小重

撰文

32,299

2016

11月

15

車輛的設計要考慮相當多的因素,其中低排放、高動力輸出,通常為車輛設計的重要目標,而要達成這個設計目標,如何減少車輛行駛時的阻力便是首要關鍵。

車輛行駛時會產生眾多的阻力,例如:車體裝備的重量造成的牽引力、傳動系統的機件的摩擦阻力、輪胎對地面的摩擦力、機油對於機件的黏滯力......等種種環節,而車輛行駛時的風阻也是多項造成車輛阻力的環節中的其中一項,那究竟如何劃「風」而馳呢?

本專題將深入探討車輛的風阻,先定義風阻係數如何而來,探討減少風阻係數設計的要點,以及現代車型對於克服風阻係數在外型上做出的演進

根據空氣動力學原理,車頭行駛時會因為迎風而產生高壓,而在車尾的部分就會產生使其平衡的低壓真空區,在圖中Mercedes-Benz的風洞實驗室,正是印證了此套理論。

行駛中的「風」該如何定義,風阻係數物理意義詳細解說

讀者們想要了解如何在行駛時破「風」,就該先了解行駛中的「風」該如何定義,一般來說,車輛的風阻係數牽扯到複雜的空氣動力學,簡而言之,當環境氣體為不可壓縮牛頓流體時,就能導出以下阻力與風阻係數之公式:Fd = 1/2pv2cdA

  1. 註1:不可壓縮流,簡而言之就是流體的流動具有連續性的一種狀態,環境中存在的空氣大多為此種狀態。不過,當物體移動的速度超過367.5kph(0.3馬赫)時,就會破壞流體的連續性,成為次音速可壓縮流。
  2. 註2:希臘字母ρ為空氣密度,單位為kg/m^3

FD為車體接受風速時所產生的實際阻力,分母則為車速產生的動能對車輛迎風面面積造成的受力,兩者之比值便是一般車廠公布的風阻係數。而隨著車輛行駛速度(v)的增加,空氣阻力(FD)也會逐漸增加,據許多國內外的文獻指出,在時速200km/h以上時,空氣阻力幾乎佔所有行車阻力的85%。

而一般車廠的實際車輛風阻係數大多都是透過風洞測得。據了解,測輛方法為將車輛置於風洞,並藉由風速來模擬汽車行駛時的車速,再以測試儀器來測知這輛車需花多少力量(FD)來抵擋風速。而在進行特殊空力的設計時,某些車廠甚至會運用流場可視化的方法,來檢視車輛的在風洞內接受測量時產生的流線,以掌握車輛在行駛時的流線平順度、導流特性等等,使車輛的外型達到更低風阻的要求。

[影片1] Mercedes-Benz 運用風洞與煙流場可視化測試車輛風阻與檢視流場影片

外型與用途即決定車輛的風阻大小

一般來說,車輛誕生時的外型與用途,大概就能決定車輛的風阻大小,以現行市售車的級距作區別,一般來說,轎車車款的風阻係數大約在0.25~0.45之間,而SUV車款則是在0.35~0.55的區間,巴士或是商用貨車更是有可能到達0.5以上風阻係數。

而隨著科技的進步,車廠也漸漸開始能夠突破車輛初始用途的框架,逐漸地降低車輛的風阻。以Honda CR-V為例, 該車款的風阻係數從第一代的0.45,到目前最新版本的0.34,經過了多年的演進,Honda在未改變車輛用途的前提下,還能將風阻改善25%的幅度,著實不易。

Honda CR-V 風阻係數從第一代的0.45 (圖上),到目前第4代版本的0.34 (圖下),經過了多年的演進,Honda在未改變車輛用途的前提下,還能將風阻改善25%的幅度,著實不易。
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最直接的影響,車頭形狀的設計

汽車行駛時,氣流最先接觸車身的部分就是車頭,而車頭的設計最直接的影響就是車輛的迎風面積,以及對底盤氣流的影響,所以現今車廠往往會在車頭的部分加入原角或是導角等設計,力求車輛在行駛時氣流的平順度,以最佳化車輛的導流性。

而在商用貨車方面,也能時常看到加入車頭導流罩,以利降低風阻的措施,根據下方計算貨車流體力學的影片,有無加入導流罩,迎風阻力竟有約30公斤(275牛頓)以上的差距,長途行駛所造成的油耗差距將更加可觀。

未加入導流罩之貨車,其方正的形狀就如同拿著一塊木板逆風而行,根據研究,加入導流罩之車輛能夠有效減少車頭的迎風阻力以減少風阻。

[影片2] 知名電腦輔助工程軟體公司之貨車CFD(Computational Fluid Dynamics 計算流體力學)分析

收窄車身,將更利於劃風而馳

本專題在前面有提及,車身形狀與風阻係數的關聯甚鉅,根據許多文獻中指出,當中以水滴型的幾何形狀在風阻係數上的表現最好。

但是許多的車輛因為設計因素的考量,無法將車輛的側視基準面設計為此形狀,因此許多車廠就把腦筋動到了車輛的俯視角度。以下[影片3]為例,從車身形狀從俯視角度來看,會發現車尾的寬度較窄的情況,即是利用經典的水滴形狀來減小空氣阻力的設計。

