汽車車身造型設(shè)計(jì)方法

王瑞麗

(樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 樂山614000)

1 汽車車身造型發(fā)展歷程

自1886年第一輛汽車誕生以來,汽車車身造型經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展歷程。汽車車身造型從其成型開始,大致經(jīng)歷了一下七個(gè)發(fā)展階段：馬車型汽車、箱型汽車、甲殼蟲型汽車、船型汽車、魚型汽車、楔型汽車和流線型汽車。

在每一個(gè)發(fā)展階段,設(shè)計(jì)師們從機(jī)械工程學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、人體工程學(xué)、美學(xué)等各個(gè)方面著手設(shè)計(jì)汽車車身外形,力求從汽車造型過程中對(duì)汽車的實(shí)用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面得到改觀,盡可能多地滿足更多的人的需求。本文從空氣動(dòng)力學(xué)、人體工程學(xué)和美學(xué)三個(gè)方面簡(jiǎn)要闡述了汽車造型設(shè)計(jì)方法。

2 汽車車身造型中的空氣動(dòng)力學(xué)

汽車行駛過程中,空氣與汽車車身處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),汽車車身將受到來自空氣的各個(gè)方向的作用力,這就要求工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)汽車車身過程中,必須要考慮空氣動(dòng)力性能的影響,以保證汽車行駛過程中安全性、穩(wěn)定性,同時(shí)保證乘客及駕駛員的乘坐舒適性。

2.1 汽車前端外形對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響

如圖1所示。圖1上圖為原汽車外形的示意圖,在此基礎(chǔ)上,對(duì)汽車前端外形進(jìn)行改進(jìn),汽車各改進(jìn)后的前端所受到的空氣阻力系數(shù)如圖1下所示。從圖中可以看出,車頭前端造型的不同,將影響汽車運(yùn)行過程中受到的空氣阻力的大小。研究表明,汽車前端橫向邊角倒圓角,將減小汽車前部受到的氣動(dòng)阻力;從整體上看,車頭前端整體為流線型形狀的汽車要比車頭前端局部倒圓角的汽車受到的氣動(dòng)阻力小;在設(shè)計(jì)汽車前端為流線型結(jié)構(gòu)過程中,降低圖中的傾角,可以有效減低汽車前端受到的氣動(dòng)阻力系數(shù),但是該傾角一般不低于,當(dāng)其值低于時(shí),繼續(xù)降低該傾角,對(duì)汽車前端受到的氣動(dòng)阻力的影響變化不大。

2.2 汽車頂部形狀對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響

汽車頂部形狀的不同,其受到的氣動(dòng)阻力將發(fā)生相應(yīng)的變化。汽車頂部設(shè)計(jì)過程中,與汽車前端擋風(fēng)玻璃以及后端車窗玻璃處形成平滑過渡,同時(shí),頂部具有一定的曲面造型,可以使得汽車運(yùn)行過程中,有利于氣流平滑地通過汽車頂部,從而降低汽車頂部所受到的空氣阻力。在頂部曲面設(shè)計(jì)過程中,其正面投影增大,這反而會(huì)使得空氣阻力增大,所以,在設(shè)計(jì)過程中要同時(shí)考慮這兩方面因素的影響。

圖1 汽車前端外形對(duì)空氣阻力的影響特性曲線

圖2 汽車車頂部外形對(duì)氣動(dòng)阻力影響

圖2展示了汽車上撓系數(shù)與氣動(dòng)阻力之間的關(guān)系,從圖中可以看出,隨著上撓系數(shù)的增大,正投影面積引起的阻力逐漸增大,而實(shí)際車頂所受到的阻力隨著上撓系數(shù)的增大先減小后增大。所以,在設(shè)計(jì)汽車車頂時(shí),要綜合考慮汽車車頂上鼓程度及相應(yīng)的正投影面積,盡可能地降低車頂部所受到的空氣阻力。

