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摘要：在人类日益追求速度带来的震撼感的当下，环保成为人类关注的另外一个问题。而汽车自从工业革命之后，其尾气排放量对环境造成的影响，成为全球环保中的最大因素，因此如何设计一款环保节能的汽车，成为多个国家的命题，而节能车比赛成为寻求办法的途径。在本论文中，将从节能车的车身设计方面，包括风阻系数、车身涡流、仿真学等，来讨论节能车如何实现最大的燃油经济性，从而达到环保的目的。
关键词：节能车，环保，燃油经济性
1. 节能车大赛
1.1.节能车大赛来历
第一届节能车大赛是日本在1981年由HONDA汽车公司举办，其目的在于摸索一条如何实现最大燃油经济性的生产思路。自2007年起，中国也开始举办节能车大赛，每年都会在上海或肇庆的国际赛车场举行，目前已经创造出1297KM/L的记录。
1.2.节能车大赛车身要求
按照大赛要求，参加比赛的节能车基本尺寸应该为，高度在1.8米以下，轴距1米以上，全长3.5米之内，轮距0.5米以上，全宽2.5米以内，以及排气管不能超出侧面及后立面10CM以上。
然而，在节能车车身设计符合大赛规定的基础上，如何提高底板离地间隙、减小迎风面投影面积来减小空气阻力——因侧面空气摩擦力形成的阻力在一定速度值以上可忽略不计，从而来减小空气阻力系数C成为最为关键的因素。
另外在汽车重量上，如何降低汽车重量，使之与地面摩擦力降低，也成为一方面的考虑因素。
2. 车身设计
2.1.迎风面设计
在正式阐述迎风面设计之前，我们可以先来看一组数据，见表-1[1]：
由此表单数据可见，飞机的风阻系数C最小，而在汽车类中则是赛车尤其是F1方程式赛车的风阻系数C最小。因此，采用飞机机头设计（图-1）模式来设计节能车车身迎风面，将有助于提高节能车的燃油经济性。
由图中可见，机头设计采用了完整的流线型气动设计，在迎风面积减小的同时，也减小了涡流产生的影响，同时使用整流罩和迎风面后倾的设计，更能减小空阻系数C，理论证明采用整流罩之后其空阻系数可以降低0.5。
2.2.侧身设计
车身的侧面设计，主要考虑的因素有两点，一个是空气摩擦，另一个则是气流涡旋影响。第一个空气摩擦在实际比赛中可以忽略不计，而如何减少气流涡旋影响成为首要设计因素。
气流涡旋实际发生在流动气体中的运动体表面，这是不可避免的。然而气流涡旋会加大机械能的损耗，对于汽车来说则是直接降低了汽车的燃油经济性，加大燃油消耗。
因此，要减小形成气流涡旋的影响，则需要是空气从侧面平顺流过，不能形成气流回旋增大机械能损耗[2]。所以引导气流从凹处流向凸处，采用前窄后宽的设计是必要的，这样同时能够提升汽车的平稳性能。
同时在轮距0.5米以上和全宽2.5米以内的要求下，尽量的加大轮胎内侧和车身侧面之间的间隙，减小空气的压缩阻力因素，也是侧面设计减小空阻系数C的有效办法。
2.3.底板设计
在前面有论述提及，增大底板和地面的间隙能够减小空阻系数C，然而在车身高度1.8米的限制以及其他部件安装的基本要求之下，节能车底板离地间距不会高于20CM。然而，由磁悬浮列车我们可以想象，使得车轮和地面几近悬空模式，能够在同等功率输出的情况下获得更大的效益。反之，则是在获得效益一定的情况下，使用此方法可以降低功率输出，用于节能车设计则是能够有效发挥燃油经济性，提高成绩。
因此，底板设计应该尽量的平滑，使得空气不会在底板形成气流涡旋从而增大汽车的抓地力，减小车轮和地面的摩擦力。同时，采用整流板（图-2）和顶部翼型设计——这一点和机头整流罩后倾类似，也可以减小车轮和地面的摩擦力，从而降低燃油消耗。
2.4.车身材料
