汽车外形设计与空气动力学
汽车车身的空气动力学设计
汽车车身的空气动力学设计一、引言随着现代汽车技术的不断发展，空气动力学设计已成为汽车设计领域中不可忽视的重要因素。
汽车车身的空气动力学设计能够显著影响车辆的性能和油耗，并调整车辆的稳定性和行驶舒适度。
本文将探讨汽车车身的空气动力学设计要点以及对整体性能的影响。
二、减少空气阻力的设计减少空气阻力是汽车车身空气动力学设计的主要目标之一。
为了降低阻力，设计师需要考虑以下几个方面。
1.车身外形设计车身外形应该尽可能流线型，减少空气流动中的湍流现象。
流线型车身能够使空气更加顺利地流过车辆，减少空气阻力。
设计师通常会借鉴飞机和鱼的形态进行车身外形设计，以减少阻力。
2.车身下部设计车身的底部设计也是关键。
通过优化车底板的设计，可以减少底部空气的湍流，并提高车辆的稳定性。
此外，添加护板、扰流板等装置也能减少车辆底部的阻力，进一步提高车辆的空气动力学性能。
3.车窗、后视镜、轮毂等细节设计车窗、后视镜、轮毂等汽车细节设计也应考虑减少阻力。
设计师可以采用更小的车窗、更小的后视镜，以及流线型的轮毂设计，来减少空气阻力的产生。
三、增加空气附着力的设计除了减少空气阻力外，增加空气附着力也是汽车车身空气动力学设计的重要目标。
通过增加空气附着力，可以提高汽车的操控性和行驶的稳定性。
1.扰流板设计扰流板的设计可以帮助车辆在高速行驶时增加空气附着力。
扰流板的位置和形状是关键，设计师需要根据车辆的具体情况进行合理设计，以提高车辆在高速行驶时的稳定性。
2.车顶翼设计车顶翼是一种常见的增加空气附着力的装置。
它可以改变车辆后部的气流流向，增加下压力，提高车辆行驶时的稳定性。
3.侧裙设计侧裙是装在车辆两侧下部的附着装置，可以减少空气从侧面流入车辆底部的湍流，增加车辆的空气附着力，提高行驶的稳定性和安全性。
四、提高行驶舒适度的设计除了影响性能和油耗外，汽车车身的空气动力学设计也可以调整车辆的行驶舒适度。
1.减少噪音汽车在行驶时产生的风噪和空气流动噪音会影响驾驶舒适度。
第六讲汽车造型设计与空气动力学
————《汽车车身结构与设计》课程
教 师: 李 迪 专 业：车辆工程 学 院：交通与车辆工程学院
2006年11月6日
概要
汽车空气动力学性能
汽车行驶时所受到的气动力和力矩 改善汽车空气动力性能的措施 汽车空气动力学的发展阶段 整体优化法设计
汽车造型设计
汽车车身结构与设计
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二、汽车造型技术与方法
3.汽车造型技术与方法
（1）收集资料信息形成造型设计概念 借鉴、继承和改进; 征得消费者对汽车的意见和期望; 每年参加各地举办的汽车展览会; 收集市场的信息反馈.
（2）获得造型设计的基本硬点-控制线图 总布置设计、局部改型设计的控制关系
（3）造型构思草图
侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正)：
Mx
Fy ZC
1 2
2SCZ ZC
1 2
2SLCMX
汽车车身结构与设计
5/34
一、汽车的空气动力学性能
2.汽车的空气阻力
Fx
1 2
2SCD
正比：空气阻力系数CD，迎风面积S，空气密度ρ及车速v2
分为5个部分：
形状阻力
摩擦阻力
诱导阻力
干扰阻力
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，都应严格地保证形体的光顺性， 在不改变其整体流场的条件下，使其逐步形成具有低气动阻力 系数的实车 ，称之为形体最佳化(Shape Optimization)。
汽车车身结构与设计
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一、汽车的空气动力学性能
汽车车身结构与设计
个月和24个月,最终目标是12—18个月。
空气动力学在汽车外形优化设计中的应用
空气动力学在汽车外形优化设计中的应用汽车的外形设计是汽车制造过程中的关键环节之一，它不仅决定了汽车的外观美观度，更重要的是影响到汽车的空气动力学性能。
在如今注重绿色环保和能源节约的社会背景下，通过优化汽车外形设计，降低空气阻力，提高其空气动力学性能成为了一项重要任务。
空气动力学是研究气体在流动时的力学性质的科学，以及研究这些力学性质对物体形状、方向和速度的影响。
在汽车设计中，优化汽车外形可以减少阻力、提高汽车的燃油效率并降低噪音。
因此，空气动力学在汽车外形优化设计中的应用变得至关重要。
一种常见的空气动力学改善汽车外形的方法是通过减小阻力系数，即减小汽车行驶时所受到的阻力大小。
例如，一些汽车制造商会将汽车车身造型设计得更加流线型，以减少空气对车身的阻力。
此外，对车身前部进行改进，如降低车头高度和增加前风挡的倾角，能够使空气更顺畅地穿过车身，从而减少了阻力。
除了减小阻力系数，还可以通过增加下压力，提高汽车的操控性能。
下压力是指汽车在高速行驶过程中产生的向下的空气力。
通过增加下压力，汽车能更牢固地贴地行驶，提高车辆的稳定性和操控性。