2.3 汽車側(cè)面形狀對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響

汽車側(cè)面外形形狀的不同,其受到的氣動(dòng)阻力也會(huì)發(fā)生變化。研究表明,氣動(dòng)阻力大小與側(cè)面外形形狀的正面投影成正比,同時(shí),汽車側(cè)面流線型可以降低氣動(dòng)阻力。圖3展示了汽車俯視外輪廓線與氣動(dòng)阻力及正面投影之間的關(guān)系。從圖中可以看出,側(cè)面流線型外形在一定程度下有利于降低氣動(dòng)阻力,但由于曲面彎曲越大,對(duì)應(yīng)的正面投影面積增大,反而增大了氣動(dòng)阻力,因此,在汽車外形設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮這兩方面的因素,盡可能平衡兩種因素帶來的正面和負(fù)面效果,選擇出最佳的氣動(dòng)外形。

2.4 汽車尾部形狀對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響

汽車運(yùn)行過程中,氣流流經(jīng)氣流前端后,通過汽車頂部后會(huì)在汽車尾部形成混合氣流,從而在汽車尾部形成尾渦。根據(jù)汽車尾部形狀的不同,大體可分為四種類型,分別是階梯背式、斜背式、短背式、直背式。

對(duì)階梯背式而言,氣流流經(jīng)階梯形狀的汽車尾部過程中,在階梯傾斜面,氣流流動(dòng)較為平緩,但在階梯交接處,汽車流動(dòng)出現(xiàn)了分離現(xiàn)象;對(duì)斜背式而言,由于斜背式與車頂過渡較為平緩,氣流流經(jīng)斜背式車尾過程中,基本上能夠緊貼斜面流動(dòng),而不出現(xiàn)分離,這種情況下,汽車尾部收到的空氣阻力相對(duì)較小;對(duì)短背式汽車而言,由于汽車尾部下端傾角增大,導(dǎo)致汽車底部氣流通道在該處增大,氣流流速減小,能量也降低,使其受到的阻力增大;對(duì)直背式汽車而言,氣流流經(jīng)頂部后,頂部與尾部過渡更大,這使得氣流在流經(jīng)尾部過程中出現(xiàn)了分離現(xiàn)象,在汽車尾部形成分離渦,導(dǎo)致氣動(dòng)阻力增加。

圖3 汽車側(cè)面輪廓外形對(duì)氣動(dòng)阻力影響

總之,不論是汽車整體造型還是局部造型,不同的設(shè)計(jì)使其在行駛過程中受到的空氣阻力的影響不同,所以,在設(shè)計(jì)汽車外形過程中,要運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)的原理,綜合性的設(shè)計(jì)具有最優(yōu)化的汽車造型。

3 汽車車身造型中的人體工程學(xué)

人體工程學(xué),是20世紀(jì)50年代初發(fā)展起來的一門新興學(xué)科,其主要內(nèi)涵是將人和機(jī)械有機(jī)地結(jié)合起來,其目的在于研究和解決工程設(shè)計(jì)與人之間的關(guān)系。汽車作為人所應(yīng)用的交通工具之一,其設(shè)計(jì)過程中要考慮駕駛員的操作方便性、安全性、舒適性,同時(shí)還要考慮成員的乘坐舒適性、安全性等方面的因素,在設(shè)計(jì)過程中,人性化的理念貫穿于汽車造型設(shè)計(jì)的始終。

汽車發(fā)展過程中,人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念最早體現(xiàn)在船型汽車的設(shè)計(jì)上,之后,在汽車設(shè)計(jì)過程中,強(qiáng)調(diào)人為主題的設(shè)計(jì)思想。在汽車造型設(shè)計(jì)過程中,汽車整體尺寸的設(shè)計(jì)大小,綜合考慮了人的尺寸,這一應(yīng)用使得汽車設(shè)計(jì)過程中更為人性化,同時(shí),也滿足了大多數(shù)人乘坐汽車的需求。在汽車設(shè)計(jì)過程中駕駛員視野設(shè)計(jì)過程中同樣也應(yīng)用了人體工程學(xué)。根據(jù)對(duì)人眼視覺特性、視野效果的研究、試驗(yàn),確定汽車外觀造型件的設(shè)計(jì)滿足駕駛員視野要求的尺寸關(guān)系和位置關(guān)系,以保證駕駛員獲得正確的駕駛信息。

4 汽車造型中的美學(xué)

