汽车造型设计2010-03-28 16:23:52 阅读11 评论0 字号：大中小
前言：受辽宁省自然科学基金的资助，本人正在主持“汽车轻量化虚拟样机关键技术研究”项目，该项目以国内某著名汽车制造有限公司正在设计制造中的汽车为应用对象，包括汽车碰撞安全性、汽车外形的计算流体力学仿真（CFD）、面向日本用户的日系车汽车音响轻量化设计、汽车关键部件轻量化设计等若
干核心子课题。
合作单位包括：大连奥托汽车、日本独资大连阿尔派汽车音响制造有限公司、大连理工大学、一
汽奥迪等。
计算流体力学（CFD）是一门研究液体和气体和它周围的固体如何相互作用的学问：考虑高速气体流过形状复杂的汽车的情况。近年来CFD的发展可以让计算机在计算机中模拟虚拟汽车--而汽车制造商不再只能依靠简单的风洞去了解气流是如何影响汽车的！制造商可以在制造金属部件之前先研究模拟数据，
这会大大节省时间和资金
。
从事此项研究时，所需要学习及应用到的软件：CATIA（或I-DEAS或UG或PRO/E或
SOLIDWORKS）、FLUENT。
汽车的CFD仿真
汽车造型与空气动力学的关系
一、轿车前部
车头造型对气动阻力影响因素很多，主要有：车头边角、车头形状、车头高度、发
动机罩与前风窗造型、前凸起唇及前保险杠的形状与位置、进气口大小、格栅形状等。
" 车头边角的影响：车头边角主要是车头上缘边角和横向两侧边角。
" 对于非流线型车头，存在一定程度的尖锐边角会产生有利于减少气动阻力的车头负压区。
" 车头横向边角倒圆角，也有利于产生减小气动阻力的车头负压区。
" 车头形状的影响
" 整体弧面车头比车头边角倒圆气动阻力小。
" 车头高度的影响
" 头缘位置较低的下凸型车头气动阻力系数最小。但不是越低越好，因为低到一定程度后，车头阻
力系数不再变化。
" 车头头缘的最大离地间隙越小，则引起的气动升力越小，甚至可以产生负升力。
" 车头下缘凸起唇的影响
" 增加下缘凸起唇后，气动阻力变小。减小的程度与唇的位置有关。
" 发动机罩与前风窗的影响
" 发动机罩的三维曲率与斜度。
（ 1 ）曲率：发动机罩的纵向曲率越小（目前大多数采用的纵向曲率为0.02m -1 ），气动阻力越小；发动机罩的横向曲率均有利于减小气动阻力。
（ 2 ）斜度：发动机罩有适当的斜度（与水平面的夹角）对降低气动阻力有利，但如果斜度进一步
加大对将阻效果不明显。
（ 3 ）发动机罩的长度与轴距之比对气动升力系数影响不大。
" 风窗的三维曲率与斜度。
（ 1 ）曲率：风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则导致工艺难实现、视觉视真、刮雨器的刮扫效果。前风窗玻璃的横向曲率均有利于减小气动阻力。
（ 2 ）斜度：前风窗玻璃的斜度（与垂直面的夹角）<=30 0 时，降阻效果不明显，但过大的斜度，使
视觉效果和舒适性降低。前风窗斜度=48 0 时，发动机罩与前风窗凹处会出现一个明显的压力降，因而
造型时应避免这个角度。
(3) 前风挡玻璃的倾斜角度（与垂直面的夹角）越大，气动升力系数略有增加。
" 发动机罩与前风窗的夹角与结合部位的细部结构。
6. 汽车前端形状
" 前凸且高不仅会产生较大的阻力而且还将会在车头上部形成较大的局部负升力区。
" 具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。
二、轿车客舱
" A 柱
" 前立柱上的凹槽、小台面和细棱角，处理不当，将导致较大的气动阻力和较严重的气动噪声和测
窗污染。应设计成圆滑过渡的外形。
" 侧壁
" 轿车侧壁略有外鼓，将增加气动阻力，但有利于降低气动阻力系数。但外鼓系数（外鼓尺寸与跨
度之比）应避免在0.02~0.04 之间。
" 顶盖
" 综合气动阻力系数、气动阻力、工艺、刚度、强度等方面的因素，顶盖的上扰系数（上鼓尺寸与
跨度之比）应在0.06 以下。
4. 客舱长度
" 对阶背式轿车而言，客舱长度与轴距之比由0.93 增至1.17 ，会较大程度的减小气动升力系数。
三、轿车尾部
车身尾部造型对气动阻力的影响主要因素有：后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度、
尾部横向收缩。
" 后风窗斜度
" 后风窗斜度（后风窗弦线与水平线的夹角）对气动阻力影响较大，对斜背式轿车，斜度等于30 0 时，阻力系数最大；斜度小于30 0 时，阻力系数较小。
