空气动力学在车身造型中的应用

空气动力学在车身造型中的应用

一、引言

汽车，从最初被发明出来到现在，经过短短一个世纪的发展，已经成为当今最主要的交通运输方式，并且深入到社会生活得方方面面。可以这样说，社会的发展促进的汽车行业的不断更新换代升级，而汽车技术的不断突破，也反过来对社会的发展有着良好的促进作用。

虽然汽车行业极大地推动了社会的经济发展，给人们的生活出行带来了便捷，但是不可否认地是它同时也带来了一些负面影响。比如交通事故所造成的各种伤亡，传统汽车依靠化石燃料功能所带来的环境污染问题等等。而且随着高速公路的发展，燃油原料价格的攀升，人们对高质量生活的不断追求以及政府严苛的法规不断出台，各个方面都使得汽车行业不得不在操纵稳定性、燃油经济性、动力性和舒适性方面不断向前发展。因此就使得大量的科研工作者投入到对汽车空气动力学的研究中来。

二、车身造型的发展历史

汽车造型，主要是指汽车的车身造型。车身除了可以包容乘客和货物，使其免受风沙等灾害影响之外，还应该考虑何种造型有利于减少汽车所受到的风阻。同时，车身也是一种表现汽车文化的载体，表现社会的审美价值取向等。人第一眼看到的就是车身，所以车身的造型表达出来的应该是汽车的功能文化和社会文化的融合。车身造型是人们首先看到的东西，所表达的应该是汽车的功能文化与社会文化的融合，使汽车能够尽量完美地体现它的物质功能和精神功能，充分满足人在实用和审美两方面的需求[1]。

汽车的车身造型，经历了马车型、方箱型、流线型、三厢型（船型）、梯型和当代造型的演变过程。在车身的发展过程中，后者总是汲取了前者的经验，保留了前者造型的优点，包含了设计者的智慧、匠心和艺术造诣。经过一百多年的发展，当代车身主流造型的特点是，普遍采用大曲面代替平面，大曲面之间采用大弧形的小曲面连接和过渡，使得从侧面看的时候，一条曲线从头部经过车顶到车尾圆滑过渡。这种造型充分考虑了汽车空气动力学特性，融合了以前各种造型的优点，空气阻力小，运动感、轻快感强烈，富有活力，如下图。

三、汽车空气动力学的发展历史

从第一辆汽车被发明出来的最初十几年，由于各种技术、材料的问题，汽车的车速普遍不高，所以基本不存在空气动力学的问题。直到1920年左右，因为空气动力学在航空航天领域得到了飞速发展，工程师尝试把航天领域取得的技术成果移植到汽车领域。德国人P.Jaray最早提出了“最小阻力的外形是以流线体的一半构成的外形”和“只有消除汽车尾部气流分流，才能降低阻力”等关键性论点，这些论述对空气动力学在汽车领域的发展提供了巨大的帮助。他又通过风

洞试验提出了“合成型车身”概念（“J”型车），如下图所示。

汽车的空气动力学特性在汽车的车身造型中有着举足轻重的作用，是整车性能指标中不可忽视的部分。汽车工程界也一直在致力于研究车身造型使其空气动力性最优的开发工作。

下图是统计的汽车气动阻力系数变化规律图，通过图中我们可以看出，汽车的气动阻力系数总体是呈现不断下降的趋势，可见工程师对汽车空气动力学的研究深度。在80年代左右，气动阻力系数有一定的上升，是因为以美国车为代表的轿车不顾气动阻力的影响，更多地去追求乘车舒适性。直到石油危机的出现，人们又逐渐重视空气动力学的重要性，致力于减小气动阻力系数。

最初汽车空气动力学的研究只关注如何降低气动阻力，但是随着研究的深入，

以及车速的提高，研究发现了气动升力以及侧风稳定性的问题。最新的研究还注意到驾驶室内流、空气动力噪声等问题，并且将解决部分问题的研究成果应用到汽车的开发过程中来了。

从历史的发展过程中来看，汽车空气动力学是随着汽车使用要求以及路况的提高来发展的，进而引起了汽车车身造型的变化，可以说空气动力学的发展与汽车车身造型的发展息息相关、密不可分。

四、车身造型的气动力学的技术开发路线

根据出发点的不同，可以将对车身造型取得最优空气动力性能的研究分为两种。

第一种是首先先初步定义一个车身造型，这个造型需要满足使用功能、工艺学、人体工程学、安全法规以及审美效果等方面的要求。然后再考虑如何减少气动阻力，提高行驶稳定性的问题，不断地对车身造型进行完善。这种情况下，通常只能够对已有的车身造型做出少量的局部修改或者加装少量的气动元件。

第二种的出发点是先设计一个适当的基本形体，其主要特点是具有低风阻、高稳定性等优良的气动特性。然后再通过对其造型进行修改，以满足功能、工艺学、人体工程学、安全法规以及审美效果方面的要求。这种情况下，基本形体通常会经过相当大成都的修改[2]。

这两种技术开发路线在气动特性方面来说各有利弊。对于第一种来说，因为初始造型的气动特性差，而且可供更改的程度受到很大的限制；对于第二种来说，在基本形体的时候，气动特性或许能够达到足够好的程度，但是在后期更改过程

中，为了满足车用要求而不得不做出较大牺牲。总得来说，这两条路线目前所达到的效果相当。当今轿车的空气阻力系数一般都是在0.3-0.4之间。

五、车身造型应用空气动力学研究

在汽车空气动力学中，任何一个运动物体所受到的空气阻力的大小可以表示为：

F D=C D qS

式中：F D为空气阻力，q为动压，S为参考面积，C D为空气阻力系数通常认为，C D=C s+C i+C f，即C D是形状、诱导和表面摩擦三个气动阻力分量系数之和。C s为形状阻力系数，与物体的外形或气流在形体周围产生脱体流动（涡流）的程度有关；C i为诱导阻力系数通常认为正比于形体所受到空气升力的平分；C f为摩擦阻力系数，与形体掠气表面积的大小等因素有关，它与前两个系数相比一般可忽略[3]。

通常可以将影响车身空气动力性的参数，分为三类：

（1）位置参数：迎角、离地间隙、侧偏角；

（2）形状参数：车身前部、侧部、后部等各部位特定形状

（3）功能参数：载荷、通过散热器片及其附近的气流情况

在这三类因素中，主要起作用的是位置参数以及形状参数。位置参数指的是，行驶状态中汽车整体与气流方向以及地面位置的相对关系，此处不做详细讨论。形状参数指的是，决定车身形状包括各个局部基本形式的空气动力性参数。

目前的研究表明，对于汽车外形来说，最优化的总体设计方案内容有如下几