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车身设计中空气动力学特征的视觉表达

第２２卷第３期

２００８年９月

湖北汽车工业学院学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｂｅｉＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ

Ｖ０１．２２Ｎｏ．３

Ｓｅｐ．２００８

车身设计中空气动力学特征的视觉表达

李卓１，曾曦２

（１．武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉４３００７０；２．武汉理工大学艺术与设计学院，湖北武汉４３００７０）

摘要：

分析了汽车的气动性影响因素，提出了针对改善汽车空气动力学性能的造型手段，指出如何利用符号语义．从视觉上来实现高气动性能的心理要求。

最后列举了具备良好气动性能的通用视觉语言符号，指出这也是车身设计所应遵循的基本规律。

关键词：

空气动力学；风阻系数；车身设计；语义符号中图分类号：

Ｕ４６２

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１００８—５４８３（２００８）０３－００５６－－．０４

ＶｉｓｕａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｉｎＶｅｈｉｃｌｅＢｏｄｙ

ＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ

Ｌｉ劢∞１。

ＺｅｎｇＸｉ２

（１．Ｓｃｈｏｏｌ

ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ

Ｅｎｓｌｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ

Ａｒｔ＆Ｄｅｓｉｇｎ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｆａｃｔｏｒｉｎｖｅｈｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓｓｏｍｅａｄｖｉｅｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ

ｐａｐｅｒｐｏｉｎｔｓ

ｏｕｔ

ｈｏｗｔｏｕｔｉｌｉｚｅ

８ｅ・

ｍａｎｔｉｅｓｙｍｂｏｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｈｉｇｈｐｓｙｃｈｏｌｏｇｉｃａｌｄｅｍａｎｄｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｃｏｍｍｏｎｖｉｓｕａｌｌａｎｇｕａｇｅｓｙｍｂｏｌｓｗｉｔｈｇｏｏｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｉｎａｌｌｙ．ＩｔｉｓａｌｓｏｔｈｅｂａｓｉｃｌａｗｔｈａｔｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｂｏｄｙＫｅｙ

