武守輝 查小江 苗宇 郝敬博 潘玉龍 馬東旺

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。但是，汽車尾氣排放會(huì)導(dǎo)致環(huán)境變差，伴隨化石能源的減少，進(jìn)行電動(dòng)汽車車身低風(fēng)阻設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要。本文首先闡述了電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后深入研究了電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)的影響因素，最后在汽車空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)車身進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低風(fēng)阻的目的。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;低風(fēng)阻設(shè)計(jì);車身優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U462文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）23-0066-03

Abstract： In recent years， China's economy has developed rapidly and the scale of the automobile industry has continued to expand. However， automobile exhaust emissions will lead to environmental degradation， with the reduction of fossil energy， low-resistance design of electric vehicle bodies becomes crucial. This paper first described the development status of electric vehicle body design， then deeply studied of the influencing factors of electric vehicle body design， and finally optimized the body on the basis of automobile aerodynamics to achieve the purpose of reducing wind resistance.

Keywords： electric vehicle;low wind resistance design;optimization of car body

現(xiàn)階段，世界能源問(wèn)題和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題十分嚴(yán)重，汽車行業(yè)面臨著巨大的發(fā)展困難。目前，我國(guó)汽車的內(nèi)燃機(jī)熱效率較低，燃料燃燒產(chǎn)生的熱能只有35%～40%用于汽車行駛，使得石油資源更加短缺[1]。同時(shí)，汽車保有量直線上升，更加重了環(huán)境污染，因此電動(dòng)汽車的研發(fā)任務(wù)艱巨。車身設(shè)計(jì)在電動(dòng)汽車研發(fā)中占據(jù)重要地位。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，車身設(shè)計(jì)愈來(lái)愈受到關(guān)注。目前，我國(guó)市場(chǎng)上大多數(shù)車身設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，難以有效滿足消費(fèi)者的需求;我國(guó)車身成型計(jì)劃進(jìn)展遲緩，迫切需要加快步伐。因此，電動(dòng)汽車制造商要精心設(shè)計(jì)車身形狀，提供性能良好而且外觀精美的新車型，激發(fā)消費(fèi)者的購(gòu)買意愿。本文結(jié)合低風(fēng)阻汽車車身設(shè)計(jì)的研究成果，探索了電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，研究了電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)的影響因素，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理對(duì)電動(dòng)汽車車身進(jìn)行優(yōu)化，以期有效降低風(fēng)阻。

1 電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國(guó)電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)偏少，部分制造商為了在短時(shí)間內(nèi)提升銷量，直接利用國(guó)外車型，但是設(shè)計(jì)水平很難提高，最終會(huì)失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，許多合資汽車制造商不在中國(guó)進(jìn)行車身制造。近年來(lái)，比亞迪、吉利、一汽等中國(guó)汽車制造商正在追趕國(guó)外汽車制造商的設(shè)計(jì)步伐，都設(shè)計(jì)出屬于自己的電動(dòng)汽車車身，表明國(guó)內(nèi)汽車制造商對(duì)電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)的興趣日益濃厚。

電動(dòng)汽車相關(guān)設(shè)備的大規(guī)模建設(shè)受到世界各國(guó)政策的鼓勵(lì)。隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外汽車制造商帶頭制造電動(dòng)汽車，逐步增加電動(dòng)汽車產(chǎn)量，并且深入研究車身設(shè)計(jì)。美國(guó)特斯拉公司是世界電動(dòng)汽車技術(shù)的領(lǐng)跑者，首先將鋰離子電池用于電動(dòng)汽車中，沖破了續(xù)航里程和安全性兩大電動(dòng)汽車技術(shù)瓶頸，引領(lǐng)電動(dòng)汽車行業(yè)的成長(zhǎng)[2]。在電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)中，人們要以空氣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，大力進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，有效降低風(fēng)阻。

2 電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)的影響因素

2.1 動(dòng)力布置對(duì)汽車車身設(shè)計(jì)的影響

汽車車身設(shè)計(jì)要始終考慮汽車車身的整體布局。車身動(dòng)力布局影響車身設(shè)計(jì)，這些限制可以說(shuō)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。通過(guò)參照車身的控制虛線和控制結(jié)構(gòu)可知，車身主體部分和相關(guān)部分是車身設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

