。车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。2、发动机罩的造型对气体阻力的影响：发动机罩的纵向曲率越小；发动机罩的横向曲率越有利于减小气动阻力。发动机罩要有适当的斜度以降低气动阻力，但是如果进一步加大斜度则对减阻效果不明显。发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。3、车身尾部造型对气动阻力的影响主要有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型样式、车尾高度、尾部横向。收缩。后风窗的斜度对气动阻力的影响较大，对于斜背式轿车，当斜度对于等于30时，阻力系数最大；斜度小于30时，阻力系数较小，因此后挡风玻璃的倾斜角应控制在25度以内。车身尾部造型样式，车身尾部造型可分为斜背式、阶背式。因为车身后部造型与气流状态关系比较复杂，一般很难确切的断言造型样式的优劣。但是理论上来讲，斜背式具有较小的气动阻力系数。车尾高度，流线型车尾的轿车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数较小。此高度需要根据具体车型以及结构要求而定。后车体的横向收缩。一定程度的后车体横向收缩对降低气动阻力系数有益，但是过多的收缩会引起气动阻力系数的增加。收缩程度要根据具体车型来确定收缩量。

5 总结

针对以上的分析对于减少空气阻力，我们可以通过改善阻力的各个成分来达到目的：可以减少汽车的投影面积，从根本上减少压差阻力；增加汽车的流线程度，这样可以减少气体由于在形状的突变下，惯性力没有渐变导致雷诺数过大，以形成涡流，损失较多动能；增加车身的表面光洁度，这样可以减少摩擦阻力，以减少动能损失；减少车身表面的棱角，是汽车在棱角处的压力渐变，从而减少涡流，减少损失；对于增加汽车的操纵稳定性：尽量在造型的时候，使车的风压中心向后偏，这样可以得到良好的操纵性；增大汽车的抓地力，是汽车在高速的情况下不发飘，以减少气动升力。

作者简介

黄明琦，郑州大学工程力学学院，工程力学结构分析专业。