電動汽車低風阻車身設計

武守輝 查小江 苗宇 郝敬博 潘玉龍 馬東旺

摘 要：近年來，我國經濟快速發展，汽車產業規模不斷擴大。但是，汽車尾氣排放會導致環境變差，伴隨化石能源的減少，進行電動汽車車身低風阻設計變得至關重要。本文首先闡述了電動汽車車身設計的發展現狀，然后深入研究了電動汽車車身設計的影響因素，最后在汽車空氣動力學的基礎上對車身進行優化，以達到降低風阻的目的。

關鍵詞：電動汽車;低風阻設計;車身優化

中圖分類號：U462文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0066-03

Abstract： In recent years， China's economy has developed rapidly and the scale of the automobile industry has continued to expand. However， automobile exhaust emissions will lead to environmental degradation， with the reduction of fossil energy， low-resistance design of electric vehicle bodies becomes crucial. This paper first described the development status of electric vehicle body design， then deeply studied of the influencing factors of electric vehicle body design， and finally optimized the body on the basis of automobile aerodynamics to achieve the purpose of reducing wind resistance.

Keywords： electric vehicle;low wind resistance design;optimization of car body

現階段，世界能源問題和環境保護問題十分嚴重，汽車行業面臨著巨大的發展困難。目前，我國汽車的內燃機熱效率較低，燃料燃燒產生的熱能只有35%～40%用于汽車行駛，使得石油資源更加短缺[1]。同時，汽車保有量直線上升，更加重了環境污染，因此電動汽車的研發任務艱巨。車身設計在電動汽車研發中占據重要地位。隨著電動汽車的發展，車身設計愈來愈受到關注。目前，我國市場上大多數車身設計比較簡單，難以有效滿足消費者的需求;我國車身成型計劃進展遲緩，迫切需要加快步伐。因此，電動汽車制造商要精心設計車身形狀，提供性能良好而且外觀精美的新車型，激發消費者的購買意愿。本文結合低風阻汽車車身設計的研究成果，探索了電動汽車車身設計的發展現狀，研究了電動汽車車身設計的影響因素，根據空氣動力學原理對電動汽車車身進行優化，以期有效降低風阻。

1 電動汽車車身設計的發展現狀

當前，我國電動汽車車身設計偏少，部分制造商為了在短時間內提升銷量，直接利用國外車型，但是設計水平很難提高，最終會失去市場競爭力。同時，許多合資汽車制造商不在中國進行車身制造。近年來，比亞迪、吉利、一汽等中國汽車制造商正在追趕國外汽車制造商的設計步伐，都設計出屬于自己的電動汽車車身，表明國內汽車制造商對電動汽車車身設計的興趣日益濃厚。

電動汽車相關設備的大規模建設受到世界各國政策的鼓勵。隨著電動汽車技術的發展，國外汽車制造商帶頭制造電動汽車，逐步增加電動汽車產量，并且深入研究車身設計。美國特斯拉公司是世界電動汽車技術的領跑者，首先將鋰離子電池用于電動汽車中，沖破了續航里程和安全性兩大電動汽車技術瓶頸，引領電動汽車行業的成長[2]。在電動汽車車身設計中，人們要以空氣動力學為基礎，大力進行技術創新，有效降低風阻。

2 電動汽車車身設計的影響因素

2.1 動力布置對汽車車身設計的影響

汽車車身設計要始終考慮汽車車身的整體布局。車身動力布局影響車身設計，這些限制可以說是設計的難點。通過參照車身的控制虛線和控制結構可知，車身主體部分和相關部分是車身設計的重點。

電動汽車主要使用電力，電動機取替了發動機，電氣控制系統代替了變速箱，電池代替了油箱。車橋采用帶電動輪驅動車輪的形式。這些動力裝置的改變將影響車身設計。將經常更換的零件放在頂部，將易碎的零件放在底部，將電池管理系統、電池轉換模塊和電瓶放在一起，以便降低成本。因此，車身設計需要留有足夠的運動空間，確保每個部分之間留有一定間隙，防止車輛散熱不良而引起電池過熱。

2.2 空氣動力學對汽車車身設計的影響

空氣動力學可以應用于汽車車身建模，主要考慮兩個因素，一是降低風阻系數，二是降低高速和側風條件下的提升力和側向力。作為空氣動力學研究的一項核心任務，所有車輛車身建模設計對低風力和低功率都有一定要求。

人們可以通過兩種有效的方法來降低汽車風阻系數。一是將風阻系數進行局部優化。二是從具有低風阻系數的汽車整形開始，逐漸將其形狀更改為滿足美學和空氣動力學要求的汽車產品。降低高速和側風情況下的提升力和側向力至關重要。在汽車的高速行駛中，車體上部和下部之間的氣流速度不同，這導致車體的上部和下部之間產生壓力差和升力，直接影響駕駛穩定性[3]。

