3.1　汽车外形

3.1.1　确定汽车外形的因素

确定汽车外形有三个基本要素，即机械工程学、人体工程学和空气动力学。前两个要素在决定汽车构造的基本骨架上具有重要意义，特别是设计初期，受这两个要素的制约更大。

汽车最主要的要求是能够行驶和耐用。以此为前提，必须考虑机械工程学的要素，其中包括发动机、变速器内部结构设计。要使汽车具有行走功能，必须安装动力总成、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，可根据动力总成的大小和驱动形式确定大致的车身骨架。如果是大量生产，则要强调降低成本、车身钣金件的冲压加工简易化，同时兼顾维修简便性，即使发生撞车事故后，车身要易于修复。这些都属于机械工程学的范畴。

其次是人体工程学要素。因为汽车是由人驾驶的，所以必须保证安全性和舒适性。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。此外，还要考虑上下车方便和减少振动。这些都是设计车身外形时与人体工程学有关的内容。

以上两个要素起着决定汽车基本骨架的作用，也可以说是来自汽车内部的对车身设计的制约。在确定汽车外形时，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，空气动力学设计的重要性更加凸显。

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比例增加。因此，必须在车身外形上下工夫，尽量减少空气阻力。空气阻力分为汽车横截面面积所决定的迎面阻力和由车身外形所决定的形状阻力。除空气阻力外，还有升力问题和受横风时的不稳定问题。这些都是与汽车造型密切相关的空气动力学问题。

当然，汽车并不仅仅是根据上述三要素制造的，还要考虑其他因素。例如，商品学要素对汽车的设计就有一定的影响。从制造厂商的角度出发，使汽车的外形能强烈刺激顾客的购买欲是最为有利的。但是无视或轻视前面所述的三个基本要素，单纯取悦顾客的汽车造型是会不长久的，终究要被淘汰。此外，一个国家，一个厂家，乃至外形设计者都有各自的特色，这对汽车造型也有不小的影响。比较美国和意大利的汽车外形，就能感到两国风土人情和传统方面的差异。同一国家的各厂家，也各具自己的风格。但这都不是决定汽车外形的根本因素，只不过是表现方法上的微妙不同。

要将上述三要素完美地体现在一辆汽车上是相当困难的。比如，仅仅考虑使汽车能行驶，即机械工程学要素，就可能把座席置于发动机上面，但驾驶员操作不便。如果把汽车设计得像一座住宅装上四个轮子，虽然宽敞、舒适，但空气阻力过大，不可能高速行驶。如果把汽车设计成皮艇那样的外形，空气阻力虽然很小，但发动机往哪里放？人怎样驾驶？尽管困难很多，但自汽车问世以来，人们就一直在追求满足功能要求的理想造型。

3.1.2　汽车外形的发展

同一时代的汽车造型总有其共同之处，用工程学的观点进行分析，可以认为汽车造型主要经历了马车型、箱型、“甲壳虫”型、船型、鱼型、楔型等（图3.1）的演变过程。值得注意的是，这几种造型并不是某一时期专有随即消失，而是伴随着机械工程学、人体工程学和空气动力学技术的进步，构成整个追求机能上的理想造型的演变过程。

1．马车型汽车

从l9世纪末到20世纪初，世界上相继出现了一批汽车制造公司，如德国的戴姆勒和奔驰汽车公司、美国的福特公司、英国的劳斯莱斯公司、法国的标致和雪铁龙公司、意大利的菲亚特公司等。当时的汽车外形基本沿用了马车的造型。因此，当时人们把汽车称为“无马的马车”。

本茨的第一辆三轮汽车（图3.2）和戴姆勒的第一辆四轮汽车（图3.3）不但是马车型，而且还是无篷马车型。原始的汽车没有车篷也是有其原因的。首先，人们感到能有一辆不用马拉的车已经很不错了。其次，早期的发动机功率很小，一般只能乘坐2~3人，如果再给它装上一个笨重的车篷和车门，恐怕连自身也无法拉动。正是由于这些原因，汽车无篷阶段持续了很长时间。

