空氣動力學在汽車造型設計中的運用

1、汽車車型發展史

考察汽車車形的發展史,從本世紀初的福特T 型箱式車身到30 年代中型的甲蟲型車身,從甲蟲型車身到50 年代的船型車身,從船型車身到80 年代的楔型車身,直到今天的轎車車身模式,每一種車身外形的出現,都不是某一時期單純工業設計的產物,而是伴隨著現代空氣動力學技術的進步而發展的。

汽車造型的演變與空氣動力學的關係

(1) 馬車型汽車

在汽車誕生前,馬車是陸地上最好的交通工具,可以說,汽車的發展是從馬車的機動化開始的。在汽車造型方面,沒有專門的設計人才,汽車外形基本上沿用了馬車的造型。馬車型汽車(圖1) 的時代是汽車發展的初期階段,技術尚未成熟,在車身造型上沒有引進空氣動力學的原理。

(2) 箱型汽車。

馬車型車身一般都是敞篷和活動布篷的,很難抵禦風雨的侵襲。福特公司生產了一種新型的T 型車(圖2) ,車身像一隻大箱子,因此稱作「箱型車身」。

隨著汽車的普及及生活節奏的加快,人們對車速的要求也越來越高,當車速超過100kmPh 後,可以說功率幾乎都用來克服空氣阻力了,因此這一時期,人們開始降低車的高度減小迎風面積來克服空氣阻力。但箱形車阻力大,因此人們開始研究一種新的車型- 流線型汽車。

(3) 甲殼蟲型汽車。

1930 年後,汽車設計越來越重視車身外形對減少空氣阻力的重要性。1934 年,美國的克萊斯勒公司生產的氣流牌(Air Flow) 小客車,首先採用了流線型的車身外形。雖然在銷售方面遭到了慘敗,但它卻宣告了汽車造型新時代的開始。從此以後在世界颳起一股流從此以後在世界颳起一股流線形浪潮。流線型車身的代表是德國大眾公司波爾舍設計的「甲殼蟲」汽車(圖3) ,其形狀阻力很小,但對橫風有不穩定性。

(4) 船型汽車。

為了克服「甲殼蟲」汽車對橫風的不穩定性,1949 年美國福特公司經過幾年的努力,推出了新型的福特V8 型汽車(圖4) ,這種汽車改變了以往汽車造型的模式,使前翼子板和發動機罩,後翼子板和行李艙罩溶於一體,大燈和散熱器罩也形成整體,車身兩側形成一個平滑的面,車室位於車的中部,整個車象一隻小船,因此稱為「船型汽車」。

(5) 魚型汽車。

船型汽車尾部過分向後伸出,形成階梯狀,在高速時會產生較強的空氣渦流。為了克服這一缺陷,人們把船型車的後窗玻璃逐漸傾斜,傾斜的極限即成為斜背式。由於斜背式汽車的背部想魚的脊背,故被稱為「魚型汽車」(圖5) 。

魚型汽車的背部和地面的角度比較小,尾部較長,圍繞車身的氣流比較平順,渦流阻力較小。同時,其側面的形狀阻力也較小。但由於其造型關係,在高速時會產生一種升力,使車輪附著力減小,從而抵擋不住橫風的吹襲,發生偏離的危險。為了克服這一缺陷,可以將其尾部截短,也可以在尾部安上一隻翹翹的「鴨尾」,以克服一部分升力。

(6) 楔型汽車。

為提高汽車在高速行駛時的安全性,在減小空氣阻力的同時,利用空氣動力規律改善汽車行駛穩定性也成為研究的重要課題。車身發展成為楔型就是追求空氣動力性能的有效措施。楔型汽車將車身整體向前下方傾斜,車身後部象刀切一樣平直,這種造型能有效地克服升力。從空氣動力學的角度來看,楔型汽車(圖6) 造型已接近理想的造型,這種空氣動力性優化的汽車成為80 年代車身造型的主導方向。

空氣動力學在車身造型上的應用

根據車身造型的發展情況可以看到,空氣動力學原理在車身造型設計中的應用已經成為造型構思的重要依據。為了減少空氣阻力係數,現代轎車的外形一般用園滑流暢的曲線去消隱車身上的轉折線。前圍與側圍,前圍、側圍與發動機罩,後圍與側圍等地方均採用園滑過渡,發動機罩向前下傾,車尾後箱蓋短而高翹,後冀子板向後收縮,擋風玻璃採用大麴面玻璃,且與車頂園滑過渡,前風窗與水平面的夾角不宜超過30 度,側窗與車身相平,前後燈具、門手把嵌入車體內,去掉不必要的裝飾,車身表面盡量光潔平滑,車底用平整的蓋板蓋住,降低整車高度等等,這些措施有助於減少空氣阻力係數

