详解空气动力学应用在卡车上的那些事儿

　很多人在购买卡车的时候，除了价格，整车性能以外最关注的莫过于油耗了，在这个油价飞涨的年代，谈到油耗问题的时候人们总是纠结于车身重量、发动机技术、变速箱齿比等问题。其实一直以来很多人都忽略了一个问题那就是空气阻力。

　　有些车主认为车身的空气阻力并不足以造成很大的油耗，这实际上是一个误区。因为有研究证实，当车辆高速行驶的时候，最大的阻力都来源于空气，而实验表明，当车速高于每小时80KM的时候，就有将近一半的油耗是用来克服空气阻力的。车速越高，车辆受到的空气阻力就越大，空气阻力的增加值与车速增加值的平方成正比，也就是说，车速提高两倍，空气阻力会相应的提高四倍。

空气阻力的形成

　　空气阻力是空气动力学中最主要的分支，所谓的空气动力学，研究的是可观察到的在物体周围或通过物体的气流活动的全部过程。卡车在行驶过程中，受到的空气阻力由四部分组成：

　　1：表面阻力，是指气流通过车辆外表面时产生的摩擦阻力，该阻力主要是由车体外形，以及安装在车体外的零部件，如后视镜、车门把手、车灯、车头装饰件等对气流干扰引起的阻力，此阻力会对半挂车和公共汽车等长尺寸车辆产生较大影响。

　　2：压差阻力，压差阻力的大小取决与紊流区的大小，特别是尾部紊流区的大小。在气流变成紊流的点处，会形成部分的真空区，这样就产生了压差阻力。在卡车设计时，设计师需要努力减小紊流表面，从而减小真空区面积。

　　3：诱导阻力，它是作为压差阻力的一部分，是由于车辆行驶过程中顶部和底部的空气压力不同而造成的，压差阻力和诱导阻力在总的空气阻力中所占比例最大。

　　4：车内阻力，是因为气流通过车头内的散热器、发动机等引起的阻力。

　　已知的自然界中，水滴的风阻系数最低，只有0.05；垂直平面物体的风阻系数最高为1.0，卡车通常风阻系数为0.6-0.8左右。风阻系数Cd是物体受空气阻力影响大小的一个标准，车辆风阻系数是通过风洞实验所确定的一个数学参数，用它可以计算出卡车在行驶时的空气阻力。

　　通常牵引半挂车的空气阻力有四个主要部分：车头迎风区域，牵引车与挂车之间的空隙，挂车底盘部分，挂车尾部。

　　国外汽车工程研究表明，一辆重型牵引半挂车，在88.5公里/小时行驶，每行驶1.6公里需要推开大约18吨的空气。在当年车辆技术状况与道路情况下，大多数卡车需要近一半的马力用来克服空气阻力。

　　工程师之后深入思考，决定帮助卡车减轻风阻形成的气流冲击波与尾部的局部真空，已使气流更平顺的通过卡车；同时提高车辆的燃油效率。随后美国宇航局的工程师们开始尝试，将飞机及航天飞机的空气动力学相关领域的研究与经验，用以大型卡车的是设计改造工作。

　　2008年5月30日，在意大利南部著名的Nardo高速环型赛道，一台总重为40吨的新款奔驰Actros 1844 LS半挂车创造了一项新的吉尼斯世界记录：世界上油耗最少的40吨重卡。经过12728公里的测试下来，其百公里平均油耗达到让人惊讶的19.44升！

　　取得这个惊人的成绩，除了卡车优秀的综合性能以为，良好的空气动力学设计也是主要功臣之一。从图片上可以看出，这台Actros卡车的主要空气动力套件有与挂车货箱几乎平行的车顶导流罩，侧导流罩，侧裙板以及挂车裙板，平滑的复合板货箱也为降低风阻做出了贡献。这些东西的组合让这台半挂Actros车身相当平整，很少有形成紊流区的地方。

