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赴梦人生

初级技工
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发表于 2019-03-14 10:00

只要三分钟 了解汽车空气动力学及运用

汽车在行驶时会受到来自空气的阻力,被称为风阻。我们经常会听到厂家介绍新车的风阻系数,似乎风阻系数越低就好。那么空气对于行进的汽车有什么样的影响?而风阻系数又是怎么计算出来的?我们一起来了解下。



汽车在空气中行驶,空气对于车辆产生阻力主要来自这三种形式。第一,气流撞击车辆正面所产生的阻力。第二是摩擦阻力,空气划过车身一样会产生摩擦力,不过由于汽车的速度并不算快,摩擦阻力很小,几乎可以忽略。第三则是外型阻力,这块主要产生的原因是汽车后方会产生瞬间真空,而划过车身的空气会去填补这个真空位置,从而形成向上向后的拉扯力。了解了这些,我们就知道为什么水滴的风阻是最小的,它的前端光滑而后端很小。



那么风阻系数怎么计算出来的呢?是在风洞实验室中利用风洞去吹测试物体计算出来的。这个计算公式为

风阻系数=正面风阻力×2÷(空气密度×车头正面投影面积×车速平方)

从这个公式中可以看到,正面风阻力要减小,可以将车头的迎风面积缩小,比如将车头做得更薄或制作更多空隙用来导流。另一方面,车体还要适当做大,这样才能增加投身投影面积,当然较小的车头和较大车身之间还要兼顾美学比例。第三,就是减小车后方真空的体积,最直接的方式就是减小车尾的垂直面积,这也解释了为什么三厢轿车比两厢或SUV的风阻要小了。



那么一般车辆的风阻系数是多少呢?普通SUV的风阻系数在0.3-0.4,而轿车则是0.25-0.35 。再低就很难了,毕竟汽车得考虑外形和实用性,也不能为了风阻系数做成水滴(0.05 )的样子。我们来看历史上曾经出现过的最低风阻的汽车长得什么样。



这款车是大众XL1,风阻系数低到惊人的0.19,当然好不好看另说。从这款车我们能看出追求极致风阻的方法:缓慢收缩、变窄的车尾。



另外,空气动力优化中的还有一个重要措施,让空气尽量贴着物体表面走,因为只要遇到凸凹,就容易产生混乱的涡流。像外后视镜都省了,换成摄像头,后轮被后翼子板包裹的设计。还有底盘也是整块平面。我们可以看到后轮距比前轮距短,印证了从车头到车尾收窄的设计理念。



那么空气阻力对汽车动力的输出影响有多大呢?大概的比例是:当车辆在80km/h的速度行驶时,就要有60%的动力输出用来克服空气阻力,而且随着车速的增加,这个比例还会直线上升,当车辆速度超过200km/h,就要有超过85%的动力输出是用于克服空气阻力。而我们一般在高速公路上驾驶,车速大都在80-120km/,这个过程中风阻对于动力或者说油耗是有决定性影响的。



看过F1比赛伙伴们,相信除了那惊人的速度留给人深刻的印象外,剩下的应该就是那炫酷的车身形状了。F1赛车上面应用了大量的空气动力学设计,使得它可以有极小的风阻和巨大的抓地力。日常使用的汽车上,其实也有很多优化空气动力学方面的套件,我们一起来看看:



1. 尾翼

尾翼比较科学的叫法为“扰流器”“扰流板”或 “扰流翼”。尾翼与飞机机翼所起的作用刚好相反,机翼提供的是升力,而尾翼在汽车高速行驶时产生下压力。来增强后轮的抓地力,保证车辆高速行驶时的稳定性。而一般在城市道路车速较低时,尾翼所起的作用并不大,并且会带来一定的阻力,当车速达到120 km/h时尾翼的优势才会凸显出来。这也就是一些跑车在速度到一定值时,尾翼会自动弹出,而车速下降后又会自动缩回去。比如保时捷911。



还有就是现在比较流行的鸭尾式尾翼了,虽然看起来很小,但它所起的作用却很大。低速行驶时不会因为增加阻力提升油耗,高速时又可以提升稳定性。



2.尾部扩散器

尾部扩散器是在车尾增加一个向上翘的导流板,将汽车底部的气流进行梳理,使气流可以快速通过汽车底部。让车辆上部的空气流速小于下部的流速,从而达到增加汽车的下压力的目的,提升稳定性。而且相比尾翼,尾部扩散器不会产生额外的阻力。在整个过程中,车底流速最快的部位是扩散器前面的车底部位,而非扩散器。因此真正形成下压力的是车底,不是扩散器。扩散器只是起一个辅助的作用,帮助汽车产生下压力。

但底部扩散器的局限性较高,想持续获得稳定的下压力。路面必须平整,否则难以形成稳定的低压。同时山路或坑洼不平的道路,底部扩散器也难以发挥其作用。



3. 侧裙

侧裙的作用相当于形成一个气坝,阻挡车体两侧的气流进入车身底部,有一定的扰流作用,在一定情况下可以降低空气阻力。安装合适可以减少行驶时产生的逆向气流,产生下压力,提高稳定性。



4. 翼子板

翼子板的通风装置一般位于前轮拱的后面,主要作用是使车身平整化,并且降低风阻,降低油耗。后轮翼子板出于空气动力学的考虑,略显拱形弧线并且向外凸出。



6.前保险杠

前保险杠下面的扰流板一般是为了减少车底气流的流量以及乱流,让气流能够更快速地向车后流动。车头前两边较窄的通道可以引导气流穿过前裙板和车轮,从而减少轮中的空气湍流,降低车辆油耗,减小阻力,并可以给刹车系统进行散热。

7.引擎盖开孔

引擎盖上的开孔,可以帮助进气和排气,将空气引流带走发动机的部分热量,同时将通过进气格栅的气体尽量往上导流,从而加大汽车的下压力,这种设计多出现在马力大,时速高的赛车上。

侃弟点评:

汽车设计之所以是高难度工作,就是因为要兼顾机械布置、车厢空间、设计美学和空气动力学等诸多因素。在当前车速越来越快的前提下,在降低油耗和排放的时代背景下,越来越多的厂家开始重视空气动力学设计,最典型的一个例子就是轿跑式SUV的出现,这种车型虽然会牺牲一些载物空间,却能有效改善风阻系数。另外就是对于喜爱改装的朋友而言,外型上增加空气动力学套件不能只追求视觉效果,还要根据实际情况选择合适的套件才能真正的达到减低风阻的目的。