空气阻力系数cw变化及方法

1.空气阻力/行驶功率

空气动力学（或准确地说空气阻力）是影响汽车行驶功率和燃料消耗的因素。空气阻力对燃料消耗的影响，除其他一些影响参数外，特别与汽车的使用场合有关。快速行驶所占的份额较高（高速公路），则影响也大。假定汽车在高速公路行驶占整个行驶的比例为1/3，和假设变速器总是处于很好的匹配状态，则中档汽车的燃料消耗计算表明，在空气阻力减小10%时燃料消耗约可降低3%～4%，同时汽车最高行驶速度约可提高3%。这种计算的预测趋势可转换到其他的汽车上。根据这种情况，需要研发出空气阻力和空气阻力系数低的汽车。由图3.2-2清晰可见，平均空气阻力系数c_w随车型开发年代是如何变化的。该图还反映用户对汽车的技术含量接受程度要逊于用户对汽车外形的接受程度，即在一定的技术含量下，用户更青睐于汽车外形。工程上研发的各种可能的车型与实际的汽车造型的区别就是这一情况的佐证。用户对审美力的依赖性使单纯通过试验来评判汽车变得困难。在未来，根据研究结果可将此图的空气阻力系数外推。

图3.2-2 空气阻力系数c_w随车型开发年代的变化

由图3.2-3可见，当前汽车的空气阻力系数c_w处于什么范围，图中表示的主要是在德国销售的乘用车。所统计的乘用车都是在同一风洞和相同条件下测定的。在低空气阻力系数范围的车型几乎都是阶背车尾式乘用车。较早的乘用车空气阻力系数高，因为早期的乘用车设计思想陈旧，没有兼顾空气动力学问题。

图3.2-3 2005年中421辆乘用车的c_w值和频率

在过去，在参考文献[1]中介绍了研发低空气阻力系数乘用车的两种方法：

1）形状优化。它从低空气阻力系数的标准物体出发，通过标准形状和标准模型设计而得到可批量生产的乘用车。

2）细节优化。它从未经修改的设计模型着手，进行细节优化，从而得到用户可接受的批量生产车型。

图3.2-4 汽车尾部造型对空气阻力系数c_w的影响

这里假定乘用车的形状优化可基本达到低空气阻力系数。当今，在汽车工业的特种车辆领域使用细节优化。最近几年的细节优化经验使设计师的原模型的空气阻力系数要比当前使用的这两种优化方法得到的低空气阻力系数还要低。细节优化大多从流动计算阶段开始，接着在风洞中进行大量试验。流动计算不但是评定汽车的各种设计方案所必需的，而且也是在往后的汽车研发阶段，为改善汽车的空气动力学潜力所需要的。按公司的哲学理念，细节优化只在全比例模型上进行；或常常先从小比例模型开始，之后再在全比例模型上进行。细节优化的最终结果取决于：研发者和设计师在目标冲突中，接受空气动力学的要求并可达到形状优化的水准这个目标，在设计理念上到底准备到何种程度。

为研发低空气阻力系数的汽车，必须优化车身的各个参数。在文献中叙述了车身的各个优化参数。但必须注意，这些优化的结果只适用于试验模型，而不能任意套用，它们不具有普遍性。另外，若模型上的各个细节（如发动机室和底盘）都表示出来，则模型试验才能得到可靠的结果。图3.2-4是汽车尾部倾角和尾部长度对c_W的影响。在这个曲线族中，对c_W有明显影响的还有车顶与后风窗玻璃间的圆弧半径、C柱形状、行李箱盖、尾扩散器角度和长度，以及汽车头部。严格说，这些相关参数要多次迭代才能最终优化模型。从成本和时间考虑，常只对一些参数优化并进行实际的测试。

在空气动力学所要求的汽车外形和其他汽车研发伙伴期待与要求间的目标冲突中，常提出挖掘汽车底部空气动力学潜能问题。空气动力学者会对汽车底部修改而不破坏其他目标。汽车下侧底边的空气阻力约占总空气阻力的50%。其中约10%的空气阻力来自开式的车轮罩，约25%的空气阻力来自车轮。汽车底部的空气阻力只占总空气阻力的15%。现代的乘用车制造得越来越光滑，但不可避免的还有不光滑的干扰处，如：为冷却和提供膨胀空间的排气系、为保证车桥有一定运动自由度的空间、燃油箱和车身底板间的开口（在车尾碰撞时开口可为车身提供变形的行程而不致损伤燃油箱）等。在常见的乘用车上，包裹底部具有可降低空气阻力系数0.01～0.02的潜力。