　　在欧美厂商卡车设计的过程中，必不可少的一项工作就是风洞实验，通过它能得到知道车辆风阻到底有多大，什么地方会形成紊流，以便于以后的修改。

　　斯堪尼亚Streamline卡车的流线造型与空气动力学

　　而在国内，相当多的卡车厂家开发新车的时候都去关注整车的可靠性，如何降低生产成本等等大问题去了，而忽略了车辆的空气动力学，这个能有效降低油耗的细节。

　　上图为福莱纳卡车进行风洞实验，强有力的大功率风扇能模拟卡车在高速行驶中所遇到的风力。

　　通过白色烟雾能让设计人员清楚的看清楚气流通过车身时的动向，同时也能在第一时间发现有紊流产生的地方。

　　通过安装导流组件，可以改善空气阻力对车辆的影响，这也是非常有效的办法，但卡车导流组件不仅仅是车顶导流罩这么简单。

　　导流组件有哪些种类

　　牵引车通常的导流组件由图中几个部件组成，这类组件价格也不便宜，在国外整套的组件需要750-2500美元之间。国内出厂的车辆由于成本和用户消费能力的考虑，基本上没有车顶导流罩，侧导流板，侧裙板等装置，需要自行改装。还有一些原因，即使安装了导流板，能够具有美观效果，但是功能性不强，更谈不上省油的效果。其实真正的了解导流组件，是一个比较复杂的过程。

　　卡车导流罩经过多年的使用与改进，受到全世界卡车司机的普遍认可，降低了风阻，节省更多的燃油。发展至今，基本上可以分为整体式，组合式，分流式。北美长头卡车热衷于整体式导流组件，由于北美多式联运的运输方式，挂车部分的尺寸相对统一，导流罩可以基本定型设计制造；相似的情况在澳洲的公路列车也同样适用，但澳洲导流罩的使用多与当地气候多风有关。

　　欧盟各国国情不同，对车辆的规格，高度也有差异性，导流罩以组合式为主，高度可以在一定范围内调整。特殊的内藏三角翼弥补了高度调节带来的缝隙。最后一种分流式基本在各国都有应用。

　　分流式具有向上和左右两侧同时分散气流的效果，效率最高，但由于受高度与车型的限制，需要特殊制造，牵引车应用相应受限。但不可否认分流式导流罩具有良好的降低风阻的作用，因此在载货车上得到了很好的使用效果。

　　欧洲的大型运输公司，探索新的方法来解决导流罩高度问题，空气管理控制系统（Air Management Control）用来配合不同挂车，取得更好的节油效果。AMC电动调节机构也就不足为奇了，司机可以对不同类型的挂车，高度在一定范围内调节。根据欧洲某大型运输公司的不完全统计，风阻系数稳定在原有基础上降低30%左右，百公里油耗下降4-5%。

　　侧导流板缩短了牵引车与挂车之间的间距，在高速行驶中，气流形成漩涡的机会减少，风阻降低的同时，发动机得到更好的散热。侧导流板对横风的气流导向作用更加突出，这是卡车非常重要的节油措施。

驾驶室后部的导流板加装了橡胶延伸部件，使驾驶室与挂车的间隔进一步缩短，以取得低风阻的完美状态 

　　在梅赛德斯-奔驰发布的aero trailer（航空挂车）车型以及雷诺发布的Optifuel Lab车型中，我们能看到目前充分利用空气动力学的先进卡车设计成果。2款车型均采用了导流罩、导流板、侧裙板、封闭车轮、气流扩散器、尾板等设计元素。

aero trailer侧面空气动力学装置

　　其中，导流罩和导流板的作用是弥补牵引车和挂车的高度差和主挂(牵引车和挂车）间隙，使气流平顺地由牵引车流到挂车而不发生分离，因而减小气流对挂车前端的2次冲击，并通过减少穿过牵引车和挂车之间的侧向风减小阻力。国外一份对沃尔沃卡车进行风洞测试的研究材料显示，当主挂间隙由0.85 m增大到1.5 m时，燃料消耗增加了3%。

aero trailer侧面空气动力学装置

　　侧裙板一方面可以降低整车的风压中心，提高整车的侧风稳定性；另一方面可以阻挡车辆两侧的空气被吸进车辆下部，减轻车辆下部的气流堆积，减少气流与车辆底部凸出部件的撞击，使得车辆下部的气流流动更顺畅，从而起到减小风阻的作用。

