奚松山：車身設(shè)計(jì)中轎車造型與空氣動(dòng)力學(xué)的研究

奚松山

眾所周知,，車速越快阻力越大，空氣阻力與汽車速度的平方成正比,。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大,，會(huì)增加汽車燃油消耗量或嚴(yán)重影響汽車的動(dòng)力性能。據(jù)測試,，一輛以每小時(shí)100公里速度行駛的汽車,，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的百分之八十將被用來克服空氣阻力，減少空氣阻力,，就能有效地改善汽車的行駛經(jīng)濟(jì)性,，因此轎車的設(shè)計(jì)師是非常重視空氣動(dòng)力學(xué)。在介紹轎車性能的文章上經(jīng)常出現(xiàn)的“空氣阻力系數(shù)”就是空氣動(dòng)力學(xué)的專用名詞之一,，也是衡量現(xiàn)代轎車性能的參數(shù)之一,。

汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時(shí)產(chǎn)生縱向,，側(cè)向和垂直等三個(gè)方向的空氣動(dòng)力量,，對(duì)高速行駛的汽車都會(huì)產(chǎn)生不同的影響，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力,，大約占整體空氣阻力的百分之八十以上,。它的系數(shù)值是由風(fēng)洞測試得出來的，與汽車上的合成氣流速度形成的動(dòng)壓力有密切關(guān)系,。當(dāng)車身投影尺寸相同,，車身外形的不同或車身表面處理的不同而造成空氣動(dòng)壓值不同，其空氣阻力系數(shù)也會(huì)不同,。由于空氣阻力與空氣阻力系數(shù)成正比關(guān)系,，現(xiàn)代轎車為了減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力系數(shù)。從50年代到70年代初,，轎車的空氣阻力系數(shù)維持在0.4至0.6之間,。70年代能源危機(jī)后,，各國為了進(jìn)一步節(jié)約能源，降低油耗,，都致力于降低空氣阻力系數(shù),，現(xiàn)在的轎車空氣阻力系數(shù)一般在0.28至0.4之間。

轎車外形設(shè)計(jì)為了減少空氣阻力系數(shù),，現(xiàn)代轎車的外形一般用圓滑流暢的曲線去消隱車身上的轉(zhuǎn)折線,。前圍與側(cè)圍、前圍,、側(cè)圍與發(fā)動(dòng)機(jī)罩,，后圍與側(cè)圍等地方均采用圓滑過渡，發(fā)動(dòng)機(jī)罩向前下傾,，車尾后箱蓋短而高翹,，后冀子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采用大曲面玻璃,，且與車頂園滑過渡,，前風(fēng)窗與水平面的夾角一般在25度-33度之間，側(cè)窗與車身相平,，前后燈具,、門手把嵌入車體內(nèi)，車身表面盡量光潔平滑,，車底用平整的蓋板蓋住,，降低整車高度等等，這些措施有助于減少空氣阻力系數(shù),。在80年代初問世的德國奧迪100C型轎車就是最突出的例子,，它采用了上述種種措施，其空氣阻力系數(shù)只有0.3,，成為當(dāng)時(shí)商業(yè)化轎車外形設(shè)計(jì)的最佳典范,。

據(jù)試驗(yàn)表明，空氣阻力系數(shù)每降低百分之十,，燃油節(jié)省百分之七左右,。曾有人對(duì)兩種相同質(zhì)量，相同尺寸,，但具有不同空氣阻力系數(shù)(分別是0.44和0.25)的轎車進(jìn)行比較,，以每小時(shí)88公里的時(shí)速行駛了100公里，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7公升,。 考察轎車車形的發(fā)展史，從本世紀(jì)初的福特T型箱式車身到30年代中型的甲蟲型車身,，從甲蟲型車身到50年代的船型車身,，從船型車身到80年代的楔型車身,，直到今天的轎車車身模式，每一種車身外形的出現(xiàn),，都不是某一時(shí)期單純的工業(yè)設(shè)計(jì)的產(chǎn)物,，而是伴隨著現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展的?？諝庾枇ο禂?shù)在過去的轎車手冊(cè)中從未出現(xiàn)過,，今天則是介紹轎車的常用術(shù)語之一，成為人們十分關(guān)注的一種參數(shù)了,。

