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第六章
机能、安全与舒适性
上一章描述了流体特征在力和力矩上对车辆的总影响和他们是怎样改变行驶特性和方向稳定性。由于在提升车辆的安全性和成员舒适性时，车辆的机能、可靠性及其系统必须得到全时段的保障，这一节会关注空气动力学在不同领域更深远的影响。
风的作用力作用在汽车的特定部位，像发动机罩，遮阳篷和车门，直接与流体特征相关。然而仅仅考虑定常流特征并不充分。分流大多数是瞬态的，也能导致动态变形或“部件颤动”。
进入车辆的任何来源的气流都会被认为是负面影响因为其总是提升了气动阻力。减少阻力只是汽车工程师的需要解决的其中一个目标。鉴于此最重要的一点就是为顾客提供一个能作为优良权衡的解决方案的产品。这也包括通过保持一个足够的温度水平，来保证所有零件的使用寿命，充分冷却制动装置以保证乘员的安全，确保对其他道路车辆视野不受阻挡（包括雨天），还有提供舒适的车内温度。当乘员打开车活顶或遮阳篷时直接与车辆周围的空气流接触。忽略已说过的瞬态设计流畅特性，车辆不会有一个零件或区域产生阻力或颤动，而且打开遮阳篷也不会产生回响效应。考虑到车窗上的水以及车辆表面的污染物远远超过气流和偏移参数的认知。知道含颗粒流的形成，飞沫聚集，水的流动特性，车窗和漆层的表面特性，对于保证好的结论很重要。
6.1 零件载荷
6.1.1 零件载荷和其精确定位
车辆表面的压力分布可以用来确定单独零件如发动机罩、行李箱盖、车门、遮阳篷、车窗上单独的力。这些力可以由在零件表面做压力实验测得。然而计算流体力学（CFD）仿真中的像“taken”这样的压力分布测量方法最近得到大量的运用。后者的好处就是可以得到比实验可能测量到的更精细的压力分布数值，模拟结果可能在更短的工程过程的时间内完成，因为并不需要实车，而且数据可以通过CFD软件以一种已识别的格式输出，因此它能立即传到其他软件以得到载荷力。
不同的对象的表示需要准静态和动态载荷的知识。准静态已经足够用来设计遮阳篷电机，但在处理零件震动问题时不具优势。由于瞬态过程的CFD计算相应的需要很长时间计算，因此用试验测量处理实车。这种方法是在一个风洞中，测试用实际材料做成的零件及其与其他零件的作用。
在风洞中的动态测量运用光学手段而不和物体直接基础。为此，曲面坐标在无负载状态下确定，当受到风诱导力时两种情况都由公共的固定点连在一起，且位移矢量是确定的。这使得观测局部变形成为可能，如图6.1所示，在空间中箭头长度代表位移。不使定点在风诱导力下产生位移很重要。这样的测量可以利用立体声照相系统，例如在房间内设置尽可能多的测量点。
时间分辨率允许在kHz范围内的采样速率，并且不仅使运动可见，而且以精确度测量lt;0.1mm的位移矢量。复杂运动，零件变形，振动曲线和相对位移因此更容易表征。这些系统的主要优点之一是可以在移动基础上使用，如图6.2所示，只需要几个紧凑的部件。而且测量执行可有一个人在短时间内准备和完成，也可在现场得到评价。
图6.1 可折叠软顶棚在风速下的变形分析的矢量描述；左边为带有评价测量点的快照，右边为测量点随速度的增长
图6.2 图6.2 PONTOS移动光学测量系统，用于分析3D坐标，3D位移，变形，速度和加速度; 帧速率高达5 kHz，包括立体相机传感器，三脚架和计算机。
6.1.2 车门、扁平物和外反射镜
门和门的结构刚性是重要的，有助于确保良好密封。实施轻量化设计方法增加了诸如弹性部件变形，颤振和车身下垂的现象。
无框车门尤其存在问题。虽然门的底部相对有刚度的并且通过铰链和锁紧装置保持在适当位置，但是在带线（侧窗）上方的部分会更容易变形。由A柱产生的湍流在侧窗的顶部边缘处引起显着的低压区。车辆的外部和内部之间的相对压力差产生一个朝外的力推动车窗或门框。反过来，这可以导致密封件从它们的搁置表面隔开，结果乘员听到更多的道路噪声。在极端情况下，局部可以听到非常可观的噪声。如第8章更详细解释到，这种噪声分为两部分：首先是空气流入形成的间隙，由此表现出很大的沙沙声。第二部分是由开口产生的声桥，通过它在车辆外部产生的噪声可以穿透到乘客舱中。压力波动也叠加在施加在窗玻璃上的稳态力上。若窗玻璃没有装在适当位置，不仅会经历静态偏移还会发生振动从而产生低频声辐射。而且车门的抖动在驾驶室引发了大幅流体动力学气压波动，虽然密封条可以弥补静偏移造成的缝隙，但当叠加的振动或摆振发生时，它也会从原表面分离。如果结构设计刚性不足，会引起整个车门处于一个低频抖动状态。
