土木工程学院 土木工程0902班
王丹 [1**********]
空气动力学与汽车造型
摘要：空气动力学与汽车造型息息相关，在不断追求速度的现代汽车产业中，空气动力学成为人们不得不重视的因素。因为，空气动力对汽车速度有着很大的影响，若要使汽车速度达到极致，就必须使空气动力发挥其不可替代的作用。从汽车造型的发展史中不难看出人们对空气动力学的运用越来越熟练，越来越完美。
关键词：汽车造型 空气动力学
空气动力学在汽车造型中的应用很广泛，也是至关重要的。通过分析空气动力学对汽车的影响，极大的推动了汽车造型的发展，同时汽车造型的发展也促进空气动力学的进步。这两者之间，相互促进，相互依靠，共同为彼此的提升提供依据。
引言：汽车在行驶的时候受到空气的作用，为了使汽车能更快的行驶，人们渐渐的提出空气动力学。汽车空气动力学主要是应用流体力学知识，研究汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用，以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。
从汽车的发展史来看，从福特T型厢式车身到甲壳虫型车身，再到船型车身，在发展到楔形车身，一直到现在的轿车车身，每一种车身外形的出现，都不是某一时期工业设计的产物，而是伴随着现代
空气动力学技术的进步发展而来的。
空气动力学在车身中随处可见。大致可以从五大方面来说。
一.轿车前部
车头造型对气动阻力影响因素很多，主要有：车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小、格栅形状等。
• 车头边角的影响：车头边角主要是车头上缘边角和横向两侧边角。 • 对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区。
• 车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区。 • 车头形状的影响
• 整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。
• 车头高度的影响
• 头缘位置较低的下凸型车头气动阻力系数最小。但不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化。
• 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。
• 车头下缘凸起唇的影响
• 增加下缘凸起唇后，气动阻力变小。减小的程度与唇的位置有关。 • 发动机罩与前风窗的影响
• 发动机罩的三维曲率与斜度。
二、轿车客舱
1. A 柱
• 前立柱上的凹槽、小台面和细棱角，处理不当，将导致较大的气动阻力和较严重的气动噪声和测窗污染。应设计成圆滑过渡的外形。
2. 侧壁
• 轿车侧壁略有外鼓， 将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数。 但外鼓系数（外鼓尺寸与跨度之比）应避免在 0.02~0.04 之间。
3. 顶盖
• 综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度、强度等方面的因素，顶盖的上扰系数（上鼓尺寸与跨度之比）应在 0.06 以下。
4. 客舱长度
• 对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由 0.93 增至 1.17 ，会较大程度的减小气动升力系数。
三、轿车尾部
车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度、尾部横向收缩。
1. 后风窗斜度
• 后风窗斜度（后风窗弦线与水平线的夹角）对气动阻力影响较大， 对斜背式轿车，斜度等于 30 0 时，阻力系数最大；斜度小于 30 0 时，阻力系数较小。
• 后挡风玻璃的倾斜角控制在 25 度之内。
• 尾窗与车顶的夹角介于 28 至 32 度时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。
2. 尾部造型式样
• 典型的尾部造型有斜背式、阶背式、方（平）背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切的断言或部造型式样的优劣。但从理论上说，小斜背（角度小于 30 0 ）具有较小的气动阻力系数。
3. 车尾高度
