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斯太尔空气动力学研究

2009-09-01 00:00:00 齐兵

    【卡车之家 原创】由于石油的短缺和涨价,在未来甚至是载重汽车的流线型也将起越来越重要的作用。因此近年来斯泰尔公司在载重汽车上进行了大量的空气动力研究工作。从而证实了斯泰尔载重汽车独特的驾驶室的流体技术优点。大量的试验探讨了导风板的功用,以及遮阳板对载重汽车流线性的影响。

    为了能够估定空气阻力对燃料消耗的影响,首先必须考察一下汽车的各个行驶阻力。

    载重汽车的行驶阻力

    柴油汽车虽然是公路运输中能源利用的佼佼者,但是燃料中所含有的能量,却只有三分之一左右能够被利用于汽车的移动上。其余部份因燃料的燃烧不完全,发动机的散热和传动系统的损耗而失掉。剩下来的用于汽车移动的能量分为下列四部份:1.使汽车加速的部份;2.克服坡度和弯度的部份;3.克服滚动阻力的部分;4.克服空气阻力的部分。汽车的总行驶阻力即是这些组成部份之和。

    图1表示出,总重16吨的载重汽车和总重38吨的汽车列车在不同的行驶条件下,各个驶阻力在总阻力中所占的百分比。图中a表示困难的线路,b表示联邦公路,c表示丘陵地区高速公路,d表示平路。

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    轻型载重汽车空气阻力所占的百分比特别大。与此不同的是,总重38吨的汽车列车在所有的使用条件下,滚动阻力都超过了空气阻力。在平路以70公里/小时等速行驶时,总重l 6吨的载重汽车空气阻力占62%,而总重38吨的汽车列车仅占40%。对于困难的线路和在联邦公路行驶时,加速和爬坡阻力所占的百分比最大。

    载重汽车的燃料消耗

    汽车在正常使用中所需要的功率,由于爬坡,加速和减速,而经常变化着。在平直的路段上等速行驶时,加速阻力和爬坡阻力为零,行驶阻力只是由空气阻力和滚动阻力组成。滚动阻力主要取决于汽车的重量,但也与轮胎型式、气压和路面有关。在我们考虑的速度范围内,为简便起见,车速的影响可以略去。

    空气阻力却又只是在高速时才可以看出来。它和汽车的外形及尺寸(横截面积)关系极大。滚动阻力和空气阻力对燃料消耗的关系随行驶速度而变。

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图2  在平路上滚动阻力和空气阻力对燃料消耗的关系

    上图中A表示空气阻力,B表示滚动阻力,C表示空气阻力减小25%。

    可用图形表示(见图2)这些计算是根据发动机功率为206千瓦(合280马力)和在平路的情况进行的。图中还给出了,空气阻力系数(CW值)减小25%所节省下来的燃料。例如在行驶速度为80公里/小时对,每百公里约可节省燃料4升,在100公里/小时时甚至可节省6升。

    正如我们已经看到的那样汽车的重量是一个决定性的因素。总重8吨的轻型载重汽车每行驶速度为50公里/小时的时候,滚动阻力和空气阻力所占的燃料消耗份额就巳经相等了,而总重16吨的载重汽车则要在时速70—80公里,还有总重38吨的汽车列车甚至要在时速l10公里才是这样。

    如图3所示,总重38吨的汽车.列车(装有206千瓦的发动机)在平路等速行驶的总燃料消耗可以各不相同。标准的汽车燃料消耗最低的速度为50公里/小时,最低燃耗约为36升/百公里,而流线性最好的汽车(CW值减小了25%)理想的速度却在80公里/小时左右,燃耗仅为34升/百公里。这种经过改进的汽车在时速80公里以下行驶还节约燃料。由此可见,改善载重汽车的空气动力性,不仅为行驶速度相同的情况下减少燃耗所必需,而且还能够提高平均车速而不致增加燃耗。

