章节及课题 | |||||||
时数与日期 | 2课时 2015年10月20日星期二（3-4节） 汽装1401 | ||||||
目的要求 | 知识 | ||||||
技能 | |||||||
重点和难点 | 重点 | ||||||
难点 | |||||||
教学方法 | 讲授 | ||||||
教 具 | 选用教材：汽车车身结构与设计（机械工业出版社） | ||||||
教学过程时间分配 | 教学内容及师生活动过程 | 方法和手段 | |||||
组织教学（2分钟） | 点名，教师统计人数记入日志 | ||||||
处理作业（分钟） | |||||||
检查复习（分钟） | |||||||
引入新课 （3分钟） | |||||||
新 课 教 学 | 第六章 轿车车身的空气动力学特性 6.1 概述 力学 经典力学 理论力学 运动学：考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系 固体力学 流体力学 动力学：讨论物体运动和所受力的关系 空气动力学（Aerodynamics）： 研究物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学，它属于流体力学的一个重要分支。 汽车或车辆的空气动力学问题从理论到实际两方面都与航空等问题有本质的区别，汽车空气动力学已逐步发展成为了空气动力学的一个独立分支。 引言------空气动力学的基本概念与方程 一般大致在车速超过100 公里/小时（km/h）时，气流对车辆产生的阻力就会超过车轮的滚动阻力。 气动力对车的影响，不只是行车阻力，还有对发动机的进、排气，车辆行驶的稳定性，过弯速度，以及刹车距离，甚至轮胎温度控制等等。 空气的质量和粘性： 牛顿定律 F=ma 空气的质量密度r≈1.22 千克/米3，即1 立方米空气质量约1.22 千克，约为水的1/800。 空气粘性，它的粘性系数m 为1.8*10-5 牛秒/米2，约为水的1/55。 流场和流线：通常将充满运动流体（液或气体）的一定空间称为流场，并且用有向线条来形象地表示流场中流体的流动趋向，这些线条称为流线。 过流线任一点的切线方向，即代表流场中该点的流动方向。 流场中线条越密的区域，表示流速越大。各点流速不随时间变化的流场称稳定流场。为了简化实际问题，若假设流体无粘性，又不可压缩就称为理想流体。. 伯努利方程： 伯努利方程是理想流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。 由伯努利方程可以看出，流速高处压力低，流速低处压力高 p+ρgh+(1/2)*ρv^2=c 方程简化为p+(1/2)*ρv ^2=常量(p0) 层流和紊流：当流体流经物体表面，流线很平顺时，各层之间层次分明，互不影响，我们称这种流动为层流。 若因流体的粘性或物体表面粗糙，流线会逐渐出现小的扰动，尽管平均流速仍未受影响，但看起来流线在跳动，层次不分明。这种流动称为紊流。 影响因素： 流体质量密度r， 粘性系数m，流速V， 流经的距离L 物体表面的粗糙度等。 高速流和低速流 马赫通常用M 数来划分。若定义流速V 与大气中声音的传播速度a之比为M 数，则M=V/a。 M>>１为高超音速范围，主要是弹道导弹等的飞行； M>１为超音速， M=1 后，会出现激波，气动特性发生很大变化 M 在1.2-0.8左右为跨音速； M<0.8 为亚音速范围，高速飞机的飞行跨越这三个范围。 M<0.3 是低速范围，汽车、滑翔伞，以及多种球类运动都属于这个范围。 一、汽车空气动力学的作用及其重要性 汽车空气动力学是研究汽车与空气运动之间相互作用规律以及气动力对汽车各种性能影响的一门学科。 汽车空气动力特性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性。 设计空气动力特性良好的汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径，而高速汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提条件。 改善驾驶室的内流特性（发动机冷却系空气动力特性、驾驶室内通风及空调特性），在减阻的同时，提高发动机、制动器部件的效能，降低空气动力噪声，则是保障舒适性的前提。 汽车空气动力特性对操控稳定性的影响 （1）升力与纵倾力矩 （2）侧向力与横摆力矩 （3）侧倾力矩 风洞试验和计算机模拟技术 2009年9月19日，斥资4.9亿元建造的中国国内第一个“汽车风洞”——上海地面交通工具风洞中心在同济大学嘉定校区正式落成启用，填补了中国国内汽车研发设计领域多个空白。 二、汽车空气动力学的研究内容 空气动力学涉及的汽车性能 具体来说，空气动力学的研究内容包括以下几个方面： （1）气动力及其对汽车性能的影响 主要研究作用于汽车上的气动力、气动力矩及其产生机理和气动力、气动力矩对汽车各种性能的影响。 （2）流场与表面压强 流场是速度场、压强场、能量场、密度场、温度场的总称。