電動汽車車身造型的優(yōu)化分析

胡西杰 李紅

摘 要：隨著日益突出的環(huán)境問題和能源短缺，新能源汽車特別是純電動汽車逐漸占據(jù)越來越多的市場，早期的電動汽車考慮到成本原因大多是沿用的汽油車的車身造型，這導(dǎo)致了一系列諸如氣動阻力高，市場競爭力弱等問題。而有針對性地對車身造型進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)以適應(yīng)新能源汽車的特點(diǎn)則是提升汽車能源效率的關(guān)鍵點(diǎn)之一。本文先是對新能源汽車市場現(xiàn)狀和汽車的空氣動力學(xué)做了簡要概括，列舉了現(xiàn)階段主要的車身造型和一些由于車身造型設(shè)計(jì)缺陷容易出現(xiàn)的問題，接著提出車身外形仿真優(yōu)化的一般步驟，最后提出新能源汽車造型設(shè)計(jì)的主要方向以及每個設(shè)計(jì)方向的主要特點(diǎn)，主要以氣動阻力和升力為評價(jià)指標(biāo)來判斷每個設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后的車身設(shè)計(jì)提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 汽車空氣動力學(xué) 氣動阻力 造型設(shè)計(jì)

Abstract：With the increasingly prominent environmental problems and energy shortage， new energy vehicles， especially pure electric vehicles have gradually occupied more and more markets. Considering the cost， the early electric vehicles mostly used the body shape of gasoline vehicles， which led to a series of problems such as high aerodynamic resistance and weak market competitiveness. It is one of the key points to improve the energy efficiency of vehicles to design the body to adapt to the characteristics of new energy vehicles. This paper first makes a brief summary of the current situation of the new energy vehicle market and the automobile aerodynamics， lists the main body modeling at the present stage and some problems that are easy to appear due to the body modeling design defects， then puts forward the general steps of the body shape simulation optimization， and finally puts forward the main direction of the new energy vehicle modeling design and the main characteristics of each design direction. The advantages and disadvantages of each design are judged mainly by aerodynamic drag and lift force， which provides some experience for the future body design.

Key words：new energy vehicles， automotive aerodynamics， aerodynamic resistance， modeling design

1 前言

盡管電動汽車在十九世紀(jì)就被法國工程師古斯塔夫·特魯夫發(fā)明，但是由于當(dāng)時(shí)的電池和電機(jī)電控技術(shù)的限制并沒有大規(guī)模普及開來，然而隨著二十一世紀(jì)節(jié)能與環(huán)保成為時(shí)代主題與國家對于能源安全的綜合考慮，在加上各項(xiàng)技術(shù)的逐漸成熟，各種新能源汽車尤其是電車逐漸占據(jù)越來越多的市場份額。據(jù)了解，電車從一百萬輛到兩百萬輛花了五年的時(shí)間，從兩百到三百僅僅花了兩年半，可見增速驚人[1]，截至2022年九月底，電動汽車保有量已經(jīng)超過九百萬輛。但是電動汽車由于結(jié)構(gòu)的差別導(dǎo)致早期一些沿用油車的電車出現(xiàn)了較多的問題，廣州美術(shù)學(xué)院李勇認(rèn)為純電動汽車產(chǎn)品應(yīng)展現(xiàn)更加多元化的外觀和造型設(shè)計(jì)[2]；東南大學(xué)的劉魯軍同樣認(rèn)為良好的車身造型設(shè)計(jì)會向消費(fèi)者展現(xiàn)美感，在消費(fèi)者心中的好感提升，令消費(fèi)者增加占有欲。雖然目前越來越多的企業(yè)推出了全新設(shè)計(jì)的電車，但是其風(fēng)阻造型仍然沒有達(dá)到允許范圍內(nèi)的最優(yōu)化，導(dǎo)致本就處于劣勢的續(xù)航更是被人詬病，不利于電車的長期發(fā)展。因此研究車身形狀以及車身上加裝降低阻力的部件很有必要。

