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没想到......汽车的60%动力都浪费在风阻上了!

萝卜报告

消费者在购车时,少不了对车辆加速性能以及燃油经济性的考量。但除了账面上的马力和工信部油耗外,其实一台车的风阻系数,也会对车辆的加速性能和经济性产生影响。这种影响会有多严重呢?又有哪些方法能有效降低风阻系数呢?这便是我们今天要讨论的问题。

对于行驶中的汽车来说,只有发动机动力大于三种阻力,车辆才有可能加速到目标时速。其中,第一种阻力是轮胎与地面之间的摩擦阻力;第二种阻力是车上负责传动的各个零部件阻力;最后一个阻力,就是空气阻力,也被称为风阻。

虽然空气是种看不见摸不着的物质,但如果物体与空气之间形成相对速度后,空气就会变得不再那么“透明”。比如当车辆快速行驶时,如果将手伸出窗外,整个胳膊瞬间就会感受到一股向后拽动的力,这便是空气阻力在发生作用(此处只是举例,大家千万不要将手伸出车外)。同理,风阻越大的车,胳膊受到向后的拖拽力也就越强,也就需要更多的动力来突破阻力,自然也就越费油。

为了赋予空气阻力一个可以量化的数值,人类便发明了风阻系数--“Cd”。计算公式则为:风阻系数=正面风阻力x2÷(空气密度x正面投影面积x车速的平方)。其中正面风阻力的单位为牛,正面投影面积为平方米,车速则是不太常用的米/每秒。经过计算后,Cd的数值越大,则表明该物体的风阻越大,反之亦然。

当我们知道了什么是风阻系数后,就可以来探讨车辆行进时所面对的空气阻力了。计算空气阻力公式是:空气阻力=(空气密度x车速?2;x车辆正投影面积x风阻系数)÷2。根据公式可以发现,影响一台车空气阻力大小的,除了我们刚刚说的风阻系数外,还有车辆的正投影面积以及车速。至于另一个变量--空气密度,虽然也会随着气温的变化而变化,不过由于跟车无关,所以今天我们就不讨论了。

在公式中,由于车速是取平方数值的关系,所以对于最终结果,也就是车辆的空气阻力有着极大的影响。根据数据统计表明,一台车在80km/h的时速下,大概有60%左右的动力是用来克服空气阻力的。而当速度达到200km/h时,那么这台车当前输出动力的85%都将耗费在打破空气阻力上。也正因如此,风阻才是影响车辆最高时速的罪魁祸首。

图中绿色区域为正投影区域

除了车辆的行驶速度外,车辆的正投影面积同样也会对车辆的空气阻力产生影响。那么何为车辆的正投影面积呢?对于车辆来说,只要能迎面直接撞上风的都是正投影面积,也就是上图中的绿色区域。所以,减小车辆正面的正面投影区域,便能在同等时速下降低空气阻力和风阻系数。

对于汽车而言,降低正面投影面积最有效的方法就是将车拍扁,最好扁成一张纸。只可惜,由于车辆有载人和拉货的需求,所以拍扁肯定是不现实的。这时我们就得通过各种方法来降低车辆的高度和宽度,以此来降低车辆的正投影面积,从而减小风阻。不同正投影面积对风阻的影响是巨大的,比如同样是方盒子造型的铃木吉姆尼奔驰G级,只是因为尺寸的不同,二者的风阻系数就相差了将近一倍,其中吉姆尼的风阻系数为0.28,而奔驰G级为0.54。

流线型设计开始于上世纪50年代,车身之所以从之前的方形演变为了流线型,除了审美循环的关系外,更重要的是对汽车性能的追求。

比如在上世纪50年代,因为发动机马力遇到了瓶颈,所以各个车厂都在为提高车辆的最高时速和加速能力,尽可能地将车身打造成空气阻力更低的水滴形,也就是流线型。随后,当发动机技术有所突破后,又有不少厂商为了造型需求在车身上使用了方正设计。而现如今,除了那些主打硬派的车型外,汽车无一例外地又回归了流线设计,只不过这一次设计变革的驱动力,变为了油耗法规,车企只能尽可能通过流线型车身来提高燃油经济性。

在自然界中,水滴是最符合流线型的物质,同时也是目前已知风阻系数最小的物质,大概在0.05左右。之所以水滴能拥有最低的风阻系数,主要原因就是水具有极高的可塑性。当水滴快速穿过空气时,空气就像刀子一样把水滴塑造成了最容易通过的造型,而这个造型就是自然界中水滴的形状。

回归到车上,更大角度的引擎盖以及挡风玻璃,都可以在不改变正投影面积的情况下,最大程度降低车辆的风阻。比如丰田普锐斯,从第一代开始就采用了超大斜率的挡风玻璃,从而在当时达到了非常领先的0.28Cd。

