空气动力学手册

影响车辆空气阻力的最重要因素

低空气阻力有助于减少燃油消耗。 但是，在这方面，还有很大的发展空间。 当然，如果空气动力学专家同意设计师的观点。

“那些无法制造摩托车的人的空气动力学特性。” 这些话是XNUMX年代恩佐·法拉利（Enzo Ferrari）讲的，清楚地表明了当时许多设计师对汽车这一技术方面的态度。 然而，仅十年后，第一次石油危机就发生了，从根本上改变了他们的整个价值体系。 广泛的技术解决方案可以克服汽车行驶过程中的所有阻力，特别是经过空气层时产生的阻力的时间，例如增加发动机的排量和功率，而不论消耗的燃料量如何，它们都会消失，工程师开始寻找实现目标的更有效方法。

目前，空气动力学的技术因素覆盖有厚厚的ob粉尘，但是对于设计者而言，这不是新闻。 技术的历史表明，即使在77年代，德国的Edmund Rumpler和匈牙利的Paul Zharai（创建了标志性的Tatra TXNUMX）等先进和创新的思想也形成了流线型的表面，并为车身设计的空气动力学方法奠定了基础。 随后是第二批空气动力学专家，例如Reinhard vonKönich-Faxenfeld男爵和Wunibald Kam，他们在XNUMX中发展了他们的想法。

每个人都清楚，随着速度的提高，会有一个极限，超过这个极限，空气阻力就成为驾驶汽车的关键因素。 创建空气动力学优化的形状可以大大提高这个限制，并用所谓的流量系数 Cx 表示，因为值为 1,05 时立方体垂直于气流倒置（如果它沿其轴旋转 45 度，则上游边缘减小到 0,80）。 然而，这个系数只是空气阻力方程式的一部分——你必须把汽车正面面积的大小（A）作为一个重要的元素加入。 空气动力学家的首要任务是创造干净、空气动力学高效的表面（我们将看到，这在汽车中有很多因素），这最终会导致较低的流动系数。 测量后者需要一个风洞，这是一个昂贵且极其复杂的结构——2009 年投入使用的风洞就是一个例子。 宝马，这使公司损失了 170 亿欧元。 其中最重要的部件不是一个巨大的风扇，它消耗的电力如此之多以至于需要一个单独的变电站，而是一个精确的滚筒支架，可以测量一股空气对汽车施加的所有力和力矩。 他的任务是评估汽车与气流的整个相互作用，并帮助专家研究每个细节并进行更改，使其不仅在气流方面有效，而且符合设计师的意愿。 . 基本上，汽车遇到的主要阻力来自于它前面的空气压缩和移动时，而且——非常重要的——来自它后面的强烈湍流。 有一个容易拉动汽车的低压区，它又夹杂着强烈的涡流效应，空气动力学家也称之为“死激励”。 出于逻辑原因，在旅行车模型之后，真空度更高，因此消耗系数恶化。

空气阻力系数

后者不仅取决于汽车的整体造型等因素，还取决于具体的零件和表面。 实际上，现代汽车的整体形状和比例占总空气阻力的40%，其中四分之一是由物体表面结构和特征决定的，例如镜子、车灯、牌照和天线。 10% 的空气阻力是由于通过通风孔流向制动器、发动机和变速箱。 20% 是各种底板和悬架设计中涡流的结果，也就是车底发生的一切。 最有趣的是——30% 的空气阻力是由于轮子和机翼周围产生的涡流造成的。 这种现象的实际演示清楚地表明了这一点——当车轮被拆除并且挡泥板通风口关闭时，每辆车的流量从 0,28 下降到 0,18。 所有令人惊讶的低里程汽车 - 例如本田的第一款 Insight 和通用汽车 EV1 电动汽车 - 都隐藏了后挡泥板，这并非巧合。 由于电动机不需要大量冷却空气，整体空气动力学形状和封闭前端使通用汽车设计师能够开发出流量系数仅为 1 的 EV0,195 车型。 特斯拉 Model 3 的 Cx 为 0,21。 所谓的降低内燃机车辆车轮的涡度。 “气幕”以薄薄的垂直气流的形式从前保险杠的开口引导，吹动车轮并稳定涡流，流向发动机的气流受到空气动力学百叶窗的限制，底部完全封闭。

滚轮架测得的力值越低，Cx越小。 它通常以 140 公里/小时的速度进行测量——例如，值为 0,30 意味着汽车经过的空气中有 30% 被加速到其速度。 至于车头，它的读取需要一个更简单的程序——为此，当从车头看时，用激光勾勒出汽车的外部轮廓，并计算以平方米为单位的封闭面积。 然后乘以流量系数得到汽车的总空气阻力（以平方米为单位）。

