空氣動力學手冊

影響汽車空氣阻力的最重要因素

低空氣阻力有助於降低燃油消耗。 不過，這方面存在著巨大的發展機遇。 當然，除非空氣動力學專家同意設計師的意見。

“為那些不知道如何製造摩托車的人提供空氣動力學知識。” 這句話是恩佐·法拉利在六十年代說的，清楚地表明了當時許多設計師對汽車技術方面的態度。 然而直到十年後，第一次石油危機發生，才徹底改變了他們的整個價值體系。 汽車運動過程中的所有阻力，特別是穿過空氣層時產生的阻力，都可以通過廣泛的技術解決方案來克服，例如增加發動機的排量和功率，無論有多少阻力。燃料耗儘後，他們就要離開，工程師開始尋找更有效的方法來實現目標。

目前，空氣動力學的技術因素被蒙上了一層厚厚的遺忘塵埃，但這對設計師來說並不新鮮。 技術史表明，即使在 77 年代，德國人埃德蒙·魯普勒 (Edmund Rumpler) 和匈牙利人保羅·扎萊 (Paul Zharai)（標誌性的太脫拉 TXNUMX 的創造者）等先進和創造性思維也在塑造流線型表面，並為車身設計的空氣動力學方法奠定了基礎。 緊隨其後的是第二波空氣動力學家，如萊因哈德·馮·科尼希-法克森菲爾德男爵和烏尼博爾德·卡姆，他們在二十世紀九十年代發展了他們的想法。

每個人都清楚，隨著速度的提高，會有一個極限，超過這個極限，空氣阻力就成為駕駛汽車的關鍵因素。 創建空氣動力學優化的形狀可以大大提高這個限制，並用所謂的流量係數 Cx 表示，因為值為 1,05 時立方體垂直於氣流倒置（如果它沿其軸旋轉 45 度，則上游邊緣減小到 0,80）。 然而，這個係數只是空氣阻力方程式的一部分——你必須把汽車正面面積的大小（A）作為一個重要的元素加入。 空氣動力學家的首要任務是創造乾淨、空氣動力學高效的表面（我們將看到，這在汽車中有很多因素），這最終會導致較低的流動係數。 測量後者需要一個風洞，這是一個昂貴且極其複雜的結構——2009 年投入使用的風洞就是一個例子。 寶馬，這使公司損失了 170 億歐元。 其中最重要的部件不是一個巨大的風扇，它消耗的電力如此之多以至於需要一個單獨的變電站，而是一個精確的滾筒支架，可以測量一股空氣對汽車施加的所有力和力矩。 他的任務是評估汽車與氣流的整個相互作用，並幫助專家研究每個細節並進行更改，使其不僅在氣流方面有效，而且符合設計師的意願。 . 基本上，汽車遇到的主要阻力來自於它前面的空氣壓縮和移動時，而且——非常重要的——來自它後面的強烈湍流。 有一個容易拉動汽車的低壓區，它又夾雜著強烈的渦流效應，空氣動力學家也稱之為“死激勵”。 出於邏輯原因，在旅行車模型之後，真空度更高，因此消耗係數惡化。

空氣動力阻力係數

後者不僅取決於汽車的整體造型等因素，還取決於具體的零件和表面。 實際上，現代汽車的整體形狀和比例佔總空氣阻力的40%，其中四分之一是由物體表面結構和特徵決定的，例如鏡子、車燈、牌照和天線。 10% 的空氣阻力是由於通過通風孔流向制動器、發動機和變速箱。 20% 是各種底板和懸架設計中渦流的結果，也就是車底發生的一切。 最有趣的是——30% 的空氣阻力是由於輪子和機翼周圍產生的渦流造成的。 這種現象的實際演示清楚地表明了這一點——當車輪被拆除並且擋泥板通風口關閉時，每輛車的流量從 0,28 下降到 0,18。 所有令人驚訝的低里程汽車 - 例如本田的第一款 Insight 和通用汽車 EV1 電動汽車 - 都隱藏了後擋泥板，這並非巧合。 由於電動機不需要大量冷卻空氣，整體空氣動力學形狀和封閉前端使通用汽車設計師能夠開發出流量係數僅為 1 的 EV0,195 車型。 特斯拉 Model 3 的 Cx 為 0,21。 所謂的降低內燃機車輛車輪的渦度。 “氣幕”以薄薄的垂直氣流的形式從前保險槓的開口引導，吹動車輪並穩定渦流，流向發動機的氣流受到空氣動力學百葉窗的限制，底部完全封閉。

滾輪架測得的力值越低，Cx越小。 它通常以 140 公里/小時的速度進行測量——例如，值為 0,30 意味著汽車經過的空氣中有 30% 被加速到其速度。 至於車頭，它的讀取需要一個更簡單的程序——為此，當從車頭看時，用激光勾勒出汽車的外部輪廓，併計算以平方米為單位的封閉面積。 然後乘以流量係數得到汽車的總空氣阻力（以平方米為單位）。

