基于汽车空气动力性研究的车体外观及优化改型探究

1、基于汽车空气动力性研究的车体外观及优化改型探究庞敬超1 陈天杰2冉茂林1刘文峰1(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心 广西柳州2.长安汽车股份有限公司工程技术研究院 重庆)摘要：未来汽车造型发展的总趋势是向着更具简洁、方便和快速性发展。为满足节能的和环保的要求，在车辆轻量化的同时，不得不寻求更经济节能的设计方案，依据汽车空气动力性的研究成果应用到车身设计上势在必行。然而，更好的外形空气动力设计方案还需我们不断验证施行。本文主要不断以试验分析来探究空气动力学与汽车外形的相互关系及影响，为概念车的现实化与成品化提供技术依据及理论依据，实现汽车科学性节能与提高汽车安全性能。关键词：造型 空气动

2、力性 方案 外观 设计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：汽车空气动力特性是汽车的重要性能，它是指汽车在流场中所受到的以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、

5、侧风稳定性、启动噪声特性、泥土及灰尘的附着和上卷、刮水器上浮以及发动机冷却、驾驶室内通风、空气调节等特性。概括的说，汽车的流场包括车身外部流场和内部流场。由于高级公路的发展、汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、舒适性提出了越来越高的要求，特别是由于世界能源危机，石油价格上涨，使改善汽车的燃油经济性成为汽车技术的重要课题。汽车空气动力特性对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性有直接的影响。设计空气动力良好的汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径，而高速汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。改善驾驶室的内流特性，在减阻的同时，提高发动机、制动器部件的效能。1.最佳气动外形1.1最佳造

6、型最佳造型应是以机械工程学、人体工程学、空气动力学和美学全面恰当地糅合在一起并有独特风格的造型。确定高速、安全、舒适的汽车外形，最重要的是如何减小气动阻力和升力的影响，即空气动力学的问题。机械工程学和人体工程学的因素给汽车外形设计限定了一个限制，而汽车外形的多样变化，不是依据机械工程学、人体工程学方面的要求而产生的，汽车外形的任何微小的变化都来自空气动力学的要求。完全从空气动力学观点来看，最理想的车身外形如图1所示，归纳为以下几点。图1 理想车身外形1. 车身侧面 尽量降低车身总高 离地间隙尽量小 前脸扁平，后端处理应尽量使阻力降低 发动机罩和顶盖尽量扁平 为确保方向稳定性而加上尾翼2. 车身

7、正面 宽而低的扁平形 采用无棱角的扁平和圆形过渡 当驾驶室要求有必要的棱角时，在腰线部位可装置倾斜的侧翼，使其圆滑过渡。根据上述原则，现在多采用下述方法改善汽车空气动力特性： 把汽车设计成楔形或快背式，车前端尽量压低，俯视图多呈半圆形，前风窗与发动机罩、顶盖与侧面的过渡部分圆滑光顺，前风窗与水平面的夹角一般在25°33°之间。 汽车设置前、后扰流板等空气动力学附加装置，以改善气流状况、降低阻力和升力。 车身底面平滑化，或加设光滑底板，以降低阻力和升力。（另，车身底部设计成内凹状，可以降低升力） 车身外表尽量减少凸凹面和突起物，如门把手平滑化，风窗玻璃、门玻璃尽量与框平齐，雨

8、水槽采用隐蔽式，车轮加外护罩，外后视镜加流线型护罩。 控制发动机冷却气流，强制空气处于有利流动的状态，提高冷却性能，减小行驶阻力。 车身细部形状最佳化，通过反复修改外形，达到最佳气动外形设计效果。1.2车身对空气动力性的主要影响部分在汽车造型阶段的大量风洞试验表明，形状阻力的大致部位如下： 前照灯周围 前风窗两侧部位周围 A柱到车门周围的凸凹 C柱的锥度 底板下部的整形程度一般发动机罩相对于水平面的倾角越大，CD 越低。概念设计车是根据保险杠、灯光器、散热器、发动机对前下方视野的控制来确定其最适合的角度的。前风窗玻璃在倾角小时能降低CD，但随着倾角的减小，顶盖前端与A柱接近，上、下车方便性和居

