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汽车空气动力学


提升汽车空气动力性能

自世界上第一辆汽车诞生以来, 汽车造型从最早的马车型、箱型、船型和锲型到后来的流线型和今天最常见的复合型经历 了复杂的变化,然而人们为了提高车辆空气动力性能在造型上的追求依然没有停止脚步。

几十年前,人们都畅想着在未来的今天,我们会驾驶着外形圆滑、底盘很低、阻力很小的 交通 工具,为了提高燃油效率进行了充分的优化和

改进。所有关于未来的影片也都传达着 这样的信息。英国老牌汽车凯旋(Triumph)甚至称其采用楔形车身设计的 TR7 为“未来事 物的面貌”——他们显然没有想象到在未来的世界里他们生产的汽车根本不复存在 (TR7 于 1981 年停产)。

当上个世纪 80 年代福特推出 Taurus 家族车型时, 人们依然对未来抱着这样的想法。 不过, 在接下来几十年中,汽油价格大幅下滑,全尺寸的 SUV 车型大行其道,具有挑衅意味的克 莱斯勒 300 轿车也随之诞生,人们对低阻汽车设计的追求似乎在接下来悍马越野车的出现 后消失殆尽了。

不过,现在全球范围内的时代主义者开始提倡和追求节俭精神,而对悍马这样豪华车型的 追求有如南柯一梦,人们逐渐从这样的梦境中走出来。于是,设计师再次回到之前的设计 风格,舍弃“肌肉式”的造型,以降低车辆的风阻,试图在外观造型和风阻之间寻求一种平 衡。

不过,现在还没有发展到我们一定要驾驶那种超滑的流线型水滴外形的车型,虽然目前已

经有一些类似设计的概念车已经出现了。现在的问题是,消费者未必会喜欢完全经过风阻 优化的车型设计。市场本身就有一只看不见的手,一旦造型过于偏激,消费者的喜好会将 其拉回。事实上,消费者中已经有抱怨的声音,称本田 Insight 和雪佛兰 Volt 车型都延续 了丰田 Prius 的设计路线,前两款车型在燃油效率和乘坐空间两方面进行了很好的平衡。 这也说明,为了达到相同的目标,最终车型的设计将趋于相似。

造型经过优化的保时捷 Panamera 跑车可以让气流可以平顺地通过车顶和车底面板, 这样可以让气流避开悬挂和动力系部件。

通过 CFD 改进造型

即使是传统的设计也可以通过一些计算流体力学(CFD)软件进行优化。许多大型汽车制 造商都有较强的计算流体力学硬件设施,而他们目前在积极寻求更高的利用效率。其中一 个提升效率的方式就是缩短为计算流体力学实验建模的准备时间,传统上大概需要两到五 周的时间。现在新的自动化工具可以让工程师将新车型建模的时间缩短到甚至一天。而就 在一年前,建模时间还是一个无法突破的瓶颈。

计算流体力学工具让汽车制造商可以在设计的最初阶段就开始着手处理空阻的问题,甚至 从最初的概念形成阶段就开始。在整个设计过程中都采用计算流体力学工具可以大幅减少 汽车制造商建立物理模型在风洞里进行测试的必要性。福特公司车辆工程部总工程师 Don Ufford 表示,“风洞测试每天都要花掉大量资金,这种方式可以大大减少风洞试验原型车的 数量。”

不过,这种方式可能并不会最终代替风洞测试,但是计算机建模方式的的确确已经取代了 整车设计过程中大部分物理建模的方式。

计算流体力学工具可以让工程师看到他们可以解决的一些细节,从而避免出现一些不必要 的后果。 举福特 Taurus 为例, 在后车轮前面安装一个向下的导流板可以在车辆高速行驶时

将风流从车轮上引导开,从而减少目前车辆宽大的轮胎带来的空气阻力。

2010 款福特 Taurus 车型空气阻力系数从 0.34 减少到 0.32,这要归功于前保险杠下新增 加的阻风板和重新设计过的行李厢后盖,两边分别加了一个斜边。