在侧风条件下，下风低压区变得更大，并且作用在该区域的力进一步加强，如图6.3所示。根据Gilhome和Saunders [280]，前轮的旋转运动减小了作用在门上的力。如果在风洞中没有测试车轮旋转，则车门的拱起变形很容易被高估。为了确保足够的车门刚度和密封条的几何性质，应该使用更多临界情形。
图6.3在滑移角为0度和15度，驾驶室门的气流速度为70公里/小时[280]时的压力分布比较。“X”表示的位置压力中心点。
有一些车辆将车门和车顶整合到一起。其设计如图6.4b所示，并和传统构造（子图a）做了对比。如剖面图所示，门框穿过A柱和车顶，与挡风板和车顶线相交。在车框前缘和挡风玻璃或车顶线之间有密封。由于门框沿着A柱有很大的面积，比起传统门框来此区域受到更大的力。一个外伸的前缘也会加强位于A柱的湍流。而且，密封装在气流流进门框和挡风玻璃而产生的载荷处。在最不理想的情况下，这个缝隙就像亥姆霍兹共振器一样发出有声调的声音。
图6.4传统（a）和集成（b）车门概念的示例描述
参考A柱横截面视图。
空气动力学载荷在和以静风及瞬时力形式加载到后视镜上。湍流会在后视镜外壳后缘生成，可观察到死水循环模式。产生的压力波动导致外壳振动，后视效果因而受阻。这种效应主要发生在桥式或腰线式后视镜，它们用相对较细的连接件与车门相连。它们结构钢度设计的不够，却经常优选为空气动力学原因。防污和气动声学得益于已提到的后视镜与车门之间的结构，其通道流动特性允许壳体的尾流远离车窗。使用更少水滴聚集表面和装在车门三角区域内后视镜下部的镜座表面也有助于摆脱污垢。
1.后者也指翼子板反射镜。
2.第6.3节或Banisters[37]， Mankau [530]提供了对外后视镜要求的概述。
在发动机罩的前缘处形成明显的低压区受风，如图6.5a所示。所产生的力可以略微升高发动机罩并使其振动。在有角度的气流作用下，压力分布不对称;低压区向上风侧移动（图6.5b）。为了确保发动机罩在这一侧不升起，可以相应地加强或装配两个锁定机构。这两个措施都增加了重量和制造成本。然而，如果发动机盖没有合适的紧固，可以装一个抓钩来增加更多安全性。此抓钩必须可靠的防止发动机盖处于空载状态，即使是在额定最高车速下。
突发性空载情形是有可能的，此时这个区域会承受非常大的峰值载荷。因此必须进行风洞试验提供此功能的可靠性的可靠证据，此时必须采取特别安全预防措施。
图6.5发动机罩上的静压分布：（a）流动角为0°度;（b）30度。 等压线被指定为：压力相等的线。
如果在发动机罩的前缘处的偏转太强，则气流部分地分离并再向下重新汇合。在所产生的分离袋中的流动是湍流，并且发动机罩会开始颤动。然而，尺寸足够的边缘半径可以防止这种情况（第4.5.1.1节）。
天窗可以设计成相对小开口的传统形式，也经常是大很多的全景天窗结构。由于在天窗上局部气流速度非常明显，这一区域可捕捉到力和力矩。悬挂式车顶在高速时在这一区域加载更大，因此在车顶和车顶空间之间会产生低压。也要求车顶系统无论在车窗全开或部分开启时必须控制好这些载荷。对于封闭车厢，适当的密封变成重要的因素。如果天窗与密封完全分离或只分离一部分，就会产生恼人的风噪。天窗开启时，相互作用导致驾驶室产生气流，或在天窗附近产生颤动或轰隆效应（参见第8章）。
6.1.3 挡风玻璃雨刮器
车辆上的挡风玻璃雨刮器必须总能去除挡风玻璃上的水滴和污垢，使驾驶员有清晰的前方视野，在大雨和高速时也应当如此。这需要车辆的雨刮系统有协调的空气动力学发展。后文将解释影响雨刮器的必要气流现象。第8章注重于雨刮器安装及其他因素产生的风噪。
当雨刮器向下运动到安装位置时，不许直接迎风。这通过把雨刮器布置到发动机罩的尾缘的下方得以实现。这里形成的尾流如图6.6所示。如果雨刮器静止在在这个回流区域时，只会轻微地影响汽车流场，因此其空气动力学和气动声学影响可以忽略。
图6.6最佳的雨刮器静止或停放位置在底部挡风玻璃上或在发动机罩的后缘的尾流区域中。
在雨刮器处的气动流入在一个刮水循环期间改变，气流速度向量包括汽车气流速度向量和雨刮器速度向量。当雨刮器接近静止位置时，他们的接近角几乎垂直于气流。在上死点处，气流几乎平行于雨刮器刮片和雨刮器组件的连接。当雨刮器向上移动时，它们朝向流动方向移动，反之亦然（即在向下冲程期间雨刮器的局部速度更大）。作用在雨刮器上的力和由流动分离和间隙流动流产生的风噪声因此在循环的这个阶段中处于它们的峰值。气流吹过雨刮器而产生的的力由三部分组成，如图6.7所示：