9、住性恶化；同时前风窗玻璃倾角小时，造成二重像及像的歪斜，使视认性变坏。确定前风窗玻璃的倾角时，要保证其视认性。车身基本外形对空气动力特性有很大影响。最佳气动外形设计的原则是，为使沿车身表面的气流不分离，车身表面外形不急骤变化，表面外形变化处应平滑过渡，从车身前端至后端的外形曲线连续。A柱处气流的流动是很重要的，应在可能限度内保证前风窗两侧玻璃用相同的曲率，保持气流从前窗向侧窗流动的连续性；A、B、C柱尽量配置在玻璃内侧，保证车身表面的平滑化；车身尾部外形应使气流不产生分离，尽量减少尾涡，尾涡应尽量远离车身；避免车身上下左右的气流混合而产生涡流，车身下部应整流；车身外饰件（如后视镜等）、侧面均应

10、保证气流流畅地通过，不产生气流分离；轮胎应有适当的宽度等，都应在设计中予以充分注意。2.空气动力学对未来汽车造型的影响根据国际上对空气动力学带给汽车的重要影响的探索，现在正给以车身外形设计新的概念。以空气动力性来设计汽车的主导思想是，完全从空气动力学出发，根据风洞试验，确定车身外形，使汽车造型具有优异的空气动力特性，同时又能满足各种使用和生产工艺的严格要求。某公司在车身设计的初期，最原始的设计曲线只是一条上凸的曲线，然后根据居住性、工艺、总布置要求，画出车身的外形轮廓（如图2示例）。为减小形状阻力，使车身的横截面不断地变化，沿着流线压力逐渐变化，压力在正压区仅变动一个循环，其设计程序分为以下三

11、个阶段：图2 车身外形轮廓 制作一定比例的（当时一款车设计的是1:2）模型并根据风洞试验结果不断修正其外形。在这阶段采用组合模型，车身前端用几种形状不同的模型进行比较和修正，模型的外覆盖蒙皮采用可更换式的。当时此车在这一阶段的模型风洞试验结果是CD仅为0.160. 考虑总布置和结构设计要求，对第一阶段的理想外形进行修正。为满足乘员乘坐的舒适性，改进了底板设计，增大了脚部空间；对车室内用于通风的进、排气口等进行了修正。通过上述修正，使CD增至0.172，最后CD达0.23 绘制车身设计图。在第二阶段，从CD为0.1720.23进行了反复的风洞试验，这种理想的最佳空气动力学造型的CD值比当今世界轿

12、车平均阻力系数CD为0.280.4的车降低了约35%，节省燃料可达12%。在目前以环保及能源为主题的情况下，当时的这项研究成果足以令人震惊。世界各大汽车公司竞相以空气动力学为主导进行汽车造型，并不断出现了新的成果。表1为早期研究推出的各国概念车的气动阻力系数，图3为汽车外形变化和气动阻力的比较。图3 汽车外形变化和气动阻力比较图表1 各国早期概念车的气动阻力系数年份车型气动阻力系数CD年份车型气动阻力系数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. 汽车空

14、气动力学研究与方案改进实施下面是某一车型的原型与其改型后的空气动力特性的研究。详述了汽车外形与空气动力性之间的关系，通过不断反复试验来寻求最佳外形造型方案。3.1试验设备和模型1.风洞2.模型试验模型原型是此车型的1:5模型（因保密需求，不附模型图），材料为木质，改制部位用优质油泥成形，部分复杂件如前格栅、保险杠、后扰流器等采用木质组合件。图为各改型方案试验分析，表给出了各种外形方案和几何参数。3.模型的安装利用风洞原有的木质地板来模拟地面效应。地板长为5.5m，宽为2.7m，厚为0.05m，其上表面距下洞壁为0.65m。天平通过支杆与模型相连，并调整在试验段转盘的中心线上。通过转盘的变机构改

