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汽車正投影面積測(cè)量技術(shù)

2019-11-11 23:05:14·  來(lái)源：中汽中心空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室  
　
當(dāng)今汽車領(lǐng)域?qū)θ加?能源的經(jīng)濟(jì)性無(wú)比重視，顯而易見的是整個(gè)汽車行業(yè)加大了對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的研究，尤其增多了風(fēng)洞試驗(yàn)，以期通過(guò)優(yōu)化汽車外形減少氣動(dòng)阻
當(dāng)今汽車領(lǐng)域?qū)θ加?能源的經(jīng)濟(jì)性無(wú)比重視，顯而易見的是整個(gè)汽車行業(yè)加大了對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的研究，尤其增多了風(fēng)洞試驗(yàn)，以期通過(guò)優(yōu)化汽車外形減少氣動(dòng)阻力系數(shù)，進(jìn)而降低能源的消耗。 
 
通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定汽車的值需要測(cè)量該車的氣動(dòng)阻力和它的正投影面積。 
 
汽車正投影面積測(cè)量技術(shù)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的重要性：
在風(fēng)洞試驗(yàn)中, 與 是影響阻力系數(shù)至關(guān)重要的兩個(gè)參數(shù)。
 
阻力系數(shù)：
： 氣動(dòng)阻力
：空氣密度
：車速
：汽車正投影面積
在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通常由昂貴、高精密的天平系統(tǒng)測(cè)量汽車的氣動(dòng)阻力，這是一種非常成熟的技術(shù)方案。而為確保 的準(zhǔn)確計(jì)算，汽車正投影面積也需要高精度地測(cè)量。所謂汽車正投影面積，就是指汽車在行駛方向的投影面積，包括車身、輪胎、底盤等零部件的前視投影。
汽車正投影面積常用的測(cè)量方法：
1.近似法
有學(xué)者定義了一個(gè)系數(shù)，汽車正投影面積表示為：
：一系數(shù) 
：車寬
： 車高
如 1985 年，針對(duì)歐洲車的匯總，這個(gè)系數(shù)的平均值約為 0.81，離散度很小。
這種方法主要用于預(yù)測(cè)一輛汽車的正投影面積，做出一個(gè)估值判斷。針對(duì)不同車型，存在一定偏差。
 
2 照相求積法
照相求積法需要的基本條件包括較大的試驗(yàn)場(chǎng)地，盡量滿足平行光線垂直照射到汽車和標(biāo)準(zhǔn)板上。其次是具備長(zhǎng)焦鏡頭的數(shù)碼相機(jī)，并配有三腳架。最佳的拍攝距離是相機(jī)距車輛 90～110m，試驗(yàn)的重復(fù)性比較好。以及一塊 1×1m 的標(biāo)準(zhǔn)板。
得到相片后，通過(guò)電腦軟件，將照片中的車輛和標(biāo)準(zhǔn)板截取并抽出，刪除背景圖像。將抽出的圖像打印出來(lái)，然后利用數(shù)字式求積儀分別測(cè)量出同一張圖片上標(biāo)準(zhǔn)板的面積和車輛的面積，進(jìn)而可以計(jì)算得出車輛的實(shí)際正投影面積。這種方法使用設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作也并不復(fù)雜。但相機(jī)作為點(diǎn)光源，距車輛一定距離拍攝，其光 束發(fā)散會(huì)導(dǎo)致放大車輛的正投影面積，理論上存在一定偏差。
 
3 激光投射輪廓法
激光投射輪廓法要求配有激光頭、光電反饋系統(tǒng)、一座二維移動(dòng)系統(tǒng)、以及一塊背景墻。激光和光電檢測(cè)系統(tǒng)可以被整合在同一個(gè)測(cè)量頭上面，該測(cè)量頭被固定在一座二維移動(dòng)設(shè)備上（y-z方向），涂有特殊涂層的背景墻具有較好的反光特性。
激光需要垂直照射到背景墻，而汽車縱軸（x 軸）需要嚴(yán)格平行于激光照射方向。測(cè)量時(shí)，光電 檢測(cè)系統(tǒng)持續(xù)分析被背景墻反射的光線強(qiáng)度，當(dāng)激光接觸到汽車輪廓的時(shí)候，可以自動(dòng)記錄汽車 輪廓的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)；最后將記錄的數(shù)據(jù)擬合成一個(gè)封閉輪廓的圖形，即汽車的正投影面輪廓， 再計(jì)算出該圖形面積。采用這種方式，測(cè)量速度快，準(zhǔn)確度較高；激光追蹤汽車輪廓的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)獲得，采集數(shù)據(jù)越 密集，擬合汽車正投影輪廓的封閉曲線越接近理論值。
 
4 三維掃描系統(tǒng)測(cè)量法
 
眾所周知，如果已知汽車三維數(shù)模，那么利用做逆向工程軟件的方法，可以計(jì)算得出汽車正投影面積。該方法準(zhǔn)確度較高，基本接近理論值。三維掃描儀設(shè)備具備非常成熟的市場(chǎng)，穩(wěn)定性較好；越來(lái)越多的手持式設(shè)備在不失精度的情況下，為用戶帶來(lái)了更大的便捷性，并且提高了掃描的速度。
手持式三維掃描系統(tǒng)主要包含兩部分，光學(xué)追蹤儀和手持式三維激光掃描裝置。前者主要是定位掃描裝置實(shí)時(shí)的空間位置和姿態(tài)。后者用于測(cè)量出被測(cè)點(diǎn)距掃描頭之間的距離。通過(guò)掃描出來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到被測(cè)物體的外形輪廓三維數(shù)模。最后通過(guò)逆向工程軟件，便可以計(jì)算得出精度較高的正投影面積，該方法得到普遍認(rèn)可。
總結(jié)：
針對(duì)不同試驗(yàn)?zāi)康?，可以有多種測(cè)量、計(jì)算汽車的正投影面積的方法。而汽車正投影面積的精確測(cè)量，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)尤為重要。汽車正投影面積數(shù)據(jù)上的不穩(wěn)定性、或者較大的偏差，會(huì)嚴(yán)重影響氣動(dòng)阻力系數(shù) 的計(jì)算。尤其針對(duì)不同車輛的橫向?qū)?biāo)，不可靠的投影面積數(shù)值，會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)標(biāo)車輛 值及氣動(dòng)造型方案的評(píng)估。
 
參考文獻(xiàn)：
[1] 傅立敏. 汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1998.
[2] 吳展，沈南，袁建軍，王雪瑩.利用數(shù)字式求積儀測(cè)量汽車迎風(fēng)面積的探討. 北京汽車,2015(3): 13-15
[3] M.-A. Beeck, B. Stoffregen. Measurement of the Projected Frontal Area of Vehicles - A New Contour-Tracking Laser Device in Comparison to Other Methods. SAE International Congress and Exposition, 1987.
編校：中汽中心空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室 
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