不过作为一种交通工具，人们总是希望汽车越跑越快，所以车速逐渐成为评价汽车性能的重要指标。车速提高以后，马车型汽车所带来的直接问题就是迎面风使乘员难以忍受。随着车速的提升还有遮风挡雨等舒适性要求，车身造型开始变得豪华。增加了前风挡，并且逐渐开始脱离马车车身结构，但这个时期依旧没有考虑风阻。

1900年，德国人费迪南德·波尔舍（Ferdinand Porsche）设计了一辆带球面挡风板的电动汽车（图3.4）。这也是流线型汽车的萌芽造型。

1903年，美国福特A型汽车（图3.5）在座位前面设置一块挡风板，这块挡风板虽然很小，但是迎面来的风遇到挡风板便向上方吹去，从而减弱了吹在驾乘人员面部的风力。1905年福特生产的C型汽车开始采用挡风玻璃。

1908年，福特汽车公司生产了著名的T型车（图3.6）。这是一种带布篷的可乘坐4个人的小车，四缸发动机，40马力，车速大约为80km/h，车篷的前端用皮带扎在车身上。1908年最初推出的福特T型车是马车型汽车的典型代表。

来自马车造型并一直延续至今的汽车就是吉普车（Jeep）。1941年美国的威力斯·奥夫兰（Willys Overland）公司制造出有名的四轮驱动吉普车（图3.7）。吉普车本来作为无路地区军事联络用车，代替了原来骑兵通讯用的马。之后，由军用普及为民用，用于林区和牧区。

马车型时代并没有形成汽车自己造型的风格，所以也可以说是汽车造型的史前时代。

2．箱型汽车

马车造型的汽车，从整体上看是四方形，而带篷的马车型汽车从外表看已接近于箱型汽车了。但真正意义上的箱型汽车是带封闭车身和车门的。

1895年，法国P&L公司生产了世界上首辆封闭式汽车（图3.8），是箱型汽车的开端。

1915年福特汽车公司生产出一种新型T型车（图3.9），人们将这种T型车作为箱型汽车的代表。这种车的车室部分很像一只大箱子，并装有门和窗，所以人们将这种汽车以及后来生产的类似汽车称为“箱型汽车”。箱型汽车可以说是真正意义上汽车造型的初期阶段。

早期的箱型汽车以美国的福特T型车最为著名，年产量达到30多万辆，占美国汽车总产量的70%~80%。随着T型车的普及，用户产生了多样化的要求，美国通用汽车公司的雪佛兰（Chevrolet）部看到了这个势头，于1928年制造出在散热器罩、发动机通风口和轮罩上增加豪华装饰的汽车（图3.10），从而受到用户的欢迎，垄断汽车市场20年的福特车T型终于被击败。

毫无疑问，人们坐在带有车厢的汽车里，要比坐在敞篷车里舒服得多，避免了风吹、日晒、雨淋。因此，箱型汽车一经问世，就受到公众的喜爱。

随着车辆的普及，人们对车辆的要求也越来越多，对速度的追求就是其中之一。然而厢式车身风阻很大，要提高速度，理所当然地只能直接增大发动机功率。因此发动机的缸数越来越多，车头也越来越长。这时人们逐渐意识到，行驶阻力是影响车速的重要因素，于是开始在车辆外形上打起了主意，如改进轮胎结构，以便减小车轮与地面之间的滚动阻力，降低车身高度以减少迎风面积等。虽然这些措施都取得了一定的效果，但仍然不能令人满意。

研究证明，当汽车以不变的速度在平坦的路面上行驶时，所受到的阻力有轮胎与地面的滚动阻力和空气阻力两种。其中滚动阻力数值不是很大，而且随车速的变化其变化值也不大。但空气阻力就不一样了，它随车速的提高明显加大，与车速的平方成正比（图3.11）。当车速超过60~70km/h，空气阻力逐渐增大，超过100km/h后，功率几乎都消耗在克服空气阻力上。