而在 2010 款 Prius 车型上,丰田采用了一个倾斜的后车窗,让气流可以平顺地通过车顶和 车底塑料面板,这样可以让气流避开悬挂和动力系部件。通过优化,这款车的风阻系数可 以达到 0.25,处于全球量产车中最好的水平。此外,后车厢采取倾斜的方式还有一个好处, 就是增加了车厢的空间。

2010 款 XJ 轿车

捷豹 XJ 豪华车一直采用的是竖直的后车窗,与一些几乎呈水平的后车厢盖相比,这种设 计体现的是一种正式和严肃感。不过,2010 款 XJ 轿车一改传统做法,采用了圆滑的类似 双门轿跑车一样的车身线条,在提高燃油经济性的同时也达到了改变公司一直以来沉闷古 板形象的目的。

汽车工程师用来进行减阻实验的计算机软件工具也会随着信息技术的发展变得更加智能, 在未来会帮助他们指出可以帮助车辆进一步降低阻力的地方,而不是像现在这样只是简单 地判断一项设计的改变是否会取得应有的效果。

主动式空气动力布局

主动式空气动力布局(Active aerodynamics)指的是采用可移动的车体面板或部件来改变 车辆的空气动力性能。这种可移动的气动辅助部件在一级方程式赛车及其他大部分赛车上 禁止的。不过,跑车设计师对此热衷不已,因为他们不必再为兼顾车辆下压力及风阻两方 面因素而设计尾翼或扰流板了,他们可完全可以设计出一种在直行时不会影响车速而在弯 道时自动增加车辆抓地力的部件。

不过在道路用车方面,设计人员面临的情形就完全不一样了,他们的设计自由度要大很多, 而且速度对他们来说也不是首要的追求目标。因此一些汽车制造商也在逐渐采用主动气动 布局,不过他们的目标不是性能,而是燃油经济性。

Panamera 跑车的车尾便设计了一个可自动升降的扰流板, 当车辆时速超过 90 公里/小时,这块扰流板自动升起并展开。

设计师可以在车顶上加一个导流板,起到扰流板的作用,不过更具成本效益的方法是将车 尾加高,就好像 Prius 和 Insight 的设计一样。不过如果想进一步减少风阻,扰流板的作用 还是很明显的。最终的方法是可以设计一个活动的扰流板,在车辆高速行驶的时候可以弹 出来,而在其他时候可以收缩起来,而不影响整体的造型。

保时捷去年年底发布的四门 Panamera 跑车的车尾便设计了一个可自动升降的扰流板,当 车辆时速超过 90 公里/小时,这块扰流板自动升起并展开。同时在车内的相呼应按钮也可 以去控制这块扰流板的开启或关闭。

主动式空气动力布局不仅仅体现在造型方面。新马自达 3 拥有平滑的造型,可以帮助车型 在行驶时减少风阻。不过,随着车速的提升,发动机的大部分功率会用于克服迎面而来的 空气阻力。不过,也不能完全改变气流的运行方向,因为发动机还需要进气气流,车厢也 需要通风,散热器里的水也需要通过气流来冷却。因此马自达 3 在车前部安装了一个可移 动的翻板,在车辆高速行驶时可以自动打开,将气流导引开,减少空气阻力。

主动式空气动力布局如可以活动的扰流板,加上可以在车辆高速行驶时自动降低车身高度 的悬挂系统说明,造型方面比较传统的汽车业可以通过一些独特的方式降低风阻系数,不 过这种方式的成本很高,很难适用于中低档车型上。其实在这个方面有许多技术并没有完 全得到应用,原因有很多,其中就包括造型和成本。不过,随着人们对燃油经济性追求的 不断提升,以前的成本和性能之间的权衡方式可能会发生改变。


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