车身材料上，应该选择重量轻且不容易发生弯折现象的材料。在一般设计中，铝合金是车身设计材料的首选，然而其容易发生的形变，使得其在运输过程中容易发生对气动布局有影响的变形。因此，采用高分子复合材料，比如硬塑材料，则能有效的降低这种风险，并减轻车身质量。我队车辆从成绩、环保和外观和车身风阻方面考虑，另辟蹊径，采用玻璃纤维和环氧树脂做车身材料，先用泥做车身外形，然后在模型上铺一层玻璃纤维，在纤维上刷一层环氧树脂，如此反复进行约4-5次，直到车身具有一定的强度（一般厚度达到4mm左右为宜）。最后成型车身如下图3所示
3. 理论验证
3.1.风洞试验
流体力学方面的风洞试验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法[3]。
风洞试验来验证物体的气动外形的合理性，通场有两大类方法，一种是示踪法，另一种是光学法。在一般情况下，都采用示踪法来较为直观的观察和记录气动外形的合理性和数据，而这种方法又分为六小类，分别为丝线法，这种办法是通过轻柔纤维来反映空气的流动，从而找到需要的节点数据；烟流法，和丝线法类似，形成的烟雾通过风洞，其微粒流动路径反映了气流数据；还有油流法、升华法、蒸气屏法、液晶显示法，其原理和丝线法类似，则不一一说明。
然而风洞需要强力的硬件和软件支撑，在一般情况下难以达到，因此在强风外界条件下，进行类风洞试验得到了对车身的验证数据，见表-2：
虽然真实的风洞可以验证节能车的气动布局的合理性是否达到要求，然而使用风洞试验也存在不足，第一是边界影响，风洞的空间气流无法模拟真实的空气流动，因为真实的空气是无边界的。另外则是风洞试验需要支架，支架对风洞试验的结果具有一定的干扰。因此，采用软件的模拟风洞试验，则可以避免这些干扰。
3.2.软件模拟验证 采用ANSYS系统和fluent模拟系统，来实现对节能车的外形风洞模拟实验，成为验证节能车车身的可行办法。
这一过程则需要进行三维建模来实现。
第一步按照设计初稿，通过CAD软件建立节能车的部件和整体三维模型，这一过程需要进行严谨的零件设计和存稿，尤其是车身部件，以便于及时修改。
第二步为模拟组装，通过模拟组装来分辨节能车是否容易进行拆卸和组装，从而减少因为拆卸和组装带来的布局变形。
第三步是建立比赛场地的模拟空气场，包括风向、风速等数据。第四步则是进行模拟验证，从而找出设计中的不合理性，并进行修改。
当以上步骤都验证合格并达到设计者要求的情况下，则可以进行生产。
4.总结
在中国的汽车行业突飞猛进的当下，汽车成为家家必备的出行工具，然而环保问题也成为当下最为严峻的问题，节能车比赛为这个问题的解决提供了一种途径。因此，通过不断地努力，来优化节能车的设计，从而降低燃油消耗率，是能为汽车设计和生产提供参考价值的方案。
参考文献：
[1] 随时举手.风阻系数.[EB/OL]http：//baike.baidu.com/link？url=HbTp3JCtho0fwhJO2ClQb3-As7MFoYbGfL-djPgvm4ku76e4NU1DvnFtXh1Qw0rG’2013-04-04
[2]米虫可用.揭秘HONDA节能车大赛[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/link？url=-OS35UfXU-66YYF_MvEMIrZM3vFNMwHaz70wTo3STvzBp2p9FnqMuZ1IrKHuVr3zSZ5XolrVjX3XWAuE1WxIeIt-sOQ0yQVfif8yUR09G3W’2010-12-03
[3] wmj007.风洞实验[EB/OL]http：//baike.baidu.com/link？url=ShbrgtPmDvm3Bw-O-WS9XTNFW9JHKZVVgtunAXlJ7QNfLHT6o2Bb6SLrr1uv-Fzb’2013-04-19