减少迎面面积，可以减少空气阻力。降低车体高度可以明显减少迎面面积，进而降低空气阻力。车体高度在1900年几乎与马车同高，为2.7m；1910年降到2.4m；1920年为1.9m。因为车内要坐人，所以车高不能无限制地降下去，1.3~1.4m基本上就是最低限度了。对功率为60马力箱型车，车高2.7m时，其最高速度只能达到80km/h；车高降到1.9m，最高车速可达100km/h；如果车高降为1.3m，则最高车速可达120km/h（图3.12）。

车身宽度越窄，空气阻力也越小。按理说，车身应该是逐渐变窄的，但实际恰恰相反，而是逐渐加宽的。开始只有1.3m左右，不久就扩大到1.6m，横坐三人的大型车达到1.8~ 2.0m。如果仅用空气阻力的观点来看这一倾向，显然是矛盾的，然而从稳定性方面考虑则是必然的。汽车转弯时，有离心力作用于车上，这种离心力大致与车速的平方成正比。因此，车速越高，转弯时倾翻的危险性越大。为了避免汽车高速带来的危险性，必须加大轮距。但加宽车身使车身截面积增大，导致空气阻力增大。

箱型车重视人体工程学，内部空间大，乘坐舒适，有“活动房屋”的美称。但是，作为高速车来讲，箱型汽车不够理想。所以人们又开始研究一种新的车型——流线型汽车。

3．“甲壳虫”流线型车

从空气动力学角度看，箱型车身显然是不理想的。为了减少空气阻力，需要减小迎面面积，但是空气阻力中除了迎风阻力之外，还包括有形状阻力，这是箱型车所顾及不到的。所谓形状阻力，是由汽车外形形状引起的空气涡流所造成的阻力。对箱型汽车而言，形状阻力占很大比重。在前窗玻璃、车顶，特别是汽车后部，产生很强的空气涡流（图3.13）。这些涡流妨碍汽车前进。

1920年，德国人保尔·亚莱用风洞对有名的“卓别林”号飞艇进行了空气阻力的研究。从图3.14中可以看出，正面形状和侧面形状对空气阻力的影响都很大。前面已经讲过，物体所受的空气阻力与迎风面积成正比，与速度的平方成正比。而亚莱更进一步，引进了由物体形状决定的空气阻力系数的概念。空气阻力F_w的计算式如下：

式中，C_D为空气阻力系数；ρ为空气密度；A为迎风面积；u_r为相对速度，在无风时即为汽车行驶的速度（m/s）。

亚莱发现，前端方形的物体比前圆后尖的物体的空气阻力系数要大得多，从而找到了解决形状阻力的途径。鸟和鱼正是形状阻力最小的造型。

1934年，美国密歇根大学雷依教授采用风动以及模型汽车，测量了各种形状车身的空气阻力系数（图3.15），结果显示流线型车身具有最低的空气阻力。

而事实上，自从20世界30年代以来，随着空气动力学的研究以及钣金冲压技术的发展，车身上出现了许多流线型的设计。1934年的克莱斯勒Airflow（图3.16）是最早的流线型汽车。遗憾的是，由于该型汽车的造型超越了当时的审美观，在销售时遭到惨败。但该型汽车的诞生宣告了汽车造型流线型时代的开始。

1936年福特汽车公司在“气流”牌轿车的基础上加以精练并采用了迎合顾客口味的商业化设计，成功地研制出了林肯·和风（Lincoln Zephyr）流线型小轿车（图3.17）。该车型注意了车身造型的协调美，如散热器罩很精练并具有动感，俯视整个车身呈纺锤形，很有特色。受其影响，以后出现的流线型汽车有1937年的福特V8型、1937年的菲亚特和1955年的雪铁龙等。

