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汽車中的力學(xué)知識

以“汽車中的力學(xué)知識”寫一篇文章，1000字以上。: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-06-04

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空氣動力學(xué)簡介空氣動力學(xué)是流體力學(xué)的一個分支，是研究空氣或其他氣體的運(yùn)動規(guī)律，空氣或其他氣體與飛行器或其他物體發(fā)生相對運(yùn)動時的相互作用和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化的學(xué)科。它是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上隨航空航天技術(shù)的發(fā)展而形成的一門學(xué)科。空氣動力學(xué)的研究內(nèi)容根據(jù)空氣與物體的相對速度是否小于約100米/秒(即時速360公里/小時，注，也有根據(jù)時速400公里為界來劃分的)，可分為低速空氣動力學(xué)和高速空氣動力學(xué)，前者主要研究不可壓縮流動，后者研究可壓縮流動。F1賽車的研究的內(nèi)容便屬于前者。此外，根據(jù)是否忽略粘性，還可分為理想空氣動力學(xué)和粘性空氣動力學(xué)。 F1空氣動力學(xué)研究的目的與核心手段在F1中，空氣動力學(xué)研究的核心目的是在保證賽車獲得足夠下壓力的情況下?lián)碛凶钚〉目諝庾枇Γ蕴岣哔愜嚨乃俣群透咚傩旭偟姆€(wěn)定性，所有為空氣動力學(xué)服務(wù)的部件被稱為空氣動力學(xué)套件。據(jù)專家統(tǒng)計，目前F1車隊在空氣動力學(xué)上的花費(fèi)已占到其整個車隊年度預(yù)算的15%，是僅次于發(fā)動機(jī)研發(fā)的第二大支出項目。在這一筆巨大花費(fèi)中，其中相當(dāng)部分投資于風(fēng)洞建造和測試。風(fēng)洞 (Wind Tunnel)是一個大型隧道或管道，在管道的中間，安裝有一臺巨型電扇，它可產(chǎn)生強(qiáng)勁的力流，經(jīng)格柵等裝置整理減少渦流后送入實(shí)驗(yàn)段，吹動放置在其中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?現(xiàn)代風(fēng)洞的主要作用是將賽車模型放在內(nèi)部的鋼鐵傳送帶上模擬賽車在路面上的各種情況。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，巨大碳纖維風(fēng)扇極限轉(zhuǎn)速可以達(dá)到600轉(zhuǎn)/分，驅(qū)動引擎的峰值功率更可達(dá)到讓人咋舌的4000匹馬力。如此強(qiáng)大的動力可以在30秒內(nèi)將靜止的空氣加速到300公里/小時，此時托起賽車模型的傳送帶則模擬賽車在比賽中的各種路況和車身姿態(tài)，最大限度保證模擬的真實(shí)性和有效性。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以準(zhǔn)確地檢測到賽車在路面上受到各種因素干擾時的狀況。這種模擬可以將賽車空氣動力學(xué)部件的精度提高30%。如今，領(lǐng)先的F1車隊都不惜巨資(一套現(xiàn)代化的F1風(fēng)洞造價高達(dá)4500萬美元以上)，建設(shè)自己專屬的風(fēng)洞，以便及時和準(zhǔn)確地研究賽車的氣動效果，改進(jìn)賽車的氣動套件，獲得克敵制勝的殺手锏。 F1空氣動力學(xué)研究最核心的三個方面在空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，工程師們最關(guān)注的主要是三個方面的內(nèi)容:下壓力、阻力和靈敏性(敏感度)。