15、变模型的横摆角，模型前、后轮的离地间隙为3mm。4.变雷诺数试验图4已给出了=0°时，汽车模型的纵向启动阻力系数随雷诺数的变化。由图可见，当Re为1.5*106之后，雷诺数的变化对气动力系数基本没有影响。图43.2试验结果分析在横摆角变化=-6°21°，=3°情况下，进行了测力、测压和流态显示试验，试验结果分析如下：表2 模型的外形方案和几何参数模型编号外形方案和几何参数方案1某车型1:5模型：长1.1m，宽0.38m，高0.30m，轴距0.68m，斜背式车型，前后风窗角为40°，发动机罩倾角3°，前倾式车头，倾角14°，竖

16、条式发动机进气格栅方案2车头改为倾角-14°的后倾式方案3加前阻风板（阻风板高度为10cm）方案4前风窗改为30°方案5发动机罩倾角改为8°方案6后风窗改为30°方案7后风窗改为23°方案8加后扰流器方案9原型加光滑底板 a)车身尾部倾角与CD的关系b)尾翼高度对CD、CL的影响c)车身后底部倾角与CD的关系d)侧翼高度对CD、CL的影响图5 改型试验分析1.此车型原型的空气动力特性图6图11是此车型模型的六分量气动力系数曲线。阻力系数试验表明随横摆角的增加，阻力系数变化不大，但升力系数随横摆角的增大而显著增大。当=21°时，升力系数

17、约增加63%。横向气动特性曲线表明，正的横摆角产生正的侧向力，且随横摆角增加，侧向力系数增大幅度变大。正的横摆角产生正的横摆力矩和正的倾侧力矩。 图6 车身阻力系数曲线（v=60m/s） 图7 车身升力系数曲线（v=60m/s） 图8车身侧向力系数曲线（v=60m/s） 图9车身横摆力矩系数曲线（v=60m/s） 图10车身纵倾力矩系数曲线（v=60m/s） 图11车身侧倾力矩系数曲线（v=60m/s）此车型模型的纵倾力矩为正值，即受到一个抬头力矩，这说明该车的风压中心位于坐标原点之前，分析得出该车的风压中心位于重心之前。试验分析表明：与国外同类车相比，此车型的原型气动阻力系数和升力系数均偏大

18、，该车型有减阻的可能。该车型的原型升力较大，且随横摆角增加升力急骤变大，致使该车受到一个抬头的纵倾力矩。在侧风下，其侧向力和横摆力矩均有较大增加，因此气动特性对其操纵稳定性有较大的影响，这是应引起高度重视的问题。2.对此车型原型的几种改制方案及效果分析按表2所列出的各改型方案，当进行到方案8加后扰流器时，得出的试验数据是阻力系数减少21.2%，升力系数减少54%；进一步改型至方案9加光滑底板，使阻力系数减少35%，升力系数减少134%，出现了负升力，可见改型产生了很好的效果。根据各改型方案的效果，进行如下分析。（1）汽车前端造型 汽车前端车头部位的主要组成部件为：发动机冷却系统散热器格栅、前照

19、灯、转向灯、保险杠以及车身前底板等。本次试验采取两种组合方案，一是后倾式车头组合体，二是在保险杠下部加前阻风板。后倾式车头（方案2）原型的车头前倾14°，方案2改为后倾14°，从而减小了车辆头部的正压，使气动阻力系数降低3.8%，升力系数降低1.1%。此方案明显减小了阻力，这是由于后倾式车头使正面的正压力下降，使前方来流流畅地通过车头上缘的结果。加前阻风板（方案3） 本着使气动阻力系数基本不增大而尽量降低升力系数的原则，本试验采取了高为10cm的前阻风板。试验结果表明，方案3的气动阻力系数相对于方案2基本未变，但升力系数却降低了8.5%。可见加前阻风板后，带来了明显的减阻效

20、果。加前阻风板后，避免了气流直接冲向车底的凸凹部件；同时，由于减少了气流与车身底部粗糙表面的摩擦，降低了摩擦阻力。加前阻风板后，前部离地间隙变小，导致车身底部与地面间的平均气流流速加快，有利于形成Venturi形的气流。这种气流产生向下的吸力，即形成了负升力，有利于改善高速操纵稳定性。阻风板虽然有减小阻力和升力的作用，但它本身也带来了附加的形状阻力，而且其效果与阻风板的高度、安装位置、角度有关，因此最佳方案要通过试验综合选择。试验表明，汽车头部及导向底部的过渡部分的造型对空气动力特性有很大的影响。（2）挡风玻璃与发动机罩的倾斜角 气流顺发动机罩经挡风玻璃与发动机罩交接处的凹角流向挡风玻璃时，一