• 流线型车尾的轿车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小。此高度需要根据具体车型以及结构要求而定。
4. 后车体的横向收缩
• 一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数的增加。收缩程度受具体车型而定。
5. 车尾形状
• 车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力 。
四、轿车底部
1. 车身底部离地高度
• 一般虽车身底部离地高度的增加气动阻力系数上升，但高度过小，将增加气动升力，影响操作稳定性及制动性。另外离地高度的确定还要考虑汽车的通过性与汽车中心高度。
2. 车身底部纵倾角
• 车身底部纵倾角对气动阻力影响较大，纵倾角越大，气动阻力系数越大，故底板应尽量具有负的纵倾角。
• 将汽车底板做成前底后高的形状对减小气动升力有用。
3. 车身底板的曲率
• 纵向曲率：适度的纵向曲率可以减小压差阻力。
• 横向曲率：适度的横向曲率可以减小气动升力。
最佳曲率视具体车型而定。
4. 扰流器对气动阻力的影响
• 前扰流器（车底前部）：适当的前扰流器高度和位置对减小气动阻力非常重要。
• 后扰流器（车尾上部） : 后扰流器的形状尺寸和安装位置对减小气动阻力和气动升力也是非常重要。但后扰流器对于气流到达扰流器之前就已分离的后背无效。
五、减小气动升力的附加装置
1. 扰流器
• 前扰流器：前扰流器的位置和大小对气动升力至关重要。目前多采用将前保险杠位置下移并加装车头下缘凸起唇以起到前扰流器的作用。
• 后扰流器：通过对流场的干涉，调整汽车表面压强分布，以达到减小气动升力的目的。
• 车体尾部增加后扰流器
• 天线外形设计成扰流器，装在后风窗顶部。
2. 负升力翼 — 主要用于赛车
• 前负升力翼：用于产生汽车前部的负升力，从而改善汽车转向轮
的附着性能，还可以部分平衡由负升力翼引起的车头上仰力矩的影响。
影响因素有：
（ 1 ）离地高度 --- 越小越好
（ 2 ）攻角 --- 攻角必须为负，且绝对值越大越好
（ 3 ）形状
• 后负升力翼：产生汽车后部负升力，改善汽车驱动轮的附着性能，提高汽车的加速性和制动性。后翼板的长、宽、高应控制在 1000mm 、 500mm 、 800mm 内。
影响因素有：
（ 1 ）离地高度 ---
（ 2 ）断面形状与角度 ---
（ 3 ）支架 ---
（ 4 ）端板 --- （目前跑车的后负升力翼设计的发展趋势是将来后负升力翼与跑车侧后围高度融合在一起。
六、车轮对气动力的影响（被轮腔覆盖车轮的影响）
1. 车轮 - 轮腔的特性参数（被轮腔所覆盖的车轮高度 h 与车轮直径
D 的比值） h/D 对气动力的影响：
• h/D
• h/D 〉 0.75 后，气动阻力系数又会回升。
2. 车轮宽度的影响
• 适度的加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。
3. 车轮对负升力翼的影响
• 翼面前后、上下相对车轮的位置对气动力有很大的影响。
车身的外形是汽车给人们的第一外观印象，是人们评价汽车的最直接方面。汽车造型既是科学又是艺术。李政道教授认为， “科学和艺术是不可分割的。它们共同的基础是人类的创造力，它们追求的目标都是真理的普遍性”。随着时代的发展和社会的进步，人们对汽车车身的审美要求不断提高，追求舒适性、个性化已成为一种时尚。汽车空气动力学是与汽车造型以及舒适性密切相关的，通过本方向的研究，解决汽车造型设计、汽车气动特性设计中的关键基础理论和方法问题，以及由于安全法规和舒适性要求带来的外形设计问题，融人、车、环境系统于一体，结合工业设计的最新理念和现代CAD技术，使汽车产品的外形和舒适性达到更高层次，满足市场对个性化车型的大量需求，对形成我国汽车造型自主开发能力具有极大的理论和实践意义。
车身造型作为汽车的一个重要环节，收到各行各界的关注。现代科技的发展，为车身造型实现空气动力性最优化提供了有力保证。同时 ,新材料、新工艺在汽车车身上的应用 ,使汽车制造者以较少的投资实现产品的小批量 ,多梯化成为可能。面对日趋激烈的市场竞争 ,在充分满足空气动力性要求的前提下 ,车身造型更注重视觉效果 ,显现出艺术化、多样化和个性化的发展趋势 ,一辆辆美仑美奂的
车型应运而生 ,或激烈浪漫 ,或古典含蓄 ,或粗犷豪放 ,最大限度地满足不同年龄、不同层次的购车族的要求。可以预见 ,随着汽车技术的发展及个性化消费时代的到来 ,未来汽车的造型将更为平滑、流畅 ,富有个性。
参考文献：（1）《空气动力学基础》 《空气动力学》
2）《现代汽车造型》 《汽车造型设计概论》（
