电动汽车车身造型的优化分析

胡西杰 李红

摘 要：随着日益突出的环境问题和能源短缺，新能源汽车特别是纯电动汽车逐渐占据越来越多的市场，早期的电动汽车考虑到成本原因大多是沿用的汽油车的车身造型，这导致了一系列诸如气动阻力高，市场竞争力弱等问题。而有针对性地对车身造型进行全新的设计以适应新能源汽车的特点则是提升汽车能源效率的关键点之一。本文先是对新能源汽车市场现状和汽车的空气动力学做了简要概括，列举了现阶段主要的车身造型和一些由于车身造型设计缺陷容易出现的问题，接着提出车身外形仿真优化的一般步骤，最后提出新能源汽车造型设计的主要方向以及每个设计方向的主要特点，主要以气动阻力和升力为评价指标来判断每个设计的优缺点，为以后的车身设计提供一定的经验。

关键词：新能源汽车 汽车空气动力学 气动阻力 造型设计

Abstract：With the increasingly prominent environmental problems and energy shortage， new energy vehicles， especially pure electric vehicles have gradually occupied more and more markets. Considering the cost， the early electric vehicles mostly used the body shape of gasoline vehicles， which led to a series of problems such as high aerodynamic resistance and weak market competitiveness. It is one of the key points to improve the energy efficiency of vehicles to design the body to adapt to the characteristics of new energy vehicles. This paper first makes a brief summary of the current situation of the new energy vehicle market and the automobile aerodynamics， lists the main body modeling at the present stage and some problems that are easy to appear due to the body modeling design defects， then puts forward the general steps of the body shape simulation optimization， and finally puts forward the main direction of the new energy vehicle modeling design and the main characteristics of each design direction. The advantages and disadvantages of each design are judged mainly by aerodynamic drag and lift force， which provides some experience for the future body design.

Key words：new energy vehicles， automotive aerodynamics， aerodynamic resistance， modeling design

1 前言

尽管电动汽车在十九世纪就被法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明，但是由于当时的电池和电机电控技术的限制并没有大规模普及开来，然而随着二十一世纪节能与环保成为时代主题与国家对于能源安全的综合考虑，在加上各项技术的逐渐成熟，各种新能源汽车尤其是电车逐渐占据越来越多的市场份额。据了解，电车从一百万辆到两百万辆花了五年的时间，从两百到三百仅仅花了两年半，可见增速惊人[1]，截至2022年九月底，电动汽车保有量已经超过九百万辆。但是电动汽车由于结构的差别导致早期一些沿用油车的电车出现了较多的问题，广州美术学院李勇认为纯电动汽车产品应展现更加多元化的外观和造型设计[2]；东南大学的刘鲁军同样认为良好的车身造型设计会向消费者展现美感，在消费者心中的好感提升，令消费者增加占有欲。虽然目前越来越多的企业推出了全新设计的电车，但是其风阻造型仍然没有达到允许范围内的最优化，导致本就处于劣势的续航更是被人诟病，不利于电车的长期发展。因此研究车身形状以及车身上加装降低阻力的部件很有必要。

2 汽车空气动力学主要概述

2.1 汽车的受力情况

汽车空气动力学是研究空气的流动与汽车在相对运动过程中产生的现象及作用规律的一门学科[3]。汽车空气动力特性是指汽车正常行驶过程中会受到空气中的多种力和力矩作用，本文研究的就包括气动阻力、气动升力及气动侧向力，而且往往三个力不会与汽车的质心重合，这就又产生了三个力矩，它们互相作用一起对汽车的行驶过程施加影响，它是汽车的重要性能，具体如图１所示。

2.2 空气动力学的主要研究内容

（1）研究汽车正常行驶时受到的三个力和力矩是以一种什么样的规律影响汽车的经济性、操作稳定性和动力性的。

（2）研究如何使发动机在一个最合适的温度下工作。

（3）研究汽车空调的气流循环。

（4）研究由空气流动和轮胎转动及摩擦引起的噪声及汽车后窗处上升涡流导致的杂物尘土上卷等多种流场特性[4]。近些年来，更多的注重了气动噪声相关的气动特性的研究。随着计算机技術日新月异的发展，数值流体分析依靠其准确性和方便性赢得了越来越多的信任。

2.3 车辆空气动力特性与车辆动力性的关系

（1）俯仰力矩和气动升力与车辆的操纵稳定性的关系

气动升力因为和重力的方向相反，所以在车高速行驶过程中，随着升力不断增大会抵消一部分重力导致车轮和地面的接触面积减少最终降低附着力，附着力减小很有可能导致轮胎的转向能力受到较大影响[5]。同样的，气动力升高也会使驱动轮提供的最大驱动力减小，从而影响车辆的操纵稳定性。若是一辆车的重心靠后而且质量比较小，那么升力的影响效果将更为突出，会大大影响车辆的整体性能。

