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空气动力学在汽车造型设计中的运用

2018-07-18 13:41:15·  来源:新能源汽车产业发展联盟  
 
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考察汽车车形的发展史,从本世纪初的福特T 型箱式车身到30 年代中型的甲虫型车身,从甲虫型车身到50 年代的船型车身,从船型车身到80 年代的楔型车身,直到今天的轿车车身模式,每一种车身外形的出现,都不是某一时期单纯工业设计的产物,而是伴随着现代空气动力学技术的进步而发展的。
1、汽车车型发展史

考察汽车车形的发展史,从本世纪初的福特T 型箱式车身到30 年代中型的甲虫型车身,从甲虫型车身到50 年代的船型车身,从船型车身到80 年代的楔型车身,直到今天的轿车车身模式,每一种车身外形的出现,都不是某一时期单纯工业设计的产物,而是伴随着现代空气动力学技术的进步而发展的。

汽车造型的演变与空气动力学的关系

(1) 马车型汽车

在汽车诞生前,马车是陆地上最好的交通工具,可以说,汽车的发展是从马车的机动化开始的。在汽车造型方面,没有专门的设计人才,汽车外形基本上沿用了马车的造型。马车型汽车(图1) 的时代是汽车发展的初期阶段,技术尚未成熟,在车身造型上没有引进空气动力学的原理。





(2) 箱型汽车。

马车型车身一般都是敞篷和活动布篷的,很难抵御风雨的侵袭。福特公司生产了一种新型的T 型车(图2) ,车身像一只大箱子,因此称作“箱型车身”。

随着汽车的普及及生活节奏的加快,人们对车速的要求也越来越高,当车速超过100kmPh 后,可以说功率几乎都用来克服空气阻力了,因此这一时期,人们开始降低车的高度减小迎风面积来克服空气阻力。但箱形车阻力大,因此人们开始研究一种新的车型- 流线型汽车。

(3) 甲壳虫型汽车。

1930 年后,汽车设计越来越重视车身外形对减少空气阻力的重要性。1934 年,美国的克莱斯勒公司生产的气流牌(Air Flow) 小客车,首先采用了流线型的车身外形。虽然在销售方面遭到了惨败,但它却宣告了汽车造型新时代的开始。从此以后在世界刮起一股流从此以后在世界刮起一股流线形浪潮。流线型车身的代表是德国大众公司波尔舍设计的“甲壳虫”汽车(图3) ,其形状阻力很小,但对横风有不稳定性。





(4) 船型汽车。

为了克服“甲壳虫”汽车对横风的不稳定性,1949 年美国福特公司经过几年的努力,推出了新型的福特V8 型汽车(图4) ,这种汽车改变了以往汽车造型的模式,使前翼子板和发动机罩,后翼子板和行李舱罩溶于一体,大灯和散热器罩也形成整体,车身两侧形成一个平滑的面,车室位于车的中部,整个车象一只小船,因此称为“船型汽车”。

(5) 鱼型汽车。

船型汽车尾部过分向后伸出,形成阶梯状,在高速时会产生较强的空气涡流。为了克服这一缺陷,人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜,倾斜的极限即成为斜背式。由于斜背式汽车的背部想鱼的脊背,故被称为“鱼型汽车”(图5) 。

鱼型汽车的背部和地面的角度比较小,尾部较长,围绕车身的气流比较平顺,涡流阻力较小。同时,其侧面的形状阻力也较小。但由于其造型关系,在高速时会产生一种升力,使车轮附着力减小,从而抵挡不住横风的吹袭,发生偏离的危险。为了克服这一缺陷,可以将其尾部截短,也可以在尾部安上一只翘翘的“鸭尾”,以克服一部分升力。




(6) 楔型汽车。

为提高汽车在高速行驶时的安全性,在减小空气阻力的同时,利用空气动力规律改善汽车行驶稳定性也成为研究的重要课题。车身发展成为楔型就是追求空气动力性能的有效措施。楔型汽车将车身整体向前下方倾斜,车身后部象刀切一样平直,这种造型能有效地克服升力。从空气动力学的角度来看,楔型汽车(图6) 造型已接近理想的造型,这种空气动力性优化的汽车成为80 年代车身造型的主导方向。