为了增加下压力，可以对汽车的车身底部进行设计，例如在车底安装扰流板或者增加前后轮拱罩等。
另一个关键的问题是降低车内噪音的产生和传播。
汽车行驶过程中，空气从车辆的前部流过，会产生噪音，并且在车内传播。
为了降低噪音，可以对汽车的前部进行改进，例如通过改变车头造型、增加隔音材料等。
此外，增加窗户密封性能和减少风挡玻璃的倾角，也可以减少噪音的产生和传播。
除了以上提到的方法，还有一些创新的空气动力学设计可以在汽车外形优化中应用。
比如，一些汽车制造商在汽车车顶上设置了可调节的后扰流板，通过调整后扰流板的角度，可以根据不同行驶速度和道路条件来优化车辆的空气动力学性能。
此外，一些高端汽车还采用了活动式车身气动套件，通过电脑自动监测车辆行驶状态和驾驶者的需求，来调整车身气动套件的形状和位置，以实现最佳的空气动力学性能。
汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化
汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化近年来，汽车行业逐渐意识到汽车车身外形对空气动力学性能的重要性。
优化汽车车身外形可以降低车辆的空气阻力，提高燃油经济性、加速性能以及稳定性。
本文将探讨汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化。
一、空气动力学基础空气动力学是研究空气在物体表面产生的压力和阻力的科学。
在汽车车身设计中，空气动力学性能优化主要涉及两个基本要素：空气阻力和升力。
空气阻力是汽车行驶时与空气作用的阻碍力，而升力则是垂直于行驶方向的力。
二、减小空气阻力减小空气阻力是提高汽车燃油经济性的关键。
以下是一些常见的空气动力学设计方法，用以降低汽车的空气阻力。
1.流线型外形设计流线型外形能够减少车身表面的湍流，从而减小空气阻力。
主要设计原则包括：合理的前脸设计、降低车头高度、光滑的车身曲线和尾部造型等。
2.减少气流分离气流分离是指气体从车身表面脱离或分离的现象。
当气流分离发生时，会形成大量的湍流，增加空气阻力。
通过在车身上增加导流板、风挡和尾翼等设计元素，可以将气流控制在车身表面，减少气流分离。
3.光滑下部车辆的底部也是空气阻力的重要源头。
通过在车底进行空气动力学优化设计，如增加护板和平滑底盘，能够减少下部的湍流和阻力。
三、提高稳定性与升力控制在汽车车身外形设计中，除了降低空气阻力外，还需要关注车辆的稳定性和升力控制。
1.增加下压力通过改变车身设计和增加扰流器等装置，可以增加车辆的下压力，使车辆更加稳定。
下压力可以加强轮胎与地面的附着力，提高操控性和行驶稳定性。
2.控制升力升力是指车辆在行驶过程中产生的垂直于行驶方向的力。
过大的升力会降低车辆的稳定性和行驶安全性。
通过设计车身的空气动力学特性，如增加扰流器和尾翼等，可以有效地控制和减小升力。
四、综合考虑其他因素除了空气动力学性能优化外，汽车车身外形设计还需要综合考虑其他因素，如乘客空间、安全性和美观性等。
1.乘客空间和安全性车辆的设计应该确保乘客空间足够，并满足相关的安全标准。
汽车空气动力学性能优化设计与研究
汽车空气动力学性能优化设计与研究近年来，汽车空气动力学性能优化设计与研究已成为汽车工程领域的热点之一。
汽车的空气动力学性能对于汽车性能、燃油经济性和驾驶安全性具有重要影响。
因此，通过优化汽车的空气动力学性能，不仅可以提高汽车的性能和经济性，还可以提高驾驶体验和安全性。
一、概述空气动力学性能是指汽车在运行过程中与空气相互作用所表现出的性能。
其中，主要包括空气阻力、升力和气流分离等。
优化汽车的空气动力学性能，需要通过设计车身外形、改变车身细节、优化翼型、调整轮廓线等方法来改善汽车与空气的相互作用效果。
二、车身外形设计车身外形是影响汽车空气动力学性能的关键因素之一。
合理地设计车身外形可以减少空气阻力，提高汽车的行驶速度和燃油经济性。
常见的车身外形设计方法包括流线型设计、减少前后突起的设计、降低车身高度等。
通过这些设计方法，可以降低车辆与空气之间的阻力，提高汽车的空气动力学性能。
三、改变车身细节除了车身外形设计，改变车身细节也可以对汽车的空气动力学性能进行优化。
例如，通过增加车身的空气导流器、减少车身的突起和尾翼、优化车轮的进气口等方法，可以改善汽车在高速行驶时的空气动力学效应。
这些改变可以减少汽车与空气之间的阻力和气流分离问题，提高汽车的性能。
四、优化翼型设计在汽车空气动力学性能优化中，翼型设计起着重要的作用。
通过优化翼型的形状和斜度，可以降低汽车在行驶过程中产生的升力，从而提高汽车的稳定性和操控性。
此外，还可以减少汽车与空气之间的气流分离问题，改善汽车的空气动力学性能。
五、调整轮廓线汽车的轮廓线对于空气动力学性能也有着重要影响。
通过调整车身的轮廓线，可以减少汽车与空气之间产生的湍流，提高汽车的空气动力学性能。
例如，通过设计光滑的车身线条，减少空气的纹流和湍流，可以降低汽车的空气阻力和噪音。
六、总结汽车空气动力学性能优化设计与研究对于提高汽车的性能和经济性具有重要意义。
