浅谈影响汽车外形设计的主要因素

打开文本图片集

【摘要】 汽车外形设计是根据汽车整体设计的多方面要求来塑造最理想的车身形状，它不是对汽车的简单装饰，而是在尊重机械工程学、人机工程学、空气动力学等学科的基础上，在运用新材料和应用新技术等手段上来表现汽车的功能、材料、工艺和结构特点。

【关键词】 汽车外形；机械工程学；人机工程学；空气动力学；新材料；新技术

自1885年，德国工程师卡尔·本茨制造了一辆装有汽油机的三轮车后，就拉开了汽车现代史的帷幕。在此后的100多年内，汽车无论是从车身造型还是从动力源或底盘、电器设备来讲，都有了翻天覆地的变化。其中最富特色、最具直观感的当数车身外形的演变了。汽车的形状经历了从粗糙的"马车"到火柴盒般的箱型汽车，再到卡通般的甲壳虫汽车，还有船型、鱼型、楔型，汽车的身材是越来越好看，线条越来越美了。汽车作为世界第一商品，如同名牌时装的款式一样，无论其内在品质如何，给人的第一印象均来自于它的外形。根据市场调查，人们在购车时依次考虑的因素是价格、油耗、外形、品牌、内饰、性能、颜色、用途等，可见好的汽车外形能够吸引客户青睐这辆汽车。随着汽车设计及生产制造技术的不断进步与发展，各汽车厂商都会在汽车外形上下足工夫，不断地更新汽车款式来吸引消费者。然而影响汽车外形设计的主要因素应从如下三方面来剖析。

一、机械工程学和人机工程学

汽车在设计初期，主要受机械工程学和人机工程学这两个要素制约，它们决定汽车构造的基本骨架。作为汽车，最主要的是能够行驶和耐用。以此为前提，首先必须考虑到机械工程学的要素，包括发动机、变速器内部结构设计。要使汽车具有行走功能，必须安装发动机、变速器、车轮、制动器、散热器等装置，而且要考虑把这些装置安装在车体的哪个部位才能使汽车更好地行驶。这些设计决定之后，可根据发动机、变速器的大小和驱动形式确定大致的车身骨架。如果是规模化生产，则要强调降低成本，车身钣金件冲压加工的简易化，同时兼顾到维修简便性，即使发生撞车事故后，车身要易于修复。上述这些都属于机械工程学的范畴。其次是人机工程学要素，因为汽车是由人驾驶的，所以必须保证行驶的安全性和和乘客舒适性。首先应确保乘员的空间，保证乘坐舒适，驾驶方便，并尽量扩大驾驶员的视野，对于车子质量的分配也影响汽车的造型，重心位置影响车子的操纵稳定性和平顺性。此外，还要考虑上下车方便并减少振动。这些都是设计车身外形时与人机工程学有关的内容。如果汽车的总体布局是由总工程师决定的，那么对于车身造型设计师而言，只有很好地理解甚至具备确定总体布局的能力，才能设计出更完美的外形，同时考虑到外形的流畅性、行驶的安全性、乘客的舒适性、节能性等。这可以说是来自汽车内部对车身设计的制约。

二、空气动力学

在确定汽车外形的时候，来自外部的制约条件即空气动力学要素则显得尤为重要，特别是近年来，由于发动机功率增大，道路条件改善，汽车的速度显著提高之后。高速行驶的汽车，肯定会受到空气阻力。空气阻力的大小，大致与车速的平方成正比。因此，必须在车身外形上下工夫，尽量减少空气阻力。空气阻力分为由汽车横截面面积所决定的迎风阻力和由车身外形所决定的形状阻力。除空气阻力外，还有升力问题和横风不稳定问题。这些都是与汽车外形密切相关的空气动力学问题。

汽车外形不仅考虑时尚和审美，还要考虑实用和安全，在能源短缺的今天，风阻系数是必须考虑的重要因素。风阻系数=空气密度×车头正面投影面积×车速的平方，也就是说车头越大，车速越快，阻力就越大，阻力一大，风噪和油耗就越大。研究表明，汽车在行驶时随着速度的增加空气阻力成为发动机主要需克服的行驶阻力。从图1可以看出，当车速低于90km/h的时候车辆行驶的主要阻力是机械阻力，包括发动机内部的摩擦、轮胎与地面的摩擦等。而当车速超过90km/h的时候，空气阻力成为车辆需要克服的首要阻力。实际上机械阻力可以看作是一个常量，它的大小不随车速变化而变化，而空气阻力是变量，其与车速的平方成正比，车速越快空气阻力越大。一般小车的风阻系数在0.30左右就算优秀了，跑车可达0.25，赛车就更小了。风阻系数是车身造型设计师一点点抠出来的，大到选型，小到天线的外置和隐藏、门把手的外露和内置，还要考虑成本和工艺，既不能影响空间使用，外观还要尽量美观。

