常可以看到路面上一些轻树叶或尘土被汽车尾流卷起沿着路面移动的情况。
如果将该流线形体后部伸入尾流区的部分截掉，则作用在其上的实际气动力合力并不改变。在轿车造型中的“短尾”造型方法，就是将隐入尾流区的车身切短，形成垂直于主轴线的后截面，使气流在同一截面上自然分离。尾流中主要是负压，系作用于后截面上的吸力，从而产生运动阻力。一般称后截面为“基面”。在设计中，应该设法使基面面积尽可能小，以使尾流负压值减小。
四、汽车底部的流谱
汽车在地面上行驶与飞机在空中的运动差异很大，这主要是由于汽车底部和地面之间气流的粘滞和干扰。进入汽车底部的气流可看作首先是以与汽车运动相反的方向相对于地面运动。然后，由于粘附到汽车底部上而随汽车一起运动。可见，车底的气流先是向后运动，当汽车驶过后，又向前运动。这种局部的阵风是一种分离气流，产生一种沿地面与汽车一起运动的“漩涡”。因此，汽车底部的流谱是一种相当复杂的、强烈的湍流，并对汽车的气动力影响很大。理论分析十分困难，常用试验方法来进行研究。一般认为，汽车底部和地面之间的气流状态受下列因素的影响：
1）地面和底部间的距离（离地间隙）。
2）车辆宽度、长度和高度之比以及车身造型。 3）底部的平稳程度。
4）地板的纵向曲率和横向曲率
五、汽车周围的涡系
飞机翼端在气流作用下，上表面流速快而形成低压；下表面流速慢而产生高压。这两个区域沿边缘相连接。气流在边缘上自然会由高压区向低压区流动，这种交叉流动构成了两股气流间的空气动力学干扰而产生旋转的空气运动，称为“涡漩”。
现代汽车的轮廓也可粗略地比作为一个翼展很短而厚度很大的机翼，因此在行驶中也会产生“涡漩“现象。在发动机罩和风窗玻璃转角处往往形成气流分离区。分离区中的气流运动是循环的，在适当的条件下会形成涡漩并向风窗玻璃边缘发展，在侧面气流作用下使涡漩增强并沿侧面后移发展成为尾涡。发动机罩和风窗玻璃的造型将影响涡漩的位臵和强度，同时，底部气流沿地板曲面流向侧面，也能与侧面气流形成另一个涡漩，并沿汽车侧面向后移动。上下两对涡漩互相作用和吸引，形成随汽车移动并附在汽车侧面的两对附着涡漩，并逐步合并成一对尾随涡漩。
在发动机后臵的轿车车尾开吸气孔，可借助发动机散热器的吸气来加速气流速度，也可
31
使涡流及分离现象减轻。改变车身侧面的形状，在后窗的两侧形成局部凸起使气流加速，以及采用由两侧后部的车内通风排气口所排出的气流来驱动车尾两侧的气流速度，也将起到同样的作用。
六、汽车的内部气流与表面压强分布
汽车的内部气流包括使发动机或制动器冷却气流及车厢内部通风气流两部分。内部气流对车外流谱有两个方面的影响：其一，由于一部分外部气流被引进车内而降低了外部气流作用于车身表面的压力。其二，外部气流在通过水箱、内部空气通道等处时，由于摩擦、涡流及漏气等而损失了动量。综合的结果出现了汽车的“内部气动阻力”。研究车内气流的目的在于如何恰当地引入外部气流以最有效地完成冷却、通风后再排出车外，并使气流的进出对整车气动性能的影响最小。
（一）车身的表面压强分布与车内的通风
车身表面压强的大小及分布与汽车内流组织息息相关，它是选定车身通风的进出口位臵及估计通风量的依据。
轿车一般将进风口设在发动机罩后部，出风口设在后窗柱下部。货车一般将进风口设在前围上部（平头车）或发动罩机后部（长头车），出风口设在后窗柱下部或后门柱侧面。
对大客车来说，进风口常设在前围及前风窗上部及在车顶开设顶窗进风，而出风口可设在后窗柱上。当然，车内通风还会受到车窗开闭的影响，所以对于不装进、排风扇及空调系统的汽车，在设计通风系统时，应进行综合考虑。
（二）发动机冷却
发动机冷却问题主要在于保证其散热效率。前臵发动机可以较好地利用汽车前部气流来散热。冷却气流可从前围面罩的格栅、保险杠上部与格栅下条之间的间隙，以及保险杠上的开口或保险杠下部的间隙中进入。