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    精确表示汽车在实际使用中的真实燃耗是一个复杂的伺题。因为还得考虑驾驶员的操作方式,道路状况和当时的交通状况。这样如在单位燃耗高的发动机转速范围内,或在不利的交通状况下长期行驶,燃料消耗量就会不可避免地升高。

    降低载重汽车空气阻力的措施:什么值得去做,什么不值得得去做

    近年来已有很多制造厂把一大批能降低载重汽车空气阻力的装置带到市场上。这些装置可较简单地装在已经使用的汽车上。在载重汽车按安装位置不同可区分为硬盖导风板、侧导风板和前导风板。

    那么在什么地方采取这些措施空气动力效果最好呢?空气动力学专家一般只限于在汽车的正面动“手术”。而在载重汽车上,注意力首先又集中在可以装在驾驶室顶盖上的导风板。由于传统的汽车结构型式驾驶室和货物或车箱是分开的,并且车箱大多高出驾驶室,遂赋予顶盖导风板以统治地位。

    在斯泰尔-戴姆勒-普赫公司进行的试验范围内,发现遮阳板对载重汽车的空气阻力也有很大的影响。

    将驾驶室还有车箱的边有目的地做成园角,或将驾驶室顶盖提高以便遮蔽车箱,这些作法均属于较昂贵的一类载重汽车空气动力性改进。驾驶室后壁板到车箱前的距离,这个间隙也是一个有空气动力意义的因素。在铰接的鞍式牵引汽车当然也要予先给出某一定的距离。

    单单有一个好驾驶室还不行

    设计一种载重汽车时,为大家所重视的首先是性能方面的考虑。如装载量和容易接近货物,还有确定载重汽车尺寸和外形的有关法规。由于这样造成方块般的载重汽车外形,从流体技术上看这是比较不利的。

    空气动力学专家目下面临一个困难的课题,这就是对某一种给定的汽车,要求做到空气动力性能尽可能好,也就是要减小CW值。这里说的CW值或所谓空气阻力系数是一个无因次的数,借以估定静止的空气反抗一辆以某~定速度移动的汽车的阻力。很容易想象得到,该值与汽车的外形关系很大。

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    图4表示出斯泰尔载重汽车的几种基本变型,及其相应的CW值。还画出驾驶室前方的上方气流的示意图。可以看到,对同一驾驶室,但车箱高度不同的几种汽车配置情况,空气阻力系数和紊流很不相同。由此显而易见,在不同的汽车上,同一种空气动力性改进而产生的流体性能结果会完全不同。因此在一辆汽车上进行空气动力”手术“,必须慎重地考虑并作好准备。为了取得最理想效果,对于一定的汽车及其附件,应进行特定的“手术”。  

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    为了改进整车的流体技术性能,不同的驾驶室和车厢组合总是要求相适应的空气动力“手术"。这一直在图5中清楚表示出来:

    1.单单是流线性好的园弧形驾驶室,不—定会给整车带来空气动力的好处。

    2.为了大大地改善汽车的流线性,往往使用顶盖导风扳或者遮阳板就够了。

    3.车箱的高度中等时,甚至是有棱角的驾驶室而且没有任何式样的导风板最好。

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    图6中比较了驾驶室顶边为棱角和圆角两种情况载重汽车前部的气流。可以看出棱边的作用原理有如尖屋脊的,用以在驾驶室顶盖上构成“天然的导风板”。将车箱完全遮蔽起来。与此不同的是圆角的驾驶室空气全部冲向车箱。因此在车箱的顶边产生气流分离现象,这又显著地提高了整个汽车的空气阻力。

    用导风板载重汽车的空气阻力可降低多少

    装在驾驶室顶盖上的顶盖导风板在载重汽车上具有最大的空气动力效果。有一系列的典型顶盖导灵板可供使用,这些导风板与斯泰尔载重汽车(车箱高度为3.95米)一起用,可收到相应减小空气阻力之效果。图7中给出的CW值和百分数,适用于导风板装配和调整得最好的情况。最左处还给出外形相同的载重汽车无顶盖导风板的CW值作为比较。