特别是在优化汽车底部细节时，风洞试验，结合将转动的车轮及汽车与道路间的相对运动（传动带技术）考虑在内的计算机仿真可得到精确的空气阻力系数^[2]。

2.行驶安全性

空气在汽车上的环流产生3个方向的力和绕固定在汽车上的坐标系的3个坐标轴的力矩（图3.2-1）。在纵向方向的力和阻力影响汽车行驶功率时，其他的力和力矩则影响行驶状态和行驶安全性。在侧向风及在其他行驶车辆的气体流动力学的影响范围内，这些力是不对称的。行驶状态和行驶安全性受汽车自身影响的因素有：

1）底盘。

2）汽车质心。

3）空气动力学（空气阻力）。

4）驱动功率。

1930年前，由于汽车行驶速度较低，空气阻力对汽车行驶状态影响不大。在过去30年，研发出空气阻力不断降低的很多汽车，但存在着对倾斜气流的抗横摆力矩差、底盘设计不完善、在整体方案设计中汽车质心靠后等问题。高速公路的建设使汽车可以以较高的速度行驶，但随之首次出现了与汽车流线有关的汽车对侧向风敏感的现象^[3]。因此产生这样的问题，低空气阻力的汽车不易抗侧向风。继续研发底盘和将发动机前置，使汽车对侧向风的敏感度不断降低。以致为寻找合适的低横摆力矩的汽车形状有了基础，且只需投入不多的费用。另外，尾部圆滑的垂直棱边汽车，即没有明显轮廓线感觉的汽车会产生侧向风效应。为此，在汽车尾部和侧面要有明显的分离线。再有，目前的汽车已达到在车桥上出现升力的汽车速度。车速约超过160km/h后由于出现升力现象而影响下面的一些性能评价标准：

1）转向性能。

2）弯道变换性能。

3）车道变换性能。

4）载荷变换性能。

5）高速时的转向反馈。

6）高速时摆动。

现正在努力降低后桥和前桥上的升力系数。可接受的升力系数对各汽车公司是不同的，它还受底盘的影响。修改底盘可以弥补不理想的升力分布（见第7章）。

像前面讨论的空气阻力那样，通过车轮、发动机室的气流由于它们的外部形状而影响气动力和力矩。在早期研发阶段的设计阶段需提出这种修改。到这一时间节点，几乎没有可行驶的汽车模型，所以只能采用风洞测试和流动计算判断好坏。但它提供的只是准静力的结论，不能正确模拟汽车受到暴风袭击的行驶状态和没有与行驶性能的其他参数联系起来。现正在努力模拟这种情况^[4]，和从比较测量中作出预先的估计^[5]。为能根据风洞试验结果推断出汽车行驶状态，通常要借助原先的模型经验。

3.湿润与脏污

汽车常在夹杂着微粒的不均匀的空气中行驶。空气中的微粒包括各种气体、尘埃、水蒸气、昆虫等。由于它们的密度（质量）不同，惯性力不同，在空气流线中的轨迹不同而在这些微粒间产生相对运动。发动机排出的废气在与空气短暂混合后几乎均匀地一起流动。流动的小砂粒几乎不受影响地继续前进。在观察这些脏污物时按微粒密度可分：

1）气态物质随空气流动。这里特别要关注的是发动机排出的废气不应进入车内。因为靠近地面的废气浓度高，空气进口应尽可能高点。根据这一原则，通常将空气进口布置在风窗玻璃前的导风处。

2）尘埃符合前面所说的规律，同样会吸入车内。由车轮甩出的汽车底下的尘埃经尾部涡流到达汽车尾部。防止尘埃进入车内的有效办法就是要有好的密封系统。尘埃也可从前车轮罩到达车门缝隙，特别是到达车门框上部的缝隙。汽车内有较大的空气负压时，如开启活动天窗时尘埃可通过车门缝隙和排水孔进入车门内，并从车门内沿风窗玻璃进入乘员室。因为空气压力分布沿车门外缝隙是变化的，在通风道中产生气流。在后面车门下面的尘埃以这种方式（如在后车轮转动前）吸入通气道，并输送到前轮后面的A柱处车门垂直缝隙或输送到C柱处车门上部缝隙。要可靠地阻止这些灰尘从不同途径进入车内的唯一办法是在车门缝隙外部有一个环行密封系统。