2 汽車空氣動力學(xué)主要概述

2.1 汽車的受力情況

汽車空氣動力學(xué)是研究空氣的流動與汽車在相對運(yùn)動過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象及作用規(guī)律的一門學(xué)科[3]。汽車空氣動力特性是指汽車正常行駛過程中會受到空氣中的多種力和力矩作用，本文研究的就包括氣動阻力、氣動升力及氣動側(cè)向力，而且往往三個力不會與汽車的質(zhì)心重合，這就又產(chǎn)生了三個力矩，它們互相作用一起對汽車的行駛過程施加影響，它是汽車的重要性能，具體如圖１所示。

2.2 空氣動力學(xué)的主要研究內(nèi)容

（1）研究汽車正常行駛時(shí)受到的三個力和力矩是以一種什么樣的規(guī)律影響汽車的經(jīng)濟(jì)性、操作穩(wěn)定性和動力性的。

（2）研究如何使發(fā)動機(jī)在一個最合適的溫度下工作。

（3）研究汽車空調(diào)的氣流循環(huán)。

（4）研究由空氣流動和輪胎轉(zhuǎn)動及摩擦引起的噪聲及汽車后窗處上升渦流導(dǎo)致的雜物塵土上卷等多種流場特性[4]。近些年來，更多的注重了氣動噪聲相關(guān)的氣動特性的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，數(shù)值流體分析依靠其準(zhǔn)確性和方便性贏得了越來越多的信任。

2.3 車輛空氣動力特性與車輛動力性的關(guān)系

（1）俯仰力矩和氣動升力與車輛的操縱穩(wěn)定性的關(guān)系

氣動升力因?yàn)楹椭亓Φ姆较蛳喾矗栽谲嚫咚傩旭傔^程中，隨著升力不斷增大會抵消一部分重力導(dǎo)致車輪和地面的接觸面積減少最終降低附著力，附著力減小很有可能導(dǎo)致輪胎的轉(zhuǎn)向能力受到較大影響[5]。同樣的，氣動力升高也會使驅(qū)動輪提供的最大驅(qū)動力減小，從而影響車輛的操縱穩(wěn)定性。若是一輛車的重心靠后而且質(zhì)量比較小，那么升力的影響效果將更為突出，會大大影響車輛的整體性能。

（2）橫擺力矩和側(cè)向力與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系

車輛在正常行駛中若受到一定角度的力例如風(fēng)力作用時(shí)，通常將力分解后會發(fā)現(xiàn)在y軸方向受到一個側(cè)向力，一般情況下側(cè)向力的合力經(jīng)常不會作用在原點(diǎn)。它們之間的距離就會產(chǎn)生一個繞z軸的力矩即橫擺力矩（偏航力矩）。一般來說原點(diǎn)就是一輛車的質(zhì)心處，空氣作用在車上的載荷的等效作用點(diǎn)稱之為風(fēng)壓中心，若是風(fēng)壓中心在質(zhì)心之前，就會導(dǎo)致車輛行駛時(shí)受到的側(cè)向力和橫擺力矩都使車輛有偏離行進(jìn)路線的趨勢，這會大大降低操縱穩(wěn)定性。若是風(fēng)壓中心在質(zhì)心之后，當(dāng)側(cè)向力使車有偏離的趨勢時(shí)，橫擺力矩會糾正這個趨勢從而保持正確的行進(jìn)路線，這也是為什么現(xiàn)在大多數(shù)汽車采用楔形車身的原因。

（3）側(cè)傾力矩與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系

車輛在正常行駛中若受到一定角度的力例如風(fēng)力作用，通常會受到一個繞x軸的側(cè)傾力矩（翻滾力矩）[6]。由于車輛各部件是一個整體，因此車身外殼受到的力會通過懸架等裝置傳遞到車輪處，從而導(dǎo)致車輪出的受力不均勻，有可能會導(dǎo)致輪胎的磨損不一致和車輛轉(zhuǎn)向特性的改變，對于車輛的操縱穩(wěn)定性是一個威脅。

