車身設(shè)計中轎車造型與空氣動力學(xué)的研究

奚松山

車身設(shè)計中轎車造型與空氣動力學(xué)的研究

奚松山

眾所周知，車速越快阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，會增加汽車燃油消耗量或嚴重影響汽車的動力性能。據(jù)測試，一輛以100km/h速度行駛的汽車，發(fā)動機輸出功率的80%將被用來克服空氣阻力，減少空氣阻力，就能有效地改善汽車的行駛經(jīng)濟性，因此轎車的設(shè)計師是非常重視空氣動力學(xué)。在介紹轎車性能的文章上經(jīng)常出現(xiàn)的“空氣阻力系數(shù)”就是空氣動力學(xué)的專用名詞之一，也是衡量現(xiàn)代轎車性能的參數(shù)之一。

汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產(chǎn)生縱向，側(cè)向和垂直等三個方向的空氣動力量，對高速行駛的汽車都會產(chǎn)生不同的影響，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力，大約占整體空氣阻力的80%以上。它的系數(shù)值是由風(fēng)洞測試得出來的，與汽車上的合成氣流速度形成的動壓力有密切關(guān)系。當(dāng)車身投影尺寸相同，車身外形的不同或車身表面處理的不同而造成空氣動壓值不同，其空氣阻力系數(shù)也會不同。由于空氣阻力與空氣阻力系數(shù)成正比關(guān)系，現(xiàn)代轎車為了減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力系數(shù)。從50年代到70年代初，轎車的空氣阻力系數(shù)維持在0.4～0.6之間。70年代能源危機后，各國為了進一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低空氣阻力系數(shù)，現(xiàn)在的轎車空氣阻力系數(shù)一般在0.28～0.4之間。

轎車外形設(shè)計為了減少空氣阻力系數(shù)，現(xiàn)代轎車的外形一般用圓滑流暢的曲線去消隱車身上的轉(zhuǎn)折線。前圍與側(cè)圍、前圍、側(cè)圍與發(fā)動機罩，后圍與側(cè)圍等地方均采用圓滑過渡，發(fā)動機罩向前下傾，車尾后箱蓋短而高翹，后冀子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采用大曲面玻璃，且與車頂園滑過渡，前風(fēng)窗與水平面的夾角一般在25～33°之間，側(cè)窗與車身相平，前后燈具、門手把嵌入車體內(nèi)，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，這些措施有助于減少空氣阻力系數(shù)。在80年代初問世的德國奧迪100C型轎車就是最突出的例子，它采用了上述種種措施，其空氣阻力系數(shù)只有0.3，成為當(dāng)時商業(yè)化轎車外形設(shè)計的最佳典范。

據(jù)試驗表明，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油節(jié)省7%左右。曾有人對兩種相同質(zhì)量，相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數(shù)（分別是0.44和0.25）的轎車進行比較，以88km/h的時速行駛了100km，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7L。考察轎車車形的發(fā)展史，從21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(xiàn)，都不是某一時期單純的工業(yè)設(shè)計的產(chǎn)物，而是伴隨著現(xiàn)代空氣動力學(xué)技術(shù)的進步而發(fā)展的。空氣阻力系數(shù)在過去的轎車手冊中從未出現(xiàn)過，今天則是介紹轎車的常用術(shù)語之一，成為人們十分關(guān)注的一種參數(shù)了。

現(xiàn)代轎車的經(jīng)常時速已達100km左右，最高時速更達200km以上，因此轎車的車身設(shè)計既要服從空氣動力學(xué)，要有盡量低的空阻系數(shù)，又要采取措施，在車身的前后端安裝導(dǎo)流板和擾流板，以保證轎車的行駛安全。

在空氣動力學(xué)上，有法國物理學(xué)家貝爾努依證明的一條理論：空氣流速的速度與壓力成反比。也就是說，空氣流速越快，壓力越小：空氣流速越慢，壓力越大。例如飛機的機翼是上面呈正拋物形，氣流較快：下面平滑，氣流較慢，形成了機翼下壓力大于上壓力，產(chǎn)生了升力。如果轎車外型與機翼橫截面形狀相似，在高速行駛中由于車身上下兩面的氣流壓力不同，下面大上面小，這種壓力差必然會產(chǎn)生一種上升力，車速越快壓力差越大，上升力也就越大。這種上升力也是空氣阻力的一種，汽車工程界稱為誘導(dǎo)阻力，約占整車空氣阻力的7%，雖然比例較小，但危害很大。其它空氣阻力只是消耗轎車的動力，這個阻力不但消耗動力，還會產(chǎn)生承托力危害轎車的行駛安全。因為當(dāng)轎車時速達到一定的數(shù)值時，升力就會克服車重而將車子向上托起，減少了車輪與地面的附著力，使車子發(fā)飄，造成行駛穩(wěn)定性變差。

為了減少轎車在高速行駛時所產(chǎn)生的升力，汽車設(shè)計師除了在轎車外型方面做了改進，將車身整體向前下方傾斜而在前輪上產(chǎn)生向下的壓力，將車尾改為短平，減少從車頂向后部作用的負氣壓而防止后輪飄浮外，還在轎車前端的保險杠下方裝上向下傾斜的連接板。連接板與車身前裙板聯(lián)成一體，中間開有合適的進風(fēng)口加大氣流度，減低車底氣壓，這種連接板稱為導(dǎo)流板。在轎車行李箱蓋上后端做成象鴨尾似的突出物，將從車頂沖下來的氣流阻滯一下形成向下的作用力，這種突出物稱為擾流板。

還有一種擾流板是人們受到飛機機翼的啟發(fā)而產(chǎn)生的，就是在轎車的尾端上安裝一個與水平方向呈一定角度的平行板，這個平行板的橫截面與機翼的橫截面相同，只是反過來安裝，平滑面在上，拋物面在下，這樣車子在行駛中會產(chǎn)生與升力同樣性質(zhì)的作用力，只是方向相反，利用這個向下的力來抵消車身上的升力，從而保障了行車的安全。這種擾流板一般安裝在時速比較高的轎跑車上。目前不少轎車都裝有導(dǎo)流板和擾流板，藉以提高轎車的性能。

盡管汽車業(yè)與玻璃業(yè)是屬于兩個不同領(lǐng)域的行業(yè)，前者屬于機械制造業(yè)，后者屬于輕工業(yè)，但從汽車的發(fā)展歷程來看，兩者的關(guān)系越來越密切。玻璃技術(shù)已經(jīng)完全滲入了汽車行業(yè)之中，成為汽車技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一員。現(xiàn)在，人們總是從汽車安全和外觀的角度去研究和開發(fā)汽車玻璃，不斷推出新的品種。

汽車玻璃以前擋風(fēng)玻璃為主。早在80多年前，玻璃已裝在美國福特廠出產(chǎn)的T型車上，當(dāng)時是用平板玻璃裝在車廂的前端，使駕車者免除風(fēng)吹雨打之苦。從這以后的幾十年間，玻璃業(yè)逐步涉足汽車工業(yè)，創(chuàng)造了多種安全玻璃-夾層玻璃、鋼化玻璃和區(qū)域鋼化玻璃等品種，極大地改善了汽車玻璃的性能。

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2016-10-27