沒想到……汽車的60%動力都浪費在風阻上了

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。但除了賬面上的馬力和工信部油耗外,其實一臺車的風阻系數,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系數呢?這便是我們今天要討論的問題。

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對于行駛中的汽車來說,只有發動機動力大于三種阻力,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;最后一個阻力,就是空氣阻力,也被稱為風阻。

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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后,空氣就會變得不再那么“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后拽動的力,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,胳膊受到向后的拖拽力也就越強,也就需要更多的動力來突破阻力,自然也就越費油。

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為了賦予空氣阻力一個可以量化的數值,人類便發明了風阻系數–“Cd”。計算公式則為:風阻系數=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。經過計算后,Cd的數值越大,則表明該物體的風阻越大,反之亦然。

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當我們知道了什么是風阻系數后,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²x車輛正投影面積x風阻系數)÷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系數外,還有車輛的正投影面積以及車速。至于另一個變量–空氣密度,雖然也會隨著氣溫的變化而變化,不過由于跟車無關,所以今天我們就不討論了。

在公式中,由于車速是取平方數值的關系,所以對于最終結果,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,那么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。

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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。那么何為車輛的正投影面積呢?對于車輛來說,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系數。

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對于汽車而言,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,由于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,二者的風阻系數就相差了將近一倍,其中吉姆尼的風阻系數為0.28,而奔馳G級為0.54。

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

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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,盡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。隨后,當發動機技術有所突破后,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,車企只能盡可能通過流線型車身來提高燃油經濟性。

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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系數最小的物質,大概在0.05左右。之所以水滴能擁有最低的風阻系數,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。

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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,從第一代開始就采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。

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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,為的就是盡可能降低前臉開孔所造成的空氣阻力。

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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后,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。

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不過,對于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。

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

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同一款車型,兩廂版的風阻系數會明顯大于三廂版本。而造成這個結果的主要原因,就是車尾處亂流所導致的。

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如上圖所示,無論是兩廂車還是三廂車,氣流在經過車頂后都會順著后車窗向下流動,但由于在后備箱“結束后”,沒有后續流動路徑的關系,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后便會產生出不穩定的亂流。不過,由于真空區“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。

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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盡可能地接近,從而降低空氣作用在車身上的拖拽力,比如邁凱輪的Speedtail。除了上面說的這些以外,車輛的后視鏡造型,輪圈造型,車底的平整度也同樣會影響到車輛的風阻系數,進而影響到燃油消耗量。

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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后期升級來改善的。但唯獨風噪是很難通過車輛后期升級來改善的。也就是說,在車輛在出廠時,風噪的大小就已經被決定了。

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對于車企來說,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。但對于逐利的車企來說,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。

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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,由于與空氣撞擊的部位少,自然風噪也會更小。

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說了這么多風阻在理論層面的影響,那風阻系數對日常的實際影響真有那么大嗎?其實,對于傳統燃油車來說,風阻系數只要沒到0.3Cd以上,基本都是不用太在意的。一是因為,更低的風阻系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后,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,所以更低的風阻系數也不會對日常加速性能產生影響。

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但對于采用電力驅動的車型來說,風阻系數就需要考慮了。因為目前絕大部分電動車采用的都是單速“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。那么這時候,每增加0.01Cd的風阻系數,對于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系,這就導致電動車要遠比汽油車更注重風阻系數。

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

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對于燃油車來說,風阻系數并沒有想象中那么至關重要,低風阻的優勢更多會體現在車輛的靜謐性上。而對于電動車來說,風阻系數最終會影響車輛的續航里程,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,大家也別被廠商對于風阻系數的夸大宣傳所迷惑哦~

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