第三章 汽车空气动力学
概述
气动阻力
升力和俯仰力矩
侧向力和横摆力矩
侧倾力矩
侧风作用下的气动阻力系数
汽车空气动力学试验
第一节 概述
定义：汽车在路面上行驶，除受到路面作用力外，还
受到周围气流对它作用的各种力和力矩。研究这些力
的特性及其对汽车性能所产生的影响的学科称为汽车
空气动力学。
汽车行驶中受到的气动力有迎面阻力、升力、
侧向力及这些力形成的俯仰力矩、侧倾力矩和横摆力
矩，他们的大小，大致都与空气对汽车的相对速度的
平方成正比，因此随着汽车行驶速度的日益提高，其
作用对汽车性能的影响也会愈来愈显著。
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气动六分力与坐标系：
汽车在行使时，受到气流的气动力作用，该作
用力在汽车上的作用点，我们通常称为风压中心，记
作，由于汽车外型的对称性，风压中心在汽车的
对称平面内，但它不一定与重心（CG）重合。
为了研究方便，建立一套坐标系，通常把汽车空
气动力坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的交线
上，前后轴中点处。规定各轴的正值方向如图3-1示：
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所有的空气力向上述坐标原点化简，产生三个分力和三个绕
坐标轴的力矩。各种气动力的数值都与动压力和迎风的汽车
正投影面积成正比，其比例系数称为气动力系数。
表3-1列出了国内外对六分力名称和系数公式的对照表
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名 称 代 号 美、日规定 德国规定 系数公式
气动阻力
Drag
侧向力
Side force
升力
Lift
侧倾力矩
Rolling
moment
俯仰力矩
Pitching
moment
横摆力矩
Yawing
moment
表3-1
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第二节 气动阻力
空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动
阻力，这种阻力与车速平方成正比。为了克服气
动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急
剧增加的，当车速超过100km/h时，发动机功率
有80%用来克服气动阻力，要消耗很多燃料。在
高速行驶时，如能减少10%的气动阻力，就可使
燃料经济性提高百分之几十。当前汽车设计师十
分重视降低气动阻力系数Cx，因为它对汽车动力
性、经济性和轻量化有很多好处。
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气动阻力由五部分组成：
1. 形状阻力，占总阻力58%；
2. 诱导阻力，占总阻力7%；
3. 摩擦阻力，占总阻力9%；
4. 干扰阻力，占总阻力14%；
5. 内循环阻力，占总阻力12%。
6. 这几部分阻力的大致比例
7. 如图3-2所示。
8. 图3-2
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形状阻力
当汽车行使时，气流流经汽车表面过程中，在
汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流，如
图3-3中在车身后部有明显的涡流区，在涡流区产生
负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力是压
差阻力，又因为这都和车身形状有关，也称为形状阻
力，它占整个阻力的 。
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图3-3 汽车表面气流图
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诱导阻力
诱导阻力是由于气流经
车身上下部时，由于空气质
点流经上下表面的路程不同，
流速不同从而产生压差，即
升力，升力在水平方向上的
分力称为诱导阻力，如图3-4
所示。
图3-4 汽车的诱导阻力
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诱导阻力系数 升力系数 间有如下近似关系：
（3-1）
式中，b为汽车宽度，m ；
为空气密度，
A为汽车正投影面积， 。
诱导阻力占总空气阻力的 。
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摩擦阻力
汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气
的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。
空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流
过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板
表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的
流动，形成一种阻力称为摩擦阻力，约占总
空气阻力的 。
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汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气
的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。
