騰訊數碼 劉琦
特斯拉Model X最初的原型車，是沒有傳統的外後視鏡的，取而代之的是一對後視攝影機。就是這樣一個看似“耍酷”的設計，對於Model X的續航水準至關重要。因為這樣的設計，降低了其風阻係數，從而減小了行車阻力。
在2014年展出的奧迪Nanuk Concept上，我們見到了這種設計理念的運用。但受制於法規，用後視攝影機取代傳統的凸面鏡，暫時還不太可行。雖然看起來不起眼，但在空氣動力學家眼中，佔據汽車迎風面積高達10%的後視鏡，如果能“縮略”成一對攝影機，對於節省能耗其實具有重大意義。
再拿特斯拉的Model S來說。這輛車在外形設計上，至少有3點是為了降低風阻而為：一是可收縮的門把手；二是Coupe造型；三是外突的橢圓中網造型。這讓特斯拉的風阻達到了0.24，這是相當出色的水準。同樣達到這一標準的，還有賓士E級Coupe。
本期文章，我們來瞭解下風阻係數。這是一個經常被人們忽略，但卻在能耗控制中扮演著重要角色的數位。想一下，汽車行駛時，除了克服地摩擦力外，另外一個阻力就是空氣阻力。尤其是在高速行駛時，空氣阻力會隨著速度的增加呈指數增長。
在1908年福特Model T誕生時，汽車的外形設計還沒有空氣動力學的考量，更多的精力被放在如何更美觀，以及降低製造成本上。由於最高時速不過是70km/h的水準，所以空氣阻力還不算是一個重要的能耗參數。
直到1933年，在捷克斯洛伐克誕生了Tatra 77。如下圖所示，這是全世界第一輛根據空氣動力學原理去設計的量產車。它的造型設計，為之後近半個世紀的汽車設計，奠定了空氣動力學的基礎。
Tatra 77最高時速可達140km/h。其實，在超過90km/h後，汽車的空氣阻力就該被納入重要的能耗考量中。超過120km/h，空氣阻力對能耗的暫態影響，甚至超過路面摩擦力。借助這種設計，Tatra 77的1:5模型的風阻係數實現了0.2455的歷史記錄。
後來的改進版本Tatra 77a的風阻係數，甚至達到了0.212——超過當今絕大多數的量產汽車。但由於記錄不詳，這個數位究竟是77a的模型水準，還是其實車的水準，目前已不得而知。
隨著技術的發展，以及大眾審美的變遷，汽車的外形設計經歷了數個反覆運算。幾乎每隔十年，汽車的外形設計都會進入一種新的潮流。而這其中，汽車設計師對於風阻係數的極致追求，也是影響外形設計的一大因素。
以有著40年歷史的寶馬3系為例。1982年的第二代寶馬3系（E30），相較第一代車型方正的設計，有了更加“圓潤”的邊角，空氣動力學的考慮更多。這使得E30的風阻係數達到了0.37。而三十年之後，第六代寶馬3系，也是2011年上市至今的現款3系，風阻係數達到了0.26。
直到第五代車型（2005—2013），寶馬3系的風阻係數依然沒有突破0.3。而第六代的0.26，則是大多數2011年以後的新車具備的實力。新款奧迪A6、寶馬i8、馬自達3（2012款）、新款賓士B級、日產GT-R，這些車無論級別高低，都有著0.26的風阻係數。
標緻508（2011款）、豐田普銳斯（2010款）則實現了0.25的水準；而特斯拉Model S、賓士S級則進入到了0.24的水準。目前的量產車中，風阻係數更為出色的是2013款的CLA 180 BlueEfficiency，已經到達了0.22的水準。常規版CLA風阻係數也只有0.23。
當然，風阻係數最低的量產車，當屬的大眾的XL1。該車為了實現百公里1L的油耗水準，採用了一個相當非主流的外形設計。這個設計，讓它成為全球第一款突破0.2標準的量產車，達到0.19的風阻係數。但顯然，這種設計理念估計幾十年後才會被大眾市場接受吧。
就跟百公里加速時間一樣，能進入3秒的基本都是汽車中的異類。風阻係數也一樣，為了從0.3進入到0.2，這個過程歷時幾十年、幾代工程師的努力。要想再從0.2進入到0.1的水準，估計就要不僅僅是“形状”的問題了，而有些零件要不要保留的問題。
比如XL1，它是沒有傳統的外後視鏡的，而是用攝影機替代。可以預見的是，接下來的20年、30年中，外後視鏡會逐步從設計師的草稿中消失——只要法規允許。文章開頭提到的Model X，如果按照概念車的設計取消傳統後視鏡，那麼風阻能降低5%，風阻係數降低0.1。
可見外後視鏡在空氣動力學中之重要。此外，“拆除”車頂行李架、擋泥板、尾翼、天線、雨刮器，均能在一定程度上降低風阻係數。在空氣動力學中，風阻的計算公式如下：
其中，p是空氣的密度；v是車輛的速度；A是車輛的迎風面積；cd便是風阻係數。根據這個公式，同一輛車在同一地點行駛，在速度一定的前提下，風阻係數越大空氣阻力越大。也可以看到，在該公式中，速度v與cd是平方的關係。所以，速度的增加，對於空氣阻力尤為重要。
對於特斯拉Model S來說，如果時速超過90km/h，這時空氣阻力造成的能量損耗就值得重視了；而90km/h這個線，也是特斯拉Model S能耗最佳的一個速度，此時風阻與速度比較均衡，續航也最長。
Model S的風阻係數是0.24，正向面積為2.34㎡。根據Car and Driver的一項測試，Model S在風洞測試中，時速在約112km/h時，風阻為35kg，克服空氣阻力做工14hp（約合10.44kw）。
這個時速下，特斯拉的功率指標一般在40kw左右，可見克服風阻就耗費了1/4的能量。當時速達到160kw/h時，功率指針一般在60kw左右。這時，特斯拉Model S克服風阻做工為42hp（約合31.32kw），佔據了全部動力輸出的一半！
從112km/h到160km/h，速度提升了1.4倍，克服空氣阻力的能耗卻提升了3倍多。這就是為何特斯拉時速時速超過120km/h後，續航里程大幅下降的原因。如果時速超過200km/h，或者達到250km/h的極速，空氣阻力的能耗可能會超過地面摩擦力。
一位挪威車主曾在德國高速路上做過測試，以200km/h行駛了12分鐘後，Model S的電量從350km降到了250km，整整耗費了100km的續航。精確地說，是520Wh/km，即每百公里用電52度！以這個速度，特斯拉充滿電只能跑160km。
而在這個時速下，特斯拉所受的摩擦阻力其實是減小的，因為車輛有上升力。由此可見風阻的作用是多麼大。在特斯拉未來的Model 3設計中，為降低風阻係數，它的尾部並沒有設計成典型的三廂車，而是採用了與後擋風玻璃銜接的掀背設計。同樣的設計理念，也見於雪佛蘭Volt。
0 comments:
張貼留言