通过优化车身外形、改变车身细节、优化翼型和调整轮廓线等方法，可以改善汽车与空气的相互作用效果，提高汽车的行驶速度、燃油经济性和驾驶安全性。
确定汽车外形有三个基本要素
确定汽车外形有三个基本要素，即机械工程学、人机工程学和空气动力学。
前两个要素在决定汽车构造的基本骨架上具有重要意义，特别在设计初期，受这两个要素的制约更大。
1、作为汽车，最主要的是能够行驶和耐用。
以此为前提，首先必须考虑到机械工程学的要素，包括发动机、变速器内部结构设计。
要使汽车具有行走功能，必须安装发动机、变速器、车轮、制动器、散热器等装置，而且要考虑把这些装置安装在车体的哪个部位才能使汽车更好地行驶。
这些设计决定之后，可根据发动机、变速器的大小和驱动形式确定大致的车身骨架。
如果是大量生产，则要强调降低成本，车身钣金件冲压加工的简易化，同时兼顾到维修简便性，即使发生撞车事故后，车身要易于修复。
上述这些都属于机械工程学的范畴。
2、其次是人机工程学要素。
因为汽车是由人驾驶的，所以必须保证安全性和舒适性。
首先应确保乘员的空间，保证乘坐舒适，驾驶方便，并尽量扩大驾驶员的视野。
此外，还要考虑上下车方便并减少振动。
这些都是设计车身外形时与人机工程学有关的内容。
3、以上两个要素决定了汽车的基本骨架，也可以说是来自汽车内部对车身设计的制约。
在确定汽车外形的时候，来自外部的制约条件即空气动力学要素则显得尤为重要，特别是近年来，由于发动机功率增大，道路条件改善，汽车的速度显著提高之后。
高速行驶的汽车，肯定会受到空气阻力。
空气阻力的大小，大致与车速的平方成比例增加。
因此，必须在车身外形上下工夫，尽量减少空气阻力。
空气阻力分为由汽车横截面面积所决定的迎风阻力和由车身外形所决定的形状阻力。
除空气阻力外，还有升力问题和横风不稳定问题。
这些都是与汽车造型密切相关的空气动力学问题。
4、当然，汽车并不仅仅是根据上述三要素制造的，还要考虑其他因素。
例如，商品学要素对汽车的设计就有一定的影响。
从制造厂商的角度出发，使汽车的外形能强烈刺激顾客的购买欲是最为有利的。
但是无视或轻视前面所述的三个基本要素，单纯取媚于顾客的汽车造型是不长久的，终究要被淘汰。
车辆空气动力学性能的优化与改进
车辆空气动力学性能的优化与改进随着汽车工业的发展，提高车辆的空气动力学性能已成为汽车设计和制造的重要任务。
优化车辆的空气动力学性能不仅可以提高车辆的燃油经济性和驾驶稳定性，还可以减少空气阻力带来的噪音和排放物的产生。
本文将探讨车辆空气动力学性能的优化与改进，包括车身外形设计、气动力学性能测试和改进方法等。
一、车身外形设计车身外形设计是优化车辆空气动力学性能的关键。
合理的车身外形可以降低空气阻力、改善空气流动，并减少车辆的风噪和能耗。
在车身外形设计中，需要注意以下几个方面：1.1 有效减小车身前面积：车辆的空气阻力主要来自于车身前方。
因此，通过减小车身前方的投影面积可以有效降低空气阻力。
一种常见的设计方法是采用抛物线形的车头，使得空气能够更加顺利地流经车身。
1.2 减小车辆底部的阻力：车辆底部的气流阻力也是影响车辆空气动力学性能的重要因素。
通常采用平滑的底盘设计和降低车身高度的方法来减小底部的阻力，以提高车辆的空气动力学性能。
1.3 优化后视镜和车轮设计：车辆的后视镜和车轮也会对空气动力学性能产生影响。
因此，在设计时需要注意选择较小、较光滑的后视镜，以及车轮罩和轮胎材料的选择，以减小车辆的空气阻力。
二、气动力学性能测试为了评估车辆的空气动力学性能和找出改进的方向，需要进行一系列的气动力学性能测试。
常用的测试方法包括：2.1 风洞测试：风洞测试是评估车辆空气动力学性能的主要方法之一。
在标准化的风洞环境中，可以模拟不同车速和风速下的空气流动，通过测量空气阻力、升力和侧力等参数，分析车辆的空气动力学性能。
2.2 道路试验：道路试验是通过在实际行驶条件下测量车辆的空气动力学性能。
这种测试方法能够提供更真实、更准确的数据，但在测试过程中会受到外界环境的干扰。
2.3 数值模拟：通过数值计算和模拟，可以预测车辆在不同工况下的空气动力学性能。
这种方法具有成本较低、操作灵活的优点，但需要进行相关的校准和验证。
三、改进方法根据气动力学性能测试的结果，可以采取以下方法来改进车辆的空气动力学性能：3.1 优化车身外形：根据测试结果和模拟计算，可以对车身外形进行优化设计。
汽车工程汽车设计的关键空气动力学原理
汽车工程汽车设计的关键空气动力学原理汽车工程中的空气动力学原理是汽车设计中不可忽视的重要因素之一。
通过研究和应用空气动力学原理，汽车设计师可以优化汽车的外形和气动效率，从而提高驾驶稳定性、燃油经济性和舒适性。
本文将介绍汽车设计中的一些关键空气动力学原理，并探讨其在汽车工程中的应用。
1. 气动阻力与流线型设计在汽车运行中，空气对汽车的阻力会对车辆的性能和燃油经济性产生重大影响。
通过流线型设计可以减少空气动力学阻力，提高汽车的行驶稳定性和燃油经济性。
流线型设计通常包括优化车身外形、减少凸出物以及调整车身线条等。
例如，将车身各部分设计为连续平滑的曲线，可以减少空气的湍流和阻力，降低燃油消耗。