如何使汽车的阻力系数CD最小而又能使冷却效率最大，是目前各国研究的热门课题，其关键在于控制水箱气流入口面积与出口面积。
32
6-4 改善汽车空气动力性能的措施
为了保证小的空气阻力、升力和可靠的行驶稳定性，轿车的外形必然是在楔型的基础上不断改进；货车及各类厢式车辆，尤其是大型牵引挂车，它们巨大的车身一般为非流线型，要更换不仅费用极昂贵，有时根本不可能。解决办法是广泛使用各种减阻附加装臵。
一、汽车外形设计的局部优化
（一）车头部棱角圆化对阻力的影响
车头部棱角圆化可以防止气流分离和降低CD值。例如，将大客车车头整个流线型化的作用并不大，只需将其车头边角倒圆即可收到相当理想的结果。
（二）前风窗立柱及流水槽形状对阻力的影响
设在风窗玻璃与侧窗交接处的前风窗立柱，又称A立柱，正好在前方来流向两侧流动的拐角处。如A立柱的外形设计成直角形，则在拐角附近就会因产生气流分离而使阻力增加，故一般A立柱外形均设计成圆滑过渡形。但其上因制造、使用的原因，一般都有凹槽、凸面和小棱角，大多还有凸出的流水槽。
（三）车身后部形状对阻力的影响
不同的后车体形状因车后形成的尾涡不同而具有不同的阻力。试验表明，设计合理的快背式车具有较小的阻力和升力，方背式车具有中等程度的阻力和较低的升力，常见的有专门后行李舱的阶梯背形式，则阻力和升力均较大。后车体带有一定程度的横向收缩，有益于降低阻力，而过大的收缩则无必要。
（四）表面的光洁程度
如果车身能有一个连续光滑的表面，则可防止气流的分离而减小阻力。因此，从造型和结构上尽量使装在车外的附件（如刮水器、门把手、车灯等）隐入车身内，采用曲面玻璃并使它贴近车身表面，注意车身底部的光滑程度等，对于减小空气阻力都是有效的。对于必须设臵在车身外的附件，除应使其符合流线型外，应尽可能安装在低压区，并远离分离点，以避免导致气流的过早分离而造成附加阻力。
33
二、采用各种气动附加装臵
在汽车上安装各种气动附加装臵，也可以使汽车的气动性能得到明显的改善。 （一）前部扰流器
在轿车车头下部安装扰流器可使阻力系数和升力系数同时减小，当然，这需要选择合适的扰流器的高度和角度。
（二）后扰流器
在轿车车身后部设臵后扰流器的目的在于推迟涡流的产生、减弱涡流的强度并形成局部正压以降低阻力系数和升力系数。在后车体上是否需要装设扰流器，要视后车体的形状及在其上的具体气流流动状况而定。对具有平顺气流的快背形车，有可能起到较好的作用；对后窗框凸出的阶梯背车，由于气流早已分离，无需再在尾部装扰流板。方背式车有时在顶盖后缘装设扰流板，这有利于降低阻力与升力。有些车在下车体后部装设后下阻风板，可防止底部灰尘上卷以减少尘土沉积。
（三）导流罩
轿车的车体具有较简洁而完整的外形，而货车和大客车，尤其是半挂车等，车身形式繁多，在驾驶室和货厢之间还存在间隙，这些给降低风阻和改善气流增加了难度。目前多采用各种型式的导流罩及减阻装臵来加以解决。
导流罩和减阻装臵可分为三种基本类型： 1）减阻型，目的为降低燃油消耗。
2）调整压力分布型，目的在于改善气流状态，以利于发动机冷却及消除外观积垢。 3）改善气流，以降低风噪声和防止积存灰尘。
在货车、牵引车及半挂车上装臵导流罩及各种附加装臵，要取得综合最优效果，应进行优化组合。
（四）隔离装臵
隔离装臵是沿汽车中心线垂直地安装在牵引车和半挂车间的平板，如图6－38所示。该装臵可改善因侧向风引起的通过牵引车和半挂车间间隙的水平气流，并减少由于该气流而产生的在半挂车前面的气流分离。当它与导流罩连用时，可稳定导流罩的尾流，从而保证导流罩的效能。
三、外形设计的整体优化
局部优化和气动附加装臵都可部分地改进气动特性，取得良好的效果。但要使气动性能有较大的改变以达到更高的水平，则应当进行外形设计的整体优化，也就是将汽车空气动力学的各项研究成果及改进经验，系统地应用到整车外形设计中来。