空气动力学在车身造型上的应用

根据车身造型的发展情况可以看到,空气动力学原理在车身造型设计中的应用已经成为造型构思的重要依据。为了减少空气阻力系数,现代轿车的外形一般用园滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围,前围、侧围与发动机罩,后围与侧围等地方均采用园滑过渡,发动机罩向前下倾,车尾后箱盖短而高翘,后冀子板向后收缩,挡风玻璃采用大曲面玻璃,且与车顶园滑过渡,前风窗与水平面的夹角不宜超过30 度,侧窗与车身相平,前后灯具、门手把嵌入车体内,去掉不必要的装饰,车身表面尽量光洁平滑,车底用平整的盖板盖住,降低整车高度等等,这些措施有助于减少空气阻力系数



在80 年代初问世的德国奥迪100 ─Ⅲ型轿车就是最突出的例子,它采用了上述种种措施,其空气阻力系数只有0. 3 ,成为当时商业代轿车外形设计的最佳典范。图7 是现代汽车。据试验表明,空气阻力系数每降低百分之十,燃油节省百分之七左右。对两种相同质量,相同尺寸,但具有不同空气阻力系数(分别是0. 44 和0. 25) 的轿车进行比较,88 kmPh 的时速行驶了100 km ,燃油消耗后者比前者节约了1. 7 L。
从前面可知,空气动力学上的每一项进展,都直观的反映在汽车造型的变化上。几十年来,汽车造型的种种变化,都可以找到其空气动力学的依据。当汽车的车速提高到每小时50 km 的时候,迎面而来的风使驾乘人员难以忍受,迫使人们考虑改变汽车的外形以克服其缺陷。于是人们设计了一种带有球面的挡风板的汽车,这是流线型的萌芽。汽车总高度的降低,汽车上部宽度的减小,都是为了减小汽车的迎风面积。30 年代盛行的甲壳虫轿车,反映了空气动力学发展的一个阶段。后来出现的船型车、鱼型车,随着空气动力学的发展,虽各有特色,但都有朝楔形车变化的共同趋势,楔形造型能较好地满足空气动力学的各项特性,并且造型上清爽利落,简洁大方,具有现代气息,给人以美的感受。

2现代汽车的造型



奥迪R8中的空气动力学设计





尾翼的基本设计

尾翼和扰流器的诞生正是要解决气流和浮升力的问题。我们见到过的尾翼可谓五花八门、千奇百怪。不过它们却有着相同的特点:表面狭窄、水平面离开车身安装(如果尾翼紧贴在车身安装,如果它不仅仅起到装饰作用,便只有扰流器般的作用,这两者是不同的。)

尾翼的主要作用是增加下压力,所以尾翼的外形必须像倒置的机翼才行,这样的设计会使流经尾翼下端的气流的速度较流经尾翼上端的来得高,从而产生下压力。还有一种产生下压力的方法是将尾翼前端微微向下倾斜,虽然这种设计会比水平式的尾翼产生更大的空气拉力,但是在调节下压力大小的方面却较有弹性。

WING和SPOILER的分别



尾翼和车尾扰流器的分别是后者与车尾连为一体,或者干脆就是车身整体设计的一部分。车尾扰流器其实也可以用来制造下压力,但是常见的功能扔是减少浮升力和气流拉力。掀背车的尾扰流器集结了大量的空气于扰流器的前方,目的是分隔车尾的气流,从而降低浮升力。后扰流器也可以令气流更顺畅的流经车尾,避免气流长时间的徘徊或紧贴在车尾上,如此一来便可以减少空气拉力,同时也可以减低导致浮升力的车底气压。



所以,有很多车书喜欢统称车尾上的凸出物为尾翼是很不专业的行为,比如普通版的911那个可以自动升降的东西该被称为扰流器,而GT2上的那个才是货真价实的尾翼。一般来说,欧洲的车厂比较注重汽车的美学设计,同时也很在意SPORTS SEDAN和RACING EDITION之间的分别。所以,欧洲的车厂比较忌用尾翼,而日本的车厂则将尾翼作为卖点推给顾客,从这种分别中也可以轻易的体会出不同国家造车哲学的不同。

对Cd值的一点解释

最后值得一提的倒是普遍存在的对Cd值的一些误解。在许多车厂的产品介绍书中,常常会提及新车的风阻系数降低至多少多少Cd,而Cd所指的并不简单是指我们一般所说的空气阻力,而是流气拉力系数(DRAG COEFFICIENT)。