由蘇黎世理工學院所開發的PAC-Car II概念車,以水滴型的設計,創造了超低風阻係數0.07,為目前世界最低風阻車輛的紀錄保持者。(圖片來源:德國蘇黎世理工學院Eidgenössische Technische Hochschule Zürich)

[影片3] 收窄車尾以降低風阻之設計,並實際數據佐證之影片

底盤平整化,將更加利於行駛時的空氣流動

平滑的底盤與特殊的文示管設計也可以降低風阻,車輛行駛時平滑的底盤設計也能夠些微的減少空氣對於車輛的摩擦阻力,理論上,當氣流通過底盤時,不平整的設計容易產生渦流,進而造成阻力的產生,因此許多跑車都將底盤設計為平滑的表面,以利空氣流動。

理論上,當氣流通過底盤時,不平整的設計容易產生渦流,進而造成阻力的產生,因此許多跑車都將底盤設計為平滑的表面,以利空氣流動。(圖片來源:自Porsche官方影片中摘錄)

空力套件的迷思,對於降低風阻的實際效益

盡管車輛的風阻與原始設定之用途有極大的關聯,不過,只要是牽扯到外型的改變,就有可能對風阻產生影響,其中,改變外型相對最容易的方法,就是在車輛的外部加入「空力套件」,以達成加裝者期許的目標。

不過,加裝空力套件真能如期降低風阻,或是達成一般車主低燃料消耗的期望嗎?以最為常見的空力套件擾流尾翼為例,擾流尾翼最初是為高速行駛的賽車所設計,類機翼的空力原理,真的能夠帶給車輛額外的下壓力,以增加車輛的穩定性,並不是為了降低車輛風阻所設計。

擾流板的設計就如同飛機機翼的原理一般,迎風面朝上時自然會對擾流板形成負升力,以達成穩定車身的效果。

不過,能不能夠降低風阻,還是需要經由風洞實測,或是電腦模擬才能夠說個準。某些擾流板的設計也許真的能夠改善行駛時車輛後方的真空吸力,進而以利風阻的降低,但勢必會增加車輛的下壓力,當中對於燃料消耗的影響,就必須經過實測才能得到正確的解答。

下面的[影片3]為Mazda第2代Mazda 3,以不同尾翼之速度現象流場模擬影片,影片現象中紅色區塊表示越高速,藍色區塊則反之,讀者可以透過觀察以下影片,比較不同形狀尾翼的設計,對於減少低速區域(藍色區塊)擴大的效果。

[影片3]Mazda 3 不同尾翼流場模擬影片

除了尾翼之外,各家車廠也會隨著車輛的用途,而在外型上做出微調。譬如說在比賽用車的車頭,會加入類似鰭片或是大包等空力套件,以增加車頭部分的下壓力,而車頭空力設計的加入又是否會改變車輛的風阻係數,都需要經由實測才能夠得知。

位於車頭保險桿兩側類機翼的導流鰭片,根據研究,該裝置確實能夠有效增加行駛時車頭的下壓力。

[影片4] 車頭空力設計不當,導致車身起飛發生意外

降低風阻設計手段五花八門,但還是必須以車輛的實用性為前提

汽車外型空力設計上的講究,與汽車的發展如影隨形,希望求得更好的省油性,畢竟風阻係數它就是一項行車阻力,以設計的角度來說當然是除惡務盡,越低越好。

觀察各種車系的演進,不難發現各家車廠都試圖努力將風阻係數努力優化,不過,而在追求低風阻時,車輛設計者也必須考慮車子本身的用途,以及市場對於外型的接受度。以Mercedes-Benz Bionic 概念車為例,該車以仿生學為設計藍本,在數值上,達到了極低的風阻係數0.19。但是也許是該車在追求低風阻的同時,可能用途與市場還較不被普羅大眾所接受,亦可能是製造上不符合經濟效益,因此該車並未量產上市

Mercedes-Benz Bionic 概念車以仿生學設計為藍本,達到了極低的風阻係數0.19。

常見的市售車款大概已經很少看到強調風阻係數有多低的廣告,可能只是在規配中提及風阻,也或許直接以其他更實用的配備忽略之,由此可以推敲出除了在各方面都必須追求極限的賽車以外,市售車款的外形設計,風阻係數已經不在是外型設計的首要關鍵了。

但是不可否認,風阻係數還是影響車輛行駛阻力的重要因素,或許可以說是人類在科技史上在車輛風阻的突破上已經面臨了瓶頸,又或者可以說是人類在車輛的外型風阻上已經有所成就,不必再執著與風阻,可以朝向突破車輛更多用途的方向進行發展。