空气动力学对三厢轿车尾部造型设计的影响

汽车空气动力学特性是影响汽车行驶性能的重要特性之一。其中最主要的因素是空气阻力。空气阻力是当汽车在空气介质中行驶、车体相对于空气运动时空气作用力在车辆行驶方向形成的分力。它与汽车速度的平方成正比。车速越快，空气阻力越大。通常，当一辆轿车以80 公里/ 小时的速度前进时，有60% 的油耗是用来克服空气阻力的。汽车外部造型设计是影响汽车空气动力特性的一个重要因素。三厢轿车作为乘用车中较为普遍的车型，研究其尾部造型特征对空气动力学特性的影响，具有十分重要的意义。

1. 完成初步设计的三厢车造型方案

2. 三厢轿车尾部阻力与有效后部倾斜角的关系及尾部气流示意图

3. 宝马第三代7 系（左图）与第四代7 系（右图）后备箱处设计对比

4. 原方案车顶曲线与改善了车顶曲线的优化方案的对比

5. 提高了后备箱高度的尾部造型方案

6. 尾部侧面收缩曲线的改进

7. 尾灯向后移动

8. 初始方案尾部细节图

9. 优化方案1 ：在尾灯灯罩侧面增加棱边实现截断的功能

10. 优化方案2 ：尾灯灯罩通过整体设计实现截断的功能

11. 截断尾灯下部的方法

12. C 柱调整前后的设计方案对比

13. 整体设计调整前后的设计方案对比

一、汽车空气动力学特性概况
汽车的空气动力学特性与汽车造型设计密切相关，并直接影响汽车的动力性、经济性、操控稳定性等性能。分析汽车气动阻力的构成成分可知，汽车气动阻力的主要成分是压差阻力，总阻力的85% 来自压差阻力，其余的15%为摩擦阻力。[1] 在汽车行驶过程中，车身前部由于受到气流阻滞而产生压力，其合力A 压向车身后方；而车身后部由于气流速度降低使空气压强上升，其合力B 压向车身前部。理想流体中AB 两个力的合力平衡。由于汽车车身尾部产生涡流而破坏了压力平衡，其结果是合力A 占优势，所以就产生了空气阻力。汽车车身的尾部形状不同时，其压力回升程度也不同。因此，压差阻力与汽车的尾流结构有密切的关系。经研究发现，压差阻力的91% 来自于车身后部。因此，研究三厢车尾部造型设计与空气动力学特性的关系十分重要。