在80 年代初問世的德國奧迪100 ─Ⅲ型轎車就是最突出的例子,它採用了上述種種措施,其空氣阻力係數只有0. 3 ,成為當時商業代轎車外形設計的最佳典範。圖7 是現代汽車。據試驗表明,空氣阻力係數每降低百分之十,燃油節省百分之七左右。對兩種相同質量,相同尺寸,但具有不同空氣阻力係數(分別是0. 44 和0. 25) 的轎車進行比較,88 kmPh 的時速行駛了100 km ,燃油消耗後者比前者節約了1. 7 L。

從前面可知,空氣動力學上的每一項進展,都直觀的反映在汽車造型的變化上。幾十年來,汽車造型的種種變化,都可以找到其空氣動力學的依據。當汽車的車速提高到每小時50 km 的時候,迎面而來的風使駕乘人員難以忍受,迫使人們考慮改變汽車的外形以克服其缺陷。於是人們設計了一種帶有球面的擋風板的汽車,這是流線型的萌芽。汽車總高度的降低,汽車上部寬度的減小,都是為了減小汽車的迎風面積。30 年代盛行的甲殼蟲轎車,反映了空氣動力學發展的一個階段。後來出現的船型車、魚型車,隨著空氣動力學的發展,雖各有特色,但都有朝楔形車變化的共同趨勢,楔形造型能較好地滿足空氣動力學的各項特性,並且造型上清爽利落,簡潔大方,具有現代氣息,給人以美的感受。

2現代汽車的造型

奧迪R8中的空氣動力學設計

尾翼的基本設計

尾翼和擾流器的誕生正是要解決氣流和浮升力的問題。我們見到過的尾翼可謂五花八門、千奇百怪。不過它們卻有著相同的特點：表面狹窄、水平面離開車身安裝(如果尾翼緊貼在車身安裝，如果它不僅僅起到裝飾作用，便只有擾流器般的作用，這兩者是不同的。)

尾翼的主要作用是增加下壓力，所以尾翼的外形必須像倒置的機翼才行，這樣的設計會使流經尾翼下端的氣流的速度較流經尾翼上端的來得高，從而產生下壓力。還有一種產生下壓力的方法是將尾翼前端微微向下傾斜，雖然這種設計會比水平式的尾翼產生更大的空氣拉力，但是在調節下壓力大小的方面卻較有彈性。

WING和SPOILER的分別

尾翼和車尾擾流器的分別是後者與車尾連為一體，或者乾脆就是車身整體設計的一部分。車尾擾流器其實也可以用來製造下壓力，但是常見的功能扔是減少浮升力和氣流拉力。掀背車的尾擾流器集結了大量的空氣於擾流器的前方，目的是分隔車尾的氣流，從而降低浮升力。後擾流器也可以令氣流更順暢的流經車尾，避免氣流長時間的徘徊或緊貼在車尾上，如此一來便可以減少空氣拉力，同時也可以減低導致浮升力的車底氣壓。

所以，有很多車書喜歡統稱車尾上的凸出物為尾翼是很不專業的行為，比如普通版的911那個可以自動升降的東西該被稱為擾流器，而GT2上的那個才是貨真價實的尾翼。一般來說，歐洲的車廠比較注重汽車的美學設計，同時也很在意SPORTS SEDAN和RACING EDITION之間的分別。所以，歐洲的車廠比較忌用尾翼，而日本的車廠則將尾翼作為賣點推給顧客，從這種分別中也可以輕易的體會出不同國家造車哲學的不同。

對Cd值的一點解釋

最後值得一提的倒是普遍存在的對Cd值的一些誤解。在許多車廠的產品介紹書中，常常會提及新車的風阻係數降低至多少多少Cd，而Cd所指的並不簡單是指我們一般所說的空氣阻力，而是流氣拉力係數(DRAG COEFFICIENT)。