2. 升力与下压力在高速运行的汽车中，产生的升力或下压力对操控性和稳定性至关重要。
升力会使车辆失去接地感，导致操控困难，而下压力则能增加车辆与地面的附着力，提高操控性能。
通过合理设计车身及其附件，可以调节升力与下压力的平衡，提高汽车的操控性。
例如，在赛车中常使用的大型扰流板和车底护板都是为了增加下压力，提供更好的操控性能。
3. 尾流管理汽车在行驶过程中会产生尾流，尾流的设计和管理可以减少阻力和噪音，并提高燃油经济性和舒适性。
通过在车辆尾部设计尾翼、尾部扰流器等装置，可以改变尾流的流动方向和速度分布，减少尾部负压区域的形成，从而减少阻力和噪音。
4. 空气进气与冷却汽车引擎需要充足的空气进入以实现高效燃烧和降低发动机温度。
合理设计空气进气系统和冷却系统可以提高发动机性能和可靠性。
例如，通过在前保险杠或车头设计进气口或进气格栅，可以引导大量冷凉空气进入发动机舱，降低温度。
另外，在车辆设计中还需要充分考虑冷却系统的布局和组件的散热性能，以确保发动机的正常运行。
5. 风噪与车内舒适性空气动力学原理在汽车设计中还有助于减少风噪和提高车内舒适性。
通过减少车身与空气之间的湍流和振动，可以降低风噪和噪音。
例如，在设计车窗、车门和车身密封件时，需要考虑如何减小风噪，提高乘坐舒适度。
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压力系数定义： CP =
P－P∞
ρV ∞2/2
；
可整理为： CP
=
1－
(
V V∞
)2
ＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。
表示方法
矢量法
坐标法
汽车空气动力学
2.汽车空气动力与空气动力矩
• 空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：
空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(Side Force)Ｓ。
• 将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为： 侧倾力矩(Rolling Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Moment) MY、横
摆力矩(Yow Moment) MZ。
空气动力的表达式
空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常 表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：
• 分离是产生在附面层 • 流体没有粘度，就没有附面层。 • 没有附面层，就不会产生气流分离现象。
• 汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部
等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称 为“气泡”( bubble)）。
1.空气动力学基础知识节
1.3 压力系数
定义
常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。
e e
1.空气动力学基础知识节
• 尾流区
在分离点后，是一不规则流动的 涡流区，总体上是静止不动的“死水 区”。物体向前运动时，它随之运动， 故称“尾流”。
尾流区内各点压力几乎相等，与 分离点处压力相同。
• 压差阻力(pressure drag )
在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面 小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体 在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。 • 影响气流分离的因素 • 压力梯度
• 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。 • 流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。
1.空气动力学基础知识节
文丘里效应(Venture Effect)：
流体经过狭窄通道时压力减小的现象。
发动机化油器喉管
同向行舟:
热水淋浴器:
吹纸条:
球浮气流：
1.空气动力学基础知识节
1.2 空气的粘滞性和气流分离现象
第四章——汽车外形设计与空气动力学
汽车受到的外力 路面作用力 空气动力 重力
前言
空气动力学对汽车性能的影响
• 对动力性的影响
• 影响高速时的加速性能; • 影响最高车速。
• 对燃油经济性的影响
对于CdA=0.8m2的轿车， v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力； v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力；