3 電動汽車主要的車身造型

目前市面上的電動汽車的主要車身造型和油車的造型差距不大并不能完全展現(xiàn)其電動特性，設(shè)計(jì)上缺乏創(chuàng)新且可識別度不高[7]，從與傳統(tǒng)車對照的角度看，當(dāng)代電車造型總體上可分為三個大類[8]：

（1）車體基于現(xiàn)有車型，特點(diǎn)是只針對動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行了有限的改造，其他部分大都沿用以前的設(shè)計(jì)，這樣做可以減少成本而且開發(fā)周期短，有利于占領(lǐng)市場。例如圖２大眾高爾夫電動版，奧迪A8電動版等。

（2）整車進(jìn)行顛覆性的設(shè)計(jì)，特點(diǎn)是為了突出電動的特征和追求極致的新穎性，相對傳統(tǒng)車顯得很“另類”，例如圖3奔馳的EQXX和寶馬的i Vision Dynamics。

（3）基于傳統(tǒng)車風(fēng)格的全新設(shè)計(jì)，在前兩種之間，造型進(jìn)行了基于電車的適配，但總體和油車很像，目前市場上大量推出的就是這種，具有代表性的有圖四比亞迪海豹，特斯拉Model 3，小鵬p7等車。

4 電動汽車造型帶來的主要問題

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車速為80km/h時(shí)，氣動阻力與滾動阻力無明顯差距，當(dāng)速度到達(dá) 150km/h時(shí)，氣動阻力是滾動阻力的2～3倍[9]。對于空氣阻力本身來說，其主要由形狀阻力、誘導(dǎo)阻力、摩擦阻力、干擾阻力和內(nèi)部阻力組成，如圖五所示。正常車速行駛時(shí)形狀阻力約占50%-60%，而車身外形又可以很大程度上地影響形狀阻力，因此一款優(yōu)秀的氣動外形對于電動汽車來說非常重要。對于電動汽車而言，目前其主要續(xù)航里程為300-700公里，較之燃油車差距較大，帶來的主要問題有：

（1）抗側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性差，容易發(fā)生甩尾偏離航道等問題，這種在重心高車身短的車型上尤為明顯，例如五菱宏光mini，因此很多這種車型只適合在城市中代步，一旦上了高速就可能車身不穩(wěn)。

（2）對于電車的理解不足導(dǎo)致缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，車輛風(fēng)阻大，電消耗量大，續(xù)航短。早期油改電車型普遍存在這些問題。最顯著的就是各個公司推出的油車電動版，由于油車的續(xù)航普遍較長因此一些氣動外形設(shè)計(jì)起初并不會特意地考慮到續(xù)航問題，但是放到電車上結(jié)合其并不出眾的續(xù)航就是硬傷了。

（3）造型落后于大眾審美，對于消費(fèi)者缺乏視覺上的吸引力，很難提起購買的欲望。

汽車造型設(shè)計(jì)要綜合考慮機(jī)械工程學(xué)、人機(jī)工程學(xué)和空氣動力學(xué)三個方面要素，汽車的基本骨架取決于機(jī)械工程學(xué)和人機(jī)工程學(xué)，約束著車身的整體尺寸，空氣動力學(xué)則是對造型設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評判，與汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)型和操縱穩(wěn)定性有著直接相關(guān)性，同時(shí)影響汽車的使用安全性[9]。