流线型空气阻力小，能够提升车速，优点显而易见。但是真正把流线型汽车推向热潮的是保时捷创始人——费尔南德·波尔舍（图3.18）。

波尔舍在1931年设计出了一款流线型轿车——TYPE 21（图3.19），这就是日后我们熟悉的“甲壳虫”雏形，但当时并没有厂家愿意投产这款车型。

1924年，希特勒潦倒狱中时，受福特T型车的启发，想到了一个解决德国失业问题的办法，他要在全国修建高速公路，并大批量生产一种每个德国家庭都买得起的“大众汽车”（Volkswagon）。9年后，希特勒与纳粹掌权。1934年，将设计汽车的重任交给费尔迪南·波尔舍，要求他在10个月内设计出一种最高时速62英里、每行驶42英里耗油1加仑的汽车，要能装下两个大人和三个孩子，最重要的是，价格必须低于1000马克。波尔舍没有错过这个机会，他把之前的TYPE 21的想法放到了这款国民车里。不过由于第二次世界大战的原因，直到1949年大众才量产了这款国民车——甲壳虫。1981年第2000万辆“甲壳虫”型汽车在墨西哥的大众分厂开下了装配线，打破了福特T型车的产量纪录，成为世界上同种车销量最多的汽车。波尔舍最大限度地发挥了“甲壳虫”外形的长处，成为同类车中之王，“甲壳虫”也成为该车的代名词（图3.20）。在1967年前，“甲壳虫”的正式名称为大众TYPE 1，1967年才被正式命名为“甲壳虫”。

“甲壳虫”因为造型新颖、结实耐用，受到了全世界各地消费者的喜爱，同时流线型车身也成为潮流。但是“甲壳虫”不是完美的，“甲壳虫”内部空间比以前的箱型车还要小，乘员空间不大；“甲壳虫”型汽车尾部的侧向面积与箱型汽车相比，其侧向风压中心移到汽车质心的前面（图3.21），侧向风力相对于质心所产生的力矩，加剧了汽车侧偏的倾向。而箱型汽车由于侧向风压中心在质心之后，所以侧风对该型汽车质心所产生的力矩，可以使将发生侧偏的汽车回位，因此不易发生侧偏。尽管“甲壳虫”缺点很明显，但这并不妨碍它为车身进化做出的贡献。

其实很早之前有过一款拥有流线车身的车——阿尔法—罗密欧40/60马力Aerodinamica（图3.22），1914年这辆车能到达到139km/h的惊人速度。能够达到这个速度除了有6.0L发动机外，更重要的因素是良好的空气动力学设计。不过因为其过于超越时代，并不能成为主流。

从克莱斯勒“气流”牌的失败到大众“甲壳虫”的成功，进一步说明了这样一个真理，即只要是合理的，就会有生命力，即使当时不被人们所接受，但却能经得起时间的考验。

4．船型汽车

第二次世界大战结束后，福特汽车公司于1949年又推出具有历史意义的新型的福特V8型汽车。这种车型改变了以往汽车造型的模式，使前翼子板和发动机罩、后翼子板和行李舱罩融为一体，大灯和散热器罩也形成整体，车身两侧形成一个平滑的面，从而也减小了侧面的形状阻力（图3.23）。由于前方为发动机室，后部为行李舱，车室位于车的中部，整个造型很像一只小船，所以人们把这类车称为“船型汽车”。它与“甲壳虫”车有相当大的差别，第一次驾驶该车的驾驶员，被其轻便的操纵性所倾倒，后排的乘员则对其舒适性惊叹不止。

福特V8型汽车的成功，不仅在外形上有所突破，而且还首先把人体工程学应用在汽车的设计上。强调以人为主体的设计思想，也就是让设计师置身于驾驶员及乘员的位置，来设计便于操纵、乘坐舒适的汽车。并从理论上解释了两轮之间的乘坐位置的颠簸最小，以及车室的前后空间过大，从驾驶员席看，后方视野不好等问题。

船型汽车不论从外形上还是从性能上来看都优于“甲壳虫”型汽车，还解决了“甲壳虫”型汽车对横风不稳定的问题。这是因为船型车发动机前置，汽车重心相对前移，而且加大了行李舱，使风压中心位于汽车重心之后的缘故，所以遇到横风就不会摇头摆尾。

