你造吗? 汽车最大的敌人其实是风

发表于:2014-08-27作者 来源于:优生活
汽车与风,两者看似并无交集,却在互相影响着,经权威研究显示,在时速80公里下,60%的油耗都用于克服风阻,而到了110公里的时速,汽车阻力有70%都来自于风阻。除了油耗,风阻还会影响车辆的操控感、加速以及最高速度等特性。如果看到这样的事实,或许您就会对风阻系数“肃然起敬”了。下面我们就聊聊,汽车与风对抗的那些经典战役。
汽车一直在与风对抗
汽车一直在与风对抗

空气阻力究竟是如何算出的

虽然不是技术文,但笔者还是得先唠叨两句空气阻力的相关概念。简单说来,汽车行驶中所受的空气阻力可以归纳为这个公式:

汽车一直在与风对抗
汽车一直在与风对抗

其中,长得很像p的字母ρ(rou一声)指的是空气密度(初中物理的知识您不会忘了吧?),S指物体迎风面积,V是车辆与空气的相对运动速度,而C,指的就是风阻系数。显然,迎风面积和风阻系数是直接决定车辆所受风阻的要素。

汽车风阻在一定程度上限制了汽车设计的宽度
汽车风阻在一定程度上限制了汽车设计的宽度

影响车辆风阻系数的因素有很多,甚至包括雨刷器、后视镜、车顶行李架、广播天线等等的小细节,都会在极大程度上影响车辆的风阻。尤其当速度不断提升,风阻对车辆的影响将越来越大,降低风阻系数更是成为了重中之重。

对抗风阻 抹不掉的流线型

我们一谈到汽车外形,经常会提到“流线型”这个术语。的确,流线型车身能够最大程度减少车辆行驶中所受的空气阻力。我们现在见到的汽车中,流线型设计也占到了大多数。但在汽车诞生之初,流线型却并没有进入人们的视野。

曾经最畅销的福特T型车是典型的箱型汽车
曾经最畅销的福特T型车是典型的箱型汽车

绝大大多数早期的汽车,无论是马车型、还是箱型,都是方方正正的。尽管风靡一时,这样的设计却在事实上带来了较大的空气阻力。到了20世纪20至30年代,随着汽车技术的不断成熟,车速也不断提高。人们除了不断在发动机等核心部件上下大功夫之外,也意识到了车身变革的迫切性。空气动力学,这个在数百年前诞生的学科也走进了量产车的设计范畴中。挡风玻璃向侧后方弯曲、车顶高度尽量降低,同时划出一道曲线,与车尾部分柔顺地过渡、车辆大灯集成到车头线条内部——总之,一切与气流相接触的地方,设计师都要精益求精。无论是增添组件还是减少线条,一切新型设计其实都不仅仅是为了好看这么简单。

Camille Jenatzy与"La Jamais Contente"

Camille Jenatzy与"La Jamais Contente"

不过,概念车其实在每个时代都有,对车身形状的探索也早已开始。1899年,比利时人Camille Jenatzy驾驶着一辆名为"La Jamais Contente"(中文意为“永不满意”)的汽车,达到了105.882公里的时速。这也是人类历史上首次实现汽车时速超过100公里。值得一提的是,“永不满意”还是一辆电动车。如果观察一下车身,我们不难发现,车辆线条类似一枚炮弹,已经走上了流线型的道路。只不过,这辆车的设计依然有很大的缺陷,底盘极高、驾驶员位置高高凸起,四个车轮与车身轮廓不相融,这些都在很大程度上让汽车的空气动力学性能受损。

阿尔法-罗密欧的Aerodinamica
阿尔法-罗密欧的Aerodinamica

到了1914年,意大利的阿尔法-罗密欧又在流线型的探索道路中更进了一步。在Marco Ricotti定制的Aerodinamica原型车上使用了水滴状的车身(顺便说一句,这辆车的名字Aerodinamica,意思就是空气动力学)。在当时设计者的眼中,水滴状是最为理想的车身形状(水滴的风阻系数非常小,仅为0.05)。联想一下,这辆车车身的形状与飞机机翼非常相似。一般认为,飞机机翼也是流线型应用的最高境界。当然,汽车设计成绝对的流线型是不现实的。Aerodinamica只带有一个70马力发动机,最高时速达到了138公里,这在当时已经十分惊人了。

在柏林德意志技术博物馆中陈列的雨滴车Tropfenwagen
在柏林德意志技术博物馆中陈列的雨滴车Tropfenwagen

到了1919年,奥地利设计师Edmund Rumpler又开始打造雨滴车(Tropfenwagen)。在1921年的柏林车展上,这辆车旋一亮相便吸引了众人的目光。1979年,大众对这辆车进行了测试,结果显示,雨滴车的风阻系数仅为0.28,这个数字放到现在依然值得称赞。而同期生产的汽车,风阻系数大多在0.6左右。