巨大的下壓力可以提高賽車的過彎極限，但是在理想狀態(tài)下，下壓力的增加不應(yīng)當(dāng)帶來賽車阻力的增加，但是不可避免的卻會犧牲賽車的部分極速。賽車的空氣動力學(xué)靈敏性(敏感度)則是指賽車的狀態(tài)性能對于空氣動力學(xué)環(huán)境改變時自身變化的強(qiáng)弱，例如由不平整的賽道路面帶來的賽車翼片以及底盤和路面距離之間的頻繁變化時，賽車性能所受到的干預(yù)強(qiáng)弱。 F1空氣動力學(xué)逆流而上每個賽季，國際汽聯(lián)都會對空氣動力學(xué)規(guī)則做出修改。2004年，賽車的尾翼被減至兩片，2005年，前翼高度抬高5厘米，首次限制擴(kuò)散器高度;2006年，F(xiàn)IA又要求前輪軸心之后330毫米以內(nèi)，參考面30毫米以上的區(qū)域不得安裝任何空氣動力學(xué)套件。雖然FIA不斷為技術(shù)發(fā)展設(shè)置障礙，但是F1賽車速度的提高從來就沒有停止過，這正是空氣動力學(xué)的研究價值。 F1賽車的空氣動力學(xué)套件雖然一級方程式賽車是一種高速汽車，但在機(jī)械概念上卻較接近噴射機(jī)，而非家庭房車。它們巨大的雙翼不但具用商業(yè)廣告牌的作用，同時還可以產(chǎn)生至關(guān)重要的「下壓力」。這種空氣動力會使流經(jīng)汽車上方的氣流將車身向下壓，使車子緊貼在車道上。相反地，飛機(jī)則是利用巨大的雙翼產(chǎn)生「上升力」。將車身壓在車道上可使輪胎獲得更大的抓地力，進(jìn)而在彎道時產(chǎn)生更快的加速度。由于一般普通房車沒有下壓力，因此甚至無法產(chǎn)生1G(一個重力單位)轉(zhuǎn)彎力。一級方程式賽車能產(chǎn)生4個G的轉(zhuǎn)彎力。在時速230公里時的狀況下，F(xiàn)1賽車上方氣流產(chǎn)生的下壓力足以使它在隧道里沿著隧道的底部行走。在設(shè)計當(dāng)今一級方程式賽車的過程中，扮演重要角色的空氣動力學(xué)家正面臨著一個基本的挑戰(zhàn):如何在產(chǎn)生下壓力的同時不增加空氣阻力。這正是汽車必須克服的問題。在汽車空氣動力設(shè)計的過程中，風(fēng)洞扮演著重要的角色。進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時，通常先制作一半體積的模型，而風(fēng)洞就像一個巨大的吹風(fēng)機(jī)，將空氣吹向靜止的模型。雖然這個吹風(fēng)機(jī)的價格非常昂貴，但幾家車隊仍然編列四千九百萬美元的預(yù)算，將在該車隊新建的銀石(Silverstone)工廠建造一個風(fēng)洞。空氣動力可以根據(jù)不同賽車場的特征而調(diào)整。較直的跑道需要較低的下壓力設(shè)定值，如此可減少阻力，并且有助于賽車提高極速。較曲折的車道需要較高的下壓力設(shè)定值，如此可令賽車的極速降低。例如，在曲折的Hungaroring車道上，賽車很難達(dá)到300km/h的速度，但在Hockenheimring車道上，車速可以超過350km/h。轎車造型與空氣動力學(xué) 空氣阻力眾所周知，車速越快阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，會增加汽車燃油消耗量或嚴(yán)重影響汽車的動力性能。據(jù)測試，一輛以每小時100公里速度行駛的汽車，發(fā)動機(jī)輸出功率的百分之八十將被用來克服空氣阻力，減少空氣阻力，就能有效地改善汽車的行駛經(jīng)濟(jì)性，因此轎車的設(shè)計師是非常重視空氣動力學(xué)。在介紹轎車性能的文章上經(jīng)常出現(xiàn)的“空氣阻力系數(shù)”就是空氣動力學(xué)的專用名詞之一，也是衡量現(xiàn)代轎車性能的參數(shù)之一。