无论是“甲壳虫”型汽车还是箱型汽车，都体现了人体工程学与流体力学的对立。而福特V8汽车则巧妙地发挥了上述两种车的长处，使人体工程学和流体力学成功地统一在一个车上。从20世纪50年代开始一直到现在，不论是美国还是欧亚大陆，不管是大型车还是中、小型车，都采用了船型车身，从而使船型造型成为世界上数量最多的一种车型。

船型车身除了在空气动力学方面有意义外，也让设计师创造了许多绝美的车型（图3.24）。

值得一提的是，我们熟悉的“红旗”轿车也是典型的船型车（图3.25）。

5．鱼型汽车

船型汽车尾部过分向后伸出形成阶梯状，在高速行驶时会产生较强的空气涡流。为了克服这一缺陷，人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜，即成为斜背式。由于斜背式汽车的背部像鱼的脊背，所以这类车称为“鱼型汽车”。鱼型车比“甲壳虫”外形更为夸张，后窗倾斜角度更大、尾部更长。

最初的鱼型车是美国1952年生产的别克牌小轿车（图3.26）。1964年美国的克莱斯勒“顺风”牌和1965年的福特“野马”牌都采用了鱼形造型。自“顺风”牌以后，世界各国逐渐主产鱼型汽车。

时至今日，保时捷911依旧保持鱼型车身的设计（图3.27）。

鱼型汽车和“甲壳虫”型汽车光从背部来看很相近，但仔细观察可以看出鱼型汽车的背部和地面的角度比较小，尾部较长，围绕车身的气流也比较平顺，涡流阻力也较小。鱼型汽车基本保留了船型汽车的长处，车室宽大，视野开阔，舒适性也好。另外，鱼型汽车还增大了行李舱的容积。

鱼型车保留了“甲壳虫”以及船型车的优势，但同时也有缺点：①汽车后视窗倾斜大、面积大。鱼型汽车的后窗过于倾斜，要想保持其视野，玻璃的面积与船型汽车相比扩大约2倍，这样既降低了车身的强度，又由于采光面积增加，使车内温度过高。②汽车高速行驶时容易产生很大的升力。升力使汽车与地面的附着力减小，使汽车的行驶稳定性和操纵稳定性降低。为了解决这个问题，工程师们在车辆尾部增加了一个尾翼，为车辆提供一定的下压力，所以这种车型又称为鱼型鸭尾式车型。“甲壳虫”后期的车型也出现了尾翼，以提高高速行驶的稳定性（图3.28）。

工程师们还试图将车尾截去一段，从而减少升力，令人意外的是，这个设计获得了比传统鱼型车更好的空气动力学性能（图3.29）。

而类似的设计没有被淘汰，我们熟悉的普锐斯就是使用该设计的车型（图3.30）。鱼型设计的车身，使得普锐斯的风阻系数仅为0.25。

6．楔型汽车

为了从根本上解决因采用鱼型结构而带来的升力问题，人们想了种种办法，进行了很多次的风洞试验，并查明了车身各部行驶中所受风压的情况。从图3.31中可以看出，散热器罩等处的正压是水平方向的，不能起到抑制升力的作用，是阻碍汽车前进的空气阻力。船型所产生的负压（即升力）相当大，特别是发动机罩和车顶前部，鱼型则更为严重。而楔型造型，也就是让车身前部呈尖形且向前下方倾斜，车身后部像刀切一样平直的造型，在发动机罩和车顶部所受负压较小，可以有效地克服升力问题。

赛车可以单纯考虑流体力学问题，完全按楔型制造。最典型的是1968年印第赛道上的Lotus Turbine赛车，前端很尖，直线条，给人以极单纯的美感（图3.32）。

