科普 | 什么是气动侧力？

危险不一定来自背后，危险也会来自侧面。在高速下发生的交通事故，除了气动升力的作用外，还有相当一部分是由于气动侧力的作用。今天的“汽车空气动力学知识系列”我们就来谈一谈气动侧力。

我们在电影中总会看到这样的细节，某敌后特工小队圆满胜利完成了组织上交代的任务，正在撤退之时，突然被隐藏极深的敌特分子在背后打了黑枪，我特工小队损失惨重。所以特战队员训练时，教官反复强调的就是：小心你的身后！


而在汽车上，这句话或许要换成：小心你的侧面！
汽车后面空气阻力大些，无非就是降低了最高车速，增加了燃油消耗量，但侧向力大了，却会带来灾难性的后果。尤其是对于客车和货车来说。


一、气动侧向力的来源
严格地说，当气流与汽车的纵对称面平行时，是不存在气动侧向力的。但在汽车实际行驶中，气流不会总是与汽车的纵对称面平行，当气流与汽车存在横偏角时，汽车都会产生气动侧向力。


也就是说侧向力的来源就是由于受到了侧向气流的作用。在实际环境中侧向来流的来源比较复杂，如自然界阵风、汽车驶过楼宇、大桥、车辆超车等情况。


一般来说在汽车侧风稳定性的数值模拟中，会将上述环境侧风简化为阶跃阵风模型、平缓过渡阵风模型、正弦函数变化阵风模型、幂函数变化阵风模型、随机变化阵风模型等侧风模型。

二、气动侧向力对汽车性能的影响
根据试验研究表明，轿车以112km/h的速度行驶时，在稳定侧风的情况下，作用在车身上的气动侧向力为1112 N。
而某一赛车以290km/h的速度行驶时，在稳定侧风的情况下，作用在车身上的气动侧向力则为4448 N，约等于汽车本身重量的25%。

过大的侧向力会对汽车行驶的安全性带来较大的隐患。侧向力对汽车行驶安全性的影响主要体现在当汽车受到的侧向力与汽车质心不重合时带来的横摆力矩和侧倾力矩上，由此将会对汽车的稳态直线行驶性能和安全性能带来影响。
侧向力对汽车性能的影响，可通过对汽车侧风工况下的操作稳定性进行分析，一般这要结合空气动力学与汽车动力学两个学科进行研究。
三、在风洞试验中如何模拟侧风
在汽车风洞试验中对侧风工况的模拟主要有以下几种方式：
1、转台旋转
一般在汽车风洞试验中，对侧风工况的模拟是采用转台旋转实现的。在来流方向不变的情况下，将车辆旋转一定的角度，相当于模拟了车辆受到的侧向来流。


2、侧风发生器
侧风发生器是在风洞试验段喷口侧面安装侧风发生器（一般为风扇），以此模拟汽车所受到的侧向风的大小。


3、牵引模型方法
这种方法是通过将试验模型安装在导轨上，驱动模型使其横向通过风洞试验段，在这个过程中侧向风是稳态变化的而模型是动态变化的。1988年，日本丰田汽车公司采用牵引模型法对车辆侧风下的瞬态气动力和气动力矩进行了分析。


4、喷口导流片
如德国FKFS气动-声学风洞的FKFS swing装置，通过安装在喷口的可偏转翼型导流片，可产生方向正弦规律变化的来流，以此进行非稳态下的气动力测量。

四、如何减小气动侧向力
由于气动侧向力的大小受汽车外形的影响较大，通常流线形系数越大，气动侧力越小。一般长度较小、宽度较大、车身低矮的汽车在行驶中所受到的气动测力也较小。

对货车或客车来说，由于功能的需要，其不可能具备扁平的造型，一般来说会加装空气动力学附加装置，如前部稳流器、侧裙尾部扰流器等，以提高车辆的侧风稳定性。

CAERI 视点
近年来，SUV车型由于宽大的车内空间和良好的驾驶视野被越来越多的中国家庭所喜爱，国产SUV车型的销量也在创造着一个个的神话。相对于传统的三厢轿车，SUV车型由于其方背式的车尾造型，使得SUV更容易受到环境侧风的干扰，受到较大的侧向力，对行驶中的汽车带来安全隐患，因此对SUV车型侧风状态的气动特性研究更为重要。