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第7章 汽车外形(1)

当人们注目马路上南来北往的汽车时,看到的是它的外形;当我们欣赏展览会上风格各异的轿车时,注意的是它的造型。汽车(尤其是轿车),以其外形向人们炫罐着自己的身份与地位,暗示着自己的性能与价格……当然,最主要的还是向世人展示自己的美学属性。

评价一辆汽车造型的美学价值,应该排除个人的主观认识,以机能上的理想外形(即能够高度发挥汽车机能的完全合理的造型)作为评价的主要依据。

确定汽车的外形需要考虑三个因素,即机械工程学、人体工程学和流体力学。首先,从机械工程学的角度来说,由于对汽车最主要的要求是能够行驶和坚固耐用,所以,必须在车架上安装发动机、散热器、离合器、变速箱、车轮、制动器等,这些装置安装在汽车的哪个部位,需要设计人员认真研究,而各装置所在的位置大体上就决定了汽车的基本骨架;另外,为了加工方便和万一撞车后易于修复,也需要考虑车身的结构,所有这一切都属于机械工程学研究的范畴。其次,汽车是由人来驾驶的,作为轿车和客车,除驾驶员以外,还要乘坐旅客,必须给他们留出足够的乘坐空间并且保证驾驶容易、上下车方便、乘坐舒适以及减少振动等,这从另一个方面决定了汽车的基本骨架,这些属于人体工程学研究的范畴。最后一个制约汽车外形的主要因素是空气动力学方面的问题,我们知道,当骑自行车前行时,人会感到迎面吹来的风比步行时要大,而且骑行速度越快,风的速度和阻力也就越大,同理,汽车高速行驶时也会受到空气的阻力,空气阻力的大小取决于汽车横截面面积、车身外形以及车速三个方面。

汽车设计师在决定采用何种汽车造型时,必须将机械工程学、人体工程学和空气动力学三个方面的因素加以综合考虑,只有这样,才能使造出的汽车既可正常运行,又能方便驾驶和乘坐。当然,除了以上三方面的因素以外,各汽车制造厂在设计自己的汽车外形时,表现手法上还会有所不同。这主要是为了突出自己的特色并刺激顾客的购买欲望,不是决定汽车外形的根本因素。

从汽车诞生的那一天起,世界各国的工程师们就在反复地尝试着设计从汽车机能方面来讲最为理想的造型。纵观百余年来的发展历程,汽车外形大体上可划分为马车型、箱型、甲壳虫型、船型、鱼腥、楔型、子弹头型等七种类型。

马车型汽车

1886年诞生的世界第一辆汽车,其外形相似于一辆马车。在那以后的近30年时间里,虽然世界上相继出现了许多家汽车制造公司,但几乎所有的公司在设计汽车时都把主要精力放在了汽车的机械工程学方面,即只要能让汽车开动就行。至于汽车车身,基本上沿用了马车的造型,甚至英国生产过一种汽车,在车前右侧专门设计了一个相当于马车上挂马鞭用的钩子。难怪当时的人们将汽车称作“无马的马车”。

当然,原始的汽车没有车篷也是有其原因的:首先,当时约人们习惯于没有车篷的马车,谁会无中生有地想出给汽车加上个篷子呢?大家感到能有一辆不用马拉的“马车”已经是很不错了。其次,早期的汽车发动机功率非常有限(只有3千瓦左右),一般只能坐2~3人,如果再给它装上一个笨重的车篷和车门的话,恐怕连自身也无法拉动。再次,早期的汽车车速有限(世界第一辆汽车的速度为15千米/小时),迎面风对驾乘人员的吹袭作用不是太明显,因而车篷的作用不是太大。

基于以上原因,汽车的无车篷阶段持续了相当长的时间。

不过,作为一种交通工具,人们总希望它能跑得更快,所以,车速往往是评价一辆汽车性能的重要指标。人们的这种普遍愿望激励着汽车工程师们想出种种办法来提高车速。

车速提高以后,所带来的直接问题就是迎面吹来的风使驾乘人员难以忍受(例如,当汽车以50千米/小时的速度前进时,坐在车上的人所承受到的风速是14米/秒——相当于7级大风),甚至无法睁开眼睛。这直接影响到行车的安全。

1903年出产的“Ford-A型”车将车头部分做成倾斜的面,虽然这块倾斜的挡风板面积很小,但却可以使迎面吹来的风流向上方,大大减少了直接吹在乘员身上的风力。1905年生产的“Ford-C型”车开始采用挡风玻璃——类似于今天一些年轻父母冬季在自行车前装一块有机玻璃,以便减轻寒风对孩子的吹袭一样。