二、空气动力学特性对三厢轿车尾部造型设计的影响
研究表明，空气动力学特性对三厢轿车尾部造型具有显著的影响，主要包括以下三个方面：尾部顶部曲线、尾部侧面曲线和截断尾部。本文通过一款三厢轿车的造型设计改进过程，来具体解读空气动力学特性对造型设计的这三方面的影响。
图1 展示了一款新的A 级三厢轿车项目的初步设计方案，这是经过初期的设计分析、创意发散草图等阶段获得的。虽然方案整体动感，但尾部造型略显拖沓，且并未充分考虑空气动力学特性的要求，也未进行人机工程学校核。因此在深入设计阶段，需要根据这些工程方面的实际要求，特别是针对前述的影响尾部空气动力学特性的三个方面进行修改，以提升方案的可行性。
1. 尾部顶部曲线
对于三厢轿车来说，一个重要的空气动力学参数是“有效后部倾斜角”。这个角度取决于行李箱盖的高度和长度等因素。如图2 所示，研究发现，当该角度在15 度左右时空气动力学性能较好。[2] 由于较老的车型的有效后部倾斜角一般都较大，因此现在的汽车造型设计一般要减小该角度，具体方法包括：提高行李箱盖、向后延伸行李箱盖以及降低车顶后边缘。提高行李箱盖是一种更加普遍的方法。但是采用这种方法的前提是，不阻碍后部下视野。另外如何处理好腰线或窗线与尾部造型的关系也是需要考虑的问题。宝马第四代7 系E65/66是一个很好的例子，其有效后部倾斜角大约是16 度，与第三代7 系E38 相比可以看出，行李箱盖使用了阶梯式的设计来提升其高度。同时，窗线往后延伸并向下转折，与尾灯造型线相连。行李箱的高度看起来明显高于窗线，强化了前低后高的姿态，提升了造型的动感。这种处理手法对以后的汽车尾部造型设计产生了广泛的影响。[3]
回顾我们设计的三厢车初步方案中的尾部造型，可以发现，整车侧面轮廓的最高点位于车顶的后部接近后边缘处，其有效后部倾斜角的角度达到了18 度，不符合空气动力学对此角度的一般要求；车顶与前风窗之间无明显转折，使车顶前部塌陷，前排驾驶员头部空间受限（图4 上）；而且，由于行李箱过低，给人以尾部拖沓、后坐的感觉，影响了整车姿态。于是我们采用了多种办法来优化有效后部倾斜角：
第一，重新调整车顶轮廓线，结合人机工程学校核，将驾驶员头顶部位的车顶适当抬高，解决了其头部空间不足的问题；并将轮廓线最高点移至车顶中部，形成更为平滑的顶部轮廓线，如图4 下。
第二，适当降低车顶后部的高度，但考虑到后排乘员头部空间，需要通过使用舒适但更薄的坐垫或优化油箱形状，来降低后排乘员臀点，使车顶后边缘获得更大的降低幅度。
第三，行李箱盖的末端采用了类似尾翼的处理手法，把后备箱盖边缘向后延长了一小段距离，同时不增加后悬长度。
第四，我们也在保证后视野的前提下适当提高了后备箱盖的高度，最终使有效后部倾斜角减小到约15 度。
这些设计方法在有效提升了三厢轿车尾部的空气动力学特性的同时，使该车尾部轮廓更加上翘，形成更佳的动感，侧面姿态得到显著改善，使方案在工程可行性与造型设计两方面均得到了提升。（图5）
2. 尾部侧面曲线
要减小车体的压差阻力，一个有效方法是在顶视图中适当地使车体两侧到车尾的区域变尖，使在车尾分离的气流向车后的中心移动，进而减小尾流区域的尺寸。从气压分布的角度看，车辆前部都有着高气压，但是对于侧面没有收缩的物体来说，其尾流区域更大且后部的气压更低，这意味着物体会被向后拉。此外，尾部没有收缩的物体后部表面积更大，所以空气阻力就会更大。[4] 因此，将尾部侧面向内收缩，在减小尾部表面积的同时也能减小尾流区，是减小压差阻力的重要方法。
从图6 的顶视图中发现，原设计方案的车体侧面在接近尾灯处突然向内激烈地收缩弯曲，并在车尾形成尖角，这将导致气流流经尾部时受到干扰。因此，我们重新调整了顶视图中的侧面曲线和曲面，使开始收缩点尽量前移至车体侧面的中心位置，并将尾灯往后方移动（图7 侧视），从而使尾部侧面收缩更加平顺，防止气流在车体侧面被干扰，尾部气压得到较好的恢复，同时也保证了尾部造型的协调性。
3. 截断尾部
根据整齐、锋利地切断车体尾部能够减小风阻系数的理论[5]，截断尾部的方法多年来在汽车设计中不断地出现。本案例也采用了通过一个小斜面让行李箱顶面和行李箱后面相连的截断方式。不过这种截断尾部的手法对于车身两侧后边缘的处理就比较难了。因为如果处理不好，从前45 度看车的尾部就有可能显得很长，造成整体比例失调。
在车身两侧后边缘的上半部分，也就是尾灯的位置，我们通常在尾灯罩上加入棱角来实现截断的效果。如图8 所示，初始设计方案尾灯处的过渡过于平滑，达不到截断的效果；该方案尾灯造型的轮廓属异形设计，且有多处尖角，给工程实现带来了较大的困难。
改进的优化方案有两种不同的造型处理手法：第一种处理手法就是在尾灯边缘增加一条棱边。如图9 所示，该棱线的前半段与其前方车身侧面腰线的造型趋势是一致的，从而形成完整的侧面造型主题线；而后半段则向后下方渐隐，既满足了截断尾部的要求，也在造型上强化了锋利的运动感。在方案设计优化过程中，还重点考虑了它与其他部件之间分型线的处理，整个尾灯轮廓与行李箱盖的分型线有机融合在一起。另外我们也在造型上考虑了更多的细节设计，在尾灯的内部设计了一些LED 灯组。这些设计优化的措施使该改进方案在基本继承了原方案的核心设计元素的同时，造型设计品质和工程可行性都得到显著提升。
第二种方案：我们采用了另外一种处理手法，让灯罩上的棱角与尾灯整体的造型相结合，形成一个更加有立体感的全新的尾灯造型方案，并通过整体设计，使其与整车的尾部造型协调一致。如图10 所示，该方案的尾灯后部形成明显的凸台，凸台的边缘呈现完整的较为锐利的转折棱线，并与侧面和尾部的特征线有所呼应，形成了非常有立体感的尾灯设计方案。
理论上，这两种处理手法可以相互结合使用，以收到更好地减小空气阻力的效果。本例中，两种尾灯的设计优化方案均比原方案有显著提升，但出于对原设计方案延续性的考虑，我们选择了第一种处理方法。
在尾灯下面的区域如果不在被驾驶室扰乱的气流之中，仍然可以采取截断尾部的手法。[6]特别是对于一些混合动力汽车或者新能源汽车，这种做法能进一步减小空气阻力，提升经济性。而本文的原始设计方案在尾灯下面区域并未考虑采用截断尾部的设计，因此我们通过在尾灯下面加入截断尾部的处理手法来优化其空气动力学特性。得到的尾部造型方案如图11 右图所示，这种做法能够使三厢轿车尾部棱角更加分明，强化了整车的雕塑感和动感。
此外，位于车身的上半部分的乘员舱也存在向后的面，面积大致相当于后窗，此处应该同样参考前述的原则，考虑从侧窗到后窗的交接关系。一般情况下，三厢车的乘员舱从侧面向后面的过渡基本是在C 柱位置实现的，因此C 柱的处理就显得非常重要。如图12 所示，原方案的C 柱从侧面后缘直接以非常光顺的曲面过渡到后面，并未适应空气动力学特性要求；而后期的优化方案则同样应用了截断原理，让侧面和后面交会在C 柱上，并在C 柱上形成非常清晰、明确的转折处理，形成从车顶延续至车尾的一条优美、动感的棱线。
经过调整之后，我们可以看到尾部造型更加具有立体感。在平滑了车顶曲线并提升了尾部高度之后，感觉侧窗的下缘以及侧面腰线俯冲的趋势过于强烈，给人造成很强的不稳定感。于是，我们对整车侧面造型进行了整体的调整，包括简化、平顺侧窗形状，将腰线的趋势调整得更为平稳并强化了速度感。另外也适当加强了原有方案前脸造型的立体感。最终，得到的设计方案与原方案的对比效果如图13 所示。总体来说，优化方案与初期方案相比，在造型品质和工程可行性两方面均有较大的改善。

