1、基于汽車空氣動力性研究的車體外觀及優化改型探究龐敬超1 陳天杰2冉茂林1劉文峰1(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心 廣西柳州2.長安汽車股份有限公司工程技術研究院 重慶)摘要：未來汽車造型發展的總趨勢是向著更具簡潔、方便和快速性發展。為滿足節能的和環保的要求，在車輛輕量化的同時，不得不尋求更經濟節能的設計方案，依據汽車空氣動力性的研究成果應用到車身設計上勢在必行。然而，更好的外形空氣動力設計方案還需我們不斷驗證施行。本文主要不斷以試驗分析來探究空氣動力學與汽車外形的相互關系及影響，為概念車的現實化與成品化提供技術依據及理論依據，實現汽車科學性節能與提高汽車安全性能。關鍵詞：造型 空氣動

2、力性 方案 外觀 設計The exploration of optimizing vehicle appearance based on aerodynamics researchPANG Jingchao CHEN Tianjie RAN Maolin LIU WenfengAbstract:Trend of vehicle appearance modelling developing will meet faster driving need with succinct and convenient in future.Further more, we must find a bette

3、r plan to solve energy sources and environment problems.So,putting research results based on aerodynamics into body design is very necessary as well as body lightweight.However,we are still testing to find best aerodynamics modelling scheme.The article just use test analysis to continually research

4、relation that aerodynamics affect body modelling for changing designing vehicle into product and supporting theory to achieve energy conservation as well safety.Keyword: modelling aerodynamics scheme appearance design 0.前言：汽車空氣動力特性是汽車的重要性能，它是指汽車在流場中所受到的以阻力為主的包括升力、側向力的三個氣動力及其相應的力矩的作用而產生的車身外部和內部的氣流特性、

5、側風穩定性、啟動噪聲特性、泥土及灰塵的附著和上卷、刮水器上浮以及發動機冷卻、駕駛室內通風、空氣調節等特性。概括的說，汽車的流場包括車身外部流場和內部流場。由于高級公路的發展、汽車車速的提高對汽車的操縱穩定性、安全性、舒適性提出了越來越高的要求，特別是由于世界能源危機，石油價格上漲，使改善汽車的燃油經濟性成為汽車技術的重要課題。汽車空氣動力特性對汽車的動力性、經濟性和操縱穩定性有直接的影響。設計空氣動力良好的汽車，是提高汽車動力性、經濟性的重要途徑，而高速汽車的空氣動力穩定性是汽車高速、安全行駛的前提。改善駕駛室的內流特性，在減阻的同時，提高發動機、制動器部件的效能。1.最佳氣動外形1.1最佳造

6、型最佳造型應是以機械工程學、人體工程學、空氣動力學和美學全面恰當地糅合在一起并有獨特風格的造型。確定高速、安全、舒適的汽車外形，最重要的是如何減小氣動阻力和升力的影響，即空氣動力學的問題。機械工程學和人體工程學的因素給汽車外形設計限定了一個限制，而汽車外形的多樣變化，不是依據機械工程學、人體工程學方面的要求而產生的，汽車外形的任何微小的變化都來自空氣動力學的要求。完全從空氣動力學觀點來看，最理想的車身外形如圖1所示，歸納為以下幾點。圖1 理想車身外形1. 車身側面 盡量降低車身總高 離地間隙盡量小 前臉扁平，后端處理應盡量使阻力降低 發動機罩和頂蓋盡量扁平 為確保方向穩定性而加上尾翼2. 車身

7、正面 寬而低的扁平形 采用無棱角的扁平和圓形過渡 當駕駛室要求有必要的棱角時，在腰線部位可裝置傾斜的側翼，使其圓滑過渡。根據上述原則，現在多采用下述方法改善汽車空氣動力特性： 把汽車設計成楔形或快背式，車前端盡量壓低，俯視圖多呈半圓形，前風窗與發動機罩、頂蓋與側面的過渡部分圓滑光順，前風窗與水平面的夾角一般在25°33°之間。 汽車設置前、后擾流板等空氣動力學附加裝置，以改善氣流狀況、降低阻力和升力。 車身底面平滑化，或加設光滑底板，以降低阻力和升力。（另，車身底部設計成內凹狀，可以降低升力） 車身外表盡量減少凸凹面和突起物，如門把手平滑化，風窗玻璃、門玻璃盡量與框平齊，雨