現(xiàn)代轎車的經(jīng)常時(shí)速已達(dá)100公里左右,，最高時(shí)速更達(dá)200公里以上，因此轎車的車身設(shè)計(jì)既要服從空氣動(dòng)力學(xué),，要有盡量低的空阻系數(shù),，又要采取措施，在車身的前后端安裝導(dǎo)流板和擾流板,，以保證轎車的行駛安全,。

在空氣動(dòng)力學(xué)上，有法國物理學(xué)家貝爾努依證明的一條理論：空氣流速的速度與壓力成反比,。也就是說,，空氣流速越快，壓力越小;空氣流速越慢,，壓力越大,。例如飛機(jī)的機(jī)翼是上面呈正拋物形，氣流較快;下面平滑,，氣流較慢,，形成了機(jī)翼下壓力大于上壓力，產(chǎn)生了升力,。如果轎車外型與機(jī)翼橫截面形狀相似,，在高速行駛中由于車身上下兩面的氣流壓力不同，下面大上面小,，這種壓力差必然會(huì)產(chǎn)生一種上升力,，車速越快壓力差越大，上升力也就越大,。這種上升力也是空氣阻力的一種,，汽車工程界稱為誘導(dǎo)阻力，約占整車空氣阻力的7%,，雖然比例較小,，但危害很大。其它空氣阻力只是消耗轎車的動(dòng)力,，這個(gè)阻力不但消耗動(dòng)力,，還會(huì)產(chǎn)生承托力危害轎車的行駛安全,。因?yàn)楫?dāng)轎車時(shí)速達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，升力就會(huì)克服車重而將車子向上托起,，減少了車輪與地面的附著力,，使車子發(fā)飄，造成行駛穩(wěn)定性變差,。

為了減少轎車在高速行駛時(shí)所產(chǎn)生的升力,，汽車設(shè)計(jì)師除了在轎車外型方面做了改進(jìn)，將車身整體向前下方傾斜而在前輪上產(chǎn)生向下的壓力,，將車尾改為短平,，減少從車頂向后部作用的負(fù)氣壓而防止后輪飄浮外，還在轎車前端的保險(xiǎn)杠下方裝上向下傾斜的連接板,。連接板與車身前裙板聯(lián)成一體,，中間開有合適的進(jìn)風(fēng)口加大氣流度，減低車底氣壓,，這種連接板稱為導(dǎo)流板,。在轎車行李箱蓋上后端做成象鴨尾似的突出物，將從車頂沖下來的氣流阻滯一下形成向下的作用力,，這種突出物稱為擾流板,。

還有一種擾流板是人們受到飛機(jī)機(jī)翼的啟發(fā)而產(chǎn)生的，就是在轎車的尾端上安裝一個(gè)與水平方向呈一定角度的平行板,，這個(gè)平行板的橫截面與機(jī)翼的橫截面相同,，只是反過來安裝，平滑面在上,，拋物面在下,，這樣車子在行駛中會(huì)產(chǎn)生與升力同樣性質(zhì)的作用力，只是方向相反,，利用這個(gè)向下的力來抵消車身上的升力,，從而保障了行車的安全。這種擾流板一般安裝在時(shí)速比較高的轎跑車上(參閱圖示轎車),。目前不少轎車都裝有導(dǎo)流板和擾流板,，藉以提高轎車的性能。

盡管汽車業(yè)與玻璃業(yè)是屬于兩個(gè)不同領(lǐng)域的行業(yè),，前者屬于機(jī)械制造業(yè),，后者屬于輕工業(yè)，但從汽車的發(fā)展歷程來看,，兩者的關(guān)系越來越密切,。玻璃技術(shù)已經(jīng)完全滲入了汽車行業(yè)之中，成為汽車技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一員?，F(xiàn)在,，人們總是從汽車安全和外觀的角度去研究和開發(fā)汽車玻璃,，不斷推出新的品種。

汽車玻璃以前擋風(fēng)玻璃為主,。早在80多年前，玻璃已裝在美國福特廠出產(chǎn)的T型車上,，當(dāng)時(shí)是用平板玻璃裝在車廂的前端,，使駕車者免除風(fēng)吹雨打之苦。從這以后的幾十年間,，玻璃業(yè)逐步涉足汽車工業(yè),，創(chuàng)造了多種安全玻璃-夾層玻璃、鋼化玻璃和區(qū)域鋼化玻璃等品種,，極大地改善了汽車玻璃的性能,。