风阻系数浅谈历史说说汽车与风的斗争

2017-10-17

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文章简介：未来汽车,除了智能.车联网.自动驾驶等等发展方向之外,节能也是不可忽视的话题.除了各种各样的新能源解决方案,如何减少车辆阻力.减少油耗.提高能源使用效率也是车辆设计师们一直在考虑的.这其中,风阻系数便是汽车节能最重要的指标之一.还记得在今年的北京国际车展上,奔驰新推出的CLA,在宣传中将风阻系数仅0.23这一技术指标着重强调.简单说来,风阻系数就是通过实验而确定出的一个数学参数,用来形容一辆汽车在行驶之时所受到的空气阻力.风阻系数越小,说明车辆受空气阻力影响越小.或许对于普通人而言,这个数字究竟

未来汽车，除了智能、车联网、自动驾驶等等发展方向之外，节能也是不可忽视的话题。除了各种各样的新能源解决方案，如何减少车辆阻力、减少油耗、提高能源使用效率也是车辆设计师们一直在考虑的。这其中，风阻系数便是汽车节能最重要的指标之一。

还记得在今年的北京国际车展上，奔驰新推出的CLA，在宣传中将风阻系数仅0.23这一技术指标着重强调。简单说来，风阻系数就是通过实验而确定出的一个数学参数，用来形容一辆汽车在行驶之时所受到的空气阻力。风阻系数越小，说明车辆受空气阻力影响越小。或许对于普通人而言，这个数字究竟是0.23还是0.32其实没有多大区别，更没有什么直观的感受。不过研究显示，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。

汽车与风的斗争，并不是近几年才突然出现的。今天这篇文章就想和您聊一聊从汽车诞生至今，车与风的那点儿事儿。不过别担心，今天我们只谈风月，不说技术……

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：

风阻公式

其中，长得很像p的字母ρ指的是空气密度(初中物理的知识您肯定还记得)，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。

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。

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"

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

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

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

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

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

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

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。