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    用A表示的导风板固定地装在驾驶室顶盖上,所有的侧面都封闭起来。这是最有效的导风板,即使有侧向风时可使CW值减小20%。其它导风板都是形状和尺寸不同的简单风板。它们可以相对于空气流倾斜,并能调整到车箱的距离。由于这一可能性,这些导风板适用于不同高度的车箱。

    不装顶盖导风板的汽车

    这些顶盖导风板在载重汽车上安装得当时,可使CW值减小15至20 %,仅用G表示的、装在驾驶室前棱边之后一个距离的导风板,C W值只减小了8%。进行了简易的平导风板(尺寸和安装角度均不相同)的研究。大量的测定指出,导风板对空气流的角度及相对于车箱的位置是很重要的参数。特别是对于短的导风板,应非常仔细地注意安装角度是否正确。

    顶盖导风板安装得高一些要比装得太低所产生的消极影响较小。顶盖导风板的宽度应和汽车宽度大致相等。导风板的长度关系不大。  

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    图8说明装在载重汽车上的侧导风板和前导风板。在汽车有车箱和无车箱两种情况下的空气动力效果。斯泰尔载重汽车装这些导风板空气阻力只能减小l~2%(最大值)。但侧导风板有另外一个优点:它们使车轮来的气流,不太紧贴着驾驶室侧围,因此减小了对侧窗的沾污。

    载重汽车的遮阳板也具有很大的流体技术效果。遮阳板是装在驶室前的顶棱上,此处气流速度很大。图9表示出这个在液体技术上很重要的位置。

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    在无车箱或车箱低的汽车,这条边的造型极其重要,借助于正确地安装一块合适的遮阳板:可降低空气阻力20%以上。因为遮阳板安装得正确会使空气流偏转,平滑地贴在驾驶室顶边。因此使所谓的有效空气阻力面积(即CW值与汽车横截面积的乘积)显著减小,这样汽车的燃料消耗量也就降低了。

    反之,在车箱高的汽车几乎无一例外遮阳扳甚至会使汽车的流线性少许变坏。在一些遮阳板流线性变坏一事可由刚叙述过的,从汽车前方流出的气流发生偏转来解释,此气流被遮板径直射向车箱。遮阳板和顶盖导风扳一样,其形状也是非常重要的。遮阳板相对于气流的安装位置正确与否,对于空气动办效果起了决定作用。图9中给出的所有数值均系遮阳扳的安装最理想的情况。

    结语

    载重汽车,降低约20%空气阻力,节约的燃料就可以看得出来。因为载重汽车驾驶室和车箱有许多组合方式,所以对于每一辆汽车来说,必须制订出自己的降低空气阻力措施这在使用上意味着用户在选择和安装对他们的汽车最合适的空气动力装置时,必须接受制造厂的建议。本文拟对斯泰尔载重汽车流体技术的最佳化设计提出根据和建议,它也许会有助于现已大量供应的各种导风板的应用。

    正如在风洞中作的流体试验所指出的那样,有棱角的斯泰尔载重汽车驾驶室具有很好的空气动力性能。因为驾驶室的上棱边对于流动的空气来说有如尖屋脊的棱,因而自动出现一个导风板,在车箱高度中等时显示出最好的效果。

    大量的试验得如:

    1.斯泰尔载重汽车在车箱高度不到3.6米时,不需要顶盖导风板

    2.对于车厢较高的载重汽车来说,顶盖导风板是最重要的能降低空气阻办的装置。

    3.对车箱高度不超过驾驶室的汽车,安装和形状恰当的遮阳板会产生最好的改进空气动力性的结果。在这种情况下,绝不应该采用顶盖导风板。

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