汽车外形的空气动力学开发程序可归纳为：
1）将完成初期造型的多个缩尺模型方案，按空气动力学的基本要求进行初期风洞试验，以用于选型；将选定的模型进行空气动力学修改后再进行风洞试验，如此反复多次优选直至定型。
2）按定型方案制成1：1模型，并装上刮水器、后视镜等各种附件后再进行风洞试验予以改进。
3）按改进后的模型制作样车，并完成最终的整车风洞试验。
34
第七章 车体结构分析与设计
7-1概 述
进行轿车车身结构设计，必须有效地处理以下各设计要素，即车身强度、刚度、安全性、轻量、耐久、密封、结构功能、材料、制造工艺及成本等，从而保障车身的使用性能和可制造性。现代轿车车身结构设计将轻量化、高刚性和高强度、安全性、新材料应用、耐腐蚀性、舒适性等性能特征作为车身技术发展方向已充分体现在汽车产品中，而应用计算机进行车身结构设计解析分析，解决车身结构强度、刚度、应力、应变、振动、噪声等结构设计问题，以及采用高强度钢板、表面处理钢板和纤维增强复合材料制造车身，是现代轿车车身开发设计的重要技术手段之一。
一、车身结构强度、刚度和轻量化
车身强度是指在发生碰撞等对车身施加很大外力时车身不容易被损坏的能力。
车身刚度是指在车辆的使用中受到不至于损坏车身的一般外力时车身不容易变形的能力。
强度不足的后果是车身发生开裂、断裂、塑变及压清等，使车身丧失使用功能；刚度不足的车身在使用中会发生吱吱声和高频振动声，车身开口部位发生变形，导致车门开闭困难、密封性下降。甚至车身刚度不足会影响车辆高速转弯时的稳定性。由此可见，车身结构要有必要的强度和刚度。
车身强度和刚度不是同一概念，但一般来讲，强度高的车身刚度也好，在行驶中受到各种外力的变形小。
轻量化的目的首先是节能，即减轻整车质量以降低燃油消耗，其次是降低成本。车身结构轻量化设计一般采用以下两种方法：
（1）消除多余的质量；（在把握住车身结构部件所具有的强度水平的基础上）； （2）变更车身部件使用的材料。
应用计算机解析车身结构，优化结构设计非常重要，由于使用了高强度钢板，部件强度得到了保障，也符合轻量化设计要求，但材料的拉伸弹性模量并没有多大的变化，因而会导致刚度的降低，所以必须靠车身部件的形状设计来保证应有的刚度。现代轿车车身结构设计首要的是应使其质量尽可能轻，而且必须保证刚度和强度的要求。
二、强度与安全性
车身安全性最重要的一点就是如何在发生碰撞时吸收冲击能量，保证必要的乘员生存空间，基于此点，车身结构设计并不是整体越牢固越好。车身前、后部分结构具有适当的柔性，以使在发生前、后碰撞时被撞毁变形而吸收能量，从安全性考虑是非常重要的。而汽车发生横向碰撞时，没有多余的空间来毁坏变形以吸收冲击能，因此，车身该部分结构必须牢固，现代轿车结构设计中车门带有牢固的加强梁是广泛采用的措施。
三、材料、耐久性与成本
低成本是车身结构设计必须考虑的问题。采用新型车身材料，可能有利于轻量化的要求，车身防腐蚀性也能有效改善，但材料的成本可能会增大，这一点必须要关注。或者采用的新型材料本身是廉价的，但需要收集有关此材料的强度特性数据，验证它是否能满足使用要求，以及做相应的生产设备的更新。结果，使用此材料包括试验费用和设备投资等在内的总成本并没有降下来。如果以大批量生产为前提上述情况又可以预期能降低成本。
从车身耐久性考虑，使用防腐性能好的材料，能减小腐蚀裕量，也是轻量化的一条途径。而选用高强度钢板来达到轻量化油于板厚减薄，降低了腐蚀裕量，可能会影响使用寿命，因此又要求提高结构的防腐措施，合理处理轻量、耐久性与强度的要求。
车身结构设计的会要素是相互矛盾而并存的，设计中一味追求某一方都会造成浪费或结构的不合理。车身强度试验的目的就在于制造出低成本的，又能符合性能要求的轻量化车身
35