结论
空气动力学除了影响汽车动力性、经济性以及操控稳定性之外，还对汽车造型设计提出了新的要求。这些要求与汽车造型设计的一些基本原则相结合，经过汽车造型设计师的认同、理解与再设计，往往会创造出新的造型元素，形成全新的美感。好的造型设计往往也是功能实现的最佳方案，实现了功能与形态、内容与形式的完美统一。很多造型设计师认为工程人员提出的要求限制了设计创新，降低了设计品质。然而本文中我们却看到了完全不同的情况：正是由于设计师深入理解了空气动力学等工程因素，才带来了新的设计动力和灵感，最终实现工程与艺术的有机结合。这也从一个侧面反映出功能上的需求是推动设计不断往前发展的动力之一。
在考虑空气动力学因素的影响的基础之上，本文总结出如下可以指导三厢轿车尾部造型设计工作的原则：首先，车身顶部曲线与后窗玻璃曲线过渡尽可能平滑，并且减小有效后部倾斜角，让其大约在15 度左右。减小该角度主要有三种方法：通过提高行李箱盖、向后延展行李箱盖以及降低车顶后边缘。
其次，让三厢车尾部按照一定规律在两侧缓缓向内收缩，以减小尾流。
再次，在尾部气流顺畅的部件上采用截断尾部的手法，包括行李箱、尾灯及尾灯以下部位。根据汽车造型设计的准则，局部造型应该与整体造型相协调和呼应。因此，上述提到的三厢车尾部造型的处理手法，应该根据车辆整体造型风格和语言灵活加以运用。

注释：
[1] 傅立敏编著 :《 汽车设计与空气动力学》，机械工业出版社，北京，2010。
[2]（ 日） 石井明、东大辅：Sustainable Aerodynamics Design for Automotives(8): Techniques for Optimizing the Shape of Details(2)Car Styling ，2009.11.Vol.193，pp.85-96.
[3] 同[2]。
[4] 同[2]。
[5] 同[2]。
[6] 同[2]。

参考文献：
[1] 张英朝编著：《汽车空气动力学数值模拟技术》，北京大学出版社， 2011。
[2] 严扬、刘志国、高华云编著：《汽车造型设计概论》，清华大学出版社，北京，2005。
[3]（日）釜池光夫、张福昌、李勇编著：《汽车设计》，清华大学出版社，北京，2010。
[4] 黄向东编著：《空气动力学与车身造型》，人民交通出版社，北京，2000。
[5]http://www.netcarshow.com/bmw/2000-740i/
[6]http://www.netcarshow.com/bmw/2002-7_series/.