ｄｅｓｉｇｎｓｓｈｏｕｌｄｆｏｌｌｏｗ．

ｗｏｒｄｓ：

ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；ｄｒａｇ

ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｖｅｈｉｃｌｅｂｏｄｙｄｅｓｉｇｎ；ｓｅｍａｎｔｉｃ

ｓｙｍｂｏｌ

汽车车身造型的确定主要受机械工程学、人机工程学、空气动力学、美学以及与其相联系的商品学等要素的制约。

事实上，机械工程学、人机工程学要素已发展得相当成熟，对车身内、外造型的要求与约束已形成较为固定的规范。

从这个意义上讲，现代汽车车身造型的演变与发展，在很大程度上受汽车空气动力学和造型美学的影响和支配。

目前发展趋势的主流，是在不断追求气动优化（环保与安全优化）的同时追求多样化、个性化，实现技术美、性能美与形式美的协调统一。

不仅其本身是评价汽车的重要指标，还和汽车安全操控性、燃油经济性等方面密切相关。

现代城市交通虽不足以体现出空气动力性能对行车的影响，但时速超过１００ｋｍ／ｈ后。

气动性能对行车的安全性和高效性就会起主导作用。

从种类上分，汽车气动阻力由五部分迭加构成，他们分别是形状阻力、干扰阻力、摩擦阻力、诱导阻力和内部阻力，下面来具体分析汽车的空气动力学属性。

形状阻力：

由于气流分离现象，在汽车后面形成尾流区，前后气流压力不相等，从而形成压差阻力。

压差阻力的大小是由车身外部形状决定的，所以一般称为形状阻力。

它约占空气阻力的５８％，是气动阻力的主要部分。

干扰阻力：

车身表面凸起物、凹槽和车轮等局

１空气动力学原理

空气动力学特性是影响汽车性能的重要因素，

收稿日期：

２００８－０５—１０

作者简介：

李卓（１９７８一），男，山西长治人，博士，从事汽车车身造型及ＣＡＤ，ＣＡＥ工程研究。

万方数据

第２２卷第３期李卓等：

车身设计中空气动力学特征的视觉表达

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部影响气流流动，从而引起空气阻力，约占１４％。

摩擦阻力：

空气的粘滞性使气流在经过车身表面时产生一个切向力，其综合合力在汽车行驶方向的分力就是摩擦阻力。

约占气动阻力的１０％。

诱导阻力：

汽车两侧的涡流使得汽车后背的气流方向向下偏转，产生一个指向后上方的力，这个力表现在垂直方向是升力。

在水平方向就是诱导阻力，占６％。

内部阻力：

这是由于气流流经车身内部气流通道，如发动机的冷却气流和车厢内部通风气流以及流动中的能量损耗产生的，约占１２％。

此部分不作重点讨论。

以上５个力在行车中会围绕重心产生纵向（阻力）、垂直（升力）和侧向（侧摆力）３个方向的气动力，其中纵向气动力是最大的阻力，直接影响动力性和燃油经济性。

２空气动力学原理的视觉表达

城市交通用车中对时速要求不是很高，所以在车身设计时。

更多地是遵循空气动力学原理寻求视觉符号对应。

以此视觉印象来强化空气动力学性能，满足人们追求高性能品质的心理需求。

２．１降低风阻系数Ｃｄ值

风阻系数Ｃ。

值是衡量现代轿车性能的第一参数，这个值越小说明汽车的加速性越优越。

普通城市轿车的Ｃ。

值一般维持在０．２８～０．４之间。

根据气动阻力的计算公式

Ｆ＝ｑｏＯＳＣｄ＝（１，２）卵２ＳＣｄ

可知，在给定车速的前提下，减小正投影面积Ｓ、选择低阻形状（降低Ｃ。

值）来实现。

受装载能力、乘坐空间、抗倾翻能力等限制，减小迎风面积｜ｓ没有多少余地，减少气风阻系数才是现实和有意义的，这可以直接降低纵向气动阻力。

风阻系数Ｃ。

值与汽车形状有关。

当长度直径比ｌ／ｄ一２．４时Ｃ。

值最小，为０．０４，也就是说，空气动力学意义上具有“较好”形状的物体是纺锤形流线体。

宝马Ｈ２Ｒ氢燃料汽车的风阻系数仅为０．２１，最高车速可达３０２．４ｋｍ／ｈ，从静止加速到１００

ｋｍ／ｈ

仅需６ｓ。

同样地，奔驰鱼型仿生概念车ＢｉｏｎｉｃＣｏｎｃｅｐｔ的１：

４缩比模型在风洞测试中达到惊人的０．０９５。

制造出来的实车也仅为０．１９。

这在同类尺寸车辆中是空气动力效能最高的（图１）。

理论和实践

万方数据

图１宝马Ｈ２Ｒ与奔驰ＢｉｏｎｉｃＣｏｎｃｅｐｔ