在空气动力学上,开孔越少,空气阻力也就越小。比如对空气阻力十分在意的电动车,它们的车头设计基本都在向一个平滑的曲面进行着演变。像是封闭式的中网设计,为的就是尽可能降低前脸开孔所造成的空气阻力。

前脸开孔之所以会增加空气阻力,主要是因为空气遇到开孔后,会被强行“切割”成两半,而这个切割的过程就会产生阻力。再加上被切开的空气因为流动路径不具备空气动力学效应,所以还会产生乱流。结果就是车辆空气阻力大幅增加,最终影响到油耗或电耗。

不过,对于散热有很高需求的燃油车来说,封闭式中网肯定是不行的。所以一些车型便会使用主动式进气格栅,在车辆刚启动或者周围环境温度过低时封闭进气格栅,从而实现快速暖机的效果。同时,主动式进气格栅还能在高速时通过闭合来降低风阻。

除了撞风会影响风阻系数外,车辆上、下两段气流在车尾的再次合并,同样会影响车辆的风阻系数,同时对车辆的极速和油耗产生影响。

同一款车型,两厢版的风阻系数会明显大于三厢版本。而造成这个结果的主要原因,就是车尾处乱流所导致的。

如上图所示,无论是两厢车还是三厢车,气流在经过车顶后都会顺着后车窗向下流动,但由于在后备箱“结束后”,没有后续流动路径的关系,便会被车尾的低压区吸入。与此同时,车底的气流也会被吸入车尾的真空区。此时,车底和车顶两股被吸入的气流在交合后便会产生出不稳定的乱流。不过,由于真空区“吸力”大小是由上、下气流之间的高度差决定的。所以上、下高度差更大的两厢车自然就会产生更多的乱流。

而避免乱流的最佳方法就是使用更长的楔形车尾,让上面的气流与下面的气流尽可能地接近,从而降低空气作用在车身上的拖拽力,比如迈凯轮的Speedtail。除了上面说的这些以外,车辆的后视镜造型,轮圈造型,车底的平整度也同样会影响到车辆的风阻系数,进而影响到燃油消耗量。

降低风阻除了能降低车辆巡航时的油耗外,同时还能改善NVH的表现。众所周知,车辆行驶时的噪音一共有三个源头,分别是轮胎噪音、发动机噪音和风噪。其中,胎噪和发动机噪音是可以通过后期升级来改善的。但唯独风噪是很难通过车辆后期升级来改善的。也就是说,在车辆在出厂时,风噪的大小就已经被决定了。

对于车企来说,降低风噪的方法有很多种,其中最简单的就是给A柱加装隔音材料。但对于逐利的车企来说,加装隔音材料必然是下下策。而通过车身设计降低风阻才是提升NVH最具性价比的方式。

其实,车辆之所以会产生风噪,主要原因就是气流没法平顺地流过车体。而风阻低的车型,由于与空气撞击的部位少,自然风噪也会更小。

说了这么多风阻在理论层面的影响,那风阻系数对日常的实际影响真有那么大吗?其实,对于传统燃油车来说,风阻系数只要没到0.3Cd以上,基本都是不用太在意的。一是因为,更低的风阻系数仅仅会带来微乎其微的节油效果,甚至还不如开慢点来得省油。二是因为,汽油发动机只有在拥有一定负载之后,才能达到最高的效率区间。三是因为,一般的家用汽油发动机在120km/h时,都还具有一定的动力储备,所以更低的风阻系数也不会对日常加速性能产生影响。

但对于采用电力驱动的车型来说,风阻系数就需要考虑了。因为目前绝大部分电动车采用的都是单速“变速箱”,所以当车辆高巡航时,通常都已经过了电动机的最佳工况转速区间了。那么这时候,每增加0.01Cd的风阻系数,对于电机来说都会是更大的负担。这时,再加上电动车补充能源远不如汽油车方便的关系,这就导致电动车要远比汽油车更注重风阻系数。

然而比较搞笑的是,目前量产车中拥有最低风阻系数的却是奔驰CLA和宝马5系这两台燃油车,它们的风阻系数均为0.22Cd。随后才是特斯拉的Model 3、奥迪A4以及比亚迪汉,它们的风阻系数也都达到了惊人的0.23Cd。

对于燃油车来说,风阻系数并没有想象中那么至关重要,低风阻的优势更多会体现在车辆的静谧性上。而对于电动车来说,风阻系数最终会影响车辆的续航里程,但这也仅仅是在120km/h左右巡航时才能体现出差别。所以在买车时,大家也别被厂商对于风阻系数的夸大宣传所迷惑哦~

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