沒想到……汽車的60%動力都浪費在風阻上了!

2021-01-18 蘿蔔報告

消費者在購車時,少不了對車輛加速性能以及燃油經濟性的考量。但除了帳面上的馬力和工信部油耗外,其實一臺車的風阻係數,也會對車輛的加速性能和經濟性產生影響。這種影響會有多嚴重呢?又有哪些方法能有效降低風阻係數呢?這便是我們今天要討論的問題。

對於行駛中的汽車來說,只有發動機動力大於三種阻力,車輛才有可能加速到目標時速。其中,第一種阻力是輪胎與地面之間的摩擦阻力;第二種阻力是車上負責傳動的各個零部件阻力;最後一個阻力,就是空氣阻力,也被稱為風阻。

雖然空氣是種看不見摸不著的物質,但如果物體與空氣之間形成相對速度後,空氣就會變得不再那麼「透明」。比如當車輛快速行駛時,如果將手伸出窗外,整個胳膊瞬間就會感受到一股向後拽動的力,這便是空氣阻力在發生作用(此處只是舉例,大家千萬不要將手伸出車外)。同理,風阻越大的車,胳膊受到向後的拖拽力也就越強,也就需要更多的動力來突破阻力,自然也就越費油。

為了賦予空氣阻力一個可以量化的數值,人類便發明了風阻係數--「Cd」。計算公式則為:風阻係數=正面風阻力x2÷(空氣密度x正面投影面積x車速的平方)。其中正面風阻力的單位為牛,正面投影面積為平方米,車速則是不太常用的米/每秒。經過計算後,Cd的數值越大,則表明該物體的風阻越大,反之亦然。

當我們知道了什麼是風阻係數後,就可以來探討車輛行進時所面對的空氣阻力了。計算空氣阻力公式是:空氣阻力=(空氣密度x車速x車輛正投影面積x風阻係數)÷2。根據公式可以發現,影響一臺車空氣阻力大小的,除了我們剛剛說的風阻係數外,還有車輛的正投影面積以及車速。至於另一個變量--空氣密度,雖然也會隨著氣溫的變化而變化,不過由於跟車無關,所以今天我們就不討論了。

在公式中,由於車速是取平方數值的關係,所以對於最終結果,也就是車輛的空氣阻力有著極大的影響。根據數據統計表明,一臺車在80km/h的時速下,大概有60%左右的動力是用來克服空氣阻力的。而當速度達到200km/h時,那麼這臺車當前輸出動力的85%都將耗費在打破空氣阻力上。也正因如此,風阻才是影響車輛最高時速的罪魁禍首。

圖中綠色區域為正投影區域

除了車輛的行駛速度外,車輛的正投影面積同樣也會對車輛的空氣阻力產生影響。那麼何為車輛的正投影面積呢?對於車輛來說,只要能迎面直接撞上風的都是正投影面積,也就是上圖中的綠色區域。所以,減小車輛正面的正面投影區域,便能在同等時速下降低空氣阻力和風阻係數。

對於汽車而言,降低正面投影面積最有效的方法就是將車拍扁,最好扁成一張紙。只可惜,由於車輛有載人和拉貨的需求,所以拍扁肯定是不現實的。這時我們就得通過各種方法來降低車輛的高度和寬度,以此來降低車輛的正投影面積,從而減小風阻。不同正投影面積對風阻的影響是巨大的,比如同樣是方盒子造型的鈴木吉姆尼和奔馳G級,只是因為尺寸的不同,二者的風阻係數就相差了將近一倍,其中吉姆尼的風阻係數為0.28,而奔馳G級為0.54。

流線型設計開始於上世紀50年代,車身之所以從之前的方形演變為了流線型,除了審美循環的關係外,更重要的是對汽車性能的追求。

比如在上世紀50年代,因為發動機馬力遇到了瓶頸,所以各個車廠都在為提高車輛的最高時速和加速能力,儘可能地將車身打造成空氣阻力更低的水滴形,也就是流線型。隨後,當發動機技術有所突破後,又有不少廠商為了造型需求在車身上使用了方正設計。而現如今,除了那些主打硬派的車型外,汽車無一例外地又回歸了流線設計,只不過這一次設計變革的驅動力,變為了油耗法規,車企只能儘可能通過流線型車身來提高燃油經濟性。

在自然界中,水滴是最符合流線型的物質,同時也是目前已知風阻係數最小的物質,大概在0.05左右。之所以水滴能擁有最低的風阻係數,主要原因就是水具有極高的可塑性。當水滴快速穿過空氣時,空氣就像刀子一樣把水滴塑造成了最容易通過的造型,而這個造型就是自然界中水滴的形狀。

回歸到車上,更大角度的引擎蓋以及擋風玻璃,都可以在不改變正投影面積的情況下,最大程度降低車輛的風阻。比如豐田的普銳斯,從第一代開始就採用了超大斜率的擋風玻璃,從而在當時達到了非常領先的0.28Cd。