通过整车和局部场的研究，更直观的了解汽车内外流场的运动规律和情形，从而进一步研究车身整体气动造型和局部优化气动造型，分析气流分离和尾流想象原理。 （3）发动机和制动器的冷却特性 通过研究发动机和制动器的冷却气流来提高发动机和制动器的性能和冷却效率。 （4）通风、采暖和制冷 为了改善乘坐舒适性，通常要进行通风、采暖和制冷的研究。通过对空气进出口位置、风量、风速、风路以及空调选型与布置来优化车身内部气流环境。 （5）汽车空气动力学专题研究 除上述四种研究内容以外，还有改善雨水流径、减少表面尘土污染、降低气动噪声、侧向风稳定性以及刮水器上浮等专题研究。 三、汽车空气动力学的形成与发展 （1）汽车空气动力学的历史沿革 汽车空气动力学是伴随着人们对汽车的完美艺术造型和卓越的性能之追求而逐渐形成和发展起来的。 在汽车发明后的最初十几年，车速很低，空气动力学没有真正提到议事日程。空气动力学起源于研究道路车辆的气动阻力问题，但在航空航天领域发展迅速。最早按照空气动力学观点设计的汽车是1899年比利时人卡米勒.詹那兹设计的炮弹型汽车。 （2）汽车空气动力学发展的历史阶段 轿车的演变，反映了汽车空气动力学的发展过程。 把空气动力学的概念和研究成果引入汽车设计中，形成独特的汽车空气动力学学科是从20世纪20年代开始的。 在第一辆汽车发明后约25年，人们开始对汽车空气动力特性有了一定认识。 最初只注意到降低空气阻力，随着车速的提高，人们开始注意到气动升力及侧风稳定性问题。 近期汽车空气动力学的发展又注意了驾驶室内流、发动机冷却、空气动力噪声及消除车身上泥土附着等问题。 汽车空气动力学的发展历史表明，它是伴随着由于道路状况的变化和使用要求的提高而引起汽车造型的变化而发展起来的，可以说汽车造型变化的历史就是汽车空气动力学发展的历史。 a）基本形造型阶段 汽车空气动力学发展的第一阶段是从20世纪初期开始的，人们从外形上注意了空气动力特性，把它总结为基本形状化造型阶段。 基本型是人们直接将水流和气流中的合理外形应用到汽车上，采用了形、船尾形、汽艇形等水滴形汽车外形。 1899年由卡米勒·詹那兹（Camille Jenatzy）按空气动力学观点设计的最早的汽车，车身形状为形，长宽之比为4:1。 b）流线形造型阶段 地面效应已被人们所认识。人们用空气动力学观点指导汽车造型，试图降低气动阻力，并获得了可观的进展。同时，开始对内流阻力及操纵稳定性有了认识。 ① 用空气动力学观点指导汽车生产 杰瑞理论：最小阻力的外形是以流线形一半构成的车身。只有消除尾部分离，才能降低阻力。 其他重要理论：流场的三维性能。例如拉普勒豪华轿车罩住车轮。50%的阻力。 杰瑞的 “合成型式” 1935年发表 以空气动力学的观点可能构成的车身形状的论文，气动阻力可以降至0.3。 大批量生产车型：太拖拉87型，发动机后置，给出来更多空间。气动阻力可以降至0.36。 Lay 研究成果：要使长尾车获得较低的气动阻力，必须保持车身前端的流场平顺和连续。当气流在陡的风窗处分离时，气动阻力系数明显升高；如果尾部气动阻力系数已经很高，则风窗影响不明显。 短粗的尾部与长尾相比，气动阻力系数有较小升高， 6.2 汽车行驶时所受到的气动力与力矩 20世纪70年代，汽车空气动力学进入了最优化的研究阶段。1974年德国的胡乔（W.H.Hucho)、简森（Jansen）和艾墨南(Emme-Lmann)等人提出了著名的细部最优化概念。 汽车设计应首先服从汽车工程的需要，即首先要充分保证总布置、安全、舒适性和制造工艺的要求，并在保证造型风格的前提下，进行外形设计，然后对形体细部（如圆角半径、曲面弧度、斜度及扰流器等）逐步或同时进行修改，控制以及防止气流分离现象的发生，以降低阻力，称为“细部优化法”。 阻力临界点0.4 “造型服务于性能”的设计思想：以满足性能、人机工程学、工艺学、美学造型和安全法规等方面的要求而初步确定的车身造型基础上，为达到减小气动阻力和提高行驶稳定性的目的，而进行的车身局部改型和加装空气动力学附加装置。 整体最优化阶段从1983年开始。 1 整体最优化设计的原则 首先确定一个符合总布置要求的理想的低阻形体，在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中，都严格保证形体的光顺性，使气流不从汽车表面分离，称之为形体最优化。 “功能服务于造型”的设计思想：从一个总体尺寸和体积与所需汽车基本类似的的理想低阻形体出发，从总体的角度逐渐向实用车型逼近，以满足性能、人机工程学、工艺学、美学造型及安全法规等方面的要求。 应用整体最优化设计的典型例子是Audi 100C3轿车。1982年Audi 100C3以仅仅0.3的风阻系数创下了轿车工业空气动力学的世界记录。 100C设计过程 第一步：缩比车型；具有光滑的曲面、圆滑车头、大弧度风窗 等较为理想造型特征。0.17 第二步：原始形； 车身底部部件、冷却系前端保险杠缝隙。0.25 第三步：基础模型； 结构与工艺详细考虑。