小型螺杆式清雪车设计分析

小型螺杆式清雪车设计

高速行驶时稳定性更好。

如果您驾车以100公里的时速撞向一堵砖墙，将会产生怎样的后果呢？车体分崩离析，玻璃全部粉碎，安全气囊迅速弹出，试图保护您的安全。尽管我们的新式汽车配备了各种先进的安全措施，但如果陷入这种事故，我们仍然很难幸免。毕竟汽车可不是用来撞穿砖墙的。然而我们的汽车每时每刻都要面对另一堵“墙”，那就是阻碍汽车高速行驶的空气墙。

我们通常认为空气或风不能算作墙。在低速行驶或者无风的情况下，汽车与空气间的相互作用力通常可以忽略不计。但在高速行驶或遇到大风天时，空气阻力将对车辆的加速性能、操控性能和燃油效能产生巨大影响。

空气动力学的作用就在于此。空气动力学主要研究物体在空气中穿行时产生的各种力。几十年以来，空气动力学一直是车辆设计的重要参考。为了帮助汽车穿越气流之墙，制造商也提出了各种方案，以减少空气阻力对车辆行驶的影响。

最重要的是，根据空气动力原理设计的汽车能够获得更好的加速性能和燃油效能，因为引擎不需要产生太多能量帮助车辆穿越气墙。

工程师们已经设计出数种方法。比如说，更为圆滑的车身外观设计，使得空气从车辆四周平缓流过，将阻力减至最小。一些高性能的车辆甚至连底盘设计也考虑到了空气动力学的问题。许多车配有阻流板，也称尾翼，以防止空气抬升车轮，提高车辆高速行驶时的稳定性。不过正如您将在后文中阅读到的那样，阻流板的装饰作用可能还大过实际意义。

在本文中您将浏览到空气动力学和空气阻力的物理学原理，以及它们在汽车设计中的发展沿革，我们还将为您介绍在环保汽车的风潮中，空气动力学为何体现出前所未有的重要性。空气动力学

在了解空气动力学在汽车工业的应用之前，让我们先来温习一下基础物理知识。

当一个物体穿过空气时，会使周围的空气发生位移。同时，该物体会受重力和阻力影响。固体穿过流质——比如水或空气时，就会受到阻力。阻力的大小与速度成正比，速度越快，阻力越大。

我们通常使用牛顿定律中的变量来描述物体的运动。它包括：质量、速度、重量、所受外力和加速度。

阻力会对加速度产生直接影响。物体的加速度(a)的大小等于重力(W)减去阻力(D)，再除以它的质量(m)。请注意，重力等于质量乘以作用在物体上的重力加速度。月球的重力加速度系数小，所以您在月球上的重量也会相应变小，但是质量仍保持不变。简单来说：

a=（W-D）/m

物体在加速过程中，速度和所受阻力同时增加，最终达到阻力与重力相等的临界点，这时物体便没法继续加速。假设我们所说的物体是一辆车。车开得越快，所受空气阻力越大，这就限制了它的加速，并将它控制在一定速度以内。

怎样将这些知识应用于汽车设计呢？明确一些概念是很有必要的，比如阻力数。这是决定物体能否轻松穿过空气的最主要因素之一。风阻系数(Cd)等于阻力(D)除以密度（r），再乘以速度的平方和面积，再乘0.5。

即：Cd=D/（A×0.5×r×V2）

那么回到我们的问题上来，汽车设计者应用空气动力学原理设计汽车时，需要将阻力系数限制在多大呢？

风阻系数

我们刚才已经知道风阻系数（Cd）是衡量空气对于物体（比如汽车）的阻力的重要指数。

现在我们来设想一下行进中的汽车所受到的空气阻力。一辆时速为110公里的汽车所受到的阻力是它在时速55公里时的四倍。

汽车的空气动力学性能是用风阻系数来衡量的。从本质上讲，风阻系数越小，汽车的空气动力学特征越明显，也就越易于穿越阻挠行进的气墙。

丰田新普锐斯有很高的燃油效能，这要部分归功于它独特的外形。

让我们来看一下几个有关风阻系数的数据。您还记得上世纪七八十年代沃尔沃古老的方块车吗？旧款沃尔沃960轿车的风阻系数是0.36；新款沃尔沃的外观更光滑，更具有流线美感。s80系列轿车的风阻系数只有0.28。这证明了汽车的发展趋势是更加光滑，更具流线型的外观，也就是说更符合空气动力学原理的设计。