在空氣動力學上,開孔越少,空氣阻力也就越小。比如對空氣阻力十分在意的電動車,它們的車頭設計基本都在向一個平滑的曲面進行著演變。像是封閉式的中網設計,為的就是儘可能降低前臉開孔所造成的空氣阻力。

前臉開孔之所以會增加空氣阻力,主要是因為空氣遇到開孔後,會被強行「切割」成兩半,而這個切割的過程就會產生阻力。再加上被切開的空氣因為流動路徑不具備空氣動力學效應,所以還會產生亂流。結果就是車輛空氣阻力大幅增加,最終影響到油耗或電耗。

不過,對於散熱有很高需求的燃油車來說,封閉式中網肯定是不行的。所以一些車型便會使用主動式進氣格柵,在車輛剛啟動或者周圍環境溫度過低時封閉進氣格柵,從而實現快速暖機的效果。同時,主動式進氣格柵還能在高速時通過閉合來降低風阻。

除了撞風會影響風阻係數外,車輛上、下兩段氣流在車尾的再次合併,同樣會影響車輛的風阻係數,同時對車輛的極速和油耗產生影響。

同一款車型,兩廂版的風阻係數會明顯大於三廂版本。而造成這個結果的主要原因,就是車尾處亂流所導致的。

如上圖所示,無論是兩廂車還是三廂車,氣流在經過車頂後都會順著後車窗向下流動,但由於在後備箱「結束後」,沒有後續流動路徑的關係,便會被車尾的低壓區吸入。與此同時,車底的氣流也會被吸入車尾的真空區。此時,車底和車頂兩股被吸入的氣流在交合後便會產生出不穩定的亂流。不過,由於真空區「吸力」大小是由上、下氣流之間的高度差決定的。所以上、下高度差更大的兩廂車自然就會產生更多的亂流。

而避免亂流的最佳方法就是使用更長的楔形車尾,讓上面的氣流與下面的氣流儘可能地接近,從而降低空氣作用在車身上的拖拽力,比如麥拿輪的Speedtail。除了上面說的這些以外,車輛的後視鏡造型,輪圈造型,車底的平整度也同樣會影響到車輛的風阻係數,進而影響到燃油消耗量。

降低風阻除了能降低車輛巡航時的油耗外,同時還能改善NVH的表現。眾所周知,車輛行駛時的噪音一共有三個源頭,分別是輪胎噪音、發動機噪音和風噪。其中,胎噪和發動機噪音是可以通過後期升級來改善的。但唯獨風噪是很難通過車輛後期升級來改善的。也就是說,在車輛在出廠時,風噪的大小就已經被決定了。

對於車企來說,降低風噪的方法有很多種,其中最簡單的就是給A柱加裝隔音材料。但對於逐利的車企來說,加裝隔音材料必然是下下策。而通過車身設計降低風阻才是提升NVH最具性價比的方式。

其實,車輛之所以會產生風噪,主要原因就是氣流沒法平順地流過車體。而風阻低的車型,由於與空氣撞擊的部位少,自然風噪也會更小。

說了這麼多風阻在理論層面的影響,那風阻係數對日常的實際影響真有那麼大嗎?其實,對於傳統燃油車來說,風阻係數只要沒到0.3Cd以上,基本都是不用太在意的。一是因為,更低的風阻係數僅僅會帶來微乎其微的節油效果,甚至還不如開慢點來得省油。二是因為,汽油發動機只有在擁有一定負載之後,才能達到最高的效率區間。三是因為,一般的家用汽油發動機在120km/h時,都還具有一定的動力儲備,所以更低的風阻係數也不會對日常加速性能產生影響。

但對於採用電力驅動的車型來說,風阻係數就需要考慮了。因為目前絕大部分電動車採用的都是單速「變速箱」,所以當車輛高巡航時,通常都已經過了電動機的最佳工況轉速區間了。那麼這時候,每增加0.01Cd的風阻係數,對於電機來說都會是更大的負擔。這時,再加上電動車補充能源遠不如汽油車方便的關係,這就導致電動車要遠比汽油車更注重風阻係數。

然而比較搞笑的是,目前量產車中擁有最低風阻係數的卻是奔馳CLA和寶馬5系這兩臺燃油車,它們的風阻係數均為0.22Cd。隨後才是特斯拉的Model 3、奧迪A4以及比亞迪漢,它們的風阻係數也都達到了驚人的0.23Cd。

對於燃油車來說,風阻係數並沒有想像中那麼至關重要,低風阻的優勢更多會體現在車輛的靜謐性上。而對於電動車來說,風阻係數最終會影響車輛的續航裡程,但這也僅僅是在120km/h左右巡航時才能體現出差別。所以在買車時,大家也別被廠商對於風阻係數的誇大宣傳所迷惑哦~

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