汽车底盘护板的空气动力特性探讨.pdf

设计研究 汽乍实用技术 AU T 0M0 BI L E AP PLI ED T EC H NO L OG Y 2 0 1 3 年笫l 0 期 2Ol3 NO．1O 汽车底盘护板的空气动力特性探讨 杜春英 ，康献民 ，游志伟 ，张国强 1 ． 五邑大学 机 电工程学院，广东 江 门 5 2 9 0 2 0 ；2 冲 国人民财产保险股份有限公司福州广达支 公司，福建 福州 3 5 0 0 0 9 ；3 ． 富士康科技鸿超准事业群工程标准处 4 5 4 6 5 0 摘 要 因汽车底部的不平整 ，空气 阻力随车速增加而增大，影响车辆的行驶动力性和燃油经济 性 ；高速转弯时升力变大影响汽车的操纵稳定性和安全性。本文设计一种符合空气动力学形状的 功能性底盘护板，建立这种功能性护板的物理模型，这种结构保证燃油经济性基础上产生向下方 向的压力 ，提高汽车行驶的操纵稳定性和安全性 ；提出加装功能性护板后气流经过底盘处解决方 案 ，综合考虑在实际使用 中燃油经济性问题 。 关键词 底盘护板 ；空气阻力 ；燃油经济性 ；操纵稳定性 ；流线型 中图分类号 U 4 6 1 ． 1 文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 3 1 0 1 0 0 5 The Ae r o dy na mi c Cha r a c t e r i s t i c Di s c us s i o n o f Aut omo b i l e Pl a t e Du C h u n y i n g ， Ka n g Xi a n mi n 1 ,Yo u Zhi we i 2,Zha ng Gu o q i a n g 。 1 W u y i Un i v e r s i t y , Gu a n g d o n g J i a n g me n 5 2 9 0 2 0 ； 2 F u z h o u Gu a n g Da Br a n c h o f P I CC P r o p e r t y a n d C a s u a l t y Co ． L t d F u j i a n F u z h o u 3 5 0 0 0 9 ；3 F o x c o n n T e c h n o l o g y S u p e r P r e c i s i o n Me c h a n i c a l Bu s i n e s s Gr o u p E n g i n e e r i n g S t a n d a r d i z a t i o n De p a r t me n t ． 4 5 4 6 5 0 Abs t r a c t Fo r t he b o Uo m o f t h e v e h i c l e i s n o t fl a t ， a i r r e s i s t a n c e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e d s p e e d ， a n d i t wi l l a ffe c t t h e v e hi c l e d y n a mi c p e r f o r ma n c e a n d f u e l e c o no my ． W h e n i n h i g h s p e e d c o rne r i ng ， t h e v e h i c l e h a n d l i ng s t a b i l i t y a n d s a f e t y g o e s wo r s e b e c a u s e o f t h e i nc r e a s e d a i r l i f t ．Th i s p a p e r d e s i g n s a k i n d o f pl a t e whi c h i s f un c t i o n a l p r o t e c t i v e ， a nd e s t a bl i s h ph y s i c a l mo d e l o f t h e f u nc t i o n a l p r o t e c t i v e pl a t e ． Th i s s t r u c t u r e p r o d u c e s a c e r t a i n p r e s s u r e t o i mp r o v e t h e h a n d l i n g s t a b i l i t y a n d s a f e ty b a s e d o n t h e f u e l e c o n o my ．