由于汽车车身上下表面积不同，经过的气流流速便不同，形成压力差，从而产生升力并产生纵倾力矩，降低了汽车对路面的附着性能，直接弱化了操纵稳定性。

减小升力首先应从汽车整体造型方面来考虑、避免接近典型的翼剖面，最好是具有一定的负冲角。

即前低后高。

从这个意义上讲是楔型汽车最好，船型次之，鱼型（斜背式）、甲虫型则较差。

运动汽车和专业赛车速度很高。

承受的气动升力也相当大，需要获取负升力的专门装置。

这些装置在长期的生产生活中已形成了一定的象征语义；如果把这种符号用到普通轿车上，虽然在物理方面并没有多少真实作用．但却可以获得视觉上良好的空气动力学特征。

这些装置大体上分为２类：

１）扰流器通过对流场的干扰影响，调整汽车表面压力分布的装置。

运动汽车后部采用的鸭尾式后脊（ＦｅｒｒａｒｉＳｐｏｉｌｅｒ）可以起到扰流的作用：

沿斜背平缓向下的气流在脊前产生分离泡，然后在脊上重新附着，使局部压力增大，因此减小了这一区域的气动总升力。

普通船型小轿车由于气流分离不会在行李箱上表面再附着，所以行李箱后端的“法拉利脊”将完全浸没在湍流尾流中，用它作为扰流器根本无效。

虽然没有作用，但安装后脊之后会给人心理上一种本身就具有高速感的暗示。

汽车前部底端设置的阻风板（ＡｉｒＤａｍ）也是一

种扰流器，它挡住一部分气流不让进入汽车底部，

证明，楔形是最好的形态。

２．２降低气动升力

２．２．１从整体造型上减小气动升力的措施

尽量改变下大上小的压力分布。

因此，汽车外形应２．２．２附加装置减小气动升力的措施

一５８一

湖北汽车工业学院学报２００８年９月

这样在阻风板后面形成负压．减小了升力。

当然阻风板的形状、位置和高度还需要风洞实验来确定。

应注意的是，限制气流侧向流动的任何造型都会促使气动升力增大。

升高前大灯和前翼子板，以及装有动感、梦幻的翘尾翼装饰就有这种不良作用．图２中１９５８年产的福特Ｌａｔｏｓｃａ相当于造成了绕“无限翼展”机冀的平面二维流动，实际上增加了升力效应。

２０世纪５０年代的通用汽车设计师哈里・厄尔（ＨａｒｌｅｙＥａｒｌ），就为了追求视觉效果而设计出类似火箭尾翼一样的装饰．实际上这是有害无益的。

但是。

这种象征性的符号加强了汽车的速度感和时代感，因此也是流行一时，销量突破历史记录。

但是作为明星设计师的厄尔，一生作品无数却从未获过１个奖项。

图２福特Ｌａｔｏｓｃａ

２）负升力翼装在车尾部，产生垂直向下气动力的翼型元件。

负升力翼主要用于车速极高的竞赛跑道汽车，如一级方程式赛车（ＦｏｒｕｍＩ）。

它是个具有负冲角并且翻转过来的机要，其冲角可根据车速、转向等情况调节。

以满足高速车对附着力和稳定性的高级要求。

这种元件通常采用不易变形、具有优良尺寸稳定性和一定硬度的特殊材料（如专用树脂及金属材料等）制成，如图３所示．ｏ

图３保时捷尾郡扰流板的发展进程

２．２．３减小扰流的措施

汽车外表面上总有若干小的零件，如后视镜、雨刷、门把手、车标及各种装饰件等。

这些突起（或下凹）的零件或局部表面会对汽车周围的总流场发生干扰作用。

对于一般的轿车，所有这些造型细部零件迭加的复合影响约占总阻力系数的１．５％～

万方数据

３％。

但除了直接干涉外，它们有时还会对某一特定汽车的空气动力学特性以更大的、且常常是意想不到的影响，例如可能过早地诱发主流的脱体分离而使形状阻力大增。

此外，这些附件又常是汽车气流噪声的声源，因而应该使它们形状得以优化或数量尽量减少。

要减小空气阻力，应尽量去掉车身表面的凸起物，如采用粘贴工艺来固定车窗玻璃，雨刮在不工作时应将刮杆和刮片置于风挡下端凹槽内。

另外，适当提高离地间隙、改善底板不平度、设置轮罩及侧护罩等光滑车身表面的措施都有助于减少湍流。

２．３降低横向侧摆力的措施

汽车在行进过程中可能会受横向风等不稳定性因素干扰，在高速行车时表现十分明显。

风压中心与汽车质心的距离越小，横向侧摆力矩就越小，因此可以通过改变风压中心与质心的相对位置来改善侧向稳定性（与行车安全性和乘坐舒适性相关联）。

而风压中心的位置取决于汽车各处横断面轮廓和侧向投影面积形心，因此短背式汽车的稳定性要比直背式汽车好。

后尾部还可以设置垂直尾翼来增大车身面积，使风压中心后移。

图４为Ａ・ＭｏｒｅＵｉ教授设计、意大利平宁法尼纳（Ｐｉｎｉｎｆａｒｉｎａ）公司制作的ＰＦ—Ｘ型样车，早在１９６０年就达到了Ｃｄ等于０．２２的水平，然而其实用性却相当有限（包括４个车轮呈菱形布置）。

