汽车气动升力的原理-汽车工程应用力学

流线形轿车的车身外形与翼展很短的翼机相仿，我们借助翼型升力的产生来理解轿车气动升力产生的原理。

由伯努利定理可知，如果流体的动压强增加，其静压强必定减小。机翼就是利用压强变化来产生动力（升力）的一种装置，如图5-102所示。假定空气不可压缩和具有连续性，空气微团在翼型前端驻点处同时向上、下表面分流，而在绕过上、下表面来到末端时又必须同时汇合；而且通过前端横截面的空气量要等量地通过后端横截面。这样一来，空气微团流经路径较长的上表面的速度必然要比下表面的快些，上表面的静压强下降要比下表面的大些，从而在上、下翼面之间产生了压力差。上、下翼面压力分布的合力R有一个方向垂直向上的分力，这个垂直向上的分力F_zi就是气动升力。以上所述就是机翼产生升力的基本原理。

当气流流经翼剖面较厚之处时由于曲率较大，速度增加，静压强下降，使得流管缩小变密；当气流流至后部时由于曲率变小，速度减慢，静压强增大，使得流管得以扩张，间距变大。

图5-102 短机翼产生气动升力的原理

图5-103 翼型迎角与气动升力系数的关系

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图5-104 与来流方向一致的翼剖面

根据伯努利定理，气流的动能可以转化为静压，静压作用在物体表面上便产生压力，表现为下压力或上压力（升力），其大小由气流的动压值来决定，但转化效率与物体的轮廓形状有关，还与物体在气流中的相对位置有关，即与弦角的大小有关。翼型的前缘点与后缘点的连线称为翼型的弦线。弦线与气流方向的夹角称为迎角（α）。若弦线呈前高后低，则规定迎角为正。翼型迎角与气动升力系数的关系如图5-103所示。一定值的负迎角，翼型的气动升力系数最小，若从这迎角值逐渐增大，气动升力亦逐渐增大；当迎角增大到某一值以后，气动升力反而呈下降趋势。当翼剖面形状与来流方向相一致时（如图5-104所示），翼型所产生下压力的效果最好。

汽车的侧视投影轮廓形状与翼型相仿，上面向上弯凸，下面基本平直，气流在上、下表面所形成的压力差也对汽车作用有一个气动升力。这个气压差来自两方面的原因：一是气流流经汽车上、下表面路径是上长下短，速度是上快下慢，所产生的静压是上低下高；二是由于汽车贴地行驶，受地面效应的影响，对底部气流造成一定程度的堵塞，致使气流速度下降，静压增大。

汽车前、后端面形心的连线就是弦线。同理，要使汽车的气动升力小，就必须减小汽车的迎角。现代轿车的整车造型都使弦线前低后高，迎角为负值。如图5-105所示，方背式轿车（图5-105b）的后端面形心位于比直背式轿车（图5-105a）的高，迎角较小（较大负值），所以它的气动升力系数比直背式轿车的小。现代楔形轿车都具有较小的迎角α。

图5-105 轿车翼型与迎角α

a）斜背式轿车 b）方背式轿车