C o n s i d e r i n g t h e p r o b l e ms o f fue l e c o no my i n a c tua l a p pl i c a t i o n ，t h i s pa p e r p r o p o s e d s o l u t i o ns f o r t h e a i r flo w t h r o u g h t h e c h a s s i s whe n a d d i n g t he f u nc t i o n a l p l a t e ． Ke y wo r ds Cha s s i s pr o t e c t i v e p l a t e ； a i r r e s i s t a n c e ；f ue l e c o no my； ha nd l i ng s t a bi l i t y；s t r e a ml i ne CL C No． U4 6 1 ． 1 Do c u me n t Co d e A Ar t i c l e I D 1 6 7 1 7 9 8 8 2 O 1 3 l 0 1 0 - 0 5 前言 汽车空气动力学是研究空气流经汽车表面时的 作者简介 杜春英 ， 硕士研究生。主要研究方向为 测试技 术，信号分析，车辆动力学。 流动规律及其与汽车相互作用 的一门学科 。汽车 底部一般 比较粗糙 ，其不平度最大可达 1 5 c m 以上 [ 2 1 ，这对汽车底部的流场影响较大 。目前汽车空气 空力学在汽车车 身方面 的研究 已经取得 了长足进 步，空气阻力系数降低较大，最多可以降至 0 ．2左 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 汽车实用技术 2 0 1 3年第 1 0期 右 ，进一步降低空间较小，只有尽量减少汽车的迎 风面积。当空气流经汽车底部时会产生一个较大的 阻力， 且汽车底部与地面之间的流场受到气流干扰 ， 将产生强烈湍流 ，耗散能量 ，进而又形成一定的阻 力。这对汽车的动力性 、燃油经济性，汽车高速转 弯 时的操纵稳定性和安全性都有较大影响。 本文通过选取 GMT Gl a s s Ma t R e i n f o r c e d T h e r ．mo p l a s t i c s 玻璃纤维毡增强热塑． I 生复合材料作为汽 车底盘功能性护板。 GMT材料具有密度小、 质量轻、 弯曲强度高等特点， 且该种复合材料原料来源丰富， 力学及 电学性能 良好，特别是价格相对低廉、加工 方便L 3 等优点被广泛使用 。本文 旨在设计一种具有 流线型的汽车底盘功能性护板将车辆底部封住，防 止气流通过凹凸不平的汽车底部直接形成的干扰 阻 力和因底盘不平所形成的形状阻力，具有良好的汽 车底部流线型对汽车 的形状阻力具有较大帮助 。在 保证燃油经济性 的基础上，提高汽车行驶安全性和 操纵稳定性。 1 、汽车空气动力学简介 1 ． 1汽车空气动力学发展 所谓空气动力学 ，就是研究物体在空气或任何 流体中所受到的来 自各方 向的力，并根据在实验测 试 中得到的数据来改善其外观和形状，使之达到人 们所需求 的特性。 发展的最初来源是航空航天领域， 随后空气动力学在汽车上得到广泛运用。鉴于汽车 不同于航空器的一些 自身的独特性，其发展主要分 为四个阶段 基本形状造型阶段 纯水滴状 、流线 型造型阶段、车身细化优化阶段、车身整体优化阶 段 。不难看出，汽车空气动力学的发展史就是车身 造型不断完善的一个演化过程。 1 ． 2汽车空气动力学特性对行驶特性的影响 汽车在行驶过程中将不可避免地受到空气阻力 的作用 ，空气阻力可以分为压力阻力和摩擦阻力两 部分。压力阻力又可分形状阻力、干扰 阻力，内 循环阻力和诱导阻力 ] 。形状阻力 占压力阻力的大 部分，与车身主体形状有很大关系，干扰阻力是车 身表面突 出物 后视镜、门把、饮水槽 、悬架导 向 杆、传动轴等 引起。 在汽车行驶的范围内，空气 阻力的数值通常与 气流相对速度 的动压力 1 ／ 2 p u t 2 成正比的形式，即 1 ． F w c D A p U ， 式中C D 一空气阻力系数p 一空气密 一迎 风面积 m2 一相对速度 r r g s 由上式可知，车速愈快，空气阻力愈大 ，那 么 在一定车速下， 只能通过增加燃油来抵抗空气阻力 。 