8、水槽采用隱蔽式，車輪加外護罩，外后視鏡加流線型護罩。 控制發動機冷卻氣流，強制空氣處于有利流動的狀態，提高冷卻性能，減小行駛阻力。 車身細部形狀最佳化，通過反復修改外形，達到最佳氣動外形設計效果。1.2車身對空氣動力性的主要影響部分在汽車造型階段的大量風洞試驗表明，形狀阻力的大致部位如下： 前照燈周圍 前風窗兩側部位周圍 A柱到車門周圍的凸凹 C柱的錐度 底板下部的整形程度一般發動機罩相對于水平面的傾角越大，CD 越低。概念設計車是根據保險杠、燈光器、散熱器、發動機對前下方視野的控制來確定其最適合的角度的。前風窗玻璃在傾角小時能降低CD，但隨著傾角的減小，頂蓋前端與A柱接近，上、下車方便性和居

9、住性惡化；同時前風窗玻璃傾角小時，造成二重像及像的歪斜，使視認性變壞。確定前風窗玻璃的傾角時，要保證其視認性。車身基本外形對空氣動力特性有很大影響。最佳氣動外形設計的原則是，為使沿車身表面的氣流不分離，車身表面外形不急驟變化，表面外形變化處應平滑過渡，從車身前端至后端的外形曲線連續。A柱處氣流的流動是很重要的，應在可能限度內保證前風窗兩側玻璃用相同的曲率，保持氣流從前窗向側窗流動的連續性；A、B、C柱盡量配置在玻璃內側，保證車身表面的平滑化；車身尾部外形應使氣流不產生分離，盡量減少尾渦，尾渦應盡量遠離車身；避免車身上下左右的氣流混合而產生渦流，車身下部應整流；車身外飾件（如后視鏡等）、側面均應

10、保證氣流流暢地通過，不產生氣流分離；輪胎應有適當的寬度等，都應在設計中予以充分注意。2.空氣動力學對未來汽車造型的影響根據國際上對空氣動力學帶給汽車的重要影響的探索，現在正給以車身外形設計新的概念。以空氣動力性來設計汽車的主導思想是，完全從空氣動力學出發，根據風洞試驗，確定車身外形，使汽車造型具有優異的空氣動力特性，同時又能滿足各種使用和生產工藝的嚴格要求。某公司在車身設計的初期，最原始的設計曲線只是一條上凸的曲線，然后根據居住性、工藝、總布置要求，畫出車身的外形輪廓（如圖2示例）。為減小形狀阻力，使車身的橫截面不斷地變化，沿著流線壓力逐漸變化，壓力在正壓區僅變動一個循環，其設計程序分為以下三

11、個階段：圖2 車身外形輪廓 制作一定比例的（當時一款車設計的是1:2）模型并根據風洞試驗結果不斷修正其外形。在這階段采用組合模型，車身前端用幾種形狀不同的模型進行比較和修正，模型的外覆蓋蒙皮采用可更換式的。當時此車在這一階段的模型風洞試驗結果是CD僅為0.160. 考慮總布置和結構設計要求，對第一階段的理想外形進行修正。為滿足乘員乘坐的舒適性，改進了底板設計，增大了腳部空間；對車室內用于通風的進、排氣口等進行了修正。通過上述修正，使CD增至0.172，最后CD達0.23 繪制車身設計圖。在第二階段，從CD為0.1720.23進行了反復的風洞試驗，這種理想的最佳空氣動力學造型的CD值比當今世界轎

12、車平均阻力系數CD為0.280.4的車降低了約35%，節省燃料可達12%。在目前以環保及能源為主題的情況下，當時的這項研究成果足以令人震驚。世界各大汽車公司競相以空氣動力學為主導進行汽車造型，并不斷出現了新的成果。表1為早期研究推出的各國概念車的氣動阻力系數，圖3為汽車外形變化和氣動阻力的比較。圖3 汽車外形變化和氣動阻力比較圖表1 各國早期概念車的氣動阻力系數年份車型氣動阻力系數CD年份車型氣動阻力系數CD1979Ford Probe I0.251983GM Aero 2002Ford Probe Volvo-Lcp0.140.150.301981Ford Probe VW ARVWMerc

13、ed Auto 2000Opel Tech Uni CarBMW ResearchBenz Auto 2000Audi Auto 20000.220.150.250.240.240.190.300.291985Ford Probe Mitsubishi MP-90XSubaru XTToyota FXVNissan CUE-XMazda MX-0.3Toyota AXVCitroen Eorl0.1370.220.290.240.240.250.260.191982GM Aero Mercedes C /Reugeot VERA-02BL-BCV30.2850.180.220.253. 汽車空

