利用數(shù)字式求積儀測量汽車迎風(fēng)面積的探討

吳 展，沈 南，袁建軍，王雪瑩

Wu Zhan1，Shen Nan1，Yuan Jianjun2，Wang Xueying3

（1.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300；2.中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176；3.北京新能源汽車股份有限公司，北京 102606）

0 引 言

汽車迎風(fēng)面積是指汽車在行駛方向的投影面積，是求解汽車空氣阻力系數(shù)的必要參數(shù)。目前已知的測量方法有理論迎風(fēng)投影面積法、近似法、工程繪圖合成法、數(shù)碼照相+計算機處理法。文中旨在介紹一種借鑒數(shù)碼照相+計算機處理法，利用數(shù)字式求積儀方便快速地測量汽車迎風(fēng)面積的方法。

1 目前測量迎風(fēng)面積的主要方法

根據(jù)參考文獻(xiàn)，目前測量迎風(fēng)面積的主要方法有以下幾類。

1.1 理論迎風(fēng)投影面積法

用多束平行光源照射試驗樣車，投影到準(zhǔn)備好的投影板上，記錄其輪廓，計算出面積。優(yōu)點：測量精度較高；缺點：設(shè)備要求高，操作過程復(fù)雜。

1.2 近似法

利用車輛高度與寬度的乘積，乘以經(jīng)驗系數(shù)0.81。優(yōu)點：計算簡便；缺點：精度較差，僅用于粗略估算。

1.3 三維數(shù)模計算法

利用已知的汽車三維數(shù)模投影，在三維制圖軟件中直接讀出數(shù)據(jù)。優(yōu)點：數(shù)據(jù)精度高；缺點：僅限于有三維數(shù)模的汽車。

1.4 數(shù)碼照相+計算機處理法

利用相機將汽車正面及標(biāo)準(zhǔn)板拍攝下來，利用編寫的計算機程序計算汽車迎風(fēng)面積。優(yōu)點：數(shù)據(jù)精度比較準(zhǔn)確；缺點：需要具有一定的計算機編程技術(shù)。

2 數(shù)字式求積儀測量汽車迎風(fēng)面積方法

文中利用 KP-90N數(shù)字式求積儀替代計算機程序計算汽車迎風(fēng)面積，此方法適合于對計算機編程語言不太了解的科研人員和汽車工程師使用。

2.1 試驗設(shè)備

1）試驗場地：大的試驗場或水平的場地，以便有足夠的距離對試驗車輛照相（建議距離至少有100 m），最好在室內(nèi)進(jìn)行，或在室外的早晨或傍晚進(jìn)行；

2）數(shù)碼相機及附件：建議使用數(shù)碼單反相機及長焦鏡頭，需要一個堅固的三腳架（文中采用佳能EOS 6D及70～200 mm F4 L長焦鏡頭）；

3）1 ×1 m的標(biāo)準(zhǔn)板；

4）100 m鋼卷尺一個；

5）數(shù)字式求積儀（文中所用為日本小泉牌KP-90N數(shù)字式求積儀，精度±2%）；

6）打印機一臺（文中所用打印機型號為 HP Color LaserJet cp2025）。

2.2 測量方法

1）將車輛平直地停在試驗場地的一端；

2）將標(biāo)準(zhǔn)板平齊置于試驗車輛邊，分別置于車前端平面、車輛最寬處平面、車尾平面進(jìn)行測量對比；

3）將相機安置在三腳架上，保證相機安裝高度為車身高度的一半，相機與車輛的距離為100 m；

4）將相機的焦距調(diào)整為200 mm并分別對標(biāo)準(zhǔn)板置于車前端平面、車輛最寬處平面、車尾平面進(jìn)行一組拍攝，每組拍攝 8張照片共計24張照片。

2.3 汽車迎風(fēng)面積的計算

1）將拍攝的照片導(dǎo)入電腦中，使用Photoshop或其他圖像處理軟件將照片中的車輛及標(biāo)準(zhǔn)板截取出，如圖 1所示，使車輛及標(biāo)準(zhǔn)板撐滿整張照片，然后用Photoshop中的鋼筆工具將車輛輪廓及標(biāo)準(zhǔn)版輪廓描出，抽出這 2個圖形，刪除背景圖像，處理結(jié)果如圖2所示；

2）將處理后的照片通過打印機打?。?/p>

3）利用數(shù)字式求積儀首先測量出打印紙張上標(biāo)準(zhǔn)板的面積 SS，cm2；其次利用數(shù)字式求積儀測量出同一紙張上車輛的面積 SV，cm2。為控制測量誤差，每一打印紙張都采用數(shù)字式求積儀測量 3次 SS及 SV，取平均值進(jìn)行計算；

4）汽車迎風(fēng)面積 SW=SV/SS。

3 試驗數(shù)據(jù)的處理及分析

某2種車型測量結(jié)果見表1、表2。

表1 車型1數(shù)據(jù)

表2 車型2數(shù)據(jù)

根據(jù)表1及表2數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論。

1）根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]所示，照相法的最佳拍攝距離為90～110 m，文中僅選用100 m的拍攝距離。從試驗結(jié)果中看出，車型1的3種結(jié)果的離散率僅為1.09%、0.44%、0.81%；車型2的3種結(jié)果的離散率僅為1.27%、1.06%和0.54%。離散率均較小，證明此距離的拍攝結(jié)果較好，滿足試驗需求。

2）從表1、表2看出，標(biāo)準(zhǔn)板的放置位置對最終的試驗結(jié)果偏差影響較大，故在試驗前，務(wù)必確定車輛的最寬處平面以放置標(biāo)準(zhǔn)板。

3）從最終結(jié)果中看出，車型1的迎風(fēng)面積比計算機數(shù)模值偏大3.3%，車型2 的迎風(fēng)面積比計算機數(shù)模值偏大2.7%，數(shù)據(jù)總體偏大的主要原因是數(shù)字式求積儀的精度不夠，只有±2%。

4 結(jié)束語

從最終試驗結(jié)果中看出，試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好，但試驗數(shù)據(jù)總體偏大，在沒有試驗車輛的三維數(shù)模，及沒有充足試驗費用進(jìn)行風(fēng)洞和多束平行光測試的情況下，不失為計算試驗車輛迎風(fēng)面積的一種較好的方法。此試驗方法操作簡單只需具備普通計算機操作能力，設(shè)備要求低，僅需普通單反相機、計算機、通用性數(shù)字求積儀即可。對于如何提高試驗精度，可以從購買更高精度的數(shù)字式求積儀和采用更昂貴的拍攝器材入手，對此試驗方法進(jìn)行不斷完善及提高。

[1]余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]阮志剛.汽車迎風(fēng)面積測量方法的研究[J].汽車科技，2006（06）：35-37.