空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流
过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板
表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的
流动，形成一种阻力称为摩擦阻力，约占总
空气阻力的 。
干扰阻力
它是车身外面的凸起物如后视镜、流水槽、导流
板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所
造成的阻力，占总阻力的14%。
内循环阻力
它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空
气气流通过车身的内部构造所产生的阻力，它占总阻
力12%。
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小结
减少气动阻力系数 在车身造型设计中主要
采取下列措施 ：
1、 光顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面
层剥离和涡流的产生；
2、 调整迎面和背面的倾斜角度，使车头、前窗、后
窗等造型的倾斜角度有效地减少阻力的产生；
3、 减少凸起物，形成平滑表面；
4、 设计空气动力附件，整理和引导气流流向。
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第三节 升力和俯仰力矩
升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气
流速不等形成压力差而造成的。升力不通过重心时对
汽车产生俯仰力矩。
升力使车轮有抬升的趋势，减少驱动轮上的附
着力，对转向车轮的影响是升力使侧向最大附着力和
侧偏刚度降低，而使转向性能变坏。
现代高速汽车特别是赛车在设计上都力图减少
升力。
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影响因素：
1、车身形状
把车身前后端形心用直线连接，称此直线为中
线，此中线与水平面的夹角称为迎角。
中线前高后低，迎角为正，反之为负。正迎角
越大升力越大。
如果汽车风压中心处于中心之前，则升力对中
心造成俯仰力矩，使前轮更加有离地趋势，所以最新
设计的车身形状采取以下措施：
（1 ） 尽量做到风压中心与重心重合；
（2 ）采用类似楔型造型。尽量压低车身前端，使尾
部肥厚向上翘以产生负迎角；
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( 3 ) 车身前部设阻风板后面设扰流板使后面翘起，如
图3-5示；
图 3-5
2、驱动形式
一般前置前驱汽车其风压中心与车身中心接近，
后置发动机汽车的重心往往偏后，因而风压中心可能
在重心前，俯仰力矩大些。
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第四节 侧向力和横摆力矩
汽车受侧风时，如风力与中轴成 角，则在 方
向产生分力 ，此分力随 角的增加而直线上升，如
侧风作用的风压中心()在重心之前，则汽车将顺风
偏转，结果使 增大。侧向力和横摆力矩增大，导致
稳定性变坏，如侧向力的风压中心位于中心之后，则
汽车逆风偏转，使侧向力和横摆力矩减少利于行驶稳
定性；如风压中心与重心重合，则汽车在侧向力作用
下侧移，但能保持行驶方向。
减少侧向力的影响有以下措施：
( 1 ) 尽量使风压中心位于重心之后；
( 2 ) 尽量压低车身高度，处理好横截面的流线形性，
增加车宽。
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第五节 侧倾力矩
侧倾力矩直接影响到汽车的侧倾角，并影响左
右车轮负荷重新分配。
侧倾力矩主要由车身侧面形状决定，减少侧倾力
矩的措施主要是：
( 1 ) 尽量降低车身，增大车宽；
( 2 ) 使风压中心在高度上接近侧倾轴线；
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第六节 侧风作用下的气动阻力系数
在侧风作用下直线行驶的汽车受到由行驶速度产
生的行驶风 (负号表示与行驶速度方向相反)和侧
风 的影响，气流流入合成速度 就是两者的矢量
和：
其合成速度 与汽车轴线成 角 ( 图3-6 )。
流入角，单位为 。
的大小可用下式求出：
式中 ——风与汽车轴线夹角。
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图3-6
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流入角可用下式求出：
所以：
在逆风时：
顺风时：
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横风时：
图3-7表示有侧风时行驶速度、风速与合成速度
及迎角之间的关系。在有侧风时，气动阻力系数成为
，它要比无风时的气动阻力系数 大， 图3-8是在
风洞中测出三种车型的 和迎角 的关系，前
时， 随着 的增大 ， 一般要增大。
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图3-7 自然侧风风速不同时，合成风速 和
迎角 与行驶速度之间的关系 ( 直线行驶时,自然风
垂直于汽车纵轴线 )
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图3-8 三种典型车身的切向力系数与迎角的关系
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第七节 汽车空气动力学试验
