車身設(shè)計(jì)中空氣動(dòng)力學(xué)特征的視覺表達(dá)

第22卷第3期2008年9月湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)JournalofHubeiAutomotivelndustriesInstituteV01.22No.3Sep.2008車身設(shè)計(jì)中空氣動(dòng)力學(xué)特征的視覺表達(dá)李卓1,曾曦2(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢430070;2.武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北武漢430070)摘要：分析了汽車的氣動(dòng)性影響因素，提出了針對(duì)改善汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能的造型手段，指出如何利用符號(hào)語義.從視覺上來實(shí)現(xiàn)高氣動(dòng)性能的心理要求。最后列舉了具備良好氣動(dòng)性能的通用視覺語言符號(hào)，指出這也是車身設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的基本規(guī)律。關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)；風(fēng)阻系數(shù)；車身設(shè)計(jì)；語義符號(hào)中圖分類號(hào)：U462文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008—5483(2008)03—0056——.04VisualCommunicationDesigninVehicleBodyDesignBasedonAerodynamicsLiB^loZengXi2(l.SchoolofAutomobileEnslneering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.1nstituteofArt&Design,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract:Thepaperanalyzestheinfluenceoftheaerodynamicfactorinvehicledesign,andproposessomeadvieestoimprovingtheaerodynamicsperformance.Thepaperpointsouthowtoutilize8e?mantiesymboltorealizetherequiredhighpsychologicaldemands，andprovidesthecommonvisuallanguagesymbolswithgoodaerodynamicperformancefinally.ItisalsothebasiclawthatthevehiclebodyKeydesignsshouldfollow.words：aerodynamics；dragcoefficient；Vehiclebodydesign;semanticsymbol汽車車身造型的確定主要受機(jī)械工程學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、美學(xué)以及與其相聯(lián)系的商品學(xué)等要素的制約。事實(shí)上，機(jī)械工程學(xué)、人機(jī)工程學(xué)要素已發(fā)展得相當(dāng)成熟，對(duì)車身內(nèi)、外造型的要求與約束已形成較為固定的規(guī)范。從這個(gè)意義上講，現(xiàn)代汽車車身造型的演變與發(fā)展，在很大程度上受汽車空氣動(dòng)力學(xué)和造型美學(xué)的影響和支配。目前發(fā)展趨勢的主流，是在不斷追求氣動(dòng)優(yōu)化（環(huán)保與安全優(yōu)化）的同時(shí)追求多樣化、個(gè)性化，實(shí)現(xiàn)技術(shù)美、性能美與形式美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。不僅其本身是評(píng)價(jià)汽車的重要指標(biāo)，還和汽車安全操控性、燃油經(jīng)濟(jì)性等方面密切相關(guān)?，F(xiàn)代城市交通雖不足以體現(xiàn)出空氣動(dòng)力性能對(duì)行車的影響，但時(shí)速超過100km/h后。氣動(dòng)性能對(duì)行車的安全性和高效性就會(huì)起主導(dǎo)作用。