汽車造型設(shè)計(jì)過程中的美學(xué)不僅僅指汽車造型上的美,而是具有雙重含義,一方面指汽車物體本身,另一方面是它的精神功能,在設(shè)計(jì)過程中與藝術(shù)相結(jié)合,帶給滿足不同群體對(duì)美的追求,成為汽車設(shè)計(jì)過程中追求的準(zhǔn)則。

首先,在汽車造型設(shè)計(jì)過程中將科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合,將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于汽車的技術(shù)生產(chǎn),同時(shí),結(jié)合時(shí)代審美觀念,將藝術(shù)應(yīng)用于汽車造型中。新科技、新材料、新技術(shù)的使用體現(xiàn)了汽車的物質(zhì)功能,造型設(shè)計(jì)和美學(xué)藝術(shù)相結(jié)合,體現(xiàn)了各個(gè)發(fā)展時(shí)代過程中人們對(duì)美的追求。

其次,要體現(xiàn)功能美和時(shí)尚性。從功能上說,汽車作為人類的交通工具,它的使用是以人為載體,這就要求汽車在駕駛過程中具有安全性、穩(wěn)定性、可靠性;作為汽車內(nèi)的乘客,要求汽車具有乘坐舒適性、方便性和宜人性。從時(shí)尚性來說,時(shí)代在發(fā)展,人類發(fā)展的每一個(gè)階段,對(duì)審美的追求或多或少都有差別,這使得汽車在發(fā)展過程中,造型設(shè)計(jì)也要跟隨時(shí)代發(fā)展的要求,滿足當(dāng)代人們對(duì)審美的追求。如果汽車造型設(shè)計(jì)中的“形”“色”“質(zhì)”不再產(chǎn)生悅?cè)说男Ч?就會(huì)引起陳舊、單調(diào)和乏味,從而失去了心理上對(duì)美的追求,為了追求“形”“色”“質(zhì)”帶給人們的新穎,促使汽車造型設(shè)計(jì)發(fā)生演變。

最后,要體現(xiàn)創(chuàng)造性和經(jīng)濟(jì)性。創(chuàng)新是事物發(fā)展的前提,汽車的發(fā)展也不例外。從最早的馬車型發(fā)展至現(xiàn)在的楔形汽車,都是在每一次的創(chuàng)新的基礎(chǔ)上有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。任何產(chǎn)品的暢銷,都是集實(shí)用性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性于一體,汽車也不例外。汽車的實(shí)用性在于其性能、空間等適合于人們的要求;美觀性根據(jù)時(shí)代發(fā)展的特征,符合當(dāng)代人們的審美要求;經(jīng)濟(jì)性是從汽車生產(chǎn)制造過程中的材料、能源等各個(gè)方面降低成本,但同時(shí)要保證質(zhì)量,同時(shí),在汽車使用過程中降低油耗,從而降低成本。在今天,汽車作為重要的交通工具之一,只有充分考慮經(jīng)濟(jì)性,才能在汽車行業(yè)中獲得競(jìng)爭(zhēng)力和生存力。

綜上所述,汽車造型設(shè)計(jì)并不是憑空設(shè)想出來的,而是在造型設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)師門綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)、人體工程學(xué)、美學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí),設(shè)計(jì)出的汽車外形盡可能地降低氣動(dòng)阻力帶來的影響,同時(shí)保證駕駛員及乘客的乘坐舒適性、安全性。之后,從人們的精神層面出發(fā),引入美學(xué)中的人們對(duì)審美的要求,讓設(shè)計(jì)出的汽車造型帶給人們更多的精神、視覺享受。

[1]康全.基于空氣動(dòng)力學(xué)的轎車外形設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2008.

[2]傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]楊易,聶云,徐永康等.車尾造型對(duì)凹坑型非光滑車身氣動(dòng)減阻的影響[J].汽車工程,2015.

[4]穆存遠(yuǎn),張偉.人機(jī)工程學(xué)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2010,1(12).

[5]李松嶺.淺談汽車美學(xué)[J].汽車工業(yè)研究,2004.

[6]宋暢.淺談汽車的設(shè)計(jì)美學(xué)[J].中國(guó)科技博覽,2010.