空氣阻力系數(shù) 汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產(chǎn)生縱向，側(cè)向和垂直等三個方向的空氣動力量，對高速行駛的汽車都會產(chǎn)生不同的影響，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力，大約占整體空氣阻力的百分之八十以上。它的系數(shù)值是由風(fēng)洞測試得出來的，與汽車上的合成氣流速度形成的動壓力有密切關(guān)系。當(dāng)車身投影尺寸相同，車身外形的不同或車身表面處理的不同而造成空氣動壓值不同，其空氣阻力系數(shù)也會不同。由于空氣阻力與空氣阻力系數(shù)成正比關(guān)系，現(xiàn)代轎車為了減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力系數(shù)。從50年代到70年代初，轎車的空氣阻力系數(shù)維持在0.4至0.6之間。70年代能源危機(jī)后，各國為了進(jìn)一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低空氣阻力系數(shù)，現(xiàn)在的轎車空氣阻力系數(shù)一般在0.28至0.4之間。轎車外形設(shè)計為了減少空氣阻力系數(shù)，現(xiàn)代轎車的外形一般用圓滑流暢的曲線去消隱車身上的轉(zhuǎn)折線。前圍與側(cè)圍、前圍、側(cè)圍與發(fā)動機(jī)罩，后圍與側(cè)圍等地方均采用圓滑過渡，發(fā)動機(jī)罩向前下傾，車尾后箱蓋短而高翹，后冀子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采用大曲面玻璃，且與車頂園滑過渡，前風(fēng)窗與水平面的夾角一般在25度-33度之間，側(cè)窗與車身相平，前后燈具、門手把嵌入車體內(nèi)，車身表面盡量光潔平滑，車底用平整的蓋板蓋住，降低整車高度等等，這些措施有助于減少空氣阻力系數(shù)。在80年代初問世的德國奧迪100C型轎車就是最突出的例子，它采用了上述種種措施，其空氣阻力系數(shù)只有0.3，成為當(dāng)時商業(yè)化轎車外形設(shè)計的最佳典范。據(jù)試驗(yàn)表明，空氣阻力系數(shù)每降低百分之十，燃油節(jié)省百分之七左右。曾有人對兩種相同質(zhì)量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(shù)(分別是0.44和0.25)的轎車進(jìn)行比較，以每小時88公里的時速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7公升。考察轎車車形的發(fā)展史，從本世紀(jì)初的福特T型箱式車身到30年代中型的甲蟲型車身，從甲蟲型車身到50年代的船型車身，從船型車身到80年代的楔型車身，直到今天的轎車車身模式，每一種車身外形的出現(xiàn)，都不是某一時期單純的工業(yè)設(shè)計的產(chǎn)物，而是伴隨著現(xiàn)代空氣動力學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展的?？諝庾枇ο禂?shù)在過去的轎車手冊中從未出現(xiàn)過，今天則是介紹轎車的常用術(shù)語之一，成為人們十分關(guān)注的一種參數(shù)了。導(dǎo)流板與擾流板現(xiàn)代轎車的經(jīng)常時速已達(dá)100公里左右，最高時速更達(dá)200公里以上，因此轎車的車身設(shè)計既要服從空氣動力學(xué)，要有盡量低的空阻系數(shù)，又要采取措施，在車身的前后端安裝導(dǎo)流板和擾流板，以保證轎車的行駛安全。在空氣動力學(xué)上，有法國物理學(xué)家貝爾努依證明的一條理論:空氣流速的速度與壓力成反比。也就是說，空氣流速越快，壓力越小;空氣流速越慢，壓力越大。例如飛機(jī)的機(jī)翼是上面呈正拋物形，氣流較快;下面平滑，氣流較慢，形成了機(jī)翼下壓力大于上壓力，產(chǎn)生了升力。