從種類上分，汽車氣動(dòng)阻力由五部分迭加構(gòu)成，他們分別是形狀阻力、干擾阻力、摩擦阻力、誘導(dǎo)阻力和內(nèi)部阻力，下面來具體分析汽車的空氣動(dòng)力學(xué)屬性。形狀阻力：由于氣流分離現(xiàn)象，在汽車后面形成尾流區(qū)，前后氣流壓力不相等，從而形成壓差阻力。壓差阻力的大小是由車身外部形狀決定的，所以一般稱為形狀阻力。它約占空氣阻力的58%，是氣動(dòng)阻力的主要部分。干擾阻力：車身表面凸起物、凹槽和車輪等局1空氣動(dòng)力學(xué)原理空氣動(dòng)力學(xué)特性是影響汽車性能的重要因素，收稿日期：2008—05 —10作者簡介：李卓（1978—），男，山西長治人，博士，從事汽車車身造型及CAD，CAE工程研究。萬方數(shù)據(jù)第22卷第3期李卓等：車身設(shè)計(jì)中空氣動(dòng)力學(xué)特征的視覺表達(dá)一57—部影響氣流流動(dòng)，從而引起空氣阻力，約占14%。摩擦阻力：空氣的粘滯性使氣流在經(jīng)過車身表面時(shí)產(chǎn)生一個(gè)切向力，其綜合合力在汽車行駛方向的分力就是摩擦阻力。約占?xì)鈩?dòng)阻力的10%。誘導(dǎo)阻力：汽車兩側(cè)的渦流使得汽車后背的氣流方向向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)指向后上方的力，這個(gè)力表現(xiàn)在垂直方向是升力。在水平方向就是誘導(dǎo)阻力，占6%。內(nèi)部阻力：這是由于氣流流經(jīng)車身內(nèi)部氣流通道，如發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻氣流和車廂內(nèi)部通風(fēng)氣流以及流動(dòng)中的能量損耗產(chǎn)生的，約占12%。此部分不作重點(diǎn)討論。以上5個(gè)力在行車中會(huì)圍繞重心產(chǎn)生縱向（阻力）、垂直（升力）和側(cè)向（側(cè)擺力）3個(gè)方向的氣動(dòng)力，其中縱向氣動(dòng)力是最大的阻力，直接影響動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。2空氣動(dòng)力學(xué)原理的視覺表達(dá)城市交通用車中對(duì)時(shí)速要求不是很高，所以在車身設(shè)計(jì)時(shí)。更多地是遵循空氣動(dòng)力學(xué)原理尋求視覺符號(hào)對(duì)應(yīng)。以此視覺印象來強(qiáng)化空氣動(dòng)力學(xué)性能，滿足人們追求高性能品質(zhì)的心理需求。2.1降低風(fēng)阻系數(shù)Cd值風(fēng)阻系數(shù)C。值是衡量現(xiàn)代轎車性能的第一參數(shù)，這個(gè)值越小說明汽車的加速性越優(yōu)越。普通城市轎車的C。值一般維持在0.28?0.4之間。根據(jù)氣動(dòng)阻力的計(jì)算公式F=qoOSCd=(l,2)卵2SCd可知，在給定車速的前提下，減小正投影面積S、選擇低阻形狀（降低c。值）來實(shí)現(xiàn)。受裝載能力、乘坐空間、抗傾翻能力等限制，減小迎風(fēng)面積Is沒有多少余地，減少氣風(fēng)阻系數(shù)才是現(xiàn)實(shí)和有意義的，這可以直接降低縱向氣動(dòng)阻力。風(fēng)阻系數(shù)C。值與汽車形狀有關(guān)。當(dāng)長度直徑比1/d—2.4時(shí)C。值最小，為0.04，也就是說，空氣動(dòng)力學(xué)意義上具有 較好”形狀的物體是紡錘形流線體。寶馬H2R氫燃料汽車的風(fēng)阻系數(shù)僅為0.21，最高車速可達(dá)302.4km/h，從靜止加速到100km/h僅需6s。同樣地，奔馳魚型仿生概念車BionicConcept的1:4縮比模型在風(fēng)洞測試中達(dá)到驚人的0.095。制造出來的實(shí)車也僅為0.19。這在同類尺寸車輛中是空氣動(dòng)力效能最高的（圖1）。理論和實(shí)踐萬方數(shù)據(jù)圖1寶馬H2R與奔馳BionicConcept由于汽車車身上下表面積不同，經(jīng)過的氣流流速便不同，形成壓力差，從而產(chǎn)生升力并產(chǎn)生縱傾力矩，降低了汽車對(duì)路面的附著性能，直接弱化了操縱穩(wěn)定性。減小升力首先應(yīng)從汽車整體造型方面來考慮、避免接近典型的翼剖面，最好是具有一定的負(fù)沖角。即前低后高。從這個(gè)意義上講是楔型汽車最好，船型次之，魚型（斜背式）、甲蟲型則較差。運(yùn)動(dòng)汽車和專業(yè)賽車速度很高。承受的氣動(dòng)升力也相當(dāng)大，需要獲取負(fù)升力的專門裝置。這些裝置在長期的生產(chǎn)生活中已形成了一定的象征語義；如果把這種符號(hào)用到普通轎車上，雖然在物理方面并沒有多少真實(shí)作用.