14、氣動力學研究與方案改進實施下面是某一車型的原型與其改型后的空氣動力特性的研究。詳述了汽車外形與空氣動力性之間的關系，通過不斷反復試驗來尋求最佳外形造型方案。3.1試驗設備和模型1.風洞2.模型試驗模型原型是此車型的1:5模型（因保密需求，不附模型圖），材料為木質，改制部位用優質油泥成形，部分復雜件如前格柵、保險杠、后擾流器等采用木質組合件。圖為各改型方案試驗分析，表給出了各種外形方案和幾何參數。3.模型的安裝利用風洞原有的木質地板來模擬地面效應。地板長為5.5m，寬為2.7m，厚為0.05m，其上表面距下洞壁為0.65m。天平通過支桿與模型相連，并調整在試驗段轉盤的中心線上。通過轉盤的變機構改

15、變模型的橫擺角，模型前、后輪的離地間隙為3mm。4.變雷諾數試驗圖4已給出了=0°時，汽車模型的縱向啟動阻力系數隨雷諾數的變化。由圖可見，當Re為1.5*106之后，雷諾數的變化對氣動力系數基本沒有影響。圖43.2試驗結果分析在橫擺角變化=-6°21°，=3°情況下，進行了測力、測壓和流態顯示試驗，試驗結果分析如下：表2 模型的外形方案和幾何參數模型編號外形方案和幾何參數方案1某車型1:5模型：長1.1m，寬0.38m，高0.30m，軸距0.68m，斜背式車型，前后風窗角為40°，發動機罩傾角3°，前傾式車頭，傾角14°，豎

16、條式發動機進氣格柵方案2車頭改為傾角-14°的后傾式方案3加前阻風板（阻風板高度為10cm）方案4前風窗改為30°方案5發動機罩傾角改為8°方案6后風窗改為30°方案7后風窗改為23°方案8加后擾流器方案9原型加光滑底板 a)車身尾部傾角與CD的關系b)尾翼高度對CD、CL的影響c)車身后底部傾角與CD的關系d)側翼高度對CD、CL的影響圖5 改型試驗分析1.此車型原型的空氣動力特性圖6圖11是此車型模型的六分量氣動力系數曲線。阻力系數試驗表明隨橫擺角的增加，阻力系數變化不大，但升力系數隨橫擺角的增大而顯著增大。當=21°時，升力系數

17、約增加63%。橫向氣動特性曲線表明，正的橫擺角產生正的側向力，且隨橫擺角增加，側向力系數增大幅度變大。正的橫擺角產生正的橫擺力矩和正的傾側力矩。 圖6 車身阻力系數曲線（v=60m/s） 圖7 車身升力系數曲線（v=60m/s） 圖8車身側向力系數曲線（v=60m/s） 圖9車身橫擺力矩系數曲線（v=60m/s） 圖10車身縱傾力矩系數曲線（v=60m/s） 圖11車身側傾力矩系數曲線（v=60m/s）此車型模型的縱傾力矩為正值，即受到一個抬頭力矩，這說明該車的風壓中心位于坐標原點之前，分析得出該車的風壓中心位于重心之前。試驗分析表明：與國外同類車相比，此車型的原型氣動阻力系數和升力系數均偏大

18、，該車型有減阻的可能。該車型的原型升力較大，且隨橫擺角增加升力急驟變大，致使該車受到一個抬頭的縱傾力矩。在側風下，其側向力和橫擺力矩均有較大增加，因此氣動特性對其操縱穩定性有較大的影響，這是應引起高度重視的問題。2.對此車型原型的幾種改制方案及效果分析按表2所列出的各改型方案，當進行到方案8加后擾流器時，得出的試驗數據是阻力系數減少21.2%，升力系數減少54%；進一步改型至方案9加光滑底板，使阻力系數減少35%，升力系數減少134%，出現了負升力，可見改型產生了很好的效果。根據各改型方案的效果，進行如下分析。（1）汽車前端造型 汽車前端車頭部位的主要組成部件為：發動機冷卻系統散熱器格柵、前照

19、燈、轉向燈、保險杠以及車身前底板等。本次試驗采取兩種組合方案，一是后傾式車頭組合體，二是在保險杠下部加前阻風板。后傾式車頭（方案2）原型的車頭前傾14°，方案2改為后傾14°，從而減小了車輛頭部的正壓，使氣動阻力系數降低3.8%，升力系數降低1.1%。此方案明顯減小了阻力，這是由于后傾式車頭使正面的正壓力下降，使前方來流流暢地通過車頭上緣的結果。加前阻風板（方案3） 本著使氣動阻力系數基本不增大而盡量降低升力系數的原則，本試驗采取了高為10cm的前阻風板。試驗結果表明，方案3的氣動阻力系數相對于方案2基本未變，但升力系數卻降低了8.5%。可見加前阻風板后，帶來了明顯的減阻效