（2）横摆力矩和侧向力与操纵稳定性的关系

车辆在正常行驶中若受到一定角度的力例如风力作用时，通常将力分解后会发现在y轴方向受到一个侧向力，一般情况下侧向力的合力经常不会作用在原点。它们之间的距离就会产生一个绕z轴的力矩即横摆力矩（偏航力矩）。一般来说原点就是一辆车的质心处，空气作用在车上的载荷的等效作用点称之为风压中心，若是风压中心在质心之前，就会导致车辆行驶时受到的侧向力和横摆力矩都使车辆有偏离行进路线的趋势，这会大大降低操纵稳定性。若是风压中心在质心之后，当侧向力使车有偏离的趋势时，横摆力矩会纠正这个趋势从而保持正确的行进路线，这也是为什么现在大多数汽车采用楔形车身的原因。

（3）侧倾力矩与操纵稳定性的关系

车辆在正常行驶中若受到一定角度的力例如风力作用，通常会受到一个绕x轴的侧倾力矩（翻滚力矩）[6]。由于车辆各部件是一个整体，因此车身外壳受到的力会通过悬架等装置传递到车轮处，从而导致车轮出的受力不均匀，有可能会导致轮胎的磨损不一致和车辆转向特性的改变，对于车辆的操纵稳定性是一个威胁。

3 电动汽车主要的车身造型

目前市面上的电动汽车的主要车身造型和油车的造型差距不大并不能完全展现其电动特性，设计上缺乏创新且可识别度不高[7]，从与传统车对照的角度看，当代电车造型总体上可分为三个大类[8]：

（1）车体基于现有车型，特点是只针对动力传动系统进行了有限的改造，其他部分大都沿用以前的设计，这样做可以减少成本而且开发周期短，有利于占领市场。例如图２大众高尔夫电动版，奥迪A8电动版等。

（2）整车进行颠覆性的设计，特点是为了突出电动的特征和追求极致的新颖性，相对传统车显得很“另类”，例如图3奔驰的EQXX和宝马的i Vision Dynamics。

（3）基于传统车风格的全新设计，在前两种之间，造型进行了基于电车的适配，但总体和油车很像，目前市场上大量推出的就是这种，具有代表性的有图四比亚迪海豹，特斯拉Model 3，小鹏p7等车。

4 电动汽车造型带来的主要问题

研究发现，当车速为80km/h时，气动阻力与滚动阻力无明显差距，当速度到达 150km/h时，气动阻力是滚动阻力的2～3倍[9]。对于空气阻力本身来说，其主要由形状阻力、诱导阻力、摩擦阻力、干扰阻力和内部阻力组成，如图五所示。正常车速行驶时形状阻力约占50%-60%，而车身外形又可以很大程度上地影响形状阻力，因此一款优秀的气动外形对于电动汽车来说非常重要。对于电动汽车而言，目前其主要续航里程为300-700公里，较之燃油车差距较大，带来的主要问题有：

（1）抗侧风稳定性差，容易发生甩尾偏离航道等问题，这种在重心高车身短的车型上尤为明显，例如五菱宏光mini，因此很多这种车型只适合在城市中代步，一旦上了高速就可能车身不稳。

（2）对于电车的理解不足导致缺乏系统的设计，车辆风阻大，电消耗量大，续航短。早期油改电车型普遍存在这些问题。最显著的就是各个公司推出的油车电动版，由于油车的续航普遍较长因此一些气动外形设计起初并不会特意地考虑到续航问题，但是放到电车上结合其并不出众的续航就是硬伤了。

（3）造型落后于大众审美，对于消费者缺乏视觉上的吸引力，很难提起购买的欲望。

汽车造型设计要综合考虑机械工程学、人机工程学和空气动力学三个方面要素，汽车的基本骨架取决于机械工程学和人机工程学，约束着车身的整体尺寸，空气动力学则是对造型设计的合理性进行评判，与汽车的动力性、经济型和操纵稳定性有着直接相关性，同时影响汽车的使用安全性[9]。