当汽车的时速超过 l O O k m／ h时，气动阻力超过滚动 阻力而 占主导作用【 2 】 ，因此解决高速情况下空气阻 力对汽车的动力性、 燃油经济性问题都有重要意义 。 l ； o l ∞ ll ， O j 目 ∞ 车 lla‘ -， h’ 图 1 汽车行驶阻力与速度之间关系 2 、汽车底盘功能性护板物理模型建立与分析 2 ． 1底盘功能性护板物理模型的建立 本文主要针对降低汽车底部的空气阻力理论设 计 ，设计一种具有流线型的汽车底盘功能性护板将 汽车底部封住 ，防止气流通过凹凸不平的汽车底部 直接形成的干扰阻力和形状阻力 。本文设计时在通 过汽车底部时采取一种 “ 水滴状 ”或 “ 纺锤体状 ” 的流线型设计方案本文的设计方案主要针对 中型 车，其具体尺寸为 长4 5 4 6 4 8 8 0 mm， 宽 1 7 1 0 ～ 1 8 8 6 mm， 高 1 4 1 5 ～ 1 5 1 0 mm。且要求表面进行光滑 处理 。 以下即为汽车底盘功能性护板的物理模型设计 方案示意 图。考虑燃油经济性时为方便计算考虑采 用长，4 5 0 0 mm 宽，1 6 0 0 mm高为 1 5的模型处理 ， 实际应用中此底盘功能性护板的上下高度根据功能 性护板的厚度和夹层的厚度可确定范围为 5 0 m m - 8 0 mm其 中包括夹层的填充。 物理模型的建立如下 图 一 萋言 啪 ～ 觚 委 毫 l 1 l S 叠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 0期 杜春英 等汽车底盘护板的空气动力特性探讨 1 2 图 2 汽车底盘功能性护板物理模型设计方案示意图 2 ． 2 底盘功能性护板对汽车性能影响综合分析 当流体经过物体时，如果后部太 “ 钝” ，压强梯 度将变大 ，将导致气动分离[ 6 】 。汽车底部气流在流 经汽车底盘部位 时，若是一块平板 ，流经前部气流 压强下降，流速相对较快；在流经后部时压强增大， 流速变慢。虽在物体前部形成了较薄的边界层，越 到后部边界层厚度越大 ，达到一定厚度后必然将会 出现气动分离。压力过高时就将会产生气流分离和 形成尾涡流的条件， 这对汽车底部的流场是不利的， 气泡分离过早还会增加汽车行驶形状阻力 ，使汽车 动力性，燃油经济性变差 。 2 ． 3 汽车底盘功 能性护板对动力性和燃油经济性影 响分析 本文在设计汽车底盘功能性护板时从车身中部 由车轮以后稍稍升高，即设计为图 3中所设计 的流 线型物理模型。使气流流经汽车底部后端时气流速 度加快，顺畅地流经汽车底部，对汽车底部次生边 界层和尾部涡流 的形成起到抑制作用 ，进而减少底 部空气 阻力。采取这种具有流线型的底盘功能性护 板后 ，气流经过汽车底部的前部时因头部 曲率较大 则气流速度较快 ，因此很快可 以达到最大值 ，则压 力较小 ，边界层厚度较薄，在经过最大速度点后 ， 使汽车底盘功能性护板 向后部起 曲率慢慢变化，在 汽车底部后端剩余 的动能可 以克服汽车底部气流 的 粘滞力 ，使流体流到尾部，尽量减少尾部涡流，这 对总体上减少汽车 的阻力是有较大帮助 。本文设计 使其成流线型，抑制过早气动分离，减少汽车形状 阻力，使汽车底部流场更加顺畅。采用此种底盘功 能性护板后一方面可 以减少汽车行驶 时的形状阻力 或尾涡阻力，同时又因为将底盘突出物盖覆盖在底 盘功能性护板 内，减少 了突出物外露 ，避免产生了 干扰 阻力，这对解决汽车的动力性和燃油经济性都 有较好帮助。 2 ． 4 汽车底盘功能性护板对操纵稳定性与安全性影 响分析 采用底盘功能性护板流线型设计，理论上空气 经过汽车底部时压强较低，会使流速加快。一方面 使汽车底部流场变得更D n J ,畅，另一方面因流体力 学知识可知，采用这种类似 “ 反机翼设计 ”原理 ， 气流经过汽车底部时因流速加快，会产生负压，这 能够增加汽车在行驶过程 中的下压力或附着力，对 高速行驶时汽车产生的升力可抵消一部分 ，较少驾 驶员在行驶时感到 “ 发飙 ”感觉 ，可以降低汽车的 侧翻发生可能性 ，对于高速行驶的汽车制动性能、 方 向稳定性和操纵稳定性、 安全性有着较好的帮助 。 在底盘功能性护板 的纵向边缘和侧向边缘要求 采用圆滑过渡 ，这样做的好处是使底部气流和侧 向 气流相互贯通 ，一般有利于底部气流 向侧面溢 出和 侧 向压力向底板中心位置移动，减少阻力和升力【 2 ] 。 