如果轎車外型與機(jī)翼橫截面形狀相似，在高速行駛中由于車身上下兩面的氣流壓力不同，下面大上面小，這種壓力差必然會產(chǎn)生一種上升力，車速越快壓力差越大，上升力也就越大。這種上升力也是空氣阻力的一種，汽車工程界稱為誘導(dǎo)阻力，約占整車空氣阻力的7%，雖然比例較小，但危害很大。其它空氣阻力只是消耗轎車的動力，這個阻力不但消耗動力，還會產(chǎn)生承托力危害轎車的行駛安全。因?yàn)楫?dāng)轎車時速達(dá)到一定的數(shù)值時，升力就會克服車重而將車子向上托起，減少了車輪與地面的附著力，使車子發(fā)飄，造成行駛穩(wěn)定性變差。為了減少轎車在高速行駛時所產(chǎn)生的升力，汽車設(shè)計師除了在轎車外型方面做了改進(jìn)，將車身整體向前下方傾斜而在前輪上產(chǎn)生向下的壓力，將車尾改為短平，減少從車頂向后部作用的負(fù)氣壓而防止后輪飄浮外，還在轎車前端的保險杠下方裝上向下傾斜的連接板。連接板與車身前裙板聯(lián)成一體，中間開有合適的進(jìn)風(fēng)口加大氣流度，減低車底氣壓，這種連接板稱為導(dǎo)流板。在轎車行李箱蓋上后端做成象鴨尾似的突出物，將從車頂沖下來的氣流阻滯一下形成向下的作用力，這種突出物稱為擾流板。還有一種擾流板是人們受到飛機(jī)機(jī)翼的啟發(fā)而產(chǎn)生的，就是在轎車的尾端上安裝一個與水平方向呈一定角度的平行板，這個平行板的橫截面與機(jī)翼的橫截面相同，只是反過來安裝，平滑面在上，拋物面在下，這樣車子在行駛中會產(chǎn)生與升力同樣性質(zhì)的作用力，只是方向相反，利用這個向下的力來抵消車身上的升力，從而保障了行車的安全。這種擾流板一般安裝在時速比較高的轎跑車上(參閱圖示轎車)。目前不少轎車都裝有導(dǎo)流板和擾流板，藉以提高轎車的性能。汽車擋風(fēng)玻璃盡管汽車業(yè)與玻璃業(yè)是屬于兩個不同領(lǐng)域的行業(yè)，前者屬于機(jī)械制造業(yè)，后者屬于輕工業(yè)，但從汽車的發(fā)展歷程來看，兩者的關(guān)系越來越密切。玻璃技術(shù)已經(jīng)完全滲入了汽車行業(yè)之中，成為汽車技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一員。現(xiàn)在，人們總是從汽車安全和外觀的角度去研究和開發(fā)汽車玻璃，不斷推出新的品種。汽車玻璃以前擋風(fēng)玻璃為主。早在80多年前，玻璃已裝在美國福特廠出產(chǎn)的T型車上，當(dāng)時是用平板玻璃裝在車廂的前端，使駕車者免除風(fēng)吹雨打之苦。從這以后的幾十年間，玻璃業(yè)逐步涉足汽車工業(yè)，創(chuàng)造了多種安全玻璃-夾層玻璃、鋼化玻璃和區(qū)域鋼化玻璃等品種，極大地改善了汽車玻璃的性能。其中夾層玻璃是指用一種透明可粘合性塑料膜貼在二層或三層玻璃之間，將塑料的強(qiáng)韌性和玻璃的堅硬性結(jié)合在一起，增加了玻璃的抗破碎能力。鋼化玻璃是指將普通玻璃淬火使內(nèi)部組織形成一定的內(nèi)應(yīng)力，從而使玻璃的強(qiáng)度得到加強(qiáng)，在受到?jīng)_擊破碎時，玻璃會分裂成帶鈍邊的小碎塊，對乘員不易造成傷害。而區(qū)域鋼化玻璃是鋼化玻璃的一種新品種，它經(jīng)過特殊處理，能夠在受到?jīng)_擊破裂時，其玻璃的裂紋仍可以保持一定的清晰度，保證駕駛者的視野區(qū)域不受影響。目前汽車前擋風(fēng)玻璃以夾層鋼化玻璃和夾層區(qū)域鋼化玻璃為主，能承受較強(qiáng)的沖擊力。現(xiàn)代轎車外型的發(fā)展與玻璃工藝的發(fā)展息息相關(guān)。早在40多年前，轎車前擋風(fēng)玻璃已經(jīng)采用單件式彎曲擋風(fēng)玻璃，并逐漸拋棄了平面型的擋風(fēng)玻璃。今天的轎車擋風(fēng)玻璃一般都做成整體一幅式的大曲面型，上下左右都有一定的弧度。這種曲面玻璃不論從加工過程還是從裝嵌的配合來看，都是一種技術(shù)要求十分高的產(chǎn)品，因?yàn)樗婕暗杰囆?、?qiáng)度、隔熱、裝配等諸多問題。