3）水滴。水滴的大小和来源不同。被汽车在湿路面上的车轮甩出的水滴，一部分像废气和尘埃一样随气流运动。轻的水滴输送至后风窗玻璃上部；中等重的水滴输送到汽车尾部下表面；重的水滴则不能随气流一起运动，而只能在气流后面运动。车轮后面的挡泥板加剧了汽车纵向方向的喷水作用并造成汽车尾部脏污。

4）雨滴。由于雨滴的重量和惯性而几乎不能随气流运动。风窗玻璃上的自由水泡由于聚合能量小而分散。为阻止落在风窗玻璃上并被刮水器刮至A柱的水到达侧窗玻璃以影响外反光镜的视线，在A柱上常使用集水的花纹断面。其他可能的方法是选择连接在车门上的反光镜。直接安装在车门上的反光镜要比带支架的反光镜的防湿保护作用好，但对侧窗玻璃的防湿润措施会产生高的空气阻力和高的风噪声，这就需要解决这两者之间的目标冲突。几乎所有的汽车在A柱后面的侧窗玻璃上都会形成收缩涡流。这个涡流向A柱侧窗玻璃上旋转。涡流强度是如此大，在车速超过100km/h时，在A柱的侧窗玻璃上移动的水首先向上，然后沿着侧窗玻璃上部框架向后输送。在车速50～100km/h范围侧窗玻璃的脏污是主要问题。

5）在风窗玻璃刮水器后面的水迹尾巴是一个恼人的问题。在很多汽车上驾驶人侧的刮水器在回程位置几乎靠近且与A柱平行。在这位置，在刮水器的刮水片旁有相当多的水，通过刮水器的气流在刮水器后面产生一个涡流。在风窗玻璃附近的涡流向刮水器的刮水片方向旋转。该涡流输送的部分水又流向刮水器。这样在刮水器回程运动时形成水迹尾巴。必须单独寻找解决水迹尾巴的补救措施。

6）重质微粒，如高速抛射的石子，则不能靠气流措施影响它的运动。

图3.2-5 全背式轿车的尾部气流

汽车也受其排出的废气影响。图3.2-5是全背式乘用车处的典型尾部气流。其特征是在保险杆（防撞杆）后形成一个涡流。空气和夹杂其中的其他物质从保险杆下棱边约0.5m向后流动，之后又流向尾盖，又形成一个反向旋转的涡流。这两个涡流有一个共同的混合区，微粒进入该混合区中。上部的涡流携带这些微粒到达车顶处的轮廓边。如果发动机排出的废气进入下面的涡流，经涡流的作用扩散至整个车尾表面。因为在汽车的行驶状态，特别是在高速时，乘员室内的空气压力处于较大的负压，废气可以吸入车内。废气吸入车内的危险随车速成平方增长。其对策一是安全、可靠地密封汽车尾部；二是选择合适的排气尾管，使废气无法到达涡流区。向下弯曲的排气尾管对消除这种危险是有效的。还有就是尾管位置，使排出的废气不吹到后轮的后面。

4.各种力

空气绕汽车流动时，不只是作用在汽车整体上，而且也作用在各个部件上。汽车表面的部分范围上（如侧窗玻璃上）的空气压力分布（不同的空气压力）会产生局部的力和载荷。这些力和载荷不能从空气阻力、汽车升力和侧向力推出。图3.2-6是几种车型纵向中心线上的空气压力分布。(www.xing528.com)

图3.2-6 在汽车纵向中心线上的空气压力分布

a）厢式乘用车 b）阶背式车尾乘用车 c）全背式车尾乘用车

在乘用车头部的空气负压峰值产生一个会使发动机室盖抬高一点的力。在车速200km/h时，在乘用车前部的发动机室盖范围的向上力，根据头部形状的不同约为300～500N。在A柱后面的力约为该值的一半。在侧向风作用下，侧窗玻璃上的力也可达到300～500N。这些力使部件运动、密封系统开启或由于气流分离而产生高的空气阻力。也会使部件功能损坏。在关闭侧窗玻璃的过程中，在下部的侧窗玻璃不能进入导向槽。

