微型载货汽车空气阻力的优化与分析

蔡卓琳、黄君秀、聂丽娜

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

微型载货汽车在现代物流运输中起着至关重要的作用。然而，随着经济的发展和全球贸易的扩大，道路上的货运量不断增加，这对环境和能源消耗构成了巨大压力。因此，研究如何优化微型载货汽车的空气动力学性能，减少空气阻力的负荷，提高其燃油效率和减少环境污染成为了一个重要的课题。

过去的研究已经证明，微型载货汽车的空气阻力系数是影响其整体气动性能的关键因素。通过减小空气阻力系数，可以降低汽车在高速运行时的能量损耗，并提高燃油经济性。此外，降低微型载货汽车的空气阻力还可以减少尾气排放，减小对环境的不良影响[1]。

然而，在现实应用中，优化微型载货汽车的空气阻力面临着一些挑战。首先，微型载货车的设计和制造过程通常涉及多个参数和复杂的约束条件。其次，空气阻力优化需要综合考虑不同的设计因素，如车辆的外形、尺寸和车身部件等。最后，有效的空气阻力优化需平衡各种因素，并确保在优化过程中不会降低微型载货汽车的其他性能指标。

本论文旨在针对微型载货汽车的空气阻力优化问题进行深入研究，并提出一种有效的方法，以降低微型载货汽车的空气阻力系数。通过对不同型式的微型载货汽车进行模拟计算，得出其空气阻力系数，分析并比较不同货箱类型对空气阻力的影响，为微型载货汽车的设计和优化提供有益的参考及理论依据，以实现更高的能源效率和更低的环境影响。希望通过本研究，能够为微型载货汽车空气阻力优化领域的进一步发展提供有价值的见解。

1 微型载货汽车空气阻力的基本概念和影响因素

1.1 空气阻力的基本概念

空气阻力是物体在运动中受到的来自空气的阻碍力。当物体以一定速度运动时，周围的空气会与物体发生相互作用，产生阻碍物体前进的力。空气阻力的大小与物体的形状、速度、密度以及空气粘性等因素相关。

空气阻力可以分为两个部分：粘性阻力和压力阻力。粘性阻力是由于空气粘性引起的，当物体移动时，空气分子与物体表面发生接触，并对物体施加一个与物体速度方向相反的力。压力阻力则是由于空气在物体前方堆积形成的，物体前进时需要克服压力阻力。

根据空气阻力计算公式，空气阻力的大小与物体速度的平方成正比，即速度越快，空气阻力越大。对于高速运动或者较大的物体，空气阻力会变得非常显著，影响物体的运动轨迹和速度[2]。空气阻力计算公式如下：

式中：C为空气阻力系数，该值通常是实验值，和物体的特征面积（迎风面积），物体光滑程度和整体形状有关；ρ为空气密度，正常的干燥空气可取1.293 g/L，特殊条件下可以实地监测；S为物体迎风面积；V为物体与空气的相对运动速度。

空气阻力在许多领域都具有重要影响，例如运动员进行空气动力学设计时需要考虑空气阻力的影响，车辆设计中也需要考虑空气阻力对燃油经济性的影响。为了减小空气阻力，人们常常进行空气动力学优化设计，采用流线型的外形和其他降低阻力的措施。