一般而言氣流在車尾造成的拉力，數值越低，表示車尾氣流處理的越流暢，該部分的浮升力亦會越小，相對而言，車輛行走時的阻力會低一點，後輪的下壓力也會好一點。說到這裡我們就應該明白，加裝尾翼並不一定會增加Cd值!如果加裝尾翼和尾擾流器後，車輛尾部氣流通過的流暢度增高，那麼這輛車的Cd值反而應該降低。汽車設計的空氣動力學問題並不止於車尾，其實車頭的長度和寬度也會影響一部汽車的總拉力數值。比如前縱置引擎的中心點要比前軸的中心點更前，車頭就容易造得很長，而如果加闊前輪距來橫置擺放引擎，車頭部分就會隨著加闊，以上兩種情況都會影響到整體的氣流拉力(CdA)。雖然有可能一輛車的Cd造得很低，但是同樣難以彌補車頭部分增加的長度和寬度所帶來的整體氣流拉力數值的上升,舉個例子來說，一部汽車的風阻係數由原來的Cd0.40下降至Cd0.38，但是車頭的寬度卻增加了75MM，這時它的CdA數值約會上升5%，這樣一來等於完全抵消了Cd下降的效果。(比如新款的ACCORD，雖然風阻係數達到了驚人的Cd0.25,可是因為車體全面比上一代要加大許多,所有在高速時的穩定性表現,我個人估計不會有大幅的攀升，如果這方面的表現的確有所改進，也首先應該歸功於軸距的加長和懸掛設定的改進，空氣動力學的成就反而是次要的。因為民用車的空氣動力學表現必須兼顧降低風噪和燃油經濟性，所有在設計時必然會對汽車的下壓力作出一定的犧牲。轉自速道改裝車論壇

因此，在大家談論Cd時，不應該認為Cd代表了一部汽車的整體空氣動力表現，更不能輕易的認為隨便加裝一隻尾翼或者巨型擾流器就必然可以獲得更好的空氣動力學表現!其實充其量它只不過改善了空氣動力學中某個部分的表現而已。

3、汽車造型中空氣動力學的運用

空氣動力特性直接影響車輛的動力性、操縱穩定性、燃油經濟性以及貨車的雜訊和車身美觀。隨著車速的提高，在汽車造型中越來越重視空氣動力學這方面的影響。下面將從轎車前部、尾部、底部以及車輪淺談對汽車造型的影響。

一、車頭造型對氣動阻力影響因素主要有：車頭邊角(1)、車頭形狀、車頭高度、發動機罩(3)與前風窗造型(4)等。

1.車頭邊角的影響：車頭邊角主要是車頭上緣邊角和橫向兩側邊角。

對於非流線型車頭，存在一定程度的尖銳邊角會產生有利於減少氣動阻力的車頭負壓區。

車頭橫向邊角倒圓角，也有利於產生減小氣動阻力的車頭負壓區。

2.車頭形狀的影響

整體弧面車頭比車頭邊角倒圓氣動阻力小。

3.車頭高度的影響

頭緣位置較低的下凸型車頭氣動阻力係數最小。但不是越低越好，因為低到一定程度後，車頭阻力係數不再變化。

車頭頭緣的最大離地間隙越小，則引起的氣動升力越小，甚至可以產生負升力。

4.發動機罩與前風窗的影響

發動機罩的三維曲率與斜度。

（1）曲率：發動機罩的縱向曲率越小（目前大多數採用的縱向曲率為

0.02m-1），氣動阻力越小；發動機罩的橫向曲率均有利於減小氣動阻力。

（2）斜度：發動機罩有適當的斜度（與水平面的夾角）對降低氣動阻力有利，但如果斜度進一步加大對將阻效果不明顯。

（3）發動機罩的長度與軸距之比對氣動升力係數影響不大。

風窗的三維曲率與斜度。

（1）曲率：風窗玻璃縱向曲率越大越好，但不宜過大，否則導致工藝難實現、視覺視真、刮雨器的刮掃效果。前風窗玻璃的橫向曲率均有利於減小氣動阻力。

（2）斜度：前風窗玻璃的斜度（與垂直面的夾角）

(3) 前風擋玻璃的傾斜角度（與垂直面的夾角）越大，氣動升力係數略有增加。

二、車身尾部造型對氣動阻力的影響主要因素有：後風窗的斜度與三維曲率（6）、尾部造型式樣、車尾高度、尾部橫向收縮。

後風窗斜度

後風窗斜度（後風窗弦線與水平線的夾角）對氣動阻力影響較大，對斜背式轎車，斜度等於30時，阻力係數最大；斜度小於30時，阻力係數較小。

後擋風玻璃的傾斜角控制在25度之內。

尾窗與車頂的夾角介於28至32度時，車尾將介於穩定和不穩定的邊緣。

2.尾部造型式樣

典型的尾部造型有斜背式、階背式、方（平）背式。由於具體後部造型與氣流狀態的複雜性，一般很難確切的斷言或部造型式樣的優劣。但從理論上說，小斜背（角度小於300）具有較小的氣動阻力係數。