0.29 第三步：产品车； 0.3 汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8 2 汽车的空气阻力 车辆在直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力两部分。 空气阻力与最大车速的关系 空气阻力与燃油消耗量的关系 当汽车以Ｖ等速行驶时的百公里油耗为： 式中 ρ——燃油的密度。汽油为0.71～0.73kg／L，柴油为0.81～0.83kg／L。 B——发动机相应工况的有效油耗率，单位为g/kw·h W——行驶100Km所消耗的功率kw·h 燃油消耗量也可换算成与空气阻力和滚动阻力的关系 降低空气阻力即可降低油耗；当高速行驶时，降低空气阻力节油的效果更大 轿车Cd值下降0.2，综合条件行驶可节油11% 空气阻力FW 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力称为空气阻力。 （1）压力阻力（占91％） 作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力。又分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力 1）循环阻力 满足冷却、通风等需要，使空气流经车体内部时构成的阻力。 2）诱导阻力 空气升力在水平方向的投影。 由于流经车顶的气流速度大于流经车底的气流速度，使得车底的空气压力大于车顶，从而空气作用在车身上的垂直方向的压力形成压差，这就是空气升力。 打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？ 夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油？ （2）摩擦阻力（9％） 由于空气粘性作用在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。 例题 一辆具有1.95m2前端面积和空气阻力系数为0.42的轿车，以90km/h速度行驶，如果车辆遇到40km/h速度的顺风或者逆风，计算顺风、逆风两种条件下的空气阻力和克服空气阻力所需要的发动机功率 汽车的气动升力 作用在轿车上的空气，有35％～40％在车身上部流过，10％～15％从底部流过，两边各流过25％。如果能设法提高底部气流的速度而形成一种文氏喉管的气流，则可由此产生负升力。 升力向上为正，向下为负。汽车升力会降低轮胎的附着力，而影响汽车的驱动性，操纵性，稳定性。 升力系数Cz∝升力Fz 影响升力的因素 负迎角能提高汽车底部气流速度，减小升力 轿车前段底部加扰流板可使升力下降 车尾地板的后翘效应 轿车底板的尾部向上翘起一个角度可疏导底部的气流，从而降低升力系数 轿车地板向两边略翘起，使底部气流有一部分流向两个侧面，也能使升力下降 常用的降低升力系数的方法 1）采用负迎角 2）汽车前端加扰流板 3）汽车底板的尾部上翘 4）汽车底板向两侧面略翘起 汽车的空气动力稳定性 气动力中心与重心的位置关系对轿车横向稳定性的影响 风压中心在重心前，轿车绕轴顺时针方向转动，进一步增强侧向风的作用，使轿车失稳 风压中心在重心后，轿车绕轴逆时针方向转动，减弱侧向风的作用，使轿车趋于稳定 造型设计时，应尽量减小汽车前部侧面的投影面积，使风压中心靠近后轴。 1.尽量降低车身； 2.增大车宽； 3.缩小长度； | 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 | |||||
复习巩固 （10分钟） | 1、了解汽车空气动力学的作用及其重要性、研究内容、形成与发展 2、了解汽车行驶时所受到的气动力与力矩 | ||||||
本节小结 （4分钟） | |||||||
布置作业 （2分钟） | |||||||
板书设计 | 第六章 轿车车身的空气动力学特性 6.1 概述 力学 经典力学 理论力学 运动学 固体力学 流体力学 动力学 空气动力学（Aerodynamics）： 一、汽车空气动力学的作用及其重要性 汽车风洞二、汽车空气动力学的研究内容 （1）气动力及其对汽车性能的影响 （2）流场与表面压强 （3）发动机和制动器的冷却特性 （4）通风、采暖和制冷 （5）汽车空气动力学专题研究 三、汽车空气动力学的形成与发展 （1）汽车空气动力学的历史沿革 | （2）汽车空气动力学发展的历史阶段 a）基本形造型阶段 b）流线形造型阶段 6.2 汽车行驶时所受到的气动力与力矩 1 整体最优化设计的原则 2 汽车的空气阻力 （1）压力阻力（占91％） 1）循环阻力 2）诱导阻力 （2）摩擦阻力（9％） 常用的降低升力系数的方法 1）采用负迎角 2）汽车前端加扰流板 3）汽车底板的尾部上翘 4）汽车底板向两侧面略翘起 1.尽量降低车身； 2.增大车宽； 3.缩小长度； | |||||
课后评注 | |||||||
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