前面提到的厄尔的作品大多具有该种特征，横摆力矩减小了，但侧向力随之增大，所以总体效果并不理想。

厄尔的这种高尾鳍风格装饰手法，更多地是从满足人们视觉心理需求出发的，其审美功能大于结构功能。

图４ＰｉｎｉｎｆａｒｉｎａＰＦ—Ｘ型车

３气动性的视觉语言符号

综上所述，强化汽车的空气动力学性能的视觉语义主要表现在：

１）流线型的基本形体

第２２卷第３期李卓等：

车身设计中空气动力学特征的视觉表达

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人们对车身认识的第一印象往往来自于瞬间无意识的判断，因此，具有一个好的形态是增强气动性性能的首要要素。

在科幻电影中．这一点往往被发挥到极致。

各种各样的理想形态都可能被拿来作为车身骨架。

为弥补车身制造技术的限制。

利用适当的分色可以引导人们视觉感受，这一点在日常生活中有广泛的应用。

比如正投影面积很大的旅游巴士往往用双色涂贴车身，令色彩重心下沉；普通的轿车也在侧车身有意强调斜向向后掠过的腰线和装饰条，令车身“伏下”。

这些手法都是为了引导视觉感受。

２）光滑、封闭的车身

利用现代科技可以实现最大程度的减少可能引起扰流的附件，如增加封闭式轮罩、用隐藏式摄像仪代替后视镜、去除门把手采用遥控或语音锁等，令车身尽量“干净”，图５中，奥迪公司１９９３年的Ｓｔｒｏｍｌｉｎｉｅｎ

ＲｅｎｎｗａｇｅｎＴｙｐＣ

图５

ＳｔｒｏｍｌｉｎｉｅｎＲｅｎｎｗａｇｅｎＴｙｐ

Ｃ和ＲＳＱ概念车

了车轮带来的扰流（一级方程式赛车车轮引起的空气阻力约占总阻力的４５％），另外各种高科技工具取代了车身表面附件，令整车性能大大提高。

３）适当地辅助能够强化气动性的附件车身表面光滑流畅并不意味一定是个球型或水滴型，可以适当添加附件加以优化。

例如在车身局部开通气孔，达到分流和冷却功效，对汽车动力性最大化发挥提供了保障，是十分科学的。

此外，安装可以调节的尾翼．也是提高气动性和稳定操控性的重要手段。

针对汽车气动性的设计方法如图６。

２００４年的ＲＳＱ概

念车即典型设计。

其中奥迪ＲＳＱ采用球形机构来代替轮胎，不仅实现了万向转向，而且也有效降低

油泥模型

ｈ广－—一造型细化、调整

Ｌ＜≮芝兰岁

没通过

弋芝！

箩一

（材料、－ｒ艺、可行性研究）

图６车身气动性造型设计流程

４

结论

追求楔型风格和表面平滑化是得到良好气动

完成，并进行虚拟验证等工作，车身形态已日臻合理。

性、强化空气动力性能视觉感受的重要手段。

造型要在遵循基本的空气动力学原理的前提下进行，首先获得整体具备出色气动特性的适当“理想基本形”，再进行局部优化，通过对其进行局部几何修整及加装少量气动部件，发展成同时满足功能、工艺学、人体工程学、安全法规及审美效果等方面要求的车身造型。

目前，各主机厂已经广泛采取了计算机辅助空气动力学（ＣＡＡ）、辅助造型（ＣＡＳ）和风洞仿真实验等新技术，以计算机数值与图象处理方式

参考文献：

［１］Ａ・ＭｏｒｅｌｌｉＡｌｔｅｍａｔｉｖｅ

ｐｏｓｉｕｍＡｕｔｏ

Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ

Ｓｙｓｔｅｍｓ．ＥｕｒｏｐｅａｎＳｙｍ—

Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．ＣＥＣ，２０００［Ｊ］．Ｂｒｕｓｓｅｌｓ：

１９９２．

［２］黄向东．汽车空气动力学与车身造型［Ｃ］．北京：

人民交

通出版社．２０００．

［３］傅立敏．汽车空气动力学Ｃｃ］．北京：

机械工程出版社，１９９８，［４］姜乐华，黄天泽．空气动力性最优化对未来汽车外形设

计的影响［Ｊ］．汽车研究与开发，１９９７，（５）：

２５—２７．［５］黄向东．预测和确定汽车气动特性的新理论模型［Ｊ］．

汽车工程，１９９４，１６（６）：

３５４—３６０．

万方数据