作者简介：
姓名：陈小怡 出生：1981年6月 性别： 男 籍贯：四川广汉
工作单位：泸州职业技术学院 职务：讲师
学位：工学学士 学历：硕士研究生 研究方向：机械制造及自动化
关键词：节能车，环保，燃油经济性
1. 节能车大赛
1.1.节能车大赛来历
第一届节能车大赛是日本在1981年由HONDA汽车公司举办，其目的在于摸索一条如何实现最大燃油经济性的生产思路。自2007年起，中国也开始举办节能车大赛，每年都会在上海或肇庆的国际赛车场举行，目前已经创造出1297KM/L的记录。
1.2.节能车大赛车身要求
按照大赛要求，参加比赛的节能车基本尺寸应该为，高度在1.8米以下，轴距1米以上，全长3.5米之内，轮距0.5米以上，全宽2.5米以内，以及排气管不能超出侧面及后立面10CM以上。
然而，在节能车车身设计符合大赛规定的基础上，如何提高底板离地间隙、减小迎风面投影面积来减小空气阻力——因侧面空气摩擦力形成的阻力在一定速度值以上可忽略不计，从而来减小空气阻力系数C成为最为关键的因素。
另外在汽车重量上，如何降低汽车重量，使之与地面摩擦力降低，也成为一方面的考虑因素。
2. 车身设计
2.1.迎风面设计
在正式阐述迎风面设计之前，我们可以先来看一组数据，见表-1[1]：
由此表单数据可见，飞机的风阻系数C最小，而在汽车类中则是赛车尤其是F1方程式赛车的风阻系数C最小。因此，采用飞机机头设计（图-1）模式来设计节能车车身迎风面，将有助于提高节能车的燃油经济性。
由图中可见，机头设计采用了完整的流线型气动设计，在迎风面积减小的同时，也减小了涡流产生的影响，同时使用整流罩和迎风面后倾的设计，更能减小空阻系数C，理论证明采用整流罩之后其空阻系数可以降低0.5。
2.2.侧身设计
车身的侧面设计，主要考虑的因素有两点，一个是空气摩擦，另一个则是气流涡旋影响。第一个空气摩擦在实际比赛中可以忽略不计，而如何减少气流涡旋影响成为首要设计因素。
气流涡旋实际发生在流动气体中的运动体表面，这是不可避免的。然而气流涡旋会加大机械能的损耗，对于汽车来说则是直接降低了汽车的燃油经济性，加大燃油消耗。
因此，要减小形成气流涡旋的影响，则需要是空气从侧面平顺流过，不能形成气流回旋增大机械能损耗[2]。所以引导气流从凹处流向凸处，采用前窄后宽的设计是必要的，这样同时能够提升汽车的平稳性能。
同时在轮距0.5米以上和全宽2.5米以内的要求下，尽量的加大轮胎内侧和车身侧面之间的间隙，减小空气的压缩阻力因素，也是侧面设计减小空阻系数C的有效办法。
2.3.底板设计
在前面有论述提及，增大底板和地面的间隙能够减小空阻系数C，然而在车身高度1.8米的限制以及其他部件安装的基本要求之下，节能车底板离地间距不会高于20CM。然而，由磁悬浮列车我们可以想象，使得车轮和地面几近悬空模式，能够在同等功率输出的情况下获得更大的效益。反之，则是在获得效益一定的情况下，使用此方法可以降低功率输出，用于节能车设计则是能够有效发挥燃油经济性，提高成绩。
因此，底板设计应该尽量的平滑，使得空气不会在底板形成气流涡旋从而增大汽车的抓地力，减小车轮和地面的摩擦力。同时，采用整流板（图-2）和顶部翼型设计——这一点和机头整流罩后倾类似，也可以减小车轮和地面的摩擦力，从而降低燃油消耗。
2.4.车身材料
车身材料上，应该选择重量轻且不容易发生弯折现象的材料。在一般设计中，铝合金是车身设计材料的首选，然而其容易发生的形变，使得其在运输过程中容易发生对气动布局有影响的变形。因此，采用高分子复合材料，比如硬塑材料，则能有效的降低这种风险，并减轻车身质量。我队车辆从成绩、环保和外观和车身风阻方面考虑，另辟蹊径，采用玻璃纤维和环氧树脂做车身材料，先用泥做车身外形，然后在模型上铺一层玻璃纤维，在纤维上刷一层环氧树脂，如此反复进行约4-5次，直到车身具有一定的强度（一般厚度达到4mm左右为宜）。最后成型车身如下图3所示