20、果。加前阻風板后，避免了氣流直接沖向車底的凸凹部件；同時，由于減少了氣流與車身底部粗糙表面的摩擦，降低了摩擦阻力。加前阻風板后，前部離地間隙變小，導致車身底部與地面間的平均氣流流速加快，有利于形成Venturi形的氣流。這種氣流產生向下的吸力，即形成了負升力，有利于改善高速操縱穩定性。阻風板雖然有減小阻力和升力的作用，但它本身也帶來了附加的形狀阻力，而且其效果與阻風板的高度、安裝位置、角度有關，因此最佳方案要通過試驗綜合選擇。試驗表明，汽車頭部及導向底部的過渡部分的造型對空氣動力特性有很大的影響。（2）擋風玻璃與發動機罩的傾斜角 氣流順發動機罩經擋風玻璃與發動機罩交接處的凹角流向擋風玻璃時，一

21、般在發動機罩中部開始分離，然后在擋風玻璃上再附著。為減小分離區，應盡量減小發動機罩與擋風玻璃間的夾角，就是使分離線與再附著線盡量接近。本研究采取兩種方案：一是減小前擋風玻璃傾角，二是增大發動機罩傾角。減小前風窗玻璃傾角（方案4） 原型的前風窗與水平線的夾角為40°，現變為30°，橫向與縱向曲率與原型一致，試驗得出方案4的氣動阻力系數相對于方案3降低0.4%，升力系數降低很小。改型并沒有使阻力系數與升力系數明顯下降，這與發動機罩與前擋風玻璃的夾角在40°以下時，分離線與再附著線變化不大，阻力和升力變化不大的規律相吻合。因此，靠減少前風窗角來降低阻力而犧牲車輛室內空間

22、以及影響人機工程的做法是不可取的。增大發動機罩傾角（方案5） 增大發動機罩與水平線的夾角，由原型的3°變為8°，橫向與縱向曲率與原型一致。試驗得出方案5的氣動阻力系數相對于方案4降低1.2%，升力系數降低5.6%；此時，發動機罩與前擋風玻璃間的夾角由27°變為22°。由于氣流流線縮短，雖然分離線與再附著線變化不大，卻可使流速降低，負升力值減小。實驗表明，盡量壓低發動機罩前部并增大發動機罩的傾角，對減阻很有效果。當然，發動機罩傾角并不能無限增大，而應切合發動機艙的空間布置以及整個前艙的數據結構。（3）車身背部造型研究 本研究在車身背部采取了三種改型方案。首

23、先，在斜背式原型的后窗部位改變其傾斜角，變為半斜背式外形；然后，進一步減小后窗傾角，取消行李箱，變為快背式；最后，在快背式外形的基礎上加裝后擾流器。原型背部流譜分析 原型的后窗傾斜角為40°，后窗與行李箱間形成階梯，在為零度時做油流流態顯示試驗表明，不論車身前部造型怎樣變換，后窗總是存在一對形狀似“貓眼”的附附著渦，其渦軸垂直于后窗表面。氣流在頂蓋的后緣開始分離，分離區被下洗流包圍在后窗與行李箱間的凹角內。此區域的渦流為附著渦，渦環的兩端都終止于后窗上。伴隨著渦流的產生，要消耗一定的能量，由渦誘導生成渦阻。此車型后窗上的一對附著渦，是造成其壓差阻力與升力大的根源，同時也是其后窗部位受

24、塵土污染的主要根源。改變后風窗傾角 減小后風窗傾角為30°（方案6），又進一步減小到23°（方案7），這兩種狀態下，氣動阻力系數分別降低10.2%及11%，但同時都帶來升力增加的問題，特別是方案7尤為明顯。經測壓試驗數據表明，后窗傾角減小，使負壓增大，升力增大。（4）加后擾流器（方案8） 針對減小后窗傾角，氣動阻力系數降低，升力卻上升的問題，在方案7的基礎上安裝了一個后擾流器，使其阻力系數降低9.1%，而升力系數下降了59.6%，擾流器對降低升力做出了貢獻。測壓試驗結果（圖12）表明，加后擾流器時，明顯降低了后車身的負壓，甚至個別地方變成正壓，從而大大降低了后軸升力。 （5）光滑底板（方案9） 方案9在原型的基礎上，車底安裝了一塊光滑底板。它的作用是保證車底的氣流順利流過，避免車身底部部件的氣流阻止而造成局部渦流并減小摩擦阻力，從而達到降低阻力和升力的目的。由試驗數據顯示，車底安裝光滑底板，可使氣動阻力系數降低13.6%，升力系數降低79.9%，效果極為明顯。3.3結論根據上述分析及試驗結果，得出以下結論：當試驗雷諾數Re>1.5*106時，試驗數據不隨雷諾數而改變，我們在Re>1.5*106范圍內進行風洞試驗,將前傾式車頭改為后傾式、加前