3.車尾高度

流線型車尾的轎車存在最佳車尾高度，此狀態下，氣動阻力係數最小。此高度需要根據具體車型以及結構要求而定。

4.後車體的橫向收縮

一定程度的後車體的橫向收縮對降低氣動阻力係數有益，但過多的收縮會引起氣動阻力係數的增加。收縮程度受具體車型而定。

5.車尾形狀

車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯，則氣動升力越小，甚至可以產生負升力。

三、車身底部對對氣動阻力的影響主要因素有：車身底部離地高度、縱傾角、曲率、擾流器

車身底部離地高度

一般隨車身底部離地高度的增加氣動阻力係數上升，但高度過小，將增加氣動升力，影響操作穩定性及制動性。另外離地高度的確定還要考慮汽車的通過性與汽車中心高度。

2.車身底部縱傾角

車身底部縱傾角對氣動阻力影響較大，縱傾角越大，氣動阻力係數越大，故底板應盡量具有負的縱傾角。

將汽車底板做成前底後高的形狀對減小氣動升力有用。

3.車身底板的曲率

縱向曲率：適度的縱向曲率可以減小壓差阻力。

橫向曲率：適度的橫向曲率可以減小氣動升力。

4.擾流器對氣動阻力的影響

前擾流器（車底前部）：適當的前擾流器高度和位置對減小氣動阻力非常重要。

後擾流器（車尾上部）:後擾流器的形狀尺寸和安裝位置對減小氣動阻力和氣動升力也是非常重要。但後擾流器對於氣流到達擾流器之前就已分離的後背無效。

四、車輪對氣動力的影響（被輪腔覆蓋車輪的影響）

1、車輪-輪腔的特性參數（被輪腔所覆蓋的車輪高度h與車輪直徑D的比值）h/D對氣動力的影響：

h/D

h/D=0.75時，氣動阻力係數和氣動升力係數最小。

h/D〉0.75後，氣動阻力係數又會回升。

2、車輪寬度的影響

適度的加寬輪胎對氣動阻力係數有利，但不宜過寬，存在一個最佳寬度。

4、菱形新概念車

為了提高乘用車輛行駛的安全性、乘坐舒適性、燃油經濟性、操縱方便性、外形美觀性，湖南大學鍾志華教授等2004年提出了一種類菱形車，該車輪系按照菱形布置，前後各一個驅動輪，車中部為兩個從動輪這種結構。

新概念車後擾流板的作用在於破壞了在車後部即將形成的強大的尾渦，致使高速氣流被滯緩，使汽車的尾流結構由大的旋渦變成了由一些不規則的小漩渦構成的湍流，強大的尾渦減弱了，湍流損失也隨之減少，從而降低了壓差阻力。

新概念車的特點

1車身前部由於氣流阻滯產生壓向車身後部的合力，而車身後部由於氣流速度降低而使壓力回升，產生壓向車身前部的合力。理想狀況下是兩個方向的合力平衡。

2但是由於車身尾部產生渦流失壓，導致車身前部的壓力佔優勢，從而產生阻力。

3在壓差阻力中，車身尾部的形狀往往起到更大的影響，因為尾部形狀所導致氣流分離區域的大小(尾流結構)決定了尾部壓力回升的程度。

4新概念車的尾部氣流分離區域以及湍動能強度大大小於典型車的尾部分離區域，只損失較小的能量，所以尾部壓力回升較快，因此新概念車的阻力係數小於典型車的阻力係數。

總結

目前,車身造型作為汽車設計的一個重要環節,受到汽車製造者前所未有的關注。現代風洞技術的發展,以及計算機、數控機器在汽車車身設計中的應用,為車身造型實現空氣動力性最優化提供了有力保證。同時,新材料、新工藝在汽車車身上的應用,使汽車製造者以較少的投資實現產品的小批量,多梯化成為可能。面對日趨激烈的市場競爭,在充分滿足空氣動力性要求的前提下,車身造型更注重視覺效果,顯現出藝術化、多樣化和個性化的發展趨勢,一輛輛美崙美奐的車型應運而生,或激烈浪漫,或古典含蓄,或粗獷豪放,最大限度地滿足不同年齡、不同層次的購車族的要求。

文章來源：網路整理

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