流线型车终量产 风阻探索不停歇

在先驱者们的感召之下,一场延续至今的车身外形的大革命打响了。史料记载,从20世纪20年代起,宝马、梅赛德斯等车企都开始了流线型原型车的制造。而在当时,最热衷制造流线型汽车的,莫过于来自捷克的Tatra。这个品牌现在在中国被人戏称为“太拖拉”,而且更为我们熟知的其实是它的卡车。不过在20世纪二、三十年代,Tatra可是引领流线型造型的一代名家。这其中的关键人物是Paul Jaray,一位匈牙利裔的设计师。在与Tatra联手之前,他曾是一位优秀的飞艇设计师,而他研究的核心正是流线造型的应用。1927年,他建立了一家名为“流线型车身”的公司,专门进行流线型汽车车身的设计。此后不久,Tatra与他达成了合作。从1931年到1939年二战打响,Tatra共祭出了V570、T77、T87、T97这四款流线造型汽车。而T77也成为了世界上首款依照空气动力学原理设计的量产车。人们使用1:5比例的T77模型进行了风洞实验,发现T77的风阻系数只有0.2455。今天我们所开的汽车,大多数也达不到这个水平。除了流线型之外,T77还应用了独立悬挂、镁合金风冷V8发动机、干式油底壳等等一系列在当时非常先进的技术,可谓炫目异常。

1937年款Tatra T97与1938年的甲壳虫
1937年款Tatra T97与1938年的甲壳虫

值得一提的是,Tatra还影响到了大众的第一款车——甲壳虫。大众汽车的推动者希特勒曾经乘坐过Tatra汽车。在一次晚餐后,希特勒还曾告诉费迪南德·波尔舍,称要造出的就是Tatra这样的汽车。从1933年起,Tatra的负责人与设计师Ledwinka与波尔舍经常讨论他们的汽车设计理念。直到1938年,甲壳虫(当时还叫大众汽车1型)才正式下线。如果看看它的外形,谁也不能否认甲壳虫与Tatra一些车型的相似性。不过,私人交情和生意根本是两码事。看到甲壳虫与Tatra的车型如此相似,甚至就是抄袭,Tatra公司在将大众告上了法庭。不料,官司还没打完,二战就爆发了。希特勒闪电入侵捷克斯洛伐克,Tatra也被迫暂停了生产。直到二战后的1961年,Tatra和大众的官司才算结案——大众拿出了300万马克作为对Tatra的补偿。

除了Tatra之外,奥迪、宝马等车企也拿出了流线型的车身。例如奥迪的Auto Union Typ C,在法兰克福到海德堡的高速公路上曾经跑出过400公里的时速,而这样的成绩也得益于其0.237的风阻系数。

20世纪30年代美国的一款转笔刀
20世纪30年代美国的一款转笔刀

在大洋彼岸的美国,人们对流线型的追求简直成为了一种癫狂。抛开交通工具不说,就连家用电器、甚至是转笔刀这样的物件都像是风洞实验之后的产物。1934年,克莱斯勒打造了“气流车”Airflow。这款车向传统汽车外形告别,有着明显的流线型特征。只不过,当时的客户并不买账。上市第一年,Airflow只卖出了10839辆,而克莱斯勒其他传统车型的销量是它的2.5倍。

克莱斯勒Airflow汽车
克莱斯勒Airflow汽车

二战期间,人们对汽车尖端技术的探索进入了一个低谷。到了战后,汽车的发展又迎来了一个新的高潮。战后初期,世界局势较为平静,同时石油供应也变得异常宽松,这也让汽车制造商们有了一个大显身手的机会。这一时代的汽车要有豪华的外观,强劲的动力,至于油耗一类的问题,并不是人们需要重点考虑的。但好景不长,六七十年代的中东石油危机让油价猛增,甚至不少地方根本无油可加。在这种情况下,人们重新将视线投向了降低油耗上,而车身改造,也又被放在了车辆设计师的日程表上。而这一领域的探索也延续至今。

在战后时期,车尾的设计出现了许多亮点。尤其是现在非常常见的溜背、掀背造型,也都是在这一时期开始被大量使用的。在顾及美观、实用性的同时,这些设计也让汽车有了较好的空气动力学性能。例如1955年的雪铁龙DS,风阻系数已经达到了0.36。到了80年代,风阻系数0.3的奥迪100又成为了一款经典车型。如今,风阻系数依然是新车设计时必须考虑的因素,降低风阻系数的战役依然是制造商们争夺的重点。不过,这场战役真的会有终结的一天吗?

面向未来 风阻系数的极限在哪里?

概念车往往是量产车的先行者,对于风阻系数的研究也不例外。

2005年的Nuna3
2005年的Nuna3

目前,世界上风阻系数最低的汽车是名为Nuna的系列概念车。Nuna不仅在能源上使用了太阳能,还在风阻系数上令人大感意外——仅仅为0.07。Nuna的设计者是一群荷兰的大学生。凭借他们的设计,Nuna一共五次夺得了世界太阳能汽车挑战赛的冠军。与Nuna有着同样风阻系数的,还有TERA Fennek电动车。这款车在2014年创造了用1度电行驶1091.6公里的记录。除了车身轻量化等方面之外,极低的风阻系数也是功不可没。

Tera Fennek
Tera Fennek

尽管这些概念车还和我们有着很远的距离,但随着世界能源结构调整、环境保护重要性的不断增加,汽车在降低耗能方面的探索也将不断向前。技术的发展,让人们在一百多年来不断见证着汽车的革命。我们有理由相信,在不久的将来,汽车的风阻系数也会取得更大的突破。

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