车身外形对空气动力特性及燃油消耗量影响的研究

蒋伟　旷水章　毛圣

摘 要：通过改变吉利全球鹰轿车的外型，在符合行业法规及汽车性能要求的条件下解决了减小行驶阻力的几个问题，就车身外型优化对空气动力特性的影响提出了研究建议。在不降低动力性能的条件下，充分满足社会对车辆低碳节能的要求，不仅可以节约用车成本，还可以对环境保护起到较大作用。

关键词：车身外形；空气动力特性；燃油消耗量

1 引言

轿车的气动性能直接关系到轿车的燃油经济性、动力性能、安全性和舒适性。经验表明，空气动力性能佳的轿车，该轿车的动力性、燃油经济性都优良。轿车的空气动力稳定性又是影响轿车高速及安全运行的重要因素。

汽车行驶时必须克服滚动阻力、空气阻力、上坡阻力和加速阻力。空气阻力指汽车与空气间形成相对运动，空气作用在汽车上沿其行驶方向上的分力。空气阻力包含了摩擦阻力与压力阻力：摩擦阻力是具有黏度的空气对汽车表面的摩擦作用产生的阻力；压力阻力是作用在汽车外表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力。

汽车运动中，汽车外表面突出物不同会影响汽车四周气流的流速及流向，以及在汽车外表面形成的压力大小及分布也会跟着改变，会出现汽车后端的压力小于前端的压力，使得汽车后端等位置造成边界层分离现象，出现漩涡造成机械能的损，从而形成压力阻力。

压力阻力包括干扰阻力、诱导阻力、内循环阻力和形状阻力四部分。汽车外表面突出附件，如后视镜、行李架、门把手、车轮等形成的阻力称为干扰阻力；空气升力在水平方向的分力称为诱导阻力；汽车内通风、发动机散热器等所需气体通过汽车内部时形成的阻力称为内循环阻力；汽车的外形对形状阻力起决定性作用，占了压力阻力的绝大比例。

2 影响轿车阻力特性的关键部位

汽车造型阶段的大量风洞试验表明，形状阻力的大致部位为前风窗两边附近位置、前照灯四周、底板底端的整形效果、车门与A柱之间的不平面和C柱的锥角大小。

一般发动机罩相对于水平面的倾角越大，CD越低。汽车外形参数对空气阻力有较大的影响。气动外型参数设计的最理想效果是，确保流经车身表面的气流不分離，汽车表面外型不发生快速改变，车身外形改变要柔缓，汽车前部到后部的外型曲度平缓。要重点控制A柱点的气流动态，要尽量使得前风窗两边玻璃的曲率一致，使得前窗至侧窗的气流流动的平稳延续性；A、B、C柱要尽可能装配于玻璃里侧，使得汽车表面尽量平滑；汽车尾端外型要确保气流不发生分离，使得尾涡尽可能小，而且尾涡与车身距离要尽可能远；防止汽车两侧及上下的气流融合而出现涡流，汽车底端要整流；汽车两侧、装配附件要确保气流平稳地流动，气流不出现分离。

3 对轿车空气阻力起决定作用的外型参数

燃油消耗量与轿车形状及参数有较大关联。四四方方的轿车与流线型的汽车外形轿车相比，迎风截面积大，空气阻力系数大，燃油消耗量较大。查文献可知：汽车行驶中，形状阻力占58%，干扰阻力占14%，内循环阻力占12%，诱导阻力占7%，摩擦阻力占9%。