降低高速行驶时汽车的行驶阻力，能够提高燃油经 济性和安全性。 总体设计方案是使汽车底部气流顺利地通过汽 车底部 ，用底盘功能性护板盖住汽车底部，使原来 汽车底部凹凸不平的底面覆盖于功能性护板之中。 减少 了气流在经过汽车底盘功能性护板时产生气流 涡旋 ，对汽 车底 部更加复杂 的流场 实际 的好处 。 GMT底盘功能性护板具有较好 的强度和刚度 ， 这是 现在许多汽车底盘所不具有的功能设计 。 3 、 汽车底盘功能性护板的设计方案及考虑因素 加装汽车底盘功能性护板 ，在实际中必须要考 虑气 流进入进气格栅 流经发动机后气流 的流 向问 题 ， 本文设计出整体式和分开式两种安装方案如下。 方案一分开式底盘功能性护板安装方案。 开缝式功能性护板 。整个功能性护板分为前后 两部分 ，以下称前面部分为前板 能够在发动机前 部形成一个类似 “ 气坝 ”的导流装置 ，后面部分为 后板，两种形状选择如上设计好 的流线型形状 。主 流部分流体经前盖射 向功能性护板的下表面，将 尚 未分离的前盖边界层带入主流[_ ，使气流在经过底 盘功能性护板流 出时速度加快，在出口处与外部气 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 汽车实用技术 2 0 1 3年第 1 O期 压相等 ，从而使气流达到与外部气流速度相近。从 A 流至 C 的气流带走发动机的部分热量后经缝流 出，升温导致气流速度加快 ，从而使涡流分离 向后 转移有益 ，减 小了内部阻力 。在后板的尾端还设有 吸气槽，可 以将 已经减速的流体吸入槽 中，并在槽 后的后盖下表面形成新 的边界层 ， 推迟了涡流分离， 减小压差阻力 。 在实际中因两块盖板之间存在 间隙， 需要根据具体车型和按照发动机安装特点来确定 。 由于缝隙处在发动机附近 ，发生碰撞时，发动机可 以较容易穿破功能性护板 ， 不会影响“ 发动机下沉” ， 安全性较好。此种方案还具有制造 简单，装卸方便 等特点。 图 3 分 开式 底盘功能性护板设计方案示意图 方案二整体式底盘功能性护板方案设计与分 析 整体式底盘功能性护板 。这种功能性护板为一 整体 ，但开有发动机舱气流 引导槽和尾端吸气槽 。 引导槽应设计成前宽后窄，从而使发动机舱的气流 在流出时有一个加速过程，在导出后不至于因流速 太慢而过早产生涡流分离 ，减小 内部阻力。此功能 性护板为一体式，汽车碰撞时发动机下沉受阻，安 全性不佳 ，此外引导槽加工难度大，相对分开式装 卸不方便。 { 誉 {{ I 图4 整体式底盘功能性护板设计方案 综合上述两种底盘功能性护板的设计方案，本 文提出在实际应用中采取分开式安装方案效果较 好 ，对发动机下沉的安全性影响不大 。 4 、对汽车燃油经济性的综合分析 在加装汽车底盘功能性护板后可 以降低汽车的 空气阻力，能够提高汽车 的操纵稳定性和安全性。 实际中存在一个 问题是在车速较低的情况下空气阻 力所 占比例较小，对汽车综合性能影响不大。加装 此底盘功能性护板相 当于增加了汽车的质量，本文 采用的 GMT Gl a s s Ma t R e i n f o r c e d T h e r mo p l a s t i c s 一 玻璃纤维毡增强热塑性复合材料作为汽车底盘功 能性护板 。以常见中型车为例 ，汽车的质量增加情 况计算如下。 选取一般中型车尺寸， 长 4 ． 5米； 宽 1 ． 6 米 。假 设 板 的厚度 取 3 mm，G MT 材 料 密度 为 1 ． 0 9 g ／ c m3 在不开空洞、槽的情况下，完全板的重量 为 M1 ． 0 9 4 5 0 1 6 0 0 ． 3 g 2 3 5 4 4 g 2 4 k g 按照汽车整备质量每增加2 5 ％， 油耗增加8 ％【5 】 ， 中级车按 1 ． 4 t 计[ 8 J o燃油按 1 0 L ／ l 0 0 Km计 。 2 4 1垒 Q Q 8 ％ 1 0 X O ． 0 5 4 8 L 即汽车每百公里 比平时多消耗燃 油 0 ． 0 5 4 8 L。 从上式计算结果中可以看出即使在车速较低， 空气阻力较小的情况下对汽车的燃油经济性不会产 生很大影响。可 以得 出如下结论对于中型车加装 功能性护板后，即使在车速较低 的市区行驶时对燃 油经济性影响不大，能够在车主接受范围内。但是 当以高速行驶时，由于具有 良好的底盘空气动力学 外形对汽车的动力性、 燃油经济性会有 明显 的提高， 此外对 于汽车 的操纵 稳定性和 安全 性具有较大 帮 助，因此具有广泛的应用前景。 