加装不同侧裙的试验模型

　　在刘畅等人撰写的《汽车空气动力学在重型载货汽车上的新进展》一文中介绍，美国Lawrence Livermore国家实验室的Jason M. Ortega等人在GTS模型的车厢底部分别加装了不同形状的侧裙板，并在NASAAmes流体力学实验室的开式回流风洞中进行了试验。

　　试验结果显示，加长楔形板后整车气动阻力系数比原型下降2.0%，加短楔形板下降0.1%，加短楔形板和中心板下降0.1%, 加两侧直板下降1.4%，由此可见加装侧裙板对减阻的作用。

　　封闭车轮的设计在汽车领域应用比较广泛。车轮在车辆行驶时不但要沿着车辆行驶的方向平动，同时围绕车轴转动，因此车辆一方面要克服车轮平动的压差阻力，另一方面要克服车轮转动时空气与轮胎、轮辋的干扰阻力。封闭挂车车轮后可以使气流绕过车轮，减弱车轮的干扰阻力，对减少风阻的贡献尤为显著。

曼恩卡车减阻原理

　　尾板的加装对于减少风阻的贡献尤为明显，不仅可以使气流的分离点向后延迟，而且尾板以及侧裙后部的形状都向内收，可以减小车厢后方的负压区。

　　在雷诺Optifuel Lab车型的挂车顶部的前高后低设计，其作用也是在保证货厢容积的前提下减小整车的负压区。

加装不同尾板的试验模型

　　在《汽车空气动力学在重型载货汽车上的新进展》文中引用的试验数据显示，倾角尾板的气动阻力系数下降16.4%，而曲面尾板下降了18.8%。

　　由此可见，车厢后部加装不同形状的空气动力学附加装置对减少气动阻力影响非常大。

trailertail 货箱尾翼导流

　　但由于目前国内外法规对车辆后悬的限制，使得加装尾板装置并没有得到广泛应用。

Optifuel Lab侧面空气动力学装置

　　气流扩散器目前广泛应用于F1赛车以及乘用车领域。在没有气流扩散器的情况下，气流从车辆底部流出后由于截面积增大，在车辆后方极易产生涡流，一方面会在车辆后方形成负压区，使得车辆的压差阻力比较大；另一方面涡流会阻挡气流的排出，使得气流在底部堆积，增大气流对底部凸出物的干扰阻力。气流扩散器是在车辆后部下方加装几个隔板把从车辆底部流出来的气流分隔开，抑制车辆后方涡流的形成，产生一种"抽气效应"，使挂车底部的气流顺利排出，减少干扰阻力，减弱车尾的负压区，减小整车的压差阻力。

Optifuel Lab后部空气动力学装置图解

　　另外，涡流发生器在国外的商用车上也有应用。其原理与乘用车的鲨鱼鳍天线有类似的作用，是将气流由层流边界层转捩为湍流边界层（小的涡流），湍流边界层的压力比较小，可以抑制涡流的发生， 使气流更容易贴着车身表面流动，避免气流发生分离。

加装涡流发生器的卡车

　　国外挂车空气动力学新思路

　　在牵引半挂车空气阻力形成的区域中，挂车底部与尾部的"降阻措施"相对较难。欧洲目前正在研究挂车整体造型的改进可能性，在封闭式运输占目前欧洲绝对地位的条件下，改变挂车顶部的形状，使之更符合空气动力学。这种牵引半挂车更像是一个潜水艇。

　　国内应用分析

　　伴随着国内法规对超载的限制，以及公路运输运营成本的提高，国内的卡车制造厂商开始越来越重视卡车的空气动力学性能。

　　主挂间隙越小，空气阻力越小，这个简单的原理众所周知，但在国内公路上经常可以看到主挂间隙长达1.5 m甚至2 m以上的车辆，这样大的间隙一方面是因为超载现象极其严重，厂商为保护成本更高的牵引车，降低牵引车的轴荷，因此将挂车的前悬尽可能缩短，将货物重量更大地加载在挂车车桥上；另一方面是因为国内路况比较恶劣，可以避免挂车前悬过长在极限工况下与牵引车发生干涉。