3. 理论验证
3.1.风洞试验
流体力学方面的风洞试验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法[3]。
风洞试验来验证物体的气动外形的合理性，通场有两大类方法，一种是示踪法，另一种是光学法。在一般情况下，都采用示踪法来较为直观的观察和记录气动外形的合理性和数据，而这种方法又分为六小类，分别为丝线法，这种办法是通过轻柔纤维来反映空气的流动，从而找到需要的节点数据；烟流法，和丝线法类似，形成的烟雾通过风洞，其微粒流动路径反映了气流数据；还有油流法、升华法、蒸气屏法、液晶显示法，其原理和丝线法类似，则不一一说明。
然而风洞需要强力的硬件和软件支撑，在一般情况下难以达到，因此在强风外界条件下，进行类风洞试验得到了对车身的验证数据，见表-2：
虽然真实的风洞可以验证节能车的气动布局的合理性是否达到要求，然而使用风洞试验也存在不足，第一是边界影响，风洞的空间气流无法模拟真实的空气流动，因为真实的空气是无边界的。另外则是风洞试验需要支架，支架对风洞试验的结果具有一定的干扰。因此，采用软件的模拟风洞试验，则可以避免这些干扰。
3.2.软件模拟验证 采用ANSYS系统和fluent模拟系统，来实现对节能车的外形风洞模拟实验，成为验证节能车车身的可行办法。
这一过程则需要进行三维建模来实现。
第一步按照设计初稿，通过CAD软件建立节能车的部件和整体三维模型，这一过程需要进行严谨的零件设计和存稿，尤其是车身部件，以便于及时修改。
第二步为模拟组装，通过模拟组装来分辨节能车是否容易进行拆卸和组装，从而减少因为拆卸和组装带来的布局变形。
第三步是建立比赛场地的模拟空气场，包括风向、风速等数据。第四步则是进行模拟验证，从而找出设计中的不合理性，并进行修改。
当以上步骤都验证合格并达到设计者要求的情况下，则可以进行生产。
4.总结
在中国的汽车行业突飞猛进的当下，汽车成为家家必备的出行工具，然而环保问题也成为当下最为严峻的问题，节能车比赛为这个问题的解决提供了一种途径。因此，通过不断地努力，来优化节能车的设计，从而降低燃油消耗率，是能为汽车设计和生产提供参考价值的方案。
参考文献：
[1] 随时举手.风阻系数.[EB/OL]http：//baike.baidu.com/link？url=HbTp3JCtho0fwhJO2ClQb3-As7MFoYbGfL-djPgvm4ku76e4NU1DvnFtXh1Qw0rG’2013-04-04
[2]米虫可用.揭秘HONDA节能车大赛[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/link？url=-OS35UfXU-66YYF_MvEMIrZM3vFNMwHaz70wTo3STvzBp2p9FnqMuZ1IrKHuVr3zSZ5XolrVjX3XWAuE1WxIeIt-sOQ0yQVfif8yUR09G3W’2010-12-03
[3] wmj007.风洞实验[EB/OL]http：//baike.baidu.com/link？url=ShbrgtPmDvm3Bw-O-WS9XTNFW9JHKZVVgtunAXlJ7QNfLHT6o2Bb6SLrr1uv-Fzb’2013-04-19
作者简介：
姓名：陈小怡 出生：1981年6月 性别： 男 籍贯：四川广汉
工作单位：泸州职业技术学院 职务：讲师
学位：工学学士 学历：硕士研究生 研究方向：机械制造及自动化