重型卡車空氣動力學(xué)及人機(jī)學(xué)分析

摘 要：重型卡車有其特有的空氣動力學(xué)特點(diǎn)，本文對重卡空氣動力學(xué)和人機(jī)學(xué)進(jìn)行研究，將空氣動力學(xué)與汽車造型設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，共同改善重型卡車的使用效率，提高整車性能。

關(guān)鍵詞：重型卡車;空氣動力學(xué);人機(jī)學(xué)

1 引言

在各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)生活中卡車成為重要的運(yùn)輸物流工具，卡車競爭越來越激烈。用戶在重型卡車的選購中，對其外觀造型也給予越來越多的關(guān)注，重型卡車涉及人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械工程學(xué)以及空氣動力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，在整個(gè)車輛開發(fā)環(huán)節(jié)中造型設(shè)計(jì)具有重要作用。重型卡車以其龐大身軀和車輛自重在行駛過程中受到更多阻力，與普通汽車相比，在氣動性上需要有更多考慮，將空氣動力學(xué)與汽車造型設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，共同改善重型卡車的使用效率，提高整車性能。

2 重型卡車造型中的空氣動力學(xué)

（1）氣動力及參量。重型卡車在行駛時(shí)在氣流場作用下，空氣流速和流動狀態(tài)在不同表面各不相同，由此產(chǎn)生不同的靜壓力，垂直作用在汽車表面，靜壓力的合力就是氣動力，即空氣動力，在理論研究中，將縱向（X軸）、橫向（Y軸）、鉛垂（Z軸）三個(gè)方向分為氣動阻力、氣動測力和氣動升力，他們分別作用在車輛正面、側(cè)面和水平面上，這三個(gè)力一般情況不與車輛重心相重合，當(dāng)將三個(gè)力轉(zhuǎn)移到車輛重心位置時(shí)，就產(chǎn)生了以車輛重心為原點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)軸的三個(gè)力矩，即側(cè)傾力矩、俯仰力矩、橫擺力矩，三個(gè)力矩和三個(gè)力就是汽車氣動性能研究中的重要參量，是車輛行駛中受到的氣動力系。

（2）汽車風(fēng)洞試驗(yàn)。在進(jìn)行車輛造型氣動優(yōu)化研究中，汽車風(fēng)洞試驗(yàn)是重要的研究方法。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)是在風(fēng)洞中安置車輛模型或真車，對氣體流動及其與模型之間的相互作用進(jìn)行分析，從而了解實(shí)際車輛的空氣動力學(xué)特性。使用風(fēng)扇將空氣吸入管孔，利用整流板及管孔設(shè)計(jì)將進(jìn)入的空氣進(jìn)行加速并整流直到獲得試驗(yàn)所需的風(fēng)速，并將之送入試驗(yàn)段中。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)可以讓我們明顯看到車輛各個(gè)部件在行車過程中的風(fēng)阻情況，模擬卡車在行車過程中遇到的噪音、熱力學(xué)狀態(tài)，其中有關(guān)車身造型的試驗(yàn)內(nèi)容有：車身表面流態(tài)測試，使用方法為網(wǎng)格絲帶法和表面絲帶法;汽車車身周圍流態(tài)測試，使用方法為通過煙度發(fā)生器實(shí)施煙流法。

（3）計(jì)算流體動力學(xué)。在車輛造型的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)階段，對包含有熱傳導(dǎo)和物體流動的物理現(xiàn)象的系統(tǒng)分析，除了可以使用汽車風(fēng)洞試驗(yàn)，還可以通過圖像顯示和計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算對其進(jìn)行分析，這就是計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)，通過設(shè)定計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境，對空氣流動情況進(jìn)行模擬仿真，可以看到流場的各種細(xì)節(jié)，如激波的輕度、運(yùn)動;表面壓力分布、渦的生成、隨時(shí)間變化的受力情況等，通過數(shù)值模擬將空氣流動場景再現(xiàn)，很接近真實(shí)試驗(yàn)。

3 車身造型與氣動力關(guān)系

重型卡車在正常行駛情況下，有36%-55%的功率要消耗在氣動阻力的克服上，可見車身造型對汽車節(jié)約能源有很大關(guān)系。對重型卡車來說，駕駛室?guī)缀跏瞧湓煨偷娜浚捎诳ㄜ囓囶^部分很少單獨(dú)運(yùn)行，都是與箱體配裝，因此駕駛室和箱體之間的間距、高度等也對車輛氣動阻力產(chǎn)生較大影響，因此在重卡造型研究中，為了獲得氣動性能最優(yōu)，一般將駕駛室和箱體作為一個(gè)整體來進(jìn)行研究。研究表明，不管是正面還是側(cè)面迎風(fēng)，卡車箱體都是導(dǎo)致氣動阻力產(chǎn)生的原因之一，氣動阻力關(guān)鍵因素就是箱體與駕駛室之間的位置關(guān)系。