" 后挡风玻璃的倾斜角控制在25 度之内。
" 尾窗与车顶的夹角介于28 至32 度时，车尾将介于稳定和不稳定的边缘。
2. 尾部造型式样
" 典型的尾部造型有斜背式、阶背式、方（平）背式。由于具体后部造型与气流状态的复杂性，一般很难确切的断言或部造型式样的优劣。但从理论上说，小斜背（角度小于30 0 ）具有较小的气动阻力
系数。
3. 车尾高度
" 流线型车尾的轿车存在最佳车尾高度，此状态下，气动阻力系数最小。此高度需要根据具体车型
以及结构要求而定。
" 后车体的横向收缩
" 一定程度的后车体的横向收缩对降低气动阻力系数有益，但过多的收缩会引起气动阻力系数的增
加。收缩程度受具体车型而定。
5. 车尾形状
" 车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显，则气动升力越小，甚至可以产生负升力。
四、轿车底部
" 车身底部离地高度
" 一般虽车身底部离地高度的增加气动阻力系数上升，但高度过小，将增加气动升力，影响操作稳定性及制动性。另外离地高度的确定还要考虑汽车的通过性与汽车中心高度。
" 车身底部纵倾角
" 车身底部纵倾角对气动阻力影响较大，纵倾角越大，气动阻力系数越大，故底板应尽量具有负的
纵倾角。
" 将汽车底板做成前底后高的形状对减小气动升力有用。
" 车身底板的曲率汽车风洞
" 纵向曲率：适度的纵向曲率可以减小压差阻力。
" 横向曲率：适度的横向曲率可以减小气动升力。
最佳曲率视具体车型而定。
" 扰流器对气动阻力的影响
富康是典型的半水滴造型，这样的造型符合当今汽车设计的最新潮流，充分运用了空气动力学的最新成果。经过严格的风洞试验，富康的风阻系数仅为0.31。
风阻系数在过去的轿车手册中从未出现过，今天则是介绍轿车的常用术语之一，在国外已经成为人们十分关注的一种参数了，它是指汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生的纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，它的系数值是由风洞测试得出来的。汽车行驶速度越快其所受到的空气阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比。如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机
输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性。雪铁龙ZX系列的风阻系数只有0.305，是普及型汽车里面最优秀的，而如今的帕萨特B5德国版已达到0.28。据试验表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油节省百分之七左右。曾有人对两种相同质量，相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的轿车进行比较，以每小时88公里的时速行驶了100公里，燃油消耗后者比前者节约了1.7公升。
因此，当你决定选择一种经济实用的私家车时，这也是不可或缺的考量因素。当然，并不是所有的轿车都会公布自身的风阻系数，除非它在这方面很优秀。
汽车空气动力学知识
阻力和升力
阻力
一辆轿车的气动效率是由其阻力系数(Cd)所决定的。而阻力系数与面积无关，它仅仅是反映出物体的形状对于气动阻力的影响。理论上来讲，一个圆形的平板的阻力系数为1. 0，但是如果考虑到其边缘周围的湍流效应，它的阻力系数将会变为1.2左右。气动效率最高的形状是水滴，它的阻力系数只有0.05。不过，我们不可能制造出一辆水滴形状的轿车。
一辆典型的轿车的阻力系数大致为0.30。
阻力的大小是与阻力系数(也叫牵引系数、风阻系数)、正面接触面积和车速的平方成比例的。你会发现一辆时速120英里的轿车所遇到的阻力是一辆时速60英里的轿车的四倍。你还可以发现阻力对于最高时速的影响。如果我们不改变一辆Testarossa的形状，而将其最高时速从180英里提高到Diablo的 200英里的话，我们需要将其最大输出功率从390马力提升到535马力。如果我们宁愿把时间和资金花在风洞的研究上，只要将其阻力系数从0.36降低到0.29就能够达到同样的效果。
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