回到我們空氣動力學敘事的歷史輪廓，我們發現 1996 年標準化油耗測量循環 (NEFZ) 的創建實際上對汽車的空氣動力學演變起到了負面作用（在 7 世紀取得了顯著進展）。 ) 因為高速運動週期短，空氣動力因素影響不大。 儘管多年來消耗係數有所下降，但各級別車輛尺寸的增加導致正面面積增加，從而導致空氣阻力增加。 大眾高爾夫、歐寶雅特和寶馬 90 係等汽車的空氣阻力高於 90 年代的前輩。 令人印象深刻的 SUV 車型具有較大的前部面積和不斷惡化的流線型，促進了這一趨勢。 這種類型的車輛主要因其重量大而受到批評，但在實踐中，隨著速度的增加，這個因素變得不那麼重要了——當以大約 50 公里/小時的速度在城市外行駛時，空氣阻力的比例約為80%，在高速行駛時，它增加到汽車面臨的總阻力的 XNUMX%。

氣動管

空氣阻力對車輛性能影響的另一個例子是典型的智能城市模型。 一輛雙座車在城市街道上或許靈巧靈動，但從空氣動力學的角度來看，其短小且比例勻稱的車身非常低效。 在低重量的背景下，空氣阻力成為越來越重要的因素，而隨著 Smart 的出現，它在 50 公里/小時的速度下開始發揮強大的作用。儘管設計輕量化，但沒有達到預期也就不足為奇了成本相對較低。

然而，儘管 Smart 存在缺點，但母公司梅賽德斯對空氣動力學的態度是一個有條不紊、始終如一和積極主動地創造壯觀形狀過程的例子。 可以說，在風洞方面的投入和努力的成果在這家公司尤為顯著。 這個過程的影響的一個特別顯著的例子是當前的 S 級 (Cx 0,24) 的空氣阻力小於高爾夫 VII (0,28)。 在追求更大的車內空間方面，緊湊型的造型獲得了相當大的迎風面積，而且由於車長較短，流線係數不如S級，流線型曲面和很多更多的。 - 已經由於從後面急劇過渡，有助於形成渦流。 然而，大眾堅持認為下一代高爾夫的空氣阻力將大大減少，並且會降低和流線型。 每輛內燃機車輛 0,22 的最低記錄油耗係數是梅賽德斯 CLA 180 BlueEfficiency。

電動車的優勢

空氣動力學形式相對於重量的重要性的另一個例子是現代混合動力車型，尤其是電動汽車。 以普銳斯為例，隨著速度的增加，混合動力系統的效率急劇下降，這也決定了對高度空氣動力學設計的需求。 就電動汽車而言，與電動模式下里程增加相關的一切都極其重要。 據專家介紹，減輕100公斤的重量只會使汽車的行駛里程增加幾公里，但另一方面，空氣動力學對於電動汽車來說至關重要。

首先，因為這些車輛質量大，可以回收一些用於休養的能量，其次，因為電動機的高扭矩可以補償啟動時重量的影響，其效率會降低在高速和高速。 此外，電力電子設備和電動機需要的冷卻空氣更少，這使得汽車前部的開口更小，正如我們已經指出的那樣，這是車身周圍氣流惡化的主要原因。 設計師在當今的插電式混合動力車型中創造更具空氣動力學效率的形狀的另一個動機是僅借助電動機或所謂的無加速運動模式。 航行。 與帆船不同，這個術語的來源和風應該使船移動的地方，如果汽車的空氣阻力較小，電動汽車將增加里程。 創建空氣動力學優化的形狀是降低油耗的最經濟方式。

文字：Georgy Kolev

一些著名汽車的消耗係數：

梅賽德斯奔馳

1904年生產，Cx = 1,05

魯普勒Tropfenwagen

1921年生產，Cx = 0,28

福特 T 型車

1927年生產，Cx = 0,70

實驗模型鑑

1938年生產，Cx = 0,36

梅賽德斯記錄車

1938年生產，Cx = 0,12

大眾巴士

1950年生產，Cx = 0,44

大眾“烏龜”

1951年生產，Cx = 0,40

潘哈德·迪娜

1954年生產，Cx = 0,26

保時捷356

1957年生產，Cx = 0,36

名爵EX 181

1957年生產，Cx = 0,15

雪鐵龍 DS 19

1963年生產，Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966年生產，Cx = 0,38

梅賽德斯 C 111

1970年生產，Cx = 0,29

沃爾沃 245 廂式車

1975年生產，Cx = 0,47

奧迪100

1983年生產，Cx = 0,31

梅賽德斯 W 124

1985年生產，Cx = 0,29

豐田普銳斯 1

1997年生產，Cx = 0,29