汽车的空气动力学试验分室内和室外两种：
室内实验一般是把汽车或汽车模型置于能模拟汽
车行驶中流场的管状试验场中，用巨型风扇造成所需
的汽车气流的相对速度，测定各种气动力和气动力矩
的一种试验装置，这种装置称为风洞( Wind Tunnel )。
室外实验是把实车在室外试验场上进行空气阻力
系数的测定和研究横风对汽车的作用。
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风洞试验设施和技术
汽车风洞由大功率电动机带动鼓风机和按一定要
求设计的管道构成，可分为直流式和回流式两种：
1、直流式风洞又称为埃菲尔式风洞，其结构是鼓
风机在试验阶段下游靠吸入空气形成气流。图3-9a即
是英国 MIRA 研究中心的一个直流式风洞,试验段长
，截面 , 高1m ,最高风速为160km/h ，风
扇功率为，由于截面小，只作模型试验，试
验段一般为长方形截面，其长度应为-2倍当量截面
直径。
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图3-9 两个典型的汽车风洞
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2、 回流式风洞又称哥根廷式风洞，通过试验段的气
流经过循环系统再返回流动形成回流，故此得名，其
优点是可节省驱动功率，图3-9a示出德国奔驰公司的
回流式风洞，其试验段截面达 ，长10m,最高
风速达270km/h,风扇功率高达4000kW。
世界上的风洞按其试验段面积和最高风速可分
为大中小三类：
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风洞的技术要求：
1、模拟地面效应
汽车在真实路面上行驶时，受到与行驶速度相同
的风的作用，与此同时，路面以相同速度向后方移动，
而在风洞中，汽车或汽车模型不动，风以与汽车行驶
速度相同的风速作用于汽车上，但在地板上形成边界
层，这种边界层是由于流体粘性造成的，使测量阻力
减少，升力值增大。因此规定：
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图3-10 地面效应模拟方法
为了尽可能真实地复现汽车车身底部的速度分布，
要求地板的边界层尽可能薄，常用以下三种方法(
见图3-10)：
1) 把模型支在距风洞底部一定高度的地板上；
2) 把模型支在传动带上；
3) 在风洞地板上设孔以吸除(或吹除)附面层.
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2、模拟边界条件
汽车在路上行驶，四周气流均匀，风洞中除地板
上有附面层外，管径如太小，其附面层也影响气流特
性，为此设计的风洞试验段截面积与模型的正面投影
面积之比有一定要求：
模型的正面投影面积要小于 的试验段面积，
地板以上面积，模型高度要小于试验段高度 。
3、必须符合相似原则
不但几何尺寸相似，而且雷诺数也相似 。
4、要有侧六分力的天平仪
图3-11为意大利平宁法里那设计的机械式六分
力天平仪，能同时测出所需六分力和三个力矩。
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图3-11 机械式六分力天平
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空气动力学的室外试验
一般试验项目有：
1. 测定气动阻力系数 ；
2. 气动阻力系数是通过滑行法来测定。在
平坦路面上，把汽车加速到一定值( 60~100km/h )
，然后挂空档，任其滑行，记录速度下降和时间的
关系，并由此求得各速度间的平均减速度，由此可
计算出对应的总阻力，它包括轮胎滚动阻力、传动
系阻力和空气阻力。从总阻力中间去轮胎滚动阻力
和传动系阻力，即得空气阻力，进而求出空气气动
阻力系数 。
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侧风稳定性试验要采用侧风发生器模拟自然侧风，图
3-12默谢台斯奔驰公司试验场上所进行的侧风稳定性示意
图。侧风发生器采用 鼓风箱组成，全长32m。
可产生速度为80km/h的侧风，相当于8-9级自然风。试验
车辆在距侧风发生器3m 处等速驶过( 车速为100km/h )，转
向盘保持不动，至少应记录进入侧风发生器前20m和到侧
风段后50m的全部测量值,包括：
• 转向盘转角；
• 横向加速度；
• 横摆速度；
• 在侧风段50m处汽车侧向偏移量( 汽车质心轨迹可通
过在路面上喷水来确定，也可通过所测的横向加速度两次
积分求得 )。
2. 侧风稳定性试验
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图3-12 汽车侧风稳定性试验
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图3-13 汽车驶过侧风装置(长32m，风速 )
时，横摆角速度随时间的变化过程。在驶入和驶出时，
可能使用的评价指标：
图3-13示出了汽车驶过侧风发生器( 风速80km/h
)时，横摆角速度随时间的变化历程，在驶入和驶出
时，用 来评价.
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图3-14示出在侧风设备旁驶过时轴侧向力的变化
过程。由于侧风的作用，汽车质心经过的是一随风弯
曲的曲线轨迹。由此产生的离心力同风力方向相反，
而从某一转弯半径开始离心力超过风力，在此瞬间前
轴上的侧向力方向改变，因此侧风作用期间前轴侧向
力很小，而后轴一直保持较大的侧向力容易引起后轴
侧滑。
图3-14
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