汽车行驶时空气阻力计算公式：

式中：CD——空气特性系数；

ρ——气体密度；

A——-迎风面积，m2；

Ua——相对行驶车速，m/s；

如u以km/h、A以m2计，则空气阻力（单位N）为：。

研究结果可知，对轿车空气阻力起关键作用的外型参数有：（1）因为汽车底端装有发动机和传动系等外形不规则的组成，从而汽车下端极不平整，气流发生湍流现象，使得摩擦系数变大，升力上升。在汽车下端加设整流板后，下端的气流运动状态平滑化，减小了升力和空气阻力。轿车两侧增设侧翼，阻力特性得到进一步改善。（2）普通车型轿车的尾箱盖采用阶背式。我们对吉利全球鹰轿车的背部实行了3步优化研究。第一步，减小阶背车型的尾窗倾斜角度至半斜背式；第二步，继续减小尾窗倾斜角度至尾箱消失的快背式；第三步，对快背式车型增设后扰流板。经过试验，以上3种改进方案对空气阻力参数有较大的影响。查资料可知，空气阻力分配：汽车前端占比9%，汽车尾端占比91%，之间的40%是由尾涡引起的，与汽车尾端的外型相关。（3）汽车前部的造型是决定汽车外型是否美观的关键部位，同样是影响汽车气流特性的关键部位。汽车前部组成包含保险杠、发动机仓盖、前部灯、汽车前底板、转向灯和翼子板等。①采取发动机仓盖倾角增加和前窗倾斜角降低的优化方案，经过试验发现：发动机仓盖倾斜角小于38°时，再附着线和分离线几乎不再移动，优化后，阻力特性优化作用不显著。发动机仓盖倾斜角由原车的3.5°增大到7.5°，纵向、横向的曲度和原车型相同，试验结果发现：升力系数和阻力系数都没多大变化。②对吉利全球鹰轿车前端优化，让其圆滑，阻力系数和另外空气动力系数出现不同幅度的减小。轿车前端外型对空气阻力特性作用明显，任一改型后车型的作用效果需要通过试验验证，才能反映所有因素作用的实际效果。③前挡风板是外加的气动附加部件。给汽车下端加设前挡风板可以显著减小前轴升力。前挡风板能够降低车下部的摩擦阻力及压差阻力，但其自身的阻力也会变大，所以前挡风板的尺寸、外形、装配位置及角度不同，产生的效果会不一样。必须通过多次改型试验后，方可得出最优方案。

4 轿车车型参数改变对阻力影响分析

改变吉利全球鹰轿车外型参数后，效果如下。（1）汽车下端整形和增设侧翼，对吉利全球鹰轿车汽车底端增设整流板，升力及阻力都会降低，升力系数减小38.72%。增设侧翼也会使本车的升力及阻力都减小，升力系数减小了18.9%。（2）汽车尾端外型改变 ①把行李箱倾斜角降低30°，变成半斜背式，然后继续降低30°，变成快背式，让升力系数变为负值，减小57%。②吉利全球鹰轿车增设尾翼，升力系数会减小37.29%，气动阻力系数会减小14.34%。（3）对前挡风板优化，能减小升力及阻力。通过优化后升力系数减小了26.3%。

当试验雷诺数为Re>1.5×10-6时，试验数据不随雷诺数而改变，我们在Re>1.5×10-6范围内进行风洞试验，将前倾式车头改为后倾式、加前阻风板、减小前风窗倾角、车型变为快背式并加后扰流器、增大发动机罩倾斜等各改型方案的综合效果可使阻力系数降低18.6%，升力系数降低45%。其中，快背式后车身上安装后扰流器效果最佳。在汽车底部增设光滑的底板，可以明显减小升力系数和阻力系数，气动阻力会减少11.7%，升力减少68.4%。

所以，设计汽车车身外形时，可参考我们的研究结论，从而获得最佳的汽车空气动力特性，可以降低燃油消耗量，起到保护环境，提高驾驶的安全性及舒适性，同时保证外观美感。

5 结语

为了降低汽车的燃油消耗量，可以通过轿车的外形改型优化来提高其空气动力性能，包括在汽车下端加设整流板、行李箱采用快背式并增设后扰流板、汽车底部整形和增设侧翼等。还可以减轻轿车的自身质量，采用新技术提高发动机、底盘的性能，确保轿车具备良好的工作性能。

基金项目：湖南省大学生研究性学习与创新性实验计划项目（634）。

湖南省2018年普通高校教学改革研究项目（975）。

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