空气动力学在汽车造型中的运用

空气动力学在汽车造型中的运用

车辆0901 倪佳锋091102125 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