风阻系数Cd,经常看汽车参数的你一定不会对它感到陌生。但要说出个中奥妙,你或许还需要看完这一篇才算入门。
首先,我们印象中的风阻,似乎是迎面吹来的风产生的阻力。但其实我们可以换一个角度去理解。
空气产生的阻力又称后曳(ye)力。
当车子静止时,车身前后空气压力相同;当车子跑起来时,在车子后方区域,空气并未及时补充,因此会产生真空区域(伴有涡流),使得车子前后气压不同,前方压力和后方压力之差,即为宏观的空气阻力。
风阻系数Cd有什么含义?
在阻力计算中,有:
Fd=(A·u2·Cd)/2
其中:Fd-空气阻力,A-迎风面积,u-车速
也就是说速度一定,迎风面积一定的情况下,阻力系数与阻力成正比。
可是在设计家用车的时候,设计师面临着这一难题:如何在满足空间、美观等设计需求的同时,尽量降低Cd值,以获得更小的风阻,从而达到省油、增加续航能力的效果?什么样的设计能最大程度降低Cd值?
初代甲壳虫。这款老车造型圆润,整个车身似乎是不会受到很大空气阻力的。然而大众工程师在风洞中对它进行了测试,阻力系数达到了Cd=0.48。
0.48这个数字让人大跌眼镜,同时拿去测试的老捷达,风阻系数只有0.32。可以说这两项数据对比来看,颠覆着我们的印象流认知。
一汽大众-捷达
一个具有代表性的成功例子,是奔驰概念车Bionic 。这台于2005年问世的“怪车”,其英文名“Bionic”意为“仿生“,因其在外形设计上模仿了箱鲀鱼(音同“豚”)。这台看起来笨笨的车,测试得出其Cd=0.19.
Mercedes-BenzBionic Car
箱鲀鱼,这种生活在珊瑚礁里的小鱼,经历了不知道多少年的进化后,获得了一项技能:在水中游动时,受到的阻力极小。这不难理解,在获得相同食物的情况下,阻力更小的,能节省更多能量,同时逃生时动作更敏捷,生存下来繁衍后代的机会自然更大。
来自箱鲀鱼的设计灵感
近些年和这台Bionic有相似设计的,是Model X,风阻系数Cd=0.24,在SUV中算是佼佼者。
TeslaModel X
从箱鲀鱼那里获得的的设计灵感让工程师尝到了甜头。但其中奥妙似乎不容易说清。
Discovery深受荼毒,干了照猫画虎的事。他们仿照高尔夫球,给一台金牛座换上了“密恐患者终结者”套装。确实,高尔夫球表面的凹坑可以制造一层“湍流”,创造润滑效果,但这样的设计不光看着难受,刷车也不要太费事。
有一家Fastskinz公司的研究人员把“鲨鱼皮”披在车上进行实验。这看起来比高尔夫球坑靠谱一些,不过遗憾的是开销不小但收效甚微。
来自大众的工程师更加理性地设立了一个小目标:造出一台车,其名定为“Litre-1”,意为百公里柴油消耗量仅一升。
他们设计的这台XL1,其风阻系数仅有Cd=0.159。不仅如此,它身上的设计更加有迹可循。
2009VW XL1
XL1为了达到尽可能低的阻力系数,有几项特别设计:
1.用摄像探头代替传统外后视镜
2.后轮几乎完全隐藏在车身内,使气流顺利流过
3.车尾的小鸭尾造型,使尾部减少涡流的拖曳效应
4.车底部几乎纯平
5.进气隔栅开口很小,减少“兜风”
最重要的一点,是车身造型的流线形设计。
常见几何体的风阻系数
可见水滴自然下落过程中,被空气“捏”出的流线形造型,具有最小的风阻系数,仅有0.04(上图倒数第二项)。
这就回到了我们最初说的那个话题,阻力/反曳力的来源是车身前后的空气压差。注意上图车顶区域:上图的流线形设计,使得空气流经车顶时,能够紧紧“吸附”在车顶上,而不易发生分离,也就不容易在车尾区域产生真空区,从而降低了空气阻力。
目前比较接近XL1设计理念的,是奥迪E-tron。革新了外后视镜,前隔栅也因为电动化而采用封闭设计。
小朋友你是否有一个问号:超跑那么快,风阻一定很小吧?
并非如此,就拿三大神车来说,P1风阻系数0.34,保时捷918的风阻系数0.35,Laferrari的也在0.3之上。至于地表最强的F1赛车,风阻高达0.7以上。
因为当你的车不在乎油耗,并且有使不完的劲儿的时候,你就该关注下压力而不是风阻系数了。
下回咱们再聊聊下压力的事。
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