汽车车身设计和空气动力

汽车在行驶时，车身外表面会受到空气阻力、升力和侧向力，这三种作用力合成得到作用于轿车上的合力，称为气动力。行驶时的汽车所受到的气动力系如图5-1所示。坐标系的原点位置是汽车的重心。当汽车行驶时，相当于在气流场中运动，作用在汽车上的空气力和力矩是相应六个自由度的六个分力，分别是：气动阻力F D（Drag-Force，即空气阻力）、气动侧向力F S（Side Force）、气动升力F L（Lift-Force）、侧倾力矩Mx、俯仰力矩My和横摆力矩M z。气动阻力、气动侧向力和气动升力分别是沿着X轴、Y轴和Z铀三个坐标方向的分力，其实际作用点分别是汽车正面、侧面和水平面的风压中心，即正投影、侧投影与水平投影的形心。一般情况下，这三个形心相互不重合，与车辆的重心也不重合。将这三种力转移到汽车重心位置时，则会产生围绕以汽车重心为原点的三个坐标轴的三个力矩。

图5-1 轿车所受的气动力和气动力矩

作用在汽车上的气动力和气动力矩与汽车的性能密切相关，气动阻力直接影响轿车加速性和燃油消耗率等经济性以及动力性方面的指标。气动侧向力、升力和横摆力矩直接影响汽车的稳定性和直线行驶能力，影响汽车的操纵性能，从而影响行驶安全性。

1.气动阻力（即空气阻力）和空气阻力系数

汽车在流动的空气中运动时，在前进方向上会受到空气的阻碍作用，称为气动阻力，即空气阻力或风阻。汽车尺寸（投影面积）、形状、运动速度和空气密度等多种因素都会对空气阻力产生影响。

假设不考虑空气阻力和轮胎的滚动阻力，在汽车质量不变的情况下，汽车速度与功率成正比，若速度提高一倍，功率则要翻两倍。实际上，这两种阻力尤其是空气阻力对汽车行驶状态影响很大。滚动阻力大致是恒定的，而空气阻力则是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力，且往往是变化的，如图5-2所示，当速度达到60～70 km/h时，空气阻力将逐渐增大，超过100 km/h时，功率几乎全部消耗在克服空气阻力上了。试验又表明，一辆轿车以80 km/h行驶时，60%的油耗用来克服风阻。可见，空气阻力主要影响汽车的动力性和燃油经济性。减小空气阻力是车身外形设计的重要内容。

图5-2 车速与空气阻力的关系

为了综合考虑上述影响因素，人们专门定义了用于描述汽车空气动力学特性的系数——汽车空气阻力系数，也称为风阻系数，用C D表示

式中：F D——汽车的空气阻力；

q——动压

ρ——空气密度；

υ——气流速度（相当于汽车行驶速度）；

A——汽车的迎风面积，即正面投影面积，该面积包括汽车底部零件及轮胎的前视投影面积。

由式（5—1）可知，汽车的空气阻力系数可定义为作用在迎风面积上的平均压力F D/A与动压力q的比值，可见，CD是一个无量纲量。同理，升力系数CL、侧向力系数CS也是无量纲量，它们都是评价车身外形空气动力特性的重要指标。

空气阻力系数是计算汽车空气阻力的一个重要系数，其大小主要取决于汽车的外形。由式（5—1）可知，空气阻力系数与空气阻力成正比，空气阻力系数越大，则空气阻力越大；与汽车的迎风面积成反比；另外，还与汽车行驶速度和空气密度有关。因此，减小汽车的迎风面积可有效减小空气阻力。从车身正面看，减小汽车的迎风面积首先是降低汽车高度。

若车宽不变，车高由2.7 m降低到1.4 m，车速则由80 km/h提高到120 km/h，提高了50%。由于车宽的改变会受到稳定性和舒适性的限制，所以现代汽车的宽度不但没有减小，反而还大了。这也是汽车的横断面由最早的方形变为现在的椭圆形的主要原因。

