摘 要：重型卡车有其特有的空气动力学特点，本文对重卡空气动力学和人机学进行研究，将空气动力学与汽车造型设计结合在一起，共同改善重型卡车的使用效率，提高整车性能。

关键词：重型卡车;空气动力学;人机学

1 引言

在各种基础设施建设和社会经济生活中卡车成为重要的运输物流工具，卡车竞争越来越激烈。用户在重型卡车的选购中，对其外观造型也给予越来越多的关注，重型卡车涉及人机工程学、机械工程学以及空气动力学等多个学科，在整个车辆开发环节中造型设计具有重要作用。重型卡车以其庞大身躯和车辆自重在行驶过程中受到更多阻力，与普通汽车相比，在气动性上需要有更多考虑，将空气动力学与汽车造型设计结合在一起，共同改善重型卡车的使用效率，提高整车性能。

2 重型卡车造型中的空气动力学

（1）气动力及参量。重型卡车在行驶时在气流场作用下，空气流速和流动状态在不同表面各不相同，由此产生不同的静压力，垂直作用在汽车表面，静压力的合力就是气动力，即空气动力，在理论研究中，将纵向（X轴）、横向（Y轴）、铅垂（Z轴）三个方向分为气动阻力、气动测力和气动升力，他们分别作用在车辆正面、侧面和水平面上，这三个力一般情况不与车辆重心相重合，当将三个力转移到车辆重心位置时，就产生了以车辆重心为原点的三个坐标轴的三个力矩，即侧倾力矩、俯仰力矩、横摆力矩，三个力矩和三个力就是汽车气动性能研究中的重要参量，是车辆行驶中受到的气动力系。

（2）汽车风洞试验。在进行车辆造型气动优化研究中，汽车风洞试验是重要的研究方法。汽车风洞试验是在风洞中安置车辆模型或真车，对气体流动及其与模型之间的相互作用进行分析，从而了解实际车辆的空气动力学特性。使用风扇将空气吸入管孔，利用整流板及管孔设计将进入的空气进行加速并整流直到获得试验所需的风速，并将之送入试验段中。汽车风洞试验可以让我们明显看到车辆各个部件在行车过程中的风阻情况，模拟卡车在行车过程中遇到的噪音、热力学状态，其中有关车身造型的试验内容有：车身表面流态测试，使用方法为网格丝带法和表面丝带法;汽车车身周围流态测试，使用方法为通过烟度发生器实施烟流法。

（3）计算流体动力学。在车辆造型的数据模型设计阶段，对包含有热传导和物体流动的物理现象的系统分析，除了可以使用汽车风洞试验，还可以通过图像显示和计算机数值计算对其进行分析，这就是计算流体动力学（CFD）技术，通过设定计算机虚拟环境，对空气流动情况进行模拟仿真，可以看到流场的各种细节，如激波的轻度、运动;表面压力分布、涡的生成、随时间变化的受力情况等，通过数值模拟将空气流动场景再现，很接近真实试验。

3 车身造型与气动力关系

重型卡车在正常行驶情况下，有36%-55%的功率要消耗在气动阻力的克服上，可见车身造型对汽车节约能源有很大关系。对重型卡车来说，驾驶室几乎是其造型的全部，但由于卡车车头部分很少单独运行，都是与箱体配装，因此驾驶室和箱体之间的间距、高度等也对车辆气动阻力产生较大影响，因此在重卡造型研究中，为了获得气动性能最优，一般将驾驶室和箱体作为一个整体来进行研究。研究表明，不管是正面还是侧面迎风，卡车箱体都是导致气动阻力产生的原因之一，气动阻力关键因素就是箱体与驾驶室之间的位置关系。

为了提高卡车的行驶效率，就要通过各种办法降低空气阻力的产生。实验表明只要将一个长方形物体的前缘修圆，并且将圆角半径设计为宽度的十分之一，就可以有效降低至少70%的气动阻力，使用同样尺寸的流线型外形设计，气动阻力可以降低90%，二者差距不是很大，可见根据实际应用情况，不必一定要借助于流线型的设计方法也可以实现降低空气阻力的目的。将导向翼安装在非流线型车身的前缘，就可以有效降低气动阻力，抑制气流分离，避免气流沿直角前缘向下分离的现象。

在重卡上经常使用的降低气动阻力的方法有：在卡车驾驶室顶部安装导流罩，将车辆迎面气流导向车顶和侧面，这样可以降低驾驶室与箱体之间间隙以及高度差的影响;车身前部安装车身前侧导流罩和前侧冀板，改善车身部分的流线形态，可以降低10%左右的气动阻力;在保险杠上安装前下部导流罩和前阻风挡，阻止进入车下的气流与车底盘凸出部分相互作用，这种方法可以降低15%左右的气动阻力。此外还有涡流稳定装置和侧风稳定装置等，如侧裙板、间隙密封罩等属于侧风稳定裝置，间隙密封罩用来处理箱体和驾驶室之间的间隙，侧裙板用在车身侧面及箱体下部的空隙区域。涡流稳定装置安装在箱体前部，避免箱体和驾驶室之间由于间隙产生涡流。

4 重型卡车造型设计与人机工程学

人机工程学从人的心理和生理因素出发，对人-机-环境相互作用的规律进行研究，以达到人机最优的工作性能。重型卡车的造型设计也要应用人机工程学，以驾驶员为中心，使车身设计更好的适应人的需求，营造一个操作便捷、舒适可靠的驾驶环境，达到人机和谐的状态。人机工程技术体现在卡车驾驶室的设计中，表现为驾驶员和乘员在车辆行驶状态下的操纵方便性、视野性、舒适性和手伸及性等，在部件设计上主要体现在驾驶室内部布置以及踏板、前挡风玻璃、后视镜等部件，如为了扩大驾驶员视野，降低前挡风玻璃高度;改进后视镜设计以减少视觉盲区扩大车后观察范围;在驾驶室空间不变的情况下加大驾驶室后部和控制台之间的长度，这样不仅增加了乘坐空间，也在发生碰撞事故时可以为驾驶员留有足够的逃生空间。有的重卡采用了大面积玻璃风挡和侧门设计，使用低地板概念等，都是为了给驾驶员带来舒适感觉，降低人为失误。

5 总结

重型卡车有其特有的空气动力学特点，在造型设计上就不能忽视气动力学的影响，本文分析了重卡造型中的气动力及其参量以及车辆造型气动优化研究中经常使用的汽车风洞试验和计算流体动力学技术。为了提高卡车的行驶效率，就要通过各种办法降低空气阻力的产生，同时考虑人机工程学，给驾驶员创造舒适的驾驶环境。

参考文献：

[1]柴婷婷.现代重卡的造型特征[J].汽车科技，2008，3.

[2]王心华，王鳍涵，屈兴远等.关于轻型卡车造型设计方法探析[J].学术研究，2017，6.

作者简介：汤玉军（1979-），男，安徽人，本科，中级工程师，研究方向：汽车设计。