轎車擋風(fēng)玻璃采用曲面玻璃，首先從空氣動力學(xué)的角度出發(fā)。因?yàn)楝F(xiàn)代轎車的正常時速大都超過100公里，迎面氣流流過曲面玻璃能減少渦流和紊流，從而減少空氣阻力。加上窗框邊緣與車身表面平滑過渡，玻璃與車身渾然成一體，從視覺上既感到整體的協(xié)調(diào)和美觀，又可以降低整車的風(fēng)阻系數(shù)。另外，曲面玻璃具有較高的強(qiáng)度，可以采用較薄的玻璃，對轎車輕量化有一定的意義。現(xiàn)代轎車的曲面擋風(fēng)玻璃要做到彎曲拐角處的平整度要高，不能出現(xiàn)光學(xué)上的畸變，從駕駛座上的任何角度觀看外面的物體均不變形不眩目。以前轎車玻璃通常用整齊的條帶沿玻璃邊緣修飾或保護(hù)，現(xiàn)在轎車上的玻璃都采用陶瓷釉，即所謂“黑邊框”。有許多轎車擋風(fēng)玻璃還鍍膜，采用反射涂層工藝或改善玻璃的成分，只讓太陽可見光進(jìn)入車廂內(nèi)，擋住紫外線和紅外線，在很大程度上減輕了乘員受到的炎熱之苦。這種稱為“綠色玻璃”的現(xiàn)代轎車玻璃，已經(jīng)廣泛使用。汽車擋風(fēng)玻璃的安全性能是非常重要的。且不說如果安全性能低它對乘員身體的危險程度，就是對汽車本身，如果檔風(fēng)玻璃出現(xiàn)裂紋或者有明顯庇點(diǎn)，就好象人臉破相一樣，嚴(yán)重?fù)p害整車的外觀形象。因此，汽車擋風(fēng)玻璃的安全性要求要十分高。一般的汽車玻璃采用硅玻璃，其中主要成份氧化硅含量超過70%，其余由氧化鈉、氧化鈣、鎂等組成，通過浮法工藝制成。在制作過程中，材料加熱到1500℃溫度時熔化，溶液通過1300℃左右的精練區(qū)時澆注到懸浮槽(液態(tài)錫)上，冷卻到600℃左右，在此階段形成質(zhì)量特別好的平行的兩面平面體(上面是溶液平面，下面是液態(tài)錫上平面)，再通過冷卻區(qū)域后形成玻璃并被切割成規(guī)定的尺寸。然后玻璃進(jìn)一步加工成鋼化玻璃(TSG)或夾層玻璃(LSG)。加工完畢的成產(chǎn)品汽車玻璃，從外觀上看應(yīng)沒有明顯的氣泡和劃痕。為了保證汽車玻璃質(zhì)量，行業(yè)將汽車玻璃按照工藝加工分成A類與B類夾層玻璃、區(qū)域鋼化玻璃和鋼化玻璃四類，其中A類夾層玻璃安全性能最高。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，前檔風(fēng)玻璃必須要使用A類夾層玻璃、B類夾層玻璃或區(qū)域鋼化玻璃，它們在認(rèn)證標(biāo)志中的代號分別是LA、LB、Z，認(rèn)證標(biāo)志采用絲網(wǎng)印刷、噴砂等工藝永久標(biāo)識在玻璃的下邊角位置，鋼化玻璃的代號是T，只能用于除前檔風(fēng)玻璃以外的位置，而有LA、LB、Z標(biāo)志玻璃可以應(yīng)用在汽車所有玻璃位置上。隨著汽車玻璃技術(shù)的發(fā)展，新?lián)躏L(fēng)玻璃技術(shù)也陸續(xù)出現(xiàn)。例如能減少陽光對轎車車廂內(nèi)的影響，提高舒適性的水平。目前廣泛使用的“綠色玻璃”就是采用反射涂層工藝或改善玻璃的成分，只讓陽光中的可見光進(jìn)入車廂內(nèi)，擋住紫外線和紅外線。目前有一種反紅外線輻射銀膜玻璃，在多片夾層玻璃中加入鍍銀薄膜，其紅外線反射率為48%。當(dāng)陽光通過這種看似普通的玻璃時，光和熱會減少23%。這種玻璃實(shí)際上還起到隔熱節(jié)能作用，可相對減少空調(diào)能量損失。另外，在北方寒冷地區(qū)的汽車擋風(fēng)玻璃容易霧化結(jié)冰，一種可加溫的汽車玻璃可解決這一問題。這種玻璃將極細(xì)小的幾乎看不見的電熱絲作成波狀放在夾層玻璃中的塑料粘膜上，通過電阻器與電路聯(lián)接。車窗加熱絲具有一定的加熱范圍，熱功率可達(dá)到3-5瓦/平方厘米，起到防霜、防霧化、防結(jié)冰的作用。: 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