最早按楔型设计的小轿车是1963年斯蒂庞克·阿本提（Studebaker Avanti）（图3.33），尽管它的造型获得了专家们的高度评价，但在市场销售中却一败涂地，公司不得不宣布破产。原因是它生不逢时，在船型车盛行的年代，人们无法接受与之形成尖锐对比的楔型车。不过，真正优秀的东西不会总被埋没，斯蒂庞克·阿本提的楔型设计于1966年和1968年分别被奥兹莫比尔·托罗纳多（图3.34）和卡迪拉克·埃尔德拉多轿车所采纳、继承、发展。

但楔型汽车对一般轿车而言，也只是一种准楔型，绝对的楔型汽车造型会影响车身的实用性（乘坐空间小）。所以，现在除了像法拉利、莲花、兰博基尼等跑车采用楔型外，绝大多数实用型轿车都是采用船型和楔型相结合的方案。其中德国奥迪汽车公司1982年推出的奥迪100型轿车（图3.35）开创了这一造型之先河，是世界上第一种空气阻力系数小于0.3的大批量生产车型。

以船型汽车为基础的楔型汽车是轿车较为理想的造型，它较好地协调了乘坐空间、空气阻力和升力的关系，使实用性与空气动力性较好地结合在一起。

综观汽车外形的发展，可以看出它一直是在围绕着“高速、安全、舒适地行驶”这一主题发展的。每个时期都在不断地开拓着汽车造型的新纪元，都在尽力满足机械工程学和人体工程学的前提下最大限度地减小空气阻力和升力的影响，从而使汽车的性能得以提高。一部汽车外形的发展史，就是人类追求汽车性能不断提高的奋斗史。与此同时，作为判断汽车美学价值的基准——性能美的观念，也在人类的美学意识中扎下了根。

3.1.3　低空气阻力系数汽车设计要点

合理的车身形状对于减小汽车的空气阻力具有重要作用，现代车身空气动力学工程师认为，低空气阻力系数值的轿车车身应遵循下列要点，如图3.36所示。

车身前部：发动机盖应向前下倾。面与面交接处的棱角应为圆柱状。风窗玻璃应尽可能“躺平”且与车顶圆滑过渡。前支柱应圆滑，侧窗应与车身相平。尽量减少灯、后视镜、门把手等物突出，突出物的形状应接近流线型。在保险杠下面的前面，应装有合适的扰流板。车轮盖应与轮胎相平。风吹过车侧时，会在轮胎附近产生乱流［ 图3.37（a）］，如果在轮包内做一些导流的处理，就能让气流平顺地滑过车身的侧面［ 图3.37（b）］。

整车：整个车身应向前倾斜1°~2°。水平投影应为腰鼓形，后端稍稍收缩，前端呈半圆形。

汽车后部：最好采用舱背式或直背式。应有后扰流板。

车身底部：所有零部件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。如果底盘有空隙，流过车底的气流就会杂乱［ 图3.38（a）］，但如果将底盘用护板完全罩住，气流就能够快速流过［ 图3.38（b）］。

发动机冷却进风系统：仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱、精心设计的内部通道。图3.39为进气风口对风阻的影响。风从进气格栅进入发动机舱时，轮胎附近产生扰流［ 图3.39（a）］。但如果关闭进气格栅及风扇叶片，风就会绕过进气格栅，从车头的四周流过［ 图3.39（b）］。所有现代发动机越来越多采用主动式进气格栅，能在起动车辆之后根据发动机的温度自动调节开合度，从而达到快速热车的效果，使发动机在最短时间内进入最佳工作状态。此外，主动式进气格栅还可以在高速运行时适时关闭进气栅，为车辆带来更低的风阻系数，从而提升车辆稳定性与燃油经济性。

另外，雨刮器、外后视镜、车顶行李架、车头的Logo、门把手和车身表面的高度差、侧窗和车门之间的高度差等设计，都会对风阻系数产生影响。

一般来说，当车速超过70km/h时，空气阻力就会对车的行驶产生较大的影响。车速越高阻力越大，所以油耗也就越高。但在70km/h以下时，油耗更多取决于车的自重、胎宽、发动机的技术等。

表3.1列出了部分量产车的风阻系数，其中自主品牌荣威i6风阻系数为0.25，达到国际领先水平。