1.2 影响微型载货汽车空气阻力的因素

微型载货汽车的空气阻力是由以下多个因素影响。

（1）车辆形状：微型载货汽车的外形对空气阻力起着关键作用。通常来说，具有流线型设计的车辆会减小空气阻力，而较为方正或有突出物的车辆会增加空气阻力。

（2）车厢尺寸：车厢的长度、宽度和高度会影响空气阻力。较高的车厢会增加车辆的截面积，从而增加空气阻力。减小车辆的截面积可以降低阻力。

（3）车速：车辆的速度越快，所受到的空气阻力就越大。空气阻力随着车速的平方增加，因此高速行驶的微型载货汽车会面临更大的空气阻力。

（4）载重：较重的货物会增加微型载货汽车的整体重量，从而增加空气阻力。因此，更重的负载会导致更大的空气阻力。

（5）车身表面状况：车辆表面的状态也会影响空气阻力。例如，泥浆、雪或冰的覆盖会增加表面的粗糙度，进而增加空气阻力。

（6）车辆底盘设计：车辆底盘的设计也对空气阻力有影响。平滑的底盘可以降低空气阻力，减少底部空气湍流的产生。选择低滚动阻力的轮胎和车轮也能减小空气阻力。

（7）外部设备：例如，装载在车辆顶部的行李架、货架、气动设备或附加装置也会增加空气阻力。

（8）驾驶行为：驾驶员的操作行为也会影响空气阻力。例如，急加速、急刹车或频繁变道可能会增加空气阻力[3]。

综上所述，这些因素都会对微型载货汽车的空气阻力产生影响。为了减小空气阻力，需要采取一系列设计和操作措施来优化车辆形状、减少负载并改善行驶条件。

1.3 微型载货汽车空气阻力的基本原理

（1）前阻力：当微型载货汽车行驶时，车头面对风流动时会产生前阻力。这是由车头形状、空气阻力系数和车速共同决定的。通常来说，车头越大、车身越笨重，空气阻力系数就越高，从而产生更大的前阻力。

（2）侧阻力：除了前阻力，微型载货汽车在行驶过程中还会受到侧面风的影响，产生侧阻力。这个阻力取决于车身的侧面积、车体形状和车速。较高的车体、大侧面积或不流线型的设计都会增加侧阻力。

（3）尾阻力：在车辆行驶时，尾部的气流也会对车辆产生阻力，称为尾阻力。这个阻力主要是由车尾的形状、后部下压力、车速以及车身与地面间的空隙等因素共同决定。

（4）底部阻力：车辆行驶时，底部与地面之间的气流也会对车辆产生阻力。车辆底部设计不良或底部空气封闭不好会导致底部阻力增加[4]。

总体来说，微型载货汽车的空气阻力取决于车辆的形状设计、车速和环境条件等因素。为了减少空气阻力，优化的车身设计、流线型车头、合理的底部设计以及增加车辆稳定性的措施都可以帮助减少阻力并提高燃油效率。

1.4 微型载货汽车空气阻力分析方法概述

分析微型载货汽车的空气阻力目前有很多不同的方法和工具，常用工具如下。

（1）CFD模拟：计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一种利用计算机模拟流体流动和传热的方法。通过建立微型载货汽车的数值模型，并使用CFD软件进行模拟，可以计算出在不同风速下的车身空气阻力系数。这种方法可以提供详细的流动分析和精确的结果，但需要专业的软件和经验。

（2）风洞试验：风洞试验是一种通过在实验室中模拟风速和空气流动来测量空气阻力的方法。在风洞中放置实际大小或缩比模型的微型载货汽车，并测量其受到的空气阻力力。这种方法可以提供实验数据，但需要建立适当的模型和风洞设备。

（3）基于车辆几何参数的经验公式：通过分析微型载货汽车的几何参数（如车身形状、尺寸、车头面积等），可以使用一些经验公式来估算空气阻力系数。例如，Drag Coefficient （Cd）是一个常用的指标，用于衡量车辆在空气流动中的阻力。这种方法相对简单，但对于复杂的车辆形状可能不够准确。

（4）数值优化方法：基于数学优化理论和算法，可以使用微型载货汽车的几何参数和其他设计参数，通过迭代计算来优化车身形状，以减小空气阻力。这种方法需要结合优化算法和数值模拟，可以得到更优化的设计结果[5]。

在实际应用中，可以结合以上的方法，根据具体需求和限制，选择适合的分析方法进行微型载货汽车空气阻力分析。

2 常见微型载货汽车的空气阻力分析

微型载货汽车的车厢型式是影响空气阻力关键因素，通常来说，空气阻力会随着货箱的形状变化而改变。通过分析不同货箱类型微型载货汽车对空气阻力的影响，将有助于我们更好研究微型载货汽车空气阻力优化方向。目前常见的微型载货汽车货箱型式有栏板式货车、仓栅式货车和厢式货车（图1）。

图1 常见微型载货汽车货箱型式

2.1 不同厢型微型载货汽车流场分析

通过建立模型，运用CFD工具模拟分析，可以得出不同货箱型式微型载货汽车的流场图。

2.1.1 栏板式货车流场分析

栏板货车通常具有开放式的货箱，四周由栏板组成。由于货箱开放，空气可以自由穿过栏板，在高速行驶时形成较大的空气阻力。从流场图也可看出，车头处流线较顺畅，气流高压区位于车身两侧，流线从货箱处开始分离，货箱区域及车尾存在明显的对称涡流（图2）。因此栏板货车的相对轿车或微客会有较高的空气阻力，也可能导致较高的油耗。