但卻可以獲得視覺上良好的空氣動(dòng)力學(xué)特征。這些裝置大體上分為2類：1）擾流器通過對(duì)流場的干擾影響，調(diào)整汽車表面壓力分布的裝置運(yùn)動(dòng)汽車后部采用的鴨尾式后脊(FerrariSpoiler)可以起到擾流的作用：沿斜背平緩向下的氣流在脊前產(chǎn)生分離泡，然后在脊上重新附著，使局部壓力增大，因此減小了這一區(qū)域的氣動(dòng)總升力。普通船型小轎車由于氣流分離不會(huì)在行李箱上表面再附著，所以行李箱后端的 法拉利脊”將完全浸沒在湍流尾流中，用它作為擾流器根本無效。雖然沒有作用，但安裝后脊之后會(huì)給人心理上一種本身就具有咼速感的暗示。汽車前部底端設(shè)置的阻風(fēng)板(AirDam)也是一第22卷第3期部影響氣流涼動(dòng)-從f種擾流器，它擋住一部分氣流不讓進(jìn)入汽車底部，證明，楔形是最好的形態(tài)。2.2降低氣動(dòng)升力2.2.1從整體造型上減小氣動(dòng)升力的措施盡量改變下大上小的壓力分布。因此，汽車外形應(yīng)2.2.2附加裝置減小氣動(dòng)升力的措施一58一湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)2008年9月這樣在阻風(fēng)板后面形成負(fù)壓．減小了升力。當(dāng)然阻風(fēng)板的形狀、位置和高度還需要風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來確定。應(yīng)注意的是，限制氣流側(cè)向流動(dòng)的任何造型都會(huì)促使氣動(dòng)升力增大。升高前大燈和前翼子板，以及裝有動(dòng)感、夢幻的翹尾翼裝飾就有這種不良作用?圖2中1958年產(chǎn)的福特Latosca相當(dāng)于造成了繞 無限翼展”機(jī)冀的平面二維流動(dòng)，實(shí)際上增加了升力效應(yīng)。20世紀(jì)50年代的通用汽車設(shè)計(jì)師哈里 ？厄爾（HarleyEarl），就為了追求視覺效果而設(shè)計(jì)出類似火箭尾翼一樣的裝飾?實(shí)際上這是有害無益的。但是。這種象征性的符號(hào)加強(qiáng)了汽車的速度感和時(shí)代感，因此也是流行一時(shí)，銷量突破歷史記錄。但是作為明星設(shè)計(jì)師的厄爾，一生作品無數(shù)卻從未獲過1個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。圖2福特Latosca2）負(fù)升力翼裝在車尾部，產(chǎn)生垂直向下氣動(dòng)力的翼型元件。負(fù)升力翼主要用于車速極高的競賽跑道汽車，如一級(jí)方程式賽車（ForumI）。它是個(gè)具有負(fù)沖角并且翻轉(zhuǎn)過來的機(jī)要，其沖角可根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向等情況調(diào)節(jié)。以滿足高速車對(duì)附著力和穩(wěn)定性的高級(jí)要求。這種元件通常采用不易變形、具有優(yōu)良尺寸穩(wěn)定性和一定硬度的特殊材料（如專用樹脂及金屬材料等）制成，如圖3所示.o圖3保時(shí)捷尾郡擾流板的發(fā)展進(jìn)程2.2.3減小擾流的措施汽車外表面上總有若干小的零件，如后視鏡、雨刷、門把手、車標(biāo)及各種裝飾件等。這些突起（或下凹）的零件或局部表面會(huì)對(duì)汽車周圍的總流場發(fā)生干擾作用。對(duì)于一般的轎車，所有這些造型細(xì)部零件迭加的復(fù)合影響約占總阻力系數(shù)的1.5%?萬方數(shù)據(jù)3%。但除了直接干涉外，它們有時(shí)還會(huì)對(duì)某一特定汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性以更大的、且常常是意想不到的影響，例如可能過早地誘發(fā)主流的脫體分離而使形狀阻力大增。此外，這些附件又常是汽車氣流噪聲的聲源，因而應(yīng)該使它們形狀得以優(yōu)化或數(shù)量盡量減少。要減小空氣阻力，應(yīng)盡量去掉車身表面的凸起物，如采用粘貼工藝來固定車窗玻璃，雨刮在不工作時(shí)應(yīng)將刮桿和刮片置于風(fēng)擋下端凹槽內(nèi)。另外，適當(dāng)提高離地間隙、改善底板不平度、設(shè)置輪罩及側(cè)護(hù)罩等光滑車身表面的措施都有助于減少湍流。2.3降低橫向側(cè)擺力的措施汽車在行進(jìn)過程中可能會(huì)受橫向風(fēng)等不穩(wěn)定性因素干擾，在高速行車時(shí)表現(xiàn)十分明顯。