图6.7 作用在雨刮器上力的描述
向下的力（垂直于挡风玻璃）：便条形雨刮器上方的扰流器边缘产生的空气偏转产生一个指向挡风玻璃的力，确保雨刮器刮片即使在高速时也能向下压紧。对于传统的雨刮器，气流通过各个部件件上部产生低压区。这些结合成上升力使雨刮器脱离挡风玻璃表面，特别是在高速时。
阻力（垂直于雨刮器）：扰流器边缘前后的相对压力差导致的一个平行于挡风玻璃的力。 雨刮器后面的湍流（图6.8）放大了压力差。当雨刮器向上行进时，由于减小的正面面积和气流倾斜导致的迎风侧上的压力减小，使得阻力减小。
侧向力（沿雨刮器刮片）：侧向力相对于阻力和提升力相对较小。
图6.8 图视为雨刮器后方的湍流。
如图6.9所示的扁条状雨刮器代表了多年来的技术水平。 与传统的刮水片组件不同，这些雨刮器不使用弓形和弹簧，以向橡胶刮片施加力; 而是通过集成到刮水片本身中的两个弯曲的弹簧轨将刮片压在挡风玻璃上。 因此，刮片适应于挡风玻璃的每个曲率，等压力地分布在刮片的整个长度上。 这种紧凑的设计提供了几个好处：
图6.9 扁条式雨刮器。 照片：博世。
雨刮器系统具有低的轮廓：不仅可以使雨刮器更容易地隐藏在发动机罩的后缘之下，还设计高度还提供减小的横截面面积，从而减小气动阻力。
雨刮器附接而不需要复杂的机械：通过消除各种弓形，与常规的雨刮器刮片组件相比，它的重量减少大约50％，是一种可以避免受到冬季结冰的影响的机械结构。
弹簧导轨产生均匀的压力：气动雨刮器的整个长度总是与挡风玻璃接触，如同图6.10所示一个均匀分布的接触力。而传统雨刮器仅在各个点处建立接触， 表现为很大的波动接触力。这与在与爪环弓的连接处施加的主要点型接触力有关，并且在这些接触点之间可能出现涂抹效应。
集成扰流器确保接触压力的均匀分布：良好功能所需的下压力由集成在雨刮器刮片的扰流器产生。该扰流器在雨刮器刮片的整个长度上提供几乎均匀的下压力。
平面结构更安静：气动雨刮器的平面结构不仅如此使其比传统雨刮器在静止位置更安静，少了多弓形部件连接也减少运作期间的噪声。
图6.10基于线性接触压力的风挡刮水器概念的比较：没有风载（顶部），具有160km / h（底部）的风荷载；根据Billot等人。 [77]。
然而，扁平条雨刮器不仅带来了好处：
集成在刮水片中的弹簧轨道必须适应于挡风玻璃的曲率。因此，协调式气动刮水器仅工作在某一车辆上，并且仅用于某一弯曲的挡风玻璃。
虽然传统的刮水器包括多个部件，但它们制造成本较低，并且可以更容易地安装到车辆上。为了制造弹簧导轨，以及其设计必须与特定车辆协调的事实，这些对于扁平条雨刮器的高技术花费需求增加了购买价格。
雨刮器刮片与雨刮器臂的连接影响空气在刮水片上的流动，并因此影响挡风玻璃上的接触力。 如果连接在刮片上方（即，顶臂连接），则扰流板几何形状在该区域中的影响减小。
图6.11显示了雨刮器臂对接触力分布的影响。在雨刮器臂下方，气流减少，这增加了臂和叶片之间的局部压力并且在臂上产生上升。 扰流器在连接侧（在图6.11中，沿着正横坐标）的效果失效，并且刮水器的总接触力降低。
图6.11扁平条雨刮器的影响变量比较：通过160km / h的气流速度的接触力减小量，以及由雨刮器连接产生的进一步减小的不对称升力分布; 根据Billot等人。[77]。
两个设计结构可以提高雨刮器的有效性：例如，雨刮器臂可以布置成紧靠刮片（侧销连接），以保持刮片的扰流效果。然而，这种结构的弊端是加宽了雨刮器组件范围，限制了驾驶员的外部视野。第二种结构在主弓上引入开口以减少臂的升力，提高扰流器几何效率。
为了统一起见，下文参考了与之前的传统雨刮器的比较。 图6.12显示了两种类型的雨刮器的压力分布的对比。显示传统刮水器的前侧和后侧之间的压力差更大，比扁条状雨刮器的阻力更高。由截面尖端在弓形前缘产生的升力甚至被扁条状雨刮器完全消除。
图6.12 两种不同的挡风玻璃雨刮器的压力分布对比；左为传统雨刮器，右边为扁条状雨刮器。
仅凭传统的雨刮器中的单个橡胶叶片和雨刮器臂部件总成的尺寸，是产生前述的升力和阻力的主要原因（参见图6.13）。根据Jallet等人的观察 [401]，中间弓形件产生向下的气流到雨刮器刮片的顶侧上。若没有这种影响，气流将在从弓形的前
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