21、般在发动机罩中部开始分离，然后在挡风玻璃上再附着。为减小分离区，应尽量减小发动机罩与挡风玻璃间的夹角，就是使分离线与再附着线尽量接近。本研究采取两种方案：一是减小前挡风玻璃倾角，二是增大发动机罩倾角。减小前风窗玻璃倾角（方案4） 原型的前风窗与水平线的夹角为40°，现变为30°，横向与纵向曲率与原型一致，试验得出方案4的气动阻力系数相对于方案3降低0.4%，升力系数降低很小。改型并没有使阻力系数与升力系数明显下降，这与发动机罩与前挡风玻璃的夹角在40°以下时，分离线与再附着线变化不大，阻力和升力变化不大的规律相吻合。因此，靠减少前风窗角来降低阻力而牺牲车辆室内空间

22、以及影响人机工程的做法是不可取的。增大发动机罩倾角（方案5） 增大发动机罩与水平线的夹角，由原型的3°变为8°，横向与纵向曲率与原型一致。试验得出方案5的气动阻力系数相对于方案4降低1.2%，升力系数降低5.6%；此时，发动机罩与前挡风玻璃间的夹角由27°变为22°。由于气流流线缩短，虽然分离线与再附着线变化不大，却可使流速降低，负升力值减小。实验表明，尽量压低发动机罩前部并增大发动机罩的倾角，对减阻很有效果。当然，发动机罩倾角并不能无限增大，而应切合发动机舱的空间布置以及整个前舱的数据结构。（3）车身背部造型研究 本研究在车身背部采取了三种改型方案。首

23、先，在斜背式原型的后窗部位改变其倾斜角，变为半斜背式外形；然后，进一步减小后窗倾角，取消行李箱，变为快背式；最后，在快背式外形的基础上加装后扰流器。原型背部流谱分析 原型的后窗倾斜角为40°，后窗与行李箱间形成阶梯，在为零度时做油流流态显示试验表明，不论车身前部造型怎样变换，后窗总是存在一对形状似“猫眼”的附附着涡，其涡轴垂直于后窗表面。气流在顶盖的后缘开始分离，分离区被下洗流包围在后窗与行李箱间的凹角内。此区域的涡流为附着涡，涡环的两端都终止于后窗上。伴随着涡流的产生，要消耗一定的能量，由涡诱导生成涡阻。此车型后窗上的一对附着涡，是造成其压差阻力与升力大的根源，同时也是其后窗部位受

24、尘土污染的主要根源。改变后风窗倾角 减小后风窗倾角为30°（方案6），又进一步减小到23°（方案7），这两种状态下，气动阻力系数分别降低10.2%及11%，但同时都带来升力增加的问题，特别是方案7尤为明显。经测压试验数据表明，后窗倾角减小，使负压增大，升力增大。（4）加后扰流器（方案8） 针对减小后窗倾角，气动阻力系数降低，升力却上升的问题，在方案7的基础上安装了一个后扰流器，使其阻力系数降低9.1%，而升力系数下降了59.6%，扰流器对降低升力做出了贡献。测压试验结果（图12）表明，加后扰流器时，明显降低了后车身的负压，甚至个别地方变成正压，从而大大降低了后轴升力。 （5）光滑底板（方案9） 方案9在原型的基础上，车底安装了一块光滑底板。它的作用是保证车底的气流顺利流过，避免车身底部部件的气流阻止而造成局部涡流并减小摩擦阻力，从而达到降低阻力和升力的目的。由试验数据显示，车底安装光滑底板，可使气动阻力系数降低13.6%，升力系数降低79.9%，效果极为明显。3.3结论根据上述分析及试验结果，得出以下结论：当试验雷诺数Re>1.5*106时，试验数据不随雷诺数而改变，我们在Re>1.5*106范围内进行风洞试验,将前倾式车头改为后倾式、加前