5 、结语 汽车 的空气动力学 问题是一个极具有实际意义 的问题 ，许多专人 已经正在这方面研究，本文则提 出在汽车底盘处加装功能性护板，并讨论空气动力 特性。建立汽车底盘功能性护板符合空气空力学流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 O期 杜春英 等 汽车底盘护板 的空气动 力特 性探 讨 1 4 线型设计的物理模型，对影响汽车的综合性能进行 参考文献 了讨论 ，并对汽车底盘加装功能性护板后气流流向 进行 了设计，本文提 出的功能性护板对于中型 以上 轿车的动力性 、操纵稳定性 、安全性有较 大帮助， 低速对燃油经济性方面影响不大，高速时由于降低 空气 阻力对燃油经济性有帮助 。因汽车底 部流场相 对复杂且测试试验难度较大 ，本文仅从理论层面进 行了以上系统设计分析研究，这是本文研 究工作存 在的一个缺点。 对于汽车企业必须要系统考虑各方面的因素， 同时需要考虑汽车方案实施 的最优方案。随着人们 对汽车动 力性、安全性、和操纵稳定性、以及对燃 油经济性进一步要求 的提高 ，汽车底盘加功能性护 板 的空气动力学考虑将被企业所采用，这具有很强 的实际应用意义。 ⋯ I 黄向东，预测和确定汽车气动特性的新理论模型[ J ] ，汽 车工程 ，1 9 9 4 ． 1 6 6 3 5 4 ～ 3 6 0 ． [ 2 】黄向东．空气动力学与车身造型[ M】 ． 北京 人民交通出版 社 ，2 0 0 0 ． 【 3 】吴人洁，复合材料[ M】 ．天津天津大学出版社，2 0 0 0 ． [ 4 ]W．H． H u c h o ，L - J ． J a n s s e n ，GS c h wa r z ，T h e w i n d t u n n e l ’ S Gr o u n d P l a n e b o u n d a r y l a y e r - i t s i n t e r f e r e n c e 、 撕m t h e flo w u n d e rne a t h c a r s ． S AE P a p e r 7 5 0 0 6 6 ． [ 5 】余志生． 汽车理论[ M】 ． 北京机械工业出版社，2 0 0 9 ． [ 6 ]6 W． E休斯， J - A ． 布赖顿． 流体动力学[ M】 ．北京 科学出版社， 200 2． [ 7 】孔珑． 工程流体力学【 M】 ．北京中国电力出版社，2 0 0 7 ． [ 8 ]许洪国．汽车运用工程[ M】 ．北京人 民交通出版社， 2 0 0 9 ’ 全球注册车名 8 0万个 汽车命名成车企难题 Gl o b a l Na me 8 0 0， O 0 0 r e g i s t e r e d ve h i c l e s n a me d a s c a r p r i c e s c a r p u z z l e 据美国 汽车新闻 9月 3 0日 报道，随着汽车市场的国际化，目 前已经注册的车型名称达到了 8 0万 个，因此为新车起一个即有吸引力，叉在全球范围内合法，并具有跨文化意义的车名不再是一件容易的事 情。 这也就是汽车行业转向新的命名策略的原因， 将现有车名尽可能地延续下去。一款车在全球市场采用 统一的车型名称 ，而非多个名称。多应用数字。 通用雪佛兰品牌市场总监 Ru s s C la r k 表示，“ 现在为车型命名很难。1 9 8 5 年的时候，注册车名数量仅 为 7 ．5万个，而现在 已经达到 了8 O万个。 ”今年，雪佛兰已经投资数百万美元，用于一系列新命名车型的 推广，包括S o n i c 、斯帕可与科鲁兹。向外界传达的讯息是，雪佛兰这一历史悠久的品牌在经历了十余年 的低谷期之后 ，现在已经开始对产品进行更新，注入新鲜血液。事实证明，雪佛兰的战略是有成效的，今 年小型车销量 同比增长 2 6 ％，比五年前提 高了4 4 ％。 然而， 在某些情况下， 昔 日的车名也是很受欢迎的。 去年， 克莱斯勒集团推出了一款名为道奇达特 D a r c 的中型轿车。该名称曾在 日系进口车大量涌入美国市场之前使用。日 产公司页开始在部分新兴市场重新启 用达特桑 Da t s u n ，该名称于 2 0世 纪 8 0年代在 关国停止使用。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m