5 電動汽車造型的仿真優(yōu)化

5.1 汽車造型仿真優(yōu)化的一般步驟

首先仿真優(yōu)化的一般步驟是根據(jù)圖紙或者實(shí)車建立三維模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)定邊界條件求解方法，殘差設(shè)置定義報(bào)告等一系列前處理操作，接著帶入流體軟件如ANSYS FLUENT中進(jìn)行仿真分析，根據(jù)初始模型與優(yōu)化后的模型得出的結(jié)果的差異性進(jìn)行分析，得出不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者邊界條件的最優(yōu)解，最后進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般來說風(fēng)洞試驗(yàn)是最直接有效的測定汽車外形各項(xiàng)參數(shù)的方法，但是基于現(xiàn)實(shí)來說很多地方都沒有那么完善的場地資金條件支撐，而且風(fēng)洞試驗(yàn)相比仿真分析也有著一些自身的劣勢，比如說容易出現(xiàn)阻塞效應(yīng)和地板附面層等現(xiàn)象會給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差，而且風(fēng)洞試驗(yàn)只能在有限個截面和有限個點(diǎn)處測試速度、壓力溫度值、不可能獲得整個流場中任意點(diǎn)的詳細(xì)信息，這對于要求多個數(shù)據(jù)組的實(shí)驗(yàn)來說很不友好。因此現(xiàn)在大部分的工作由仿真分析來完成，從中可以實(shí)驗(yàn)成百上千的對照組直至找出最優(yōu)解，最后交由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來得出現(xiàn)實(shí)情況下的數(shù)據(jù)，只要結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)就可以了。

5.2 汽車造型仿真優(yōu)化的一般方向

一般來說汽車的外形設(shè)計(jì)有兩個大的方向：其一為根據(jù)理想的低空氣阻力外形逐步向汽車外形靠攏，在滿足人機(jī)工程學(xué)和機(jī)械工程學(xué)的情況下盡量保證最低的風(fēng)阻系數(shù)[10]；其二則是根據(jù)市場上現(xiàn)有的某款較優(yōu)秀的車身外形對其進(jìn)行或整體或局部的修改從而達(dá)到優(yōu)化風(fēng)阻的目的。本文的切入點(diǎn)就是對車輛進(jìn)行局部修改從而提高車身的整體空氣動力性能。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般有以下幾點(diǎn)思路。

（1）封窗玻璃和發(fā)動機(jī)蓋夾角盡量小

汽車前部氣流通常自發(fā)動機(jī)罩沿向上傾斜的表面移動，此時(shí)空氣速度逐漸增大，但是由于在車窗出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，氣流受到阻擋流速降低就會出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象，減小夾角有助于氣流推遲分離并提前附著，減小車窗前的渦流區(qū)。一般來說前擋風(fēng)玻璃與水平線的夾角為25°-30°時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)最低[11]。

（2）車身圓滑過渡

車身表面的突起物例如門把手雨刮器等會使附面層加厚導(dǎo)致氣流容易分離，早期棱角分明的肌肉車身就容易有這些問題。對車身進(jìn)行圓滑設(shè)計(jì)主要可以減少摩擦阻力和干擾阻力。

（3）保險(xiǎn)杠下方加前擾流板

有利于減少進(jìn)入底部的氣流量，還能使底部氣流順利地向尾部或側(cè)面流動，并保持一定的流速，使升力系數(shù)下降。

（4）汽車底盤向兩側(cè)面稍微翹起一定的角度

有利于底部的氣流向兩側(cè)流出，加快了底部的氣流速度從而降低升力。

（5）安裝后擾流板

在擾流器前形成局部高壓區(qū)，可減少空氣升力，增加汽車附著力，有利提高轉(zhuǎn)向性能；使氣流在擾流器上穩(wěn)定地分離，可減少誘導(dǎo)阻力；有的后擾流器對氣流的導(dǎo)向，可推遲分離，清潔后窗。

（6）盡量減小或消除車頭格柵

電動汽車由于沒有發(fā)動機(jī)等需要風(fēng)冷的設(shè)備因此不需要前面開口以利于氣流進(jìn)入車身內(nèi)部進(jìn)行散熱，減小格柵面積有利于減小內(nèi)部阻力。

6 結(jié)束語

本文首先對于市面上主要的電車車型進(jìn)行了羅列分析，接著接著對于目前造型的主要問題做了簡單的陳述，解釋了電動汽車進(jìn)行全新的低風(fēng)阻設(shè)計(jì)的必要性，最后列舉了幾種具體的汽車外形低風(fēng)阻優(yōu)化方法并分析了具體的作用，為以后電動汽車的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)方向和思路，有利于在當(dāng)前的時(shí)代大背景下幫助抓住機(jī)遇，占領(lǐng)市場。

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