压力载荷会压瘪乘用车前部的导流板、损伤挡水板、移动外反光镜等。这只是考虑了这些静态力带来的不利影响。另外，周期性的气流分离会激励部件的振动而损害它们的寿命或功能，在反光镜座分离的周期性球状涡流在高车速时会引起反光镜玻璃的异常振动。在高车速时也会出现发动机室盖的振动。

风的载荷引起的部件形状变化常造成线条分明的外部轮廓，从而增加了压力载荷。振动部件可部分地自行消除周期性压力载荷，但也会使压力载荷更加严重。

应进行风洞试验或流动计算，尽可能早的得到这些力和压力，以便通过形状的改变来缓和这些力和压力，或在结构设计时考虑到它们。

5.冷却/部件温度

冷却系的任务是在汽车的各种行驶情况下，要冷却发动机和其他需冷却的部件，使它们不受损伤或出现功能性故障。另外还要有加热功能，以减小机件磨损、节省燃料消耗并优化功率（细节见3.3节）。

散热时，或是部件热量直接向周围空气传出，如制动盘；或是部件热量通过冷却液（也可是冷却油）、散热器传出。从空气动力学角度，增压空气冷却器（中冷器）与散热器没有什么区别。上述两种散热途径的前提是要有内部的空气流动。

为产生内部的空气流动，需要提供使空气流动的能量。风扇就可使空气流动。特别是在汽车慢速行驶或驻车时需要风扇。在快速行驶时，大多汽车可利用汽车前端与底部间的空气压头（压力降），使空气流过冷却器或发动机室。内部流动的空气由于流动阻力较大，产生的压力损失要比相同体积流量的空气绕汽车流动的压力损失大。这表明汽车的空气流通阻力增加或是空气阻力系数c_W较高。为降低燃油消耗，需要将冷却空气流动的那部分阻力和冷却空气的体积流量限制在必要的最小值。为此采取下列一些措施：

1）隔离从空气进口到冷却器的空气通道。

2）空气进口位置和气道形状要保证气流均匀。

3）在空气流道中避免出现突出物体和空气分离。

4）冷却器断面要优化。

5）采用高比热交换功率的冷却器。

冷却空气流动的空气动力学优化，像空气动力学本身的优化一样，可从使用新的车底气流仿真技术[8]中得到好处。

为冷却部件，常引导一股空气流到部件去。为此采用闭式通道可明显改善部件冷却效果。而供给冷却部件的自由空气流由于提供的压力降不大，其流动距离短，且会受其他气流的影响而偏离要冷却的部件方向。

6.车内空调

汽车的采暖、通风和空调的任务是尽可能好地保证乘员舒适和安全（见6.4.3小节）。在空间相对小的乘用车内部，影响乘员的有下列参量：

1）温度和温度层。

2）空气速度和速度分布。

3）空气湿度。

4）部件的热量辐射。

5）太阳直接照射。

6）空气中的其他物质。

汽车中的气流会部分地影响这些参数，而气流又受风扇的设置、进出气口位置、部件结构和功能上所需的开口（即不是故意的不密封性）等影响。

通过车身流动的气体造成表面上的不同压力（压力分布）。在布置气流开口时要利用表面上的空气压力分布。出气口优先设置在低压口。还要考虑在汽车上没有大的负压，如在开启前侧窗玻璃时，以免有害物质吸入乘员室。如果空气出口太靠近人耳，就会造成噪声损伤。常将空气进口设置在高压区，以减小不必要的风扇功率。另外，车内的采暖应随车速的增大而加强。基于同样的理由，采暖要优先设置在稍高的高压区，如图3.2-7所示（见书后彩图）。

7.风噪声

在汽车内的乘员受到许多噪声的侵害，其中部分的噪声来自车外，并通过隔声而降低。较重要的一些噪声源于汽车本身或汽车内部（见3.4节）。如果剔除人们所希望的噪声，如收音机放音、报警蜂鸣器，则有三种不同的噪声源：发动机噪声、车轮滚动噪声和风噪声。在最近几年由于成功地降低发动机噪声和滚动噪声，当前不能再忽视风噪声。