電動(dòng)汽車主要使用電力，電動(dòng)機(jī)取替了發(fā)動(dòng)機(jī)，電氣控制系統(tǒng)代替了變速箱，電池代替了油箱。車橋采用帶電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車輪的形式。這些動(dòng)力裝置的改變將影響車身設(shè)計(jì)。將經(jīng)常更換的零件放在頂部，將易碎的零件放在底部，將電池管理系統(tǒng)、電池轉(zhuǎn)換模塊和電瓶放在一起，以便降低成本。因此，車身設(shè)計(jì)需要留有足夠的運(yùn)動(dòng)空間，確保每個(gè)部分之間留有一定間隙，防止車輛散熱不良而引起電池過(guò)熱。

2.2 空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車車身設(shè)計(jì)的影響

空氣動(dòng)力學(xué)可以應(yīng)用于汽車車身建模，主要考慮兩個(gè)因素，一是降低風(fēng)阻系數(shù)，二是降低高速和側(cè)風(fēng)條件下的提升力和側(cè)向力。作為空氣動(dòng)力學(xué)研究的一項(xiàng)核心任務(wù)，所有車輛車身建模設(shè)計(jì)對(duì)低風(fēng)力和低功率都有一定要求。

人們可以通過(guò)兩種有效的方法來(lái)降低汽車風(fēng)阻系數(shù)。一是將風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。二是從具有低風(fēng)阻系數(shù)的汽車整形開(kāi)始，逐漸將其形狀更改為滿足美學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)要求的汽車產(chǎn)品。降低高速和側(cè)風(fēng)情況下的提升力和側(cè)向力至關(guān)重要。在汽車的高速行駛中，車體上部和下部之間的氣流速度不同，這導(dǎo)致車體的上部和下部之間產(chǎn)生壓力差和升力，直接影響駕駛穩(wěn)定性[3]。

2.3 汽車結(jié)構(gòu)因素對(duì)汽車車身設(shè)計(jì)的影響

基于機(jī)械原理的結(jié)構(gòu)功能、結(jié)構(gòu)方法和結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要對(duì)汽車進(jìn)行整體建模，而不需要計(jì)算汽車的車身結(jié)構(gòu)。在保證汽車功能的前提下，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，使汽車車身造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。車身結(jié)構(gòu)是汽車的支撐結(jié)構(gòu)，是汽車建模設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。人們要根據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)特征，合理選擇汽車結(jié)構(gòu)建模方法，優(yōu)化車身設(shè)計(jì)。

3 基于空氣動(dòng)力學(xué)的汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)力特性是汽車的基礎(chǔ)特性，對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性、安全性等具有很大的影響。隨著汽車行駛速度的加快，人們?cè)絹?lái)越重視汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究，空氣動(dòng)力學(xué)已經(jīng)被列入汽車車身設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)學(xué)科。

3.1 汽車的空氣阻力

空氣看不到也摸不到，具有黏滯性，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，空氣會(huì)產(chǎn)生阻力。這些阻力會(huì)影響汽車的行駛狀況，因此為了解決這一問(wèn)題，汽車制造商在開(kāi)發(fā)新車時(shí)將空氣阻力問(wèn)題列為首先要解決的任務(wù)。低風(fēng)阻的車型不僅外觀看起來(lái)流暢、很酷，而且在高速行駛時(shí)會(huì)降低風(fēng)噪。氣動(dòng)阻力[Fx]的計(jì)算公式為：

由式（2）可知，隨著空氣阻力[Fx]的降低，燃油消耗[Q]逐漸減小。

當(dāng)然，空氣阻力[Fx]對(duì)燃油消耗的影響也與路況、車況、發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，并不能一味使用公式計(jì)算。目前，各類汽車的空氣阻力系數(shù)[CD]如表1所示。