2.3 汽車結構因素對汽車車身設計的影響

基于機械原理的結構功能、結構方法和結構材料的優化設計需要對汽車進行整體建模，而不需要計算汽車的車身結構。在保證汽車功能的前提下，對汽車結構進行建模，使汽車車身造型優美，結構堅固。車身結構是汽車的支撐結構，是汽車建模設計的重點。人們要根據汽車的結構特征，合理選擇汽車結構建模方法，優化車身設計。

3 基于空氣動力學的汽車車身優化設計

動力特性是汽車的基礎特性，對汽車操縱穩定性、安全性等具有很大的影響。隨著汽車行駛速度的加快，人們越來越重視汽車空氣動力學研究，空氣動力學已經被列入汽車車身設計的基礎學科。

3.1 汽車的空氣阻力

空氣看不到也摸不到，具有黏滯性，當汽車高速行駛時，空氣會產生阻力。這些阻力會影響汽車的行駛狀況，因此為了解決這一問題，汽車制造商在開發新車時將空氣阻力問題列為首先要解決的任務。低風阻的車型不僅外觀看起來流暢、很酷，而且在高速行駛時會降低風噪。氣動阻力[Fx]的計算公式為：

由式（2）可知，隨著空氣阻力[Fx]的降低，燃油消耗[Q]逐漸減小。

當然，空氣阻力[Fx]對燃油消耗的影響也與路況、車況、發動機有關，并不能一味使用公式計算。目前，各類汽車的空氣阻力系數[CD]如表1所示。

3.2 汽車車身外形優化設計

優化前臉設計是降低汽車風阻的有效方法。在前臉設計中，很多因素或多或少地影響空氣阻力，如前臉形狀、前保險杠的形狀和位置、進氣口的形狀和位置等。根據以往各大汽車制造商車型的前臉設計可知，汽車車頭的各個棱角的平滑連接可以有效阻止氣流的分離，以降低風阻系數[CD][5]。

前保險杠的形狀應該設計成凸形，表面保持光滑，保證汽車行駛時可以順利將氣流分流到車身后部，不讓氣體在車身外邊逗留，以免風阻影響汽車行駛速度。

發動機艙蓋與前擋風玻璃一般都有縱向和橫向曲率。縱向曲率影響發動機艙蓋上面的氣體流動;橫向曲率影響側向氣流的流動。合理的曲率可以減少空氣阻力。一般來說，前擋風玻璃與水平線的夾角為25°～30°時，風阻系數[CD]最低[6]。

汽車行駛時，雖然車身側面不是直接產生阻力的區域，但氣流被汽車前段分流后也會與其接觸，因此汽車側面同樣會影響汽車空氣動力性能。車身前段與側面的拐角處最有可能產生渦流，導致氣流形狀變化。因此，拐角處應該設計圓滑，避免出現棱角。

4 車身總體設計

車身總布置的設計是整部車設計的至關重要的部分，它決定了車身的形狀、內部裝置的安放、乘坐的舒適度以及整車的使用性能。

在進行總體布置的時期，要考慮到駕駛員體型的不同。測量那些體型不同的群體的尺寸，然后在設計過程中設定一些專門對這些不同尺寸群體的乘坐舒適范圍，以供駕駛員調試。如表2所示，這里提供五組乘坐空間的尺寸范圍。

在這個過程中，經常會用到百分位這種測量人體學中的術語。它表示小于該尺寸的人數占總統計人數的百分比。以95th百分位為例，它表示人群中大概有95%的人小于這個尺寸，5%的人大于這個尺寸。最常用的就是5th，50th，95th這三個百分位尺寸，它們分別表示小、中、大這三種尺寸[7]。

5 結論

本文研究了汽車車身設計的影響因素，并利用空氣動力學對電動汽車的車身進行優化設計。結果發現，車身優化設計主要受汽車動力布置、空氣動力學以及車身結構等方面的影響;車身外部具有棱角的部位應設計成平滑連接，以降低空氣阻力系數，避免產生渦流，達到低風阻的要求;電動汽車低風阻車身設計不僅可以提高消費者的購買力、合理利用能源、降低污染物的排放量，還可以提高我國電動汽車在國際市場的競爭力。

參考文獻：

[1]吳會敏.我國新能源汽車的現狀及前景分析[D].長春：吉林大學，2014.

[2]肖何，楊陽.2014年全球電動汽車銷量突破35萬輛 同比増長56.78%[N].中國電池雜志，2015-03-25.

[3]姜樂華，谷正氣，黃天澤.空氣動力性最優化對未來汽車外形設計的影響[J].設計與計算，1997（5）：25-27.

[4]林程，王文偉，陳瀟凱.汽車車身結構與設計[M].北京：機械工業出版社，2016.

[5]鄒欣，楊洋.汽車外形設計[M].北京：化學工業出版社，2012.

[6]徐家川，王翠萍.汽車車身計算機輔助設計[M].北京：北京大學出版社，2012.

[7]曲曉峰，汽車造型的演變[J].中國機電工業，2002（1）：53-55.