汽车车身结构与设计-探究空气对车身的力和力矩

由伯努利定理可知，同一气流流线各点处的大气（环境）压力p和动压力pq之和为常数，此常数可由汽车远前方处的气流状态求得。如果各处的气流状态改变时，即流速口改变时，则该处的大气压力也必须改变，但动、静压力的总和保持常数。这个定律表明，空气在汽车周围实际流动过程中，会在汽车表面产生一独特的压力分布。

如果将汽车置于一个三维空间坐标中，将坐标原点取于轮距中心和轴距中心在地面投影的交点处，x向前为正，y向右为正，z向上为正。显然存在着如下力和力矩的作用。

如果将作用在汽车外表面上的压力合成，就得到作用在汽车上的合力F。这个合力是由于空气的相对运动而产生的，称为气动力。气动力作用在汽车上的作用点称为气动压力中心，简称气压中心，记作O D。气压中心O D在汽车的对称面内，一般情况下与汽车的质心O是不重合的。

为了方便起见，常把这个唯一的合力F转换到气压中心O D这一特殊点上。

气动力与空气速度的平方、迎风面积以及取决于车身形状的量纲为一的系数成正比，即

式中：A为汽车迎风面积；C为阻力系数，量纲为一。

将F分解便得到D、L、S各力。

作用在汽车上的沿x、y、z三个方向的气动力为

气动阻力

气动升力(www.xing528.com)

气动侧向力

式中，CD、CL、CS分别为气动阻力系数、气动升力系数和气动侧向力系数，都是量纲为一的量。

CD、CL、CS是汽车空气动力学中最重要的参数。它们主要取决于汽车外形及其表面状况，与汽车的迎风面积无关，是评价汽车空气动力学特性的主要指标。

如果把沿坐标x、y、z三个方向的气动力D、L、S从气压中心平移到质心上，则分别形成了纵倾力矩（或称俯仰力矩）PM、横摆力矩YM和侧倾力矩RM三个气动力矩，它们分别为

式中，L t为汽车的特征长度，一般指汽车轴距，这里L t=（C DZ C-C L X C）/C P M；X C、Z C分别为气压中心沿x轴与y轴方向到质心的距离；CP M为俯仰力矩系数，是量纲为一的量。

式中，CYM为横摆力矩系数，是量纲为一的量。

式中，CR M为侧倾力矩系数，是量纲为一的量。

CP M、CY M、CR M的大小与汽车的外部形状和质心位置有关，也反映了汽车的空气动力特性，是常用的汽车空气动力特性的评价指标。作用在汽车上的气动力矩主要影响汽车的操纵稳定性。