空气动力——汽车外形

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汽车行进时所受阻力大致可分为机械阻力和空气阻力两部分。随着车速的提高,空气阻力所占比例迅速提高。以美国60年代生产的典型轿车为例,车速为每小时60公里时,空气阻力为行驶总阻力的33%~40%;车速为每小时100公里时,空气阻力为行驶总阻力的50%~60%;车速为每小时150公里时,空气阻力为行驶总阻力的70%~75%。

汽车空气阻力可分解为:①车型阻力,即由车体外形决定的阻力;②表面摩擦阻力;③干扰阻力,即由于安装在车体外的零部件,如后视镜、车门把手、车灯、车头装饰件等对气流干扰引起的阻力;④由拖曳涡引起的"涡阻";⑤内部气流阻力,即气流通过车头内的散热器、发动机等引起的阻力。现代轿车的空气阻力中,车型阻力和"涡阻"约占62%,表面摩擦阻力约占9%,干扰阻力约占17%,内部阻力约占12%。

缩小车辆的迎风投影面积,改进车身外形,减少安装在车外的零部件,将车身下面的部件合理布置或用托板封闭,均可使空气阻力系数显著下降。空气阻力每减小10%,车辆燃料消耗大约可降低5%。

汽车空气动力学研究主要有下列四个方面:①汽车运行中所受的空气动力和力矩,包括阻力、举力、俯仰力矩、侧倾力矩和摆动力矩,其中举力和俯仰力矩的研究涉及车辆操纵稳定性;②汽车运行中各部位的流场,包括雨水流的路径,污垢附着的过程和原理,风噪声和面板颤振,风挡玻璃上的作用力等:③发动机的冷却问题;④汽车内的气候条件。

空气阻力

众所周知,车速越快阻力越大,空气阻力与汽车速度的平方成正比。如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大,会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。据测试,一辆以每小时100公里速度行驶的汽车,发动机输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力,减少空气阻力,就能有效地改善汽车的行驶经济性,因此轿车的设计师是非常重视空气动力学。在介绍轿车性能的文章上经常出现的“空气阻力系数”就是空气动力学的专用名词之一,也是衡量现代轿车性能的参数之一。

空气阻力系数

汽车在行驶中由于空气阻力的作用,围绕着汽车重心同时产生纵向,侧向和垂直等三个方向的空气动力量,对高速行驶的汽车都会产生不同的影响,其中纵向空气力量是最大的空气阻力,大约占整体空气阻力的百分之八十以上。它的系数值是由风洞测试得出来的,与汽车上的合成气流速度形成的动压力有密切关系。当车身投影尺寸相同,车身外形的不同或车身表面处理的不同而造成空气动压值不同,其空气阻力系数也会不同。由于空气阻力与空气阻力系数成正比关系,现代轿车为了减少空气阻力就必须要考虑降低空气阻力系数。从50年代到70年代初,轿车的空气阻力系数维持在0.4至0.6之间。70年代能源危机后,各国为了进一步节约能源,降低油耗,都致力于降低空气阻力系数,现在的轿车空气阻力系数一般在0.28至0.4之间。

轿车外形设计

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一般在25度-33度之间,侧窗与车身相平,前后灯具、门手把嵌入车体内,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100C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。

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。曾有人对两种相同质量,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,以每小时88公里的时速行驶了100公里,燃油消耗后者比前者节约了1.7公升。

考察轿车车形的发展史,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的工业设计的产物,而是伴随着现代空气动力学技术的进步而发展的。空气阻力系数在过去的轿车手册中从未出现过,今天则是介绍轿车的常用术语之一,成为人们十分关注的一种参数了。

汽车外形发展

一、马车型汽车

二、箱型汽车

三、甲壳虫型汽车

1934年,流体力学研究中心的雷依教授,采用模型汽车在风洞中试验的方法测量了各种车身的空气阻力,这是具有历史意义的试验。1934年,美国的克莱斯勒公司首先采用了流线型的车身外形设计。1937年,德国设计天才费尔南德·保时捷开始设计类似甲壳虫外形的汽车。甲壳虫不但能在地上爬行,也能在空中飞行,其形体阻力很小。

四、船型汽车

将人体工程学的理论引入到汽车的整体设计上,取得了令人较为满意的结果。所谓人体工程学,就是用科学的方法解析的形体和能力,设计与之相吻合的机械与器具。船型汽车不论从外形上还是从性能上来看都优于甲壳虫型汽车,并且还较好地解决了甲壳虫型汽车对横风不稳定的问题。

五、鱼型汽车

为了克服船型汽车的尾部过分向后伸出,在汽车高速行驶时会产生较强的空气涡流作用这一缺陷,人们又开发出像鱼的脊背的鱼型汽车。鱼型汽车的背部和地面所成的角度比较小,尾部较长,围绕车身的气流也就较为平顺些,所以涡流阻力也相对较小。但也存在着一些致命的弱点:一是由于鱼型车的后窗玻璃倾斜得过于厉害,致使玻璃的表面积增大了一至二倍,强度有所下降,产生—了结构上的缺陷;二是当汽车高速行驶时汽车的升力较大。

鉴于鱼型汽车的缺点,设计师在鱼型汽车的尾部安上了一个上翘的“鸭尾巴”以此来克服一部分空气的升力,这便是“鱼型鸭尾式”车型。

六、楔形汽车

“鱼型鸭尾式”车型虽然部分地克服了汽车高速行驶时空气的升力,但却未从根本上解决鱼型汽车的升力问题。在经过大量的探求和试验后,设计师最终找到了一种新车型——楔形。这种车型就是将车身整体向前下方倾斜,车身后部像刀切一样平直,这种造型能有效地克服升力。

楔形造型主要在赛车上得到广泛应用。因为赛车首先考虑流体力学(空气动力学)等问题对汽车的影响,车身可以完全按楔形制造,而把乘坐的舒适性作为次要问题考虑。

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