5 电动汽车造型的仿真优化

5.1 汽车造型仿真优化的一般步骤

首先仿真优化的一般步骤是根据图纸或者实车建立三维模型，进行网格划分设定边界条件求解方法，残差设置定义报告等一系列前处理操作，接着带入流体软件如ANSYS FLUENT中进行仿真分析，根据初始模型与优化后的模型得出的结果的差异性进行分析，得出不同结构设计或者边界条件的最优解，最后进行风洞实验验证结果的准确性。一般来说风洞试验是最直接有效的测定汽车外形各项参数的方法，但是基于现实来说很多地方都没有那么完善的场地资金条件支撑，而且风洞试验相比仿真分析也有着一些自身的劣势，比如说容易出现阻塞效应和地板附面层等现象会给实验结果带来误差，而且风洞试验只能在有限个截面和有限个点处测试速度、压力温度值、不可能获得整个流场中任意点的详细信息，这对于要求多个数据组的实验来说很不友好。因此现在大部分的工作由仿真分析来完成，从中可以实验成百上千的对照组直至找出最优解，最后交由风洞实验来得出现实情况下的数据，只要结果误差在允许范围内就可以了。

5.2 汽车造型仿真优化的一般方向

一般来说汽车的外形设计有两个大的方向：其一为根据理想的低空气阻力外形逐步向汽车外形靠拢，在满足人机工程学和机械工程学的情况下尽量保证最低的风阻系数[10]；其二则是根据市场上现有的某款较优秀的车身外形对其进行或整体或局部的修改从而达到优化风阻的目的。本文的切入点就是对车辆进行局部修改從而提高车身的整体空气动力性能。设计师在进行设计时一般有以下几点思路。

（1）封窗玻璃和发动机盖夹角尽量小

汽车前部气流通常自发动机罩沿向上倾斜的表面移动，此时空气速度逐渐增大，但是由于在车窗出现转角，气流受到阻挡流速降低就会出现气流分离现象，减小夹角有助于气流推迟分离并提前附着，减小车窗前的涡流区。一般来说前挡风玻璃与水平线的夹角为25°-30°时，风阻系数最低[11]。

（2）车身圆滑过渡

车身表面的突起物例如门把手雨刮器等会使附面层加厚导致气流容易分离，早期棱角分明的肌肉车身就容易有这些问题。对车身进行圆滑设计主要可以减少摩擦阻力和干扰阻力。

（3）保险杠下方加前扰流板

有利于减少进入底部的气流量，还能使底部气流顺利地向尾部或侧面流动，并保持一定的流速，使升力系数下降。

（4）汽车底盘向两侧面稍微翘起一定的角度

有利于底部的气流向两侧流出，加快了底部的气流速度从而降低升力。

（5）安装后扰流板

在扰流器前形成局部高压区，可减少空气升力，增加汽车附着力，有利提高转向性能；使气流在扰流器上稳定地分离，可减少诱导阻力；有的后扰流器对气流的导向，可推迟分离，清洁后窗。

（6）尽量减小或消除车头格栅

电动汽车由于没有发动机等需要风冷的设备因此不需要前面开口以利于气流进入车身内部进行散热，减小格栅面积有利于减小内部阻力。

6 结束语

本文首先对于市面上主要的电车车型进行了罗列分析，接着接着对于目前造型的主要问题做了简单的陈述，解释了电动汽车进行全新的低风阻设计的必要性，最后列举了几种具体的汽车外形低风阻优化方法并分析了具体的作用，为以后电动汽车的设计提供了一定的指导方向和思路，有利于在当前的时代大背景下帮助抓住机遇，占领市场。

参考文献：

[1]邓昭.基于技术驱动下的微型电动汽车造型设计研究[J].设计，2022，35（10）：132-135.

[2]李勇，武银路.纯电动汽车外饰造型影响因素及特征设计趋势研究[J].包装工程，2020，41（06）：72-80.

[3]傅立敏.汽車设计与空气动力学[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[4]王琦. 电动汽车车身气动特性与造型优化的研究[D]. 哈尔滨工业大学，2010.

[5]张英朝，邵书鑫. 基于 STAR-CCM+的跑车减阻设计[A]. 2011 年 CDAJ-China 中国用户论文集[C].长春：吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，2011.

[6]余志生.汽车理论[M]. 清华大学：机械工业出版社，2009.

[7]朱庆彬.青年化的A00级电动汽车造型设计研究[D].湖北：湖北工业大学，2021.

[8]李彦龙.基于低风阻的电动汽车造型设计[J].同济大学学报（自然科学版），2017，45（09）：1366-1371.

[9]马方武.汽车车身设计法研讨[J].吉林工业大学学报，1989（03）：70-74.

[10]姜乐华.空气动力性最优化对未来汽车外形设计的影响[J].汽车研究与开发，1997（05）：25-27.

[11]武守辉.电动汽车低风阻车身设计[J].河南科技，2020（23）：66-68.