土木工程学院 土木工程0902班
王丹 [1**********]
空气动力学与汽车造型
摘要：空气动力学与汽车造型息息相关，在不断追求速度的现代汽车产业中，空气动力学成为人们不得不重视的因素。因为，空气动力对汽车速度有着很大的影响，若要使汽车速度达到极致，就必须使空气动力发挥其不可替代的作用。从汽车造型的发展史中不难看出人们对空气动力学的运用越来越熟练，越来越完美。
关键词：汽车造型 空气动力学
空气动力学在汽车造型中的应用很广泛，也是至关重要的。通过分析空气动力学对汽车的影响，极大的推动了汽车造型的发展，同时汽车造型的发展也促进空气动力学的进步。这两者之间，相互促进，相互依靠，共同为彼此的提升提供依据。
引言：汽车在行驶的时候受到空气的作用，为了使汽车能更快的行驶，人们渐渐的提出空气动力学。汽车空气动力学主要是应用流体力学知识，研究汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用，以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。
从汽车的发展史来看，从福特T型厢式车身到甲壳虫型车身，再到船型车身，在发展到楔形车身，一直到现在的轿车车身，每一种车身外形的出现，都不是某一时期工业设计的产物，而是伴随着现代
空气动力学技术的进步发展而来的。
空气动力学在车身中随处可见。大致可以从五大方面来说。
一.轿车前部
车头造型对气动阻力影响因素很多，主要有：车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小、格栅形状等。
• 车头边角的影响：车头边角主要是车头上缘边角和横向两侧边角。 • 对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区。
• 车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区。 • 车头形状的影响
• 整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。
• 车头高度的影响
• 头缘位置较低的下凸型车头气动阻力系数最小。但不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻力系数不再变化。
• 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。
• 车头下缘凸起唇的影响
• 增加下缘凸起唇后，气动阻力变小。减小的程度与唇的位置有关。 • 发动机罩与前风窗的影响
• 发动机罩的三维曲率与斜度。
二、轿车客舱
1. A 柱
• 前立柱上的凹槽、小台面和细棱角，处理不当，将导致较大的气动阻力和较严重的气动噪声和测窗污染。应设计成圆滑过渡的外形。
2. 侧壁
• 轿车侧壁略有外鼓， 将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数。 但外鼓系数（外鼓尺寸与跨度之比）应避免在 0.02~0.04 之间。
3. 顶盖
• 综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度、强度等方面的因素，顶盖的上扰系数（上鼓尺寸与跨度之比）应在 0.06 以下。
4. 客舱长度
• 对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由 0.93 增至 1.17 ，会较大程度的减小气动升力系数。
三、轿车尾部
车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度、尾部横向收缩。
1. 后风窗斜度
• 后风窗斜度（后风窗弦线与水平线的夹角）对气动阻力影响较大， 对斜背式轿车，斜度等于 30 0 时，阻力系数最大；斜度小于 30 0 时，阻力系数较小。
• 后挡风玻璃的倾斜角控制在 25 度之内。
• 尾窗与车顶的夹角介于 28 至 32 度时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。
2. 尾部造型式样
• 典型的尾部造型有斜背式、阶背式、方（平）背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切的断言或部造型式样的优劣。但从理论上说，小斜背（角度小于 30 0 ）具有较小的气动阻力系数。
3. 车尾高度