减小空气阻力系数可以提高燃料经济性，试验表明，空气阻力系数每下降10%，可节省燃油约7%。曾有人对120两种相同质量、相同尺寸，但具有不同空气阻力系数（分别为0.44和0.25）的轿车进行比较，以88 km/h的车速行驶了100 km，后者燃油消耗比前者节约了1.7 L。显然，较低的风阻系数可以最大限度地降低汽车行驶过程中由空气阻力带来的动力损耗，体现了汽车的“环保节能”特性。因此，塑造理想的车身曲线，可以降低车辆的风阻系数，从而减少油耗；同时可改善高速时的加速性能，并提高最大车速。汽车外形各异，空气阻力系数会产生很大差别。

另外，因结构和功能的需要，车身上存在许多凹槽或凸起，如冷却空气流过散热器和车内，不太平整的车辆底部，都会影响汽车风阻系数。

作用在汽车车身上的空气阻力一般可分为五个分力：形状阻力、表面摩擦阻力、诱导阻力、干扰阻力和内部阻力。

（1）形状阻力

形状阻力是车身前部的正压力和车身后部的负压力所产生的压力差而引起的阻力。五个分力中最有意义的是形状阻力，约占整个空气阻力的60%，是空气阻力的主要部分。随着汽车向前运动，汽车周围的空气对整个车身表面施加压力，且压力是变化的。(www.xing528.com)

（2）表面摩擦阻力

空气流经汽车表面时会产生摩擦力，这个分力通常称为表面摩擦阻力。轿车的摩擦阻力约占整个空气阻力的9%。它取决于车身表面的面积和光滑程度。

（3）诱导阻力

汽车在高速行驶中，由于车身上下两表面的气流压力不同，下面所受的气流压力比上面大，压力差必然会产生一种向上的升力，升力并非完全垂直于汽车运动方向，其纵向水平分力称为诱导阻力，车速越快，压力差越大，升力就越大，诱导阻力也越大。诱导阻力的大小取决于车身后背受尾部涡流的影响而向下偏转的角度，以及偏转后的气流对车身后背的作用距离。气流向下偏转越厉害，在倾斜的后背表面上流过的距离越长，诱导阻力越大。轿车的诱导阻力占整个空气阻力的5%～7%。为了减小诱导阻力，必须设法减小升力。

（4）干扰阻力

干扰阻力通常又称为附件阻力。这种力是由车身表面凸起物引起的气流相互干扰而产生的阻力。产生这种阻力的构件主要有车轮、车轮罩、后视镜、门把手、排水槽、刮水器和前牌照等。轿车的干扰阻力约占整个空气阻力的15%。

（5）内部阻力

内部阻力又称为内循环阻力，是由轿车发动机冷却系统、车室内通风等气流经车体内部时所形成的阻力，一般为空气阻力的10%～13%。

2.升力

根据伯努利流体力学原理，当流体运动速度高时，其密度低、压力小；而当流体速度低时，其密度高、压力大。飞机就是利用这个原理获得了上升的空气压力。飞机机翼的断面形状如图5-3所示，机翼上翼的曲率大于下部，当飞机在发动机的推动下在气流中运动时，通过曲率大的机翼上部的气流运动速度大于机翼下部的气流，机翼下部较大的空气压力使得飞机向上升起。由于功能结构，汽车的截面形状与飞机机翼有相近之处，但是同样的效应放到汽车上则会产生不利影响；汽车的升力会降低轮胎的附着力，从而影响汽车的驱动力、操纵性和稳定性。因此，克服升力是汽车造型设计要解决的主要问题之一。

图5-3 机翼的气动升力

汽车底面大都是不平整、不光滑的，汽车底部产生的涡流以及气流在底面形成的附面层严重阻碍着底部气流的流动，底部气流受阻使得压力升高，形成对汽车的升力作用。流经汽车上表面的气流流速往往大于流经底部的气流流速，产生的压力差使之有一个由下向上的作用力，即升力。由于汽车底部各处升力不同，将产生汽车绕Y轴旋转的俯仰力矩M Y，俯仰力矩会造成汽车在行驶方向上偏移，这是对车辆的操控稳定性和行驶安全性影响最大的因素之一。