風(fēng)壓中心與汽車質(zhì)心的距離越小，橫向側(cè)擺力矩就越小，因此可以通過改變風(fēng)壓中心與質(zhì)心的相對(duì)位置來改善側(cè)向穩(wěn)定性（與行車安全性和乘坐舒適性相關(guān)聯(lián)）。而風(fēng)壓中心的位置取決于汽車各處橫斷面輪廓和側(cè)向投影面積形心，因此短背式汽車的穩(wěn)定性要比直背式汽車好。后尾部還可以設(shè)置垂直尾翼來增大車身面積，使風(fēng)壓中心后移。圖4為A?MoreUi教授設(shè)計(jì)、意大利平寧法尼納（Pininfarina）公司制作的PF—X型樣車，早在1960年就達(dá)到了Cd等于0.22的水平，然而其實(shí)用性卻相當(dāng)有限（包括4個(gè)車輪呈菱形布置）。前面提到的厄爾的作品大多具有該種特征，橫擺力矩減小了，但側(cè)向力隨之增大，所以總體效果并不理想。厄爾的這種高尾鰭風(fēng)格裝飾手法，更多地是從滿足人們視覺心理需求出發(fā)的，其審美功能大于結(jié)構(gòu)功能。圖4PininfarinaPF—X型車3氣動(dòng)性的視覺語言符號(hào)綜上所述，強(qiáng)化汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能的視覺語義主要表現(xiàn)在：1）流線型的基本形體第22卷第3期李卓等：車身設(shè)計(jì)中空氣動(dòng)力學(xué)特征的視覺表達(dá)一59—人們對(duì)車身認(rèn)識(shí)的第一印象往往來自于瞬間無意識(shí)的判斷，因此，具有一個(gè)好的形態(tài)是增強(qiáng)氣動(dòng)性性能的首要要素。在科幻電影中?這一點(diǎn)往往被發(fā)揮到極致。各種各樣的理想形態(tài)都可能被拿來作為車身骨架。為彌補(bǔ)車身制造技術(shù)的限制。禾I」用適當(dāng)?shù)姆稚梢砸龑?dǎo)人們視覺感受，這一點(diǎn)在日常生活中有廣泛的應(yīng)用。比如正投影面積很大的旅游巴士往往用雙色涂貼車身，令色彩重心下沉；普通的轎車也在側(cè)車身有意強(qiáng)調(diào)斜向向后掠過的腰線和裝飾條，令車身伏下”這些手法都是為了引導(dǎo)視覺感受。2）光滑、封閉的車身利用現(xiàn)代科技可以實(shí)現(xiàn)最大程度的減少可能引起擾流的附件，如增加封閉式輪罩、用隱藏式攝像儀代替后視鏡、去除門把手采用遙控或語音鎖等，令車身盡量千凈”，圖5中，奧迪公司1993年的StromlinienRennwagenTypC圖5StromlinienRennwagenTypC和RSQ概念車了車輪帶來的擾流（一級(jí)方程式賽車車輪引起的空氣阻力約占總阻力的45%），另外各種高科技工具取代了車身表面附件，令整車性能大大提高。3）適當(dāng)?shù)剌o助能夠強(qiáng)化氣動(dòng)性的附件車身表面光滑流暢并不意味一定是個(gè)球型或水滴型，可以適當(dāng)添加附件加以優(yōu)化。例如在車身局部開通氣孔，達(dá)到分流和冷卻功效，對(duì)汽車動(dòng)力性最大化發(fā)揮提供了保障，是十分科學(xué)的。此外，安裝可以調(diào)節(jié)的尾翼?也是提高氣動(dòng)性和穩(wěn)定操控性的重要手段。針對(duì)汽車氣動(dòng)性的設(shè)計(jì)方法如圖6。2004年的RSQ概念車即典型設(shè)計(jì)。其中奧迪RSQ采用球形機(jī)構(gòu)來代替輪胎，不僅實(shí)現(xiàn)了萬向轉(zhuǎn)向，而且也有效降低油泥模型h廣—一一造型細(xì)化、調(diào)整LV玄芝蘭歲沒通過弋芝！籮（材料、—r藝、可行性研究）圖6車身氣動(dòng)性造型設(shè)計(jì)流程4結(jié)論追求楔型風(fēng)格和表面平滑化是得到良好氣動(dòng)完成，并進(jìn)行虛擬驗(yàn)證等工作，車身形態(tài)已日臻合理。性、強(qiáng)化空氣動(dòng)力性能視覺感受的重要手段。造型要在遵循基本的空氣動(dòng)力學(xué)原理的前提下進(jìn)行，首先獲得整體具備出色氣動(dòng)特性的適當(dāng)“理想基本形”，再進(jìn)行局部優(yōu)化，通過對(duì)其進(jìn)行局部幾何修整及加裝少量氣動(dòng)部件，發(fā)展成同時(shí)滿足功能、工藝學(xué)、人體工程學(xué)、安全法規(guī)及審美效果等方面要求的車身造型。目前，各主機(jī)廠已經(jīng)廣泛采取了計(jì)算機(jī)輔助空氣動(dòng)力學(xué)（CAA）、輔助造型（CAS）和風(fēng)洞仿真實(shí)驗(yàn)等新技術(shù)，以計(jì)算機(jī)數(shù)值與圖象處理方式參考文獻(xiàn)：A?Morelli