為了提高卡車的行駛效率，就要通過各種辦法降低空氣阻力的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明只要將一個(gè)長方形物體的前緣修圓，并且將圓角半徑設(shè)計(jì)為寬度的十分之一，就可以有效降低至少70%的氣動阻力，使用同樣尺寸的流線型外形設(shè)計(jì)，氣動阻力可以降低90%，二者差距不是很大，可見根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，不必一定要借助于流線型的設(shè)計(jì)方法也可以實(shí)現(xiàn)降低空氣阻力的目的。將導(dǎo)向翼安裝在非流線型車身的前緣，就可以有效降低氣動阻力，抑制氣流分離，避免氣流沿直角前緣向下分離的現(xiàn)象。

在重卡上經(jīng)常使用的降低氣動阻力的方法有：在卡車駕駛室頂部安裝導(dǎo)流罩，將車輛迎面氣流導(dǎo)向車頂和側(cè)面，這樣可以降低駕駛室與箱體之間間隙以及高度差的影響;車身前部安裝車身前側(cè)導(dǎo)流罩和前側(cè)冀板，改善車身部分的流線形態(tài)，可以降低10%左右的氣動阻力;在保險(xiǎn)杠上安裝前下部導(dǎo)流罩和前阻風(fēng)擋，阻止進(jìn)入車下的氣流與車底盤凸出部分相互作用，這種方法可以降低15%左右的氣動阻力。此外還有渦流穩(wěn)定裝置和側(cè)風(fēng)穩(wěn)定裝置等，如側(cè)裙板、間隙密封罩等屬于側(cè)風(fēng)穩(wěn)定裝置，間隙密封罩用來處理箱體和駕駛室之間的間隙，側(cè)裙板用在車身側(cè)面及箱體下部的空隙區(qū)域。渦流穩(wěn)定裝置安裝在箱體前部，避免箱體和駕駛室之間由于間隙產(chǎn)生渦流。

4 重型卡車造型設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)從人的心理和生理因素出發(fā)，對人-機(jī)-環(huán)境相互作用的規(guī)律進(jìn)行研究，以達(dá)到人機(jī)最優(yōu)的工作性能。重型卡車的造型設(shè)計(jì)也要應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)，以駕駛員為中心，使車身設(shè)計(jì)更好的適應(yīng)人的需求，營造一個(gè)操作便捷、舒適可靠的駕駛環(huán)境，達(dá)到人機(jī)和諧的狀態(tài)。人機(jī)工程技術(shù)體現(xiàn)在卡車駕駛室的設(shè)計(jì)中，表現(xiàn)為駕駛員和乘員在車輛行駛狀態(tài)下的操縱方便性、視野性、舒適性和手伸及性等，在部件設(shè)計(jì)上主要體現(xiàn)在駕駛室內(nèi)部布置以及踏板、前擋風(fēng)玻璃、后視鏡等部件，如為了擴(kuò)大駕駛員視野，降低前擋風(fēng)玻璃高度;改進(jìn)后視鏡設(shè)計(jì)以減少視覺盲區(qū)擴(kuò)大車后觀察范圍;在駕駛室空間不變的情況下加大駕駛室后部和控制臺之間的長度，這樣不僅增加了乘坐空間，也在發(fā)生碰撞事故時(shí)可以為駕駛員留有足夠的逃生空間。有的重卡采用了大面積玻璃風(fēng)擋和側(cè)門設(shè)計(jì)，使用低地板概念等，都是為了給駕駛員帶來舒適感覺，降低人為失誤。

5 總結(jié)

重型卡車有其特有的空氣動力學(xué)特點(diǎn)，在造型設(shè)計(jì)上就不能忽視氣動力學(xué)的影響，本文分析了重卡造型中的氣動力及其參量以及車輛造型氣動優(yōu)化研究中經(jīng)常使用的汽車風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)。為了提高卡車的行駛效率，就要通過各種辦法降低空氣阻力的產(chǎn)生，同時(shí)考慮人機(jī)工程學(xué)，給駕駛員創(chuàng)造舒適的駕駛環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：湯玉軍（1979-），男，安徽人，本科，中級工程師，研究方向：汽車設(shè)計(jì)。