車身外形對空氣動力特性及燃油消耗量影響的研究

蔣偉　曠水章　毛圣

摘 要：通過改變吉利全球鷹轎車的外型，在符合行業法規及汽車性能要求的條件下解決了減小行駛阻力的幾個問題，就車身外型優化對空氣動力特性的影響提出了研究建議。在不降低動力性能的條件下，充分滿足社會對車輛低碳節能的要求，不僅可以節約用車成本，還可以對環境保護起到較大作用。

關鍵詞：車身外形；空氣動力特性；燃油消耗量

1 引言

轎車的氣動性能直接關系到轎車的燃油經濟性、動力性能、安全性和舒適性。經驗表明，空氣動力性能佳的轎車，該轎車的動力性、燃油經濟性都優良。轎車的空氣動力穩定性又是影響轎車高速及安全運行的重要因素。

汽車行駛時必須克服滾動阻力、空氣阻力、上坡阻力和加速阻力。空氣阻力指汽車與空氣間形成相對運動，空氣作用在汽車上沿其行駛方向上的分力。空氣阻力包含了摩擦阻力與壓力阻力：摩擦阻力是具有黏度的空氣對汽車表面的摩擦作用產生的阻力；壓力阻力是作用在汽車外表面上的法向壓力的合力在行駛方向上的分力。

汽車運動中，汽車外表面突出物不同會影響汽車四周氣流的流速及流向，以及在汽車外表面形成的壓力大小及分布也會跟著改變，會出現汽車后端的壓力小于前端的壓力，使得汽車后端等位置造成邊界層分離現象，出現漩渦造成機械能的損，從而形成壓力阻力。

壓力阻力包括干擾阻力、誘導阻力、內循環阻力和形狀阻力四部分。汽車外表面突出附件，如后視鏡、行李架、門把手、車輪等形成的阻力稱為干擾阻力；空氣升力在水平方向的分力稱為誘導阻力；汽車內通風、發動機散熱器等所需氣體通過汽車內部時形成的阻力稱為內循環阻力；汽車的外形對形狀阻力起決定性作用，占了壓力阻力的絕大比例。

2 影響轎車阻力特性的關鍵部位

汽車造型階段的大量風洞試驗表明，形狀阻力的大致部位為前風窗兩邊附近位置、前照燈四周、底板底端的整形效果、車門與A柱之間的不平面和C柱的錐角大小。

一般發動機罩相對于水平面的傾角越大，CD越低。汽車外形參數對空氣阻力有較大的影響。氣動外型參數設計的最理想效果是，確保流經車身表面的氣流不分離，汽車表面外型不發生快速改變，車身外形改變要柔緩，汽車前部到后部的外型曲度平緩。要重點控制A柱點的氣流動態，要盡量使得前風窗兩邊玻璃的曲率一致，使得前窗至側窗的氣流流動的平穩延續性；A、B、C柱要盡可能裝配于玻璃里側，使得汽車表面盡量平滑；汽車尾端外型要確保氣流不發生分離，使得尾渦盡可能小，而且尾渦與車身距離要盡可能遠；防止汽車兩側及上下的氣流融合而出現渦流，汽車底端要整流；汽車兩側、裝配附件要確保氣流平穩地流動，氣流不出現分離。

3 對轎車空氣阻力起決定作用的外型參數

燃油消耗量與轎車形狀及參數有較大關聯。四四方方的轎車與流線型的汽車外形轎車相比，迎風截面積大，空氣阻力系數大，燃油消耗量較大。查文獻可知：汽車行駛中，形狀阻力占58%，干擾阻力占14%，內循環阻力占12%，誘導阻力占7%，摩擦阻力占9%。