• 流线型车尾的轿车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小。此高度需要根据具体车型以及结构要求而定。
4. 后车体的横向收缩
• 一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数的增加。收缩程度受具体车型而定。
5. 车尾形状
• 车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力 。
四、轿车底部
1. 车身底部离地高度
• 一般虽车身底部离地高度的增加气动阻力系数上升，但高度过小，将增加气动升力，影响操作稳定性及制动性。另外离地高度的确定还要考虑汽车的通过性与汽车中心高度。
2. 车身底部纵倾角
• 车身底部纵倾角对气动阻力影响较大，纵倾角越大，气动阻力系数越大，故底板应尽量具有负的纵倾角。
• 将汽车底板做成前底后高的形状对减小气动升力有用。
3. 车身底板的曲率
• 纵向曲率：适度的纵向曲率可以减小压差阻力。
• 横向曲率：适度的横向曲率可以减小气动升力。
最佳曲率视具体车型而定。
4. 扰流器对气动阻力的影响
• 前扰流器（车底前部）：适当的前扰流器高度和位置对减小气动阻力非常重要。
• 后扰流器（车尾上部） : 后扰流器的形状尺寸和安装位置对减小气动阻力和气动升力也是非常重要。但后扰流器对于气流到达扰流器之前就已分离的后背无效。
五、减小气动升力的附加装置
1. 扰流器
• 前扰流器：前扰流器的位置和大小对气动升力至关重要。目前多采用将前保险杠位置下移并加装车头下缘凸起唇以起到前扰流器的作用。
• 后扰流器：通过对流场的干涉，调整汽车表面压强分布，以达到减小气动升力的目的。
• 车体尾部增加后扰流器
• 天线外形设计成扰流器，装在后风窗顶部。
2. 负升力翼 — 主要用于赛车
• 前负升力翼：用于产生汽车前部的负升力，从而改善汽车转向轮
的附着性能，还可以部分平衡由负升力翼引起的车头上仰力矩的影响。
影响因素有：
（ 1 ）离地高度 --- 越小越好
（ 2 ）攻角 --- 攻角必须为负，且绝对值越大越好
（ 3 ）形状
• 后负升力翼：产生汽车后部负升力，改善汽车驱动轮的附着性能，提高汽车的加速性和制动性。后翼板的长、宽、高应控制在 1000mm 、 500mm 、 800mm 内。
影响因素有：
（ 1 ）离地高度 ---
（ 2 ）断面形状与角度 ---
（ 3 ）支架 ---
（ 4 ）端板 --- （目前跑车的后负升力翼设计的发展趋势是将来后负升力翼与跑车侧后围高度融合在一起。
六、车轮对气动力的影响（被轮腔覆盖车轮的影响）
1. 车轮 - 轮腔的特性参数（被轮腔所覆盖的车轮高度 h 与车轮直径
D 的比值） h/D 对气动力的影响：
• h/D
• h/D 〉 0.75 后，气动阻力系数又会回升。
2. 车轮宽度的影响
• 适度的加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。
3. 车轮对负升力翼的影响
• 翼面前后、上下相对车轮的位置对气动力有很大的影响。
车身的外形是汽车给人们的第一外观印象，是人们评价汽车的最直接方面。汽车造型既是科学又是艺术。李政道教授认为， “科学和艺术是不可分割的。它们共同的基础是人类的创造力，它们追求的目标都是真理的普遍性”。随着时代的发展和社会的进步，人们对汽车车身的审美要求不断提高，追求舒适性、个性化已成为一种时尚。汽车空气动力学是与汽车造型以及舒适性密切相关的，通过本方向的研究，解决汽车造型设计、汽车气动特性设计中的关键基础理论和方法问题，以及由于安全法规和舒适性要求带来的外形设计问题，融人、车、环境系统于一体，结合工业设计的最新理念和现代CAD技术，使汽车产品的外形和舒适性达到更高层次，满足市场对个性化车型的大量需求，对形成我国汽车造型自主开发能力具有极大的理论和实践意义。
车身造型作为汽车的一个重要环节，收到各行各界的关注。现代科技的发展，为车身造型实现空气动力性最优化提供了有力保证。同时 ,新材料、新工艺在汽车车身上的应用 ,使汽车制造者以较少的投资实现产品的小批量 ,多梯化成为可能。面对日趋激烈的市场竞争 ,在充分满足空气动力性要求的前提下 ,车身造型更注重视觉效果 ,显现出艺术化、多样化和个性化的发展趋势 ,一辆辆美仑美奂的
车型应运而生 ,或激烈浪漫 ,或古典含蓄 ,或粗犷豪放 ,最大限度地满足不同年龄、不同层次的购车族的要求。可以预见 ,随着汽车技术的发展及个性化消费时代的到来 ,未来汽车的造型将更为平滑、流畅 ,富有个性。
参考文献：（1）《空气动力学基础》 《空气动力学》
2）《现代汽车造型》 《汽车造型设计概论》（