图2 栏板式货车流场图

2.1.2 仓栅式货车流场分析

仓栅式货车与栏板货车类似，也具有开放式的货箱，但其栏板之间通常由金属网格组成，一般不同栅栏密度也会造成不同的阻力差异。从流场图可看出，相比栏板货车，仓栅式货车的货箱网格结构会切割空气，货箱及尾部区域的空气流线也更混乱，湍流更多，相对阻力也更大（图3）。

图3 仓栅式货车流场图

2.1.3 厢式货车流场分析

厢式货车的货箱是封闭式的，通常由金属或复合材料制成。从流场图分析，相比栏板货车和仓栅货车，厢式货车的空气流线相对顺畅，气流高压区在车身及货箱两侧，货箱顶部和尾部存在较明显的湍流（图4）。

图4 厢式货车流场图

从流场图分析，厢式货车具有更优的空气流场，但是计算微型载货汽车的实际空气阻力，除了考虑货车的空气流线，还应结合不同厢型的迎风面积、整车负载等情况。通过进一步模拟分析计算，一般尺寸接近的三种厢型微型载货汽车的整车阻力关系为仓栅式货柜车＞厢式货车＞栏板式货车。

3 空气阻力优化方法

3.1 车身外形设计优化

车身结构的优化，是降低空气阻力的最基本也是最有效的方法之一。优化车身结构的目标是尽可能减少空气阻力，提高行驶速度和燃油经济性。具体方法如下。

（1）改变车身前端的设计：采用较小的前端气动学设计，可以减少车头的阻力，从而降低整车的空气阻力系数。

（2）减少与空气阻力的接触面积：通过减少车身表面的曲线和边角，可以减少与空气接触的面积，降低阻力系数。

（3）优化车身的下部流线形：通过调整车身的底部形状，可以减少底部的湍流，从而减低下部的空气阻力系数。

（4）采用封闭底盘结构：封闭底盘能够减少底部的湍流，从而降低底部部分的空气阻力系数[6]。

3.2 增加减阻附件

在高速运动时，物体所受到的空气阻力主要是由激波引起的。通过使用设计合理的减阻体，可以减少激波产生的能量损失，从而降低阻力。常见的减阻体包括导流罩、空气阻力板、侧裙板、尾翼和车身底部的风洞设计等[7]。

3.3 优化轮胎结构

轮胎作为微型载货汽车车的关键组件，对货车的空气阻力也有很大影响。优化轮胎结构的目的是减小轮胎与地面的摩擦力，减少轮胎的滚动阻力，从而降低整车的空气阻力系数。具体方法如下。

（1）采用低滚动阻力轮胎：低滚动阻力轮胎能够减小轮胎与地面的摩擦力，从而降低轮胎的滚动阻力。

（2）使用轮胎的正确型号：使用正确的轮胎型号，可以确保轮胎与地面的接触面积最大化，在减小滚动阻力的同时，还能提高轮胎的使用寿命。

（3）采用轮胎的减阻技术：如采用轮胎的减阻带、减阻花纹设计等，可以减小轮胎的滚动阻力，从而降低整车的空气阻力系数。

3.4 优化车身表面

物体的表面粗糙度会增加空气阻力。减少物体表面的粗糙度，可以显著降低空气阻力。例如，在汽车制造中采用光滑的车身表面，以减少空气阻力。表面涂层可以减少摩擦阻力和水滴阻力，使空气在微型载货汽车表面上更流畅。这些涂层可以采用低摩擦系数的材料，如液态聚合物或纳米涂层。

3.5 优化载重率

微型载货汽车的载重率直接影响着其空气阻力特性。通过优化微型载货汽车的载重率，可以减小车辆的重量，降低车辆在行驶时的空气阻力。

3.6 材料轻量化

微型载货汽车受到的阻力跟重量成正比，因此可以考虑更多的采用先进的轻质材料，在保证强度的前提下降低货车的重量。新型的轻质材料，如碳纤维复合材料、高强度钢、铝合金、蜂窝板等，可以减轻微型载货汽车的重量，降低空气阻力。