回到我们空气动力学叙事的历史轮廓，我们发现 1996 年标准化油耗测量循环 (NEFZ) 的创建实际上对汽车的空气动力学演变起到了负面作用（在 7 世纪取得了显着进展）。 ) 因为高速运动周期短，空气动力因素影响不大。 尽管多年来消耗系数有所下降，但各级别车辆尺寸的增加导致正面面积增加，从而导致空气阻力增加。 大众高尔夫、欧宝雅特和宝马 90 系等汽车的空气阻力高于 90 年代的前辈。 令人印象深刻的 SUV 车型具有较大的前部面积和不断恶化的流线型，促进了这一趋势。 这种类型的车辆主要因其重量大而受到批评，但在实践中，随着速度的增加，这个因素变得不那么重要了——当以大约 50 公里/小时的速度在城市外行驶时，空气阻力的比例约为80%，在高速行驶时，它增加到汽车面临的总阻力的 XNUMX%。

气动管

空气阻力对车辆性能影响的另一个例子是典型的智能城市模型。 一辆双座车在城市街道上或许灵巧灵动，但从空气动力学的角度来看，其短小且比例匀称的车身非常低效。 在低重量的背景下，空气阻力成为越来越重要的因素，而随着 Smart 的出现，它在 50 公里/小时的速度下开始发挥强大的作用。尽管设计轻量化，但没有达到预期也就不足为奇了成本相对较低。

然而，尽管 Smart 有缺点，但母公司梅赛德斯对空气动力学的态度是一个有条不紊、始终如一和积极主动地创造壮观形式的例子。 可以说，在风洞方面的投入和努力的成果在这家公司尤为显着。 这个过程的影响的一个特别显着的例子是当前的 S 级 (Cx 0,24) 的空气阻力小于高尔夫 VII (0,28)。 在追求更大的车内空间方面，紧凑型的造型获得了相当大的迎风面积，而且由于车长较短，流线系数不如S级，流线型曲面和很多更多的。 - 已经由于从后面急剧过渡，有助于形成涡流。 然而，大众坚持认为下一代高尔夫的空气阻力将大大减少，并且会降低和流线型。 每辆内燃机车辆 0,22 的最低记录油耗系数是梅赛德斯 CLA 180 BlueEfficiency。

电动车的优势

空气动力学形状对重量的重要性的另一个例子是现代混合动力汽车甚至更多的电动汽车。 例如，在普锐斯（Prius）的情况下，对高空气动力学设计的要求还取决于以下事实：随着速度的增加，混合动力总成的效率会急剧下降。 对于电动汽车，与电动模式下里程增加有关的一切都极为重要。 根据专家的说法，减轻重量100公斤将使汽车的行驶里程仅增加几公里，但是另一方面，空气动力学对电动汽车至关重要。

首先，因为这些车辆质量大，可以回收一些用于休养的能量，其次，因为电动机的高扭矩可以补偿启动时重量的影响，其效率会降低在高速和高速。 此外，电力电子设备和电动机需要的冷却空气更少，这使得汽车前部的开口更小，正如我们已经指出的那样，这是车身周围气流恶化的主要原因。 设计师在当今的插电式混合动力车型中创造更具空气动力学效率的形状的另一个动机是仅借助电动机或所谓的无加速运动模式。 航行。 与帆船不同，这个术语的来源和风应该使船移动的地方，如果汽车的空气阻力较小，电动汽车将增加里程。 创建空气动力学优化的形状是降低油耗的最经济方式。

文字：Georgy Kolev

一些著名汽车的流量：

梅赛德斯奔驰

1904年生产，Cx = 1,05

鲁普勒·特罗芬瓦根

1921年生产，Cx = 0,28

福特 T 型车

1927年生产，Cx = 0,70

实验模型锦

1938年生产，Cx = 0,36

梅赛德斯记录车

1938年生产，Cx = 0,12

大众巴士

1950年生产，Cx = 0,44

大众“乌龟”

1951年生产，Cx = 0,40

潘哈德·迪娜

1954年生产，Cx = 0,26

保时捷356

1957年生产，Cx = 0,36

名爵EX 181

1957年生产，Cx = 0,15

雪铁龙 DS 19

1963年生产，Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966年生产，Cx = 0,38

梅赛德斯C 111

1970年生产，Cx = 0,29

沃尔沃 245 厢式货车

1975年生产，Cx = 0,47

奥迪100

1983年生产，Cx = 0,31

奔驰W 124

1985年生产，Cx = 0,29

丰田普锐斯 1

1997年生产，Cx = 0,29