让我们以自然界中最符合空气动力学性能的物体——眼泪为例。泪滴是光滑圆润的，它的顶端呈锥形。在眼泪下落的过程中，空气从周围顺畅滑过。这与汽车一样，光滑圆润的车身使得空气从周围流过，减少了空气阻力。

现今大多数汽车都已经达到约为0.30的风阻系数。运动型多功能汽车（SUV）由于体积更大，载客更多，看起来也更笨拙，并且通常需要更大的格栅来冷却发动机，所以风阻系数通常在0.3到0.4之间，或是略高一些。而皮卡车（Pickup trucks）由于特意设计成立方体，其系数通常在0.4左右[引用：。

许多人曾质疑丰田新普锐斯（Toyota Prius hybrid）的奇特外观，但它却有着极佳的空气动力学性能。它0.26的风阻系数使之达到了很高的燃油效能。实际上风阻系数每减少0.01，每加仑燃油的行驶里程就能增加0.2英里（即每公升增加0.09千米）。

下面让我们来了解一下空气动力学设计在汽车工业中的历史。

空气动力学汽车的历史

从这些老式汽车中可以看出，20世纪早期人们对于空气动力学在汽车上的应用还知之甚少。虽然科学家们早已或多或少地意识到设计一款符合空气动力学的车身需要做出哪些改进，但这些技术在汽车设计上得以实用还是费了不少时间。

早期的汽车外形并不符合空气动力学原理。福特的T型车（Ford's seminal Model T）被设计得方方正正，很像一辆没有马拉的马车。这些早期设计不用考虑空气动力学，因为它们本身的行驶速度就很慢。然而，20世纪早期出现的一些赛车在某种程度上融入了尖形头部和其他空气动力学的设计元素。

德国设计师爱德穆德?朗普勒（Edmund Rumpler）在1921年设计出了“泪珠车”（Rumpler-Tropfenauto）。这款车参考了自然界中空气动力学性能最好的物体，它的风阻系数只有0.27，但是怪诞的外观无法取悦大众，只生产了100辆便停产了。

而在美国，空气动力学设计的最大突破是20世纪30年代出产的克莱斯勒空气流线型汽车（Chrysler Airflow）。这款车受了飞鸟的启示，是最早的几款以空气动力学为设计理念的汽车之一。它的设计中采用了一些独一无二的构造技术，而且将车身重量分布控制在前后轮轴各占百分之五十，以提高汽车的操控性。然而饱受经济大萧条之苦的民众非但没有对它不寻常的外观给予赞扬，而且认为它是个败笔。诚然，它的流线型设计超出那个时代的审美包容度。

随着五六十年代的到来，赛车工业带来了空气动力学设计的长足进步。一开始，工程师们通过针对不同设计的试验，了解到流线型设计能让汽车行驶得更快，并且在高速行驶时更容易控制。这些研究最终演化出精深细致的制造工艺，用以制造最符合空气动力学的跑车。前后阻流板、铲形前端和空气动力学组件变得越发常见，它们能使气流从车身上部平滑通过，并且生成必要的作用于前后轮的压力。

针对消费者的需要，许多公司开始研发流线型车身，例如莲花汽车、雪铁龙、保时捷。但这些设计主要应用于高性能赛车而不是普通家用车。这种局面在80年代有所改观，作为载客轿车的奥迪100（Audi 100）有着当时前所未闻的0.30的风阻系数。时至今日，几乎所有小轿车都以符合空气动力学作为设计理念、

在这股风潮中，有个东西助益非浅。它就是风洞。

以风洞测量阻力

为了衡量一辆汽车的空气动力学性能，工程师们借用了飞机制造业的一项技术——风洞。