风噪声源于：

1）部件间的不密封性。主要是车门和车窗玻璃的不密封性，也源于车身钢板开口。由于挤压空气效应，车身外侧部分的空气流速增大而出现较高负压。在A柱后面附近的负压就是这种情况。在汽车内部，按通风和采暖情况出现稍低的负压和稍高的正压。如果密封不好，将从缝隙中出现从内向外的气流并引起噪声。可听到的噪声主要频率范围为4～10kHz。

在汽车高速行驶时，在前车门侧窗玻璃上的负压力使车门框架运动，向外的移动量可达2mm。如车门的密封系统不够，则在整个重要的频率范围产生高分贝的气流噪声。有效密封系统设计的重要任务是达到低的风噪声级。

由干扰引起空腔谐振。如果敞开车门缝和行李箱、发动机室等的盖缝，气流由垂直缝口流出，其流动噪声频率为500～3000Hz。在缝隙后面的流通断面同样决定了频率范围。噪声强度特别与缝隙后棱边是否突入气流中或缝隙后棱边是否在气流中回跳（鳞片效应）有关。通过有效的密封就可避免这种噪声。但适当的鳞片效应不是太坏的事。

在风噪声中还可以听到汽车活动天窗的轰鸣声。其典型的频率约为20Hz，并常在汽车行驶速度为40～60km/h时出现。气流从敞开的活动车顶流出时，按赫尔姆兹（Helmholtz）谐振器原理，整个车内激起振动。补救措施是使用导风板。它可根据汽车实际情况调谐。打孔的、尖角状或网格状导风板通常要比光滑的导风板调谐效果好。但在较高车速时会产生不希望的固有噪声。活动车顶断面厚度对振动也有很大影响，所以一些汽车生产厂家放弃滑移行程，以能使用光滑的导风板。

在开启侧窗玻璃时特别要注意后面的轰鸣声，至今尚未找出抑制轰鸣声的技术补救措施。只要乘员部分打开后面的侧窗玻璃和前侧窗玻璃就可避免出现轰鸣声。

2）在物体轮廓上的气流分离。其后果是形成涡流和湍流的压力波动。压力波动冲击汽车表面形成激励振动，并成为噪声传给乘员。已知的是A柱处的气体涡流，它产生宽带（频）噪声。在侧向风变换的情况下，A柱处的气体涡流特别明显。为此，汽车需在风洞中或道路上进行相应的试验。只要改变A柱的造型就可降低A柱处的气体涡流，或提高侧窗玻璃的隔声效果，从而降低噪声级。

由车尾气体分离产生的噪声，由于噪声的起伏，其频率在20Hz附近。但在特殊情况下，如软塑料尾盖的敞篷轿车，噪声频率的波动明显。

3）气体在像天线、车桥、反光镜、风窗玻璃刮水器的突出部件处分离。在后部的杆式天线处形成卡曼（Karman）涡流线，它产生高强度的单一音调。措施是采用斜置杆式天线，至少倾斜45°，并在杆式天线周围使用螺旋圈，这样可消除噪声的单一音调，但会带来少许奇特的噪声。

由于功能上的需要，车桥和风窗玻璃刮水器不能制成有利于气体流动的形状，所以，在设计时不要将它们放在气体直接流入处，如风窗玻璃刮水器放在发动机室盖下面。

外反光镜常视为噪声源，因为驾驶人可察觉到来自噪声源方向的噪声。但这些噪声不总是烦人的。在A柱处的涡流和填料同样也引起噪声。反光镜体处或反光镜体后面的气流分离产生的噪声，要比气体在反光镜体与风窗玻璃的狭窄间隙加速、反光镜支座处的气体环流、反光镜支座与车门间的不密封性或反光镜插入汽车内部的不密封性所引起的气流噪声小得多。

4）靠近汽车流动的湍流波动。即在边界层的湍流波动，产生的噪声比限值要高，但在汽车上，它的噪声要低一个数量级。

根据出现的各种气流噪声，需要进行汽车空气动力学的优化。但它只能个别地改善。最重要的噪声源是对空气动力学没有多少作用的不完善的密封系统，因而无法有效抑制噪声。