1908年,福特汽车公司生产了着名的“Ford-T型”车,这是一种带布篷的可乘坐4人的小客车。尽管车篷的前端需要驾驶员用皮带扎在身上才能避免被风吹走,但它还是以其质量好、价格低、易驾驶等优点而备受用户欢迎。“Ford-T型”车开创了人类的汽车时代,其自身也成为马车型汽车的典型代表。类似于马车型汽车的造型今天仍可看到,这就是吉普车。

马车型的汽车造型,作为汽车技术尚未成熟时代的产物,被持续采用了相当长的一段时间。在这个时期,汽车设计师们还没有引进空气动力学的原理。

箱型汽车

由于带有敞篷或活动布篷的马车型汽车很难抵挡风雨的侵袭,因此,福特汽车公司于1915年又生产出了一种新型的“T型”车。这种车的车室很像一只倒扣着的大箱子,并且装有车门和车窗,所以人们将这辆汽车以及后来生产的类似汽车称作为“箱”型汽车。从那以后,汽车的基本造型就算基本确定了。

毫无疑问,人们坐在带有车篷的汽车里外出兜风,要比坐敞篷车舒服多了。因此,这种汽车一问世,就受到了公众的喜爱,人们纷纷掏钱购买。消费的刺激使得汽车产量迅速增加,马路上跑着的汽车越来越多,加快了人类的生活节奏,促进了社会的发展。

但是,箱型汽车也存在着一个问题,那就是它的速度达不到人们希望的那么快。工程师们想尽种种办法来提高车速,如改进轮胎结构,以便减小车轮与地面之间的滚动阻力;加大发动机功率使汽车更加有劲;降低车身高等以减小迎风面积……虽然这些措施都取得了一定的效果,但却仍然不能令人满意。

原因何在呢?

研究证实,当汽车以不变的速度在平坦路面上前进时,所受到的阻力有轮胎与地面的滚动阻力和空气阻力两项。其中滚动阻力数值不是很大,而且随着车速的变化其变化值也不大。但空气阻力就不一样了,它随着车速的提高明显加大。当车速超过100千米/小时时,发动机所输出的功率大部分都消耗在空气阻力上了。由于早期的箱型汽车有较大的迎风面积和形状阻力,所以箱形结构不太适合于时速超过100千米的汽车。

当然,箱型汽车也有它的优点,由于这种汽车的内部空间比较大,因而有活动房屋的美称,非常适合于家庭用车。即使在今天,它仍然具有很大的实用价值,只是今天的箱型汽车与以前相比棱角部分过渡得比较圆滑了,前窗玻璃略为有些倾斜了,车身高度也有所降低了。之所以这种形式的汽车还有用武之地,原因就在于作为家庭用车主要用于市区之内短距离的客货运输,对车速的要求不是太高。

甲壳虫型汽车

1934年,克莱斯勒汽车公司生产出的“气流”牌小轿车首先采用了流线型的结构,这种具有划时代意义的卓越造型,给汽车工业的发展作出了不可磨灭的贡献。但是,在销售方面它却遭到了惨败,究其原因是这一造型超越了时代的欣赏能力。

1937年,德国大众公司的保时捷博士设计的一种轿车较好地解决了减小汽车前进时空气阻力的问题。人们根据这种汽车的形体,将其称之为“甲壳虫”型汽车。

为什么甲壳虫型汽车能较大地减小空气阻力呢?这要从空气涡流说起。

生活中我们注意到:当一辆汽车从身边经过时,地上的尘土、纸片、树叶等较轻的东西会紧跟在车后旋转、飞扬,这就是汽车前进所造成的空气涡流引起的现象,龙卷风就是空气涡流的一个典型实例。由于涡流具有一定的能量,而汽车前进所造成的空气涡流能量只能是来源于汽车能量的消耗,所以说,空气涡流因其能量消耗会阻碍汽车的前进。

德国科学家保尔·亚莱在1920年的实验研究结果证明:一件物体所受到的空气阻力大小与物体的形状、迎风面积和前进速度有关,物体的迎风面积越大,前进速度越快,空气阻力就越大;前端呈方形的物体比前圆后尖的物体前进时所遇到的空气阻力大。自然界里,鸟、鱼和雨滴的形状阻力是最小的。

由于汽车在使用过程中不能为减小空气阻力而牺牲前进速度,因此,要想减小空气阻力只能从减小迎风面积和形状阻力两个方面入手。

轿车的平均高度在1900年时为2.7米左右,以后逐渐降低,今天的小轿车只剩下1.3~1.4米高了,这种变化的目的就在于减小迎风面积。

为了减小空气阻力,许多汽车厂家都在探索、试制新的汽车外形。甲壳虫外形的汽车造型仿照了自然界经过无数代淘汰而生存下来,既可以在地上爬行,也能在空中飞行的甲壳虫的外形,所以形状阻力很小。该车投产以后马上受到人们的喜爱,成为同类车中的佼佼者,它所保持的单一型号2000多万辆产量的世界纪录至今无人能够打破。

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