• 轿车的横截面积分布和气流压力梯度
1.空气动力学基础知识节
气流分离现象(flow separation)
当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压 梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面 层内，流动尤为困难。
P 在物面法向速度梯度为零( Y Y=0=0 )时，气流开始分离。靠近物面 的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与 物面隔开。
只有在逆压梯度条件下才会产生分离。 逆压梯度越大，越易分离。 • 流态
紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。
1.空气动力学基础知识节
• 减小形状阻力的措施 • 降低逆压梯度 减缓物体背流面的截面变化，使分离 点（分离线）向后移，减小尾流区。 • 增大紊流度 增大物面的粗糙度。
令
CL X C Cd ZC lCMY
则
V 2 M Y CMY 2 Al
一般取汽车的轴距作为特征长度l 。
类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为
MX
汽车空气动力学
1.1 连续性方程和伯努利方程(Bernoulli’s Law)
连续性方程
对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等， 即
ρ1V1A1= ρ2V2A2 = ······=常数 对于不可压缩流体（ρ1= ρ2 = ······=常数），有
V1A1= V2A2 = ······=常数 • 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中
附面层(boundary layer)
由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流 速较低的区域，即为附面层。
• 附面层随流程的增加而增厚。 • 附面层的流态由层流转捩为紊流。
1.空气动力学基础知识节
顺压梯度和逆压梯度
• 顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）
轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。
• 对安全性的影响
• 高速时的加速性能影响行车的安全； • 空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性； • 空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。
• 对汽车外观的影响 • 汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形； • 空气动力学影响着人们的审美观。
1.空气动力学基础知识
如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态， 说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车 身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风 阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这 种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。
V 2 D Cd • 2 • A
式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特 性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与
流速有关。
空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为
L
CL
•
V 2
2
•
A
V 2 S CY • 2 • A
2. 汽车空气动力与空气动力矩空气动力矩的表达式俯仰力矩
V 2 MY LX C DZ C (CL X C Cd ZC ) 2 A
的表现形式。 • 汽车周围的空气压力变化不大，可近似认
为空气密度不变。
1.空气动力学基础知识节
伯努利方程
对 于 不 可 压 缩 流 体 ， 有 ： mgz+mp/ρ+mV2/2= 常 数 即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。
当气体流速不太高时，密度ρ可视为不变，且气体的重 力很小，则 p/ρ+V2/2=常数 或 p+ρV2/2=常数 即静压 力与“动压力”之和为一常数。