以上是空气阻力优化的一些常见方法，可以需要根据具体应用场景和需求来选择和优化，同时可以采用计算机辅助设计和数值模拟等高科技手段，提高优化效果[8]。

4 空气阻力优化方案验证与结果分析

为验证上述降空气阻力措施的有效性，本文选取了一款仓栅式货车，从前部、底部、侧面和货箱四个维度采取导流优化方案作了进一步的建模分析和验证。

4.1 前部导流优化

在汽车驾驶室顶部增加顶盖导流罩（图5），优化前部气流，经过模拟分析，整车阻力值可以下降12.53%。

图5 驾驶室顶盖增加导流罩

4.2 货箱导流优化

在货箱顶增加篷布覆盖（图6），降低仓栅网格形成的扰流，经过模拟分析，整车阻力值可以下降9.61%。

图6 仓栅货箱增加篷布覆盖

4.3 底部导流优化

在底盘前部前保下端及后部备胎侧增加导风护板（图7），优化底部气流，经过模拟分析，整车阻力值可以下降1.73%。

图7 汽车前后增加导风护板

4.4 侧面导流优化

在汽车侧面后轮两侧增加裙板及仓栅增加贴片（图8），优化侧面气流，经过模拟分析，整车阻力值可以下降2.36%。

图8 增加侧裙板及仓栅贴片

从实验数据可以得出，前部造型和货箱型式对空气阻力影响最大，降阻贡献量大，侧面和底部优化贡献量较小。实际降阻方案的选取，可以根据不同的车型需求及降阻目标，采取适当的方向。

5 微型载货汽车空气阻力优化的经济与环境效益

微型载货汽车空气阻力优化可以带来一系列的经济和环境效益，具体如下。

（1）燃油效益：减小微型载货汽车的空气阻力，可以降低车辆在行驶过程中的能耗，从而减少燃料消耗。这将显著降低物流运输成本，提高车辆的燃油效率。对于运输公司而言，这意味着更低的燃料开支和更高的利润。

（2）碳排放减少：减少微型载货汽车的空气阻力可以降低车辆的碳排放。由于货车是交通领域的主要碳排放来源之一，减少其碳足迹对于应对气候变化非常重要。通过优化空气阻力，减少碳排放，可以符合温室气体减排目标，有助于改善环境质量，减少空气污染。

（3）车辆性能提升：优化微型载货汽车的空气阻力，可以改善车辆的性能和稳定性。减小阻力可以提高车辆的加速性能、刹车性能以及操控性，提高行车安全性，减少事故风险。这对于司机和货物的安全都有显著影响。

（4）维护成本降低：减小微型载货汽车的空气阻力还可以降低车辆维护成本。较低的阻力将减少零部件的磨损，并延长车辆的寿命。这将减少维修和更换零部件的频率和费用。

综上所述，微型载货汽车空气阻力优化的经济和环境效益包括降低燃料消耗和物流运输成本、减少碳排放、提升车辆性能和稳定性，以及降低维护成本，对于企业、环境和社会都具有重要意义。

6 结论与展望

本文系统研究了微型载货汽车高空气阻力问题的原因及其对运输效率和能源利用效率的影响，并提出了降空气阻力措施，包括改进车身设计、使用减阻设备、优化载重率等。实验结果表明，采取这些降空气阻力措施可以不同程度的降低微型载货汽车的空气阻力特性，提高其运输效率和能源利用效率。

未来，微型载货汽车空气阻力优化仍然有许多挑战和发展方向。首先，使用新材料和技术，如碳纤维复合材料和3D打印技术，可以进一步降低车身重量和改进车辆外形。其次，引入智能化系统，如自适应空气阻力减少装置和智能空气阻力感知系统，可以根据实时环境条件对车辆进行空气阻力优化。此外，结合车联网技术和交通管理系统，可以实现车辆之间的协同行驶和优化路径选择，从而减少车辆之间的空气阻力，并提高整体交通效率。

总的来说，微型载货汽车的空气阻力优化有着广阔的应用前景和技术发展空间。通过不断的研究完善和创新，我们可以实现更加高效、环保和安全的微型载货汽车运输系统。