一般而言气流在车尾造成的拉力,数值越低,表示车尾气流处理的越流畅,该部分的浮升力亦会越小,相对而言,车辆行走时的阻力会低一点,后轮的下压力也会好一点。说到这里我们就应该明白,加装尾翼并不一定会增加Cd值!如果加装尾翼和尾扰流器后,车辆尾部气流通过的流畅度增高,那么这辆车的Cd值反而应该降低。汽车设计的空气动力学问题并不止于车尾,其实车头的长度和宽度也会影响一部汽车的总拉力数值。比如前纵置引擎的中心点要比前轴的中心点更前,车头就容易造得很长,而如果加阔前轮距来横置摆放引擎,车头部分就会随着加阔,以上两种情况都会影响到整体的气流拉力(CdA)。虽然有可能一辆车的Cd造得很低,但是同样难以弥补车头部分增加的长度和宽度所带来的整体气流拉力数值的上升,举个例子来说,一部汽车的风阻系数由原来的Cd0.40下降至Cd0.38,但是车头的宽度却增加了75MM,这时它的CdA数值约会上升5%,这样一来等于完全抵消了Cd下降的效果。(比如新款的ACCORD,虽然风阻系数达到了惊人的Cd0.25,可是因为车体全面比上一代要加大许多,所有在高速时的稳定性表现,我个人估计不会有大幅的攀升,如果这方面的表现的确有所改进,也首先应该归功于轴距的加长和悬挂设定的改进,空气动力学的成就反而是次要的。因为民用车的空气动力学表现必须兼顾降低风噪和燃油经济性,所有在设计时必然会对汽车的下压力作出一定的牺牲。转自速道改装车论坛

因此,在大家谈论Cd时,不应该认为Cd代表了一部汽车的整体空气动力表现,更不能轻易的认为随便加装一只尾翼或者巨型扰流器就必然可以获得更好的空气动力学表现!其实充其量它只不过改善了空气动力学中某个部分的表现而已。



3、汽车造型中空气动力学的运用

空气动力特性直接影响车辆的动力性、操纵稳定性、燃油经济性以及货车的噪声和车身美观。随着车速的提高,在汽车造型中越来越重视空气动力学这方面的影响。下面将从轿车前部、尾部、底部以及车轮浅谈对汽车造型的影响。



一、车头造型对气动阻力影响因素主要有:车头边角(1)、车头形状、车头高度、发动机罩(3)与前风窗造型(4)等。

1.车头边角的影响:车头边角主要是车头上缘边角和横向两侧边角。

对于非流线型车头,存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区。

车头横向边角倒圆角,也有利于产生减小气动阻力的车头负压区。

2.车头形状的影响

整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。

3.车头高度的影响

头缘位置较低的下凸型车头气动阻力系数最小。但不是越低越好,因为低到一定程度后,车头阻力系数不再变化。

车头头缘的最大离地间隙越小,则引起的气动升力越小,甚至可以产生负升力。

4.发动机罩与前风窗的影响

发动机罩的三维曲率与斜度。


(1)曲率:发动机罩的纵向曲率越小(目前大多数采用的纵向曲率为
0.02m-1),气动阻力越小;发动机罩的横向曲率均有利于减小气动阻力。
(2)斜度:发动机罩有适当的斜度(与水平面的夹角)对降低气动阻力有利,但如果斜度进一步加大对将阻效果不明显。

(3)发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。

风窗的三维曲率与斜度。


(1)曲率:风窗玻璃纵向曲率越大越好,但不宜过大,否则导致工艺难实现、视觉视真、刮雨器的刮扫效果。前风窗玻璃的横向曲率均有利于减小气动阻力。
(2)斜度:前风窗玻璃的斜度(与垂直面的夹角)<=300时,降阻效果不明显,但过大的斜度,使视觉效果和舒适性降低。前风窗斜度=48时,发动机罩与前风窗凹处会出现一个明显的压力降,因而造型时应避免这个角度。

(3) 前风挡玻璃的倾斜角度(与垂直面的夹角)越大,气动升力系数略有增加。

二、车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有:后风窗的斜度与三维曲率(6)、尾部造型式样、车尾高度、尾部横向收缩。

后风窗斜度

后风窗斜度(后风窗弦线与水平线的夹角)对气动阻力影响较大,对斜背式轿车,斜度等于30时,阻力系数最大;斜度小于30时,阻力系数较小。

后挡风玻璃的倾斜角控制在25度之内。

尾窗与车顶的夹角介于28至32度时,车尾将介于稳定和不稳定的边缘。

2.尾部造型式样
典型的尾部造型有斜背式、阶背式、方(平)背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性,一般很难确切的断言或部造型式样的优劣。但从理论上说,小斜背(角度小于300)具有较小的气动阻力系数。