汽車行駛時空氣阻力計算公式：

式中：CD——空氣特性系數；

ρ——氣體密度；

A——-迎風面積，m2；

Ua——相對行駛車速，m/s；

如u以km/h、A以m2計，則空氣阻力（單位N）為：。

研究結果可知，對轎車空氣阻力起關鍵作用的外型參數有：（1）因為汽車底端裝有發動機和傳動系等外形不規則的組成，從而汽車下端極不平整，氣流發生湍流現象，使得摩擦系數變大，升力上升。在汽車下端加設整流板后，下端的氣流運動狀態平滑化，減小了升力和空氣阻力。轎車兩側增設側翼，阻力特性得到進一步改善。（2）普通車型轎車的尾箱蓋采用階背式。我們對吉利全球鷹轎車的背部實行了3步優化研究。第一步，減小階背車型的尾窗傾斜角度至半斜背式；第二步，繼續減小尾窗傾斜角度至尾箱消失的快背式；第三步，對快背式車型增設后擾流板。經過試驗，以上3種改進方案對空氣阻力參數有較大的影響。查資料可知，空氣阻力分配：汽車前端占比9%，汽車尾端占比91%，之間的40%是由尾渦引起的，與汽車尾端的外型相關。（3）汽車前部的造型是決定汽車外型是否美觀的關鍵部位，同樣是影響汽車氣流特性的關鍵部位。汽車前部組成包含保險杠、發動機倉蓋、前部燈、汽車前底板、轉向燈和翼子板等。①采取發動機倉蓋傾角增加和前窗傾斜角降低的優化方案，經過試驗發現：發動機倉蓋傾斜角小于38°時，再附著線和分離線幾乎不再移動，優化后，阻力特性優化作用不顯著。發動機倉蓋傾斜角由原車的3.5°增大到7.5°，縱向、橫向的曲度和原車型相同，試驗結果發現：升力系數和阻力系數都沒多大變化。②對吉利全球鷹轎車前端優化，讓其圓滑，阻力系數和另外空氣動力系數出現不同幅度的減小。轎車前端外型對空氣阻力特性作用明顯，任一改型后車型的作用效果需要通過試驗驗證，才能反映所有因素作用的實際效果。③前擋風板是外加的氣動附加部件。給汽車下端加設前擋風板可以顯著減小前軸升力。前擋風板能夠降低車下部的摩擦阻力及壓差阻力，但其自身的阻力也會變大，所以前擋風板的尺寸、外形、裝配位置及角度不同，產生的效果會不一樣。必須通過多次改型試驗后，方可得出最優方案。

4 轎車車型參數改變對阻力影響分析

改變吉利全球鷹轎車外型參數后，效果如下。（1）汽車下端整形和增設側翼，對吉利全球鷹轎車汽車底端增設整流板，升力及阻力都會降低，升力系數減小38.72%。增設側翼也會使本車的升力及阻力都減小，升力系數減小了18.9%。（2）汽車尾端外型改變 ①把行李箱傾斜角降低30°，變成半斜背式，然后繼續降低30°，變成快背式，讓升力系數變為負值，減小57%。②吉利全球鷹轎車增設尾翼，升力系數會減小37.29%，氣動阻力系數會減小14.34%。（3）對前擋風板優化，能減小升力及阻力。通過優化后升力系數減小了26.3%。

當試驗雷諾數為Re>1.5×10-6時，試驗數據不隨雷諾數而改變，我們在Re>1.5×10-6范圍內進行風洞試驗，將前傾式車頭改為后傾式、加前阻風板、減小前風窗傾角、車型變為快背式并加后擾流器、增大發動機罩傾斜等各改型方案的綜合效果可使阻力系數降低18.6%，升力系數降低45%。其中，快背式后車身上安裝后擾流器效果最佳。在汽車底部增設光滑的底板，可以明顯減小升力系數和阻力系數，氣動阻力會減少11.7%，升力減少68.4%。

所以，設計汽車車身外形時，可參考我們的研究結論，從而獲得最佳的汽車空氣動力特性，可以降低燃油消耗量，起到保護環境，提高駕駛的安全性及舒適性，同時保證外觀美感。

5 結語

為了降低汽車的燃油消耗量，可以通過轎車的外形改型優化來提高其空氣動力性能，包括在汽車下端加設整流板、行李箱采用快背式并增設后擾流板、汽車底部整形和增設側翼等。還可以減輕轎車的自身質量，采用新技術提高發動機、底盤的性能，確保轎車具備良好的工作性能。

基金項目：湖南省大學生研究性學習與創新性實驗計劃項目（634）。

湖南省2018年普通高校教學改革研究項目（975）。

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