实际上，车身设计师会在考虑来自汽车内部对车身设计制约的第一方面原因后，通过风洞实验来获取气动数据、查看车身的流场，完善车身气动设计。比如：为了减小压力阻力，现在的汽车外形设计得很流线，车头非常圆润（当然为了时尚和审美，车尾放弃了老鼠尾巴型）；为了减少分离，车背都会设计得坡度很缓，让气流尽量沿平缓的车背流动减少分离；为了减少机舱阻力，使用电子控制的可开闭格栅；为了消除底盘的风阻，很多厂商都会将车辆底盘用塑料护板包裹；为了车辆高速行驶的稳定性，不至于"飞"起来，安置前翼和尾翼等。

三、新材料和新技术

汽车工业集先进的制造技术和先进的材料科学于一体，材料科学的发展推动了汽车工业的发展。作为汽车工业发展基础条件之一，新材料的开发和应用是保证汽车工业提升先进技术的前提，同时采用新材料与先进的制造工艺是相辅相成的，汽车工业正在努力开发新的制造方法，对传统的工艺进行更新。一部汽车的成功制造必然是多种材料的综合利用以及先进制造工艺的有效采用，伴随技术进步，制造车身的材料已经不仅仅是钢铁了，越来越多的新材料被应用到车身的制作中，其中包括：铝合金、碳纤维、塑料、高分子复合材料等。

现代汽车车身大多采用承载式车身，承载式车身的制造中主要使用冲压成型，一种通过挤压使平整的钢板在模具中成形的冷加工工艺。由于采用压力成形法，所以冲压加工的材料存在一种矛盾：强度高的材料塑性差，不容易成型；而强度低的材料容易成形，但成形后的零件强度偏低。现在制造车身结构件的主要材料由于采用了新型结构钢，一般1.2mm厚度的DP（双相）钢就已经可以达到主要结构件所需的强度了。这就是最直观的例子：20年前的车身普遍使用2mm以上厚度的钢板，但是在碰撞测试中很多车得分很低；而今天的车身用钢板厚度在1.2mm，碰撞试验中五星得分却比比皆是。不过即便是这种高强度钢也只用在车身结构部件上，例如：纵梁、横梁、A、B、C柱等部位，而不受力的蒙皮依然采用普通软钢，法国雪铁龙公司甚至直接在车门上使用软面材料了，这有利于加工成复杂的外部形状且柔软的表面，在与行人发生碰撞时能够尽量保护行人，同时便于修复、降低修复成本。因此提醒那些习惯用手按蒙皮来直观感受车身强度的朋友，这是没有意义的，真想按的话就打开发动机盖按按减震塔、引擎盖背面的框架或者后备箱里两个后减震塔间的横梁吧，它们绝对够硬。同时，先进的汽车制造技术为新材料的应用提供保障，例如：适用于轻量化设计的连接工艺已发展成熟，如德国某汽车公司在大批生产的轿车上采用CO2激光束焊接，与传统的焊接工艺相比，焊接成的高强度钢板车身的强度提高了50%。又如，一些复合材料的SMC壳体的材料较厚，大约为2.5～3mm，限制了轻量化的幅度。法国雷诺公司采用新的A级表面精度的SMC模压技术和低密度填料，减薄了零件厚度，使轿车壳体重量比普通SMC工艺下降了30%。

四、结语

汽车外形设计是艺术的体现。设计师除了需要懂得车身结构、制造工艺要求、空气动力学、人机工程学、工程材料学、机械制图学、声学和光学知识外，还需要有高雅的艺术品味和丰富的艺术知识，如外形的视觉规律原理、绘画、雕塑、图案学、色彩学等等。另外，汽车作为一种商品，设计师还要考虑成本和顾客的心理需求。设计师在精通这些知识的基础上，不断推陈出新，创作更富魅力的汽车外形。

参考文献

[1] 邢韬. 现代汽车新材料技术应用[J]. 交通科技与经济，2008（2）

[2] 朱晓霞. 汽车造型的影响因素研究[J]. 城市车辆，2009

推荐访问:浅谈 主要因素 外形 影响 汽车