3.车尾高度
流线型车尾的轿车存在最佳车尾高度,此状态下,气动阻力系数最小。此高度需要根据具体车型以及结构要求而定。

4.后车体的横向收缩
一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益,但过多的收缩会引起气动阻力系数的增加。收缩程度受具体车型而定。


5.车尾形状
车尾最大离地间隙越大,车尾底部的流线越不明显,则气动升力越小,甚至可以产生负升力。

三、车身底部对对气动阻力的影响主要因素有:车身底部离地高度、纵倾角、曲率、扰流器

车身底部离地高度

一般随车身底部离地高度的增加气动阻力系数上升,但高度过小,将增加气动升力,影响操作稳定性及制动性。另外离地高度的确定还要考虑汽车的通过性与汽车中心高度。

2.车身底部纵倾角

车身底部纵倾角对气动阻力影响较大,纵倾角越大,气动阻力系数越大,故底板应尽量具有负的纵倾角。

将汽车底板做成前底后高的形状对减小气动升力有用。

3.车身底板的曲率

纵向曲率:适度的纵向曲率可以减小压差阻力。

横向曲率:适度的横向曲率可以减小气动升力。

4.扰流器对气动阻力的影响

前扰流器(车底前部):适当的前扰流器高度和位置对减小气动阻力非常重要。

后扰流器(车尾上部):后扰流器的形状尺寸和安装位置对减小气动阻力和气动升力也是非常重要。但后扰流器对于气流到达扰流器之前就已分离的后背无效。

四、车轮对气动力的影响(被轮腔覆盖车轮的影响)

1、车轮-轮腔的特性参数(被轮腔所覆盖的车轮高度h与车轮直径D的比值)h/D对气动力的影响:

h/D<0.75时,h/D越大,则气动阻力系数和气动升力系数越小。

h/D=0.75时,气动阻力系数和气动升力系数最小。

h/D〉0.75后,气动阻力系数又会回升。


2、车轮宽度的影响
适度的加宽轮胎对气动阻力系数有利,但不宜过宽,存在一个最佳宽度。

4、菱形新概念车



为了提高乘用车辆行驶的安全性、乘坐舒适性、燃油经济性、操纵方便性、外形美观性,湖南大学钟志华教授等2004年提出了一种类菱形车,该车轮系按照菱形布置,前后各一个驱动轮,车中部为两个从动轮这种结构。










新概念车后扰流板的作用在于破坏了在车后部即将形成的强大的尾涡,致使高速气流被滞缓,使汽车的尾流结构由大的旋涡变成了由一些不规则的小漩涡构成的湍流,强大的尾涡减弱了,湍流损失也随之减少,从而降低了压差阻力。



新概念车的特点

1车身前部由于气流阻滞产生压向车身后部的合力,而车身后部由于气流速度降低而使压力回升,产生压向车身前部的合力。理想状况下是两个方向的合力平衡。

2但是由于车身尾部产生涡流失压,导致车身前部的压力占优势,从而产生阻力。

3在压差阻力中,车身尾部的形状往往起到更大的影响,因为尾部形状所导致气流分离区域的大小(尾流结构)决定了尾部压力回升的程度。

4新概念车的尾部气流分离区域以及湍动能强度大大小于典型车的尾部分离区域,只损失较小的能量,所以尾部压力回升较快,因此新概念车的阻力系数小于典型车的阻力系数。

总结

目前,车身造型作为汽车设计的一个重要环节,受到汽车制造者前所未有的关注。现代风洞技术的发展,以及计算机、数控机器在汽车车身设计中的应用,为车身造型实现空气动力性最优化提供了有力保证。同时,新材料、新工艺在汽车车身上的应用,使汽车制造者以较少的投资实现产品的小批量,多梯化成为可能。面对日趋激烈的市场竞争,在充分满足空气动力性要求的前提下,车身造型更注重视觉效果,显现出艺术化、多样化和个性化的发展趋势,一辆辆美仑美奂的车型应运而生,或激烈浪漫,或古典含蓄,或粗犷豪放,最大限度地满足不同年龄、不同层次的购车族的要求。