3.2 汽車車身外形優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化前臉設(shè)計(jì)是降低汽車風(fēng)阻的有效方法。在前臉設(shè)計(jì)中，很多因素或多或少地影響空氣阻力，如前臉形狀、前保險(xiǎn)杠的形狀和位置、進(jìn)氣口的形狀和位置等。根據(jù)以往各大汽車制造商車型的前臉設(shè)計(jì)可知，汽車車頭的各個(gè)棱角的平滑連接可以有效阻止氣流的分離，以降低風(fēng)阻系數(shù)[CD][5]。

前保險(xiǎn)杠的形狀應(yīng)該設(shè)計(jì)成凸形，表面保持光滑，保證汽車行駛時(shí)可以順利將氣流分流到車身后部，不讓氣體在車身外邊逗留，以免風(fēng)阻影響汽車行駛速度。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋與前擋風(fēng)玻璃一般都有縱向和橫向曲率?？v向曲率影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋上面的氣體流動(dòng);橫向曲率影響側(cè)向氣流的流動(dòng)。合理的曲率可以減少空氣阻力。一般來(lái)說(shuō)，前擋風(fēng)玻璃與水平線的夾角為25°～30°時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)[CD]最低[6]。

汽車行駛時(shí)，雖然車身側(cè)面不是直接產(chǎn)生阻力的區(qū)域，但氣流被汽車前段分流后也會(huì)與其接觸，因此汽車側(cè)面同樣會(huì)影響汽車空氣動(dòng)力性能。車身前段與側(cè)面的拐角處最有可能產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致氣流形狀變化。因此，拐角處應(yīng)該設(shè)計(jì)圓滑，避免出現(xiàn)棱角。

4 車身總體設(shè)計(jì)

車身總布置的設(shè)計(jì)是整部車設(shè)計(jì)的至關(guān)重要的部分，它決定了車身的形狀、內(nèi)部裝置的安放、乘坐的舒適度以及整車的使用性能。

在進(jìn)行總體布置的時(shí)期，要考慮到駕駛員體型的不同。測(cè)量那些體型不同的群體的尺寸，然后在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)定一些專門(mén)對(duì)這些不同尺寸群體的乘坐舒適范圍，以供駕駛員調(diào)試。如表2所示，這里提供五組乘坐空間的尺寸范圍。

在這個(gè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)用到百分位這種測(cè)量人體學(xué)中的術(shù)語(yǔ)。它表示小于該尺寸的人數(shù)占總統(tǒng)計(jì)人數(shù)的百分比。以95th百分位為例，它表示人群中大概有95%的人小于這個(gè)尺寸，5%的人大于這個(gè)尺寸。最常用的就是5th，50th，95th這三個(gè)百分位尺寸，它們分別表示小、中、大這三種尺寸[7]。

5 結(jié)論

本文研究了汽車車身設(shè)計(jì)的影響因素，并利用空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)電動(dòng)汽車的車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車身優(yōu)化設(shè)計(jì)主要受汽車動(dòng)力布置、空氣動(dòng)力學(xué)以及車身結(jié)構(gòu)等方面的影響;車身外部具有棱角的部位應(yīng)設(shè)計(jì)成平滑連接，以降低空氣阻力系數(shù)，避免產(chǎn)生渦流，達(dá)到低風(fēng)阻的要求;電動(dòng)汽車低風(fēng)阻車身設(shè)計(jì)不僅可以提高消費(fèi)者的購(gòu)買力、合理利用能源、降低污染物的排放量，還可以提高我國(guó)電動(dòng)汽車在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳會(huì)敏.我國(guó)新能源汽車的現(xiàn)狀及前景分析[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[2]肖何，楊陽(yáng).2014年全球電動(dòng)汽車銷量突破35萬(wàn)輛 同比増長(zhǎng)56.78%[N].中國(guó)電池雜志，2015-03-25.

[3]姜樂(lè)華，谷正氣，黃天澤.空氣動(dòng)力性最優(yōu)化對(duì)未來(lái)汽車外形設(shè)計(jì)的影響[J].設(shè)計(jì)與計(jì)算，1997（5）：25-27.

[4]林程，王文偉，陳瀟凱.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[5]鄒欣，楊洋.汽車外形設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6]徐家川，王翠萍.汽車車身計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[7]曲曉峰，汽車造型的演變[J].中國(guó)機(jī)電工業(yè)，2002（1）：53-55.