欧曼GTL空气动力学装置图解

　　在未来的智能交通实现时，车辆的队列行驶对减小空气阻力的作用将更大，根据傅立敏撰写的《队列行驶车辆的空气动力特性》论文介绍，队列行驶的车辆，每辆车的阻力系数都降低，平均阻力系数可降低20%～30%，而且阻力最低的车位于车队中心位置。

　　近年来由于国内法规的积极引导以及路况的不断改善，国内卡车相比国外产品在空气动力学技术方面的差距在不断缩小，但是对于各自主品牌制造商来说要走的路还很长。国外往往在牵引车和挂车研发阶段就采用一体化设计，而且广泛借鉴乘用车在空气动力学方面的设计元素；而国内挂车一般由挂车厂家根据牵引车进行匹配，主要关注的是挂车的可靠性以及轻量化，对于气动性能的考虑较少。

　　商用车作为一种为客户创造价值的工具，低成本、高效率应该是其产品开发的重要性能指标，而空气动力学作为一种有效降低燃油消耗的设计方法应该更广泛地应用于商用车的研发中。

　　也许看到这里有人会问，空气动力又摸不着，在现实生活中我如何知道卡车的空气动力学好坏，其实很简单，从一些细节就可以看出一台车的空气动力学设计是否良好。其中最简单的方法就是看在雨中行驶过后的卡车车门的泥水走向，目前绝大多数卡车制造商都在发动机进气格栅旁边设计了风向导流槽，其最主要的作用就是利用行驶过程中产生的风力将车轮溅起的泥水吹走，而不让污物弄脏车门把手，这个导流槽是要经过风洞实验才能获得准确的导流角度，而国内相当多的厂家都把这个东西作为一个摆设，起不到实质性的作用。

　　注意上图沃尔沃卡车车门上的泥水走向，通过设计有效利用了风力，保持了车门把手的干净。

　　仔细观察，能看见沃尔沃卡车大灯旁边有一条细长的风槽，行驶过程中迎面的风力有一小部分通过它集中到一起吹向车门。

　　斯堪尼亚卡车通过进气格栅旁边的风向导流槽保持车门把手的干净，可以清楚的看见每个槽块的形状都不一样。

　　选用合适的空气动力学套件

　　按照目前的国内物流运输情况来说，能够推广使用封闭运输的方式就是一个很大的进步，因为现在还有相当多的卡车还在使用低平板挂车或仓拦板挂车，装载货物后在表面搭上塑料蓬布，参差不齐的表面在高速行驶中会产生相当大的紊流区，而使用封闭式运输，平整的车箱表面相对于低平板挂车产生的紊流要小很多。换句话说，在物理条件一样的情况下，牵引同样重量的厢式挂车与低平板挂车，厢式车会比低平板车的油耗更低。

　　在一小部分国内的高端物流运输中，封闭式运输已经不是问题，他们学习欧洲卡车的做法，将挂车牵引销稍微往后移，减小牵引车头与挂车之间的距离，而进口车牵引车的副梁上都有前后可调整范围的预流孔，其作用就是可以移动牵引鞍座的位置，其作用是为配挂不同的挂车而预留的，这是减小风阻最有效的方法之一，有人担心车头与挂车的距离缩小后，挂车前部的厢体会碰到车头。

前导流罩

　　事实上，在经过测量后，定做适合自己拖头回转半径的挂车，这样才能使挂车前置距达到最完美效果，这主要受影响的是拖头的前回转半径，转弯亦或是倒车的时候，车头与挂车之间的夹角只要小于90度都不会有问题。但由于目前受到国内路况等各方面原因影响，上面介绍的方法仅在一些全高速且路况好的沿海地带有所使用。

驾驶室与货箱距离直接影响风阻

　　油价不断上涨，科学地利用空气动力学对于商用车辆来说越来越重要，多数厂家通过附加设备来改善风阻，而利用空气动力学套件而降低风阻及燃油消耗的卡车将成为以后的发展趋势。

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