轿车的升力并非完全垂直于轿车运动方向，升力向上为正，反之为负。例如，当某轿车以160 km/h的速度行驶时，前轴上所受的正升力占轿车重力的20%～25%。这将大大降低前轮与地面间的附着力，重量轻特别是重心靠后的轿车，对前端的升力尤其敏感。升力随车速的增加而上升，由于前轮失去附着力，使轿车有可能失去控制。尤其在转弯时或受到侧面来的阵风作用时，轿车失控的险情会更大。因此，从安全角度考虑，减小升力比降低空气阻力升力大小与车身形状有关，通常用中线和迎角来说明两者关系。轿车各横截面形心的连线称为中线，中线的最前端和最后端分别称为前缘和后缘。前缘与后缘的连线称为弦。弦与轿车前进方向的夹角称为迎角。一般规定前高后低的弦线，其迎角为正，反之为负。

正迎角时，迎角越大升力越大，因此，为了减小升力，应设法减小迎角，尽量使迎角为负值。这也是现代轿车前低后高减小升力的原因。前部低矮而尾部肥厚上翘的轿车造型，可以获得较大的负迎角，从而减小升力。

试验统计表明，作用在汽车上的空气，有35%～40%通过车身上部，10%～15%通过底部，25%通过两侧面。因此，减小车身上下压力差，使大量气流流经侧面，可减小升力。具体可采用压低发动机舱盖前端、使底板下部流线型化、减缓前风窗的倾角、在轿车前端底部加一个扰流板等方法减小升力。

总之，减小升力可提高汽车高速时的直线性能和侧向稳定性。升力减小后，能防止车轮对地面作用力的减少，因而能有效利用转弯侧向力。由于控制了车的“抬头”，防止了汽车摆头。同时，由于增大了侧向附着力，汽车稳定性得到提高。

3.侧向力

当汽车受到正面风的作用时，侧向力为零。实际上，汽车在行驶过程中，常会遇到横向风，车身将会受到侧向力和侧倾力矩的作用。侧向力可使汽车转向盘抖动，使汽车直线行驶稳定性降低，严重时甚至会使汽车失去控制而造成事故。

试验表明，风压中心的位置对轿车的空气动力稳定性影响较大。横摆力矩MZ是使车辆围绕Z轴旋转的力矩，有使车辆产生水平旋转的趋势。如果风压中心在质心之后，则侧向力产生的横摆力矩MZ会削弱侧向风的作用，使轿车趋于稳定。流线型越好的轿车，风压中心越靠近前部。这是甲壳虫轿车（风压中心较靠前）存在横向不稳定现象的主要原因。因此，轿车在造型设计时，应尽量减小轿车前部的侧面投影面积，同时增加尾部的侧面投影面积，使风压中心靠近后轴。如长度较小、宽度较大、车身低矮的跑车，背部坡度较小并采用陡然割尾的快背式轿车，或半快背式轿车，其风压中心较靠后，空气动力稳定性较好。这是近年来上述车型流行广泛的重要原因。

汽车在受到侧向力时，还会受到侧倾力矩MX，侧倾力矩MX是使车辆围绕X轴旋转的力矩，它会使汽车两侧的轮子对地面的附着力不同，引起车身的侧向倾斜。车身的侧倾会牵动悬架的导向机构，从而造成轮胎的侧向倾斜，影响汽车的操纵稳定性。为了减小侧倾力矩，就需要减小侧向力。近年来，开发的低矮轿车、圆形轿车车身，对减小侧向力有一定效果。

研究汽车的气动造型问题，仅知道作用在汽车上的气动力和气动力矩是不够的，因为它们与流过汽车表面气流的流动过程直接相关。因此，通常还要研究空气在汽车周围流动的物理特性，即汽车流谱问题及表面压强分布，了解汽车表面气流的流动机制，以及气流的分离和尾流等情况，以利于对气动现象与机理的分析，以便于改进车身造型。