长头卡车造型设计研究

王洪正，李晓峰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230000）

长头卡车造型设计研究

王洪正，李晓峰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230000）

文章以长头卡车造型为研究对象，调研分析长头卡车的发展及现状，并归纳出长头卡车的优缺点。文章从空气动力学、前端模块和内部空间、型面特征、比例分割、细节设计等几大方面对国内外长头卡车的造型进行分析，并总结出长头卡车造型设计趋势。

长头卡车；空气动力学；型面特征；比例分割；细节设计

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-22-04

1、国内外长头卡车现状

1.1 国内长头卡车现状

上世纪五十年代，我国生产的第一辆长头卡车——“老解放”CA10（图1），第二代长头卡车解放系141和东风140成为经典代表。到了八十年代，随着欧、日系卡车技术的输入，国产卡车逐渐变为欧洲流行风格的平头卡车。目前国内商用车企业对长头卡车技术没有研发更新，长头卡车无论是安全还是性能、燃油经济性都已无法满足要求。当前长头卡车在我国卡车市场上份额稀少，其主要原因是国家法规限制了车长，也就是对卡车的整长（车头+货厢的总长度）进行限制，要是车头太长就影响装载质量；而美国只对货厢而不对车头进行限制。国内商用车企业为加大装货空间，对车头的研发标准是越小越好。

图1 老解放CA10

1.2 北美长头卡车现状

北美高速公路早已形成网络，多数为双向6车道的洲际高速公路，同时北美是世界上最早进入经济一体化的地区，跨国运输早已普及。美加两个大国和墨西哥联成一片，纵横数千公里，形成一个巨大的公路运输网络。据统计，美国和加拿大每天公路货运量价值10亿美元。加拿大每年通过公路向美国运送货物价值为全部出口额的60%-70%。北美长头卡车具有功率大、速度高、安全性、耐久性好、易维修、车辆轻量化、驾驶室宽敞舒适、人性化味道浓等特点。目前北美市场上长头卡车占主导地位。

2、长头卡车优缺点

2.1 长头卡车的优点

长头卡车的安全性更高：前置的发动机舱为意外碰撞提供了更长的缓冲距离，在安全性方面有着更佳的表现。同时，与平头车相比，长头卡车的驾驶室高度更低（图2），重心也相应降低，这大大减少了碰撞中的侧翻几率。来自密歇根大学高速公路安全研究报告中的数据显示，车祸中平头车有着高于长头卡车28%的驾驶员死亡率。

良好的空气动力学设计和燃油经济性：长头卡车被证明具有更好的流线造型和更低的风阻系数，能够有效节约10%～12%的燃油消耗。车辆在公路上行驶时，有很多因素形成了燃油消耗，其中，滚动阻力占到32%，动力损耗占到18%，而空气阻力占到了50%。也就是说，在车辆行驶过程中，有一半的燃油消耗在空气阻力上。

图2 万国长头卡车与平头卡车

图3 驾驶室翻转对比

维修保养的便利性：由于发动机前置，长头卡车在使用与维护方面比平头车更加方便，维修时只需打开发动机舱盖，而不用把驾驶室翻转过来，驾驶员可以很轻松地接近发动机，维修变得更容易（图3）。在维修工人为发动机做维护时，驾驶员可以自由进出驾驶室，取用驾驶室内的物品不受影响。

舒适性更好：长头卡车的驾乘空间更大，它的地板比较低，前置的发动机不会占用驾驶室空间，驾驶室内可以容纳更多生活设施，如更大的卧铺、冰箱等(图4)。由于发动机不再位于驾驶室下方，长头卡车具有更低的内部噪音。

图4 长头卡车宽敞的驾驶室

2.2 长头卡车的缺点

在中国长头卡车致命的弱点是装载区域较平头车要略小几立方，运输成本高不划算。长头卡车发动机前置，比后驱车辆的传动轴要延长，传动轴的延长就必然造成动能的损耗，所以，平头车为减少动能损失，将发动机靠近后轮也是技术先进的体现。此外，长头卡车相对于平头车来说，转弯半径较大；如果无限制的加长轴距会使车辆转弯更加困难。

3、国内外长头卡车造型分析

3.1 国内长头卡车造型分析

一汽解放长头卡车安捷、东风柳汽“龙卡”，作为老一代长头卡车的全面升级换代产品，外观造型相对比较前卫。2016年北京车展上，东风柳汽“T7”长头卡车在外观、安全系数、省油以及驾驶室空间上均领先于老一代长头卡车。目前国内长头卡车可以分为两类，第一类是在老长头卡车的基础上更新前端模块如安捷和龙卡（图5），其造型比较方正，以实用为主。 第二类是在重卡驾驶室基础上增加前端发动机模块（图6），其A柱夹角比较大，风阻系数高且前端模块造型与驾驶室不能完美融入在一起，像是改装车。

图5 龙卡与安捷

图6 国内长头卡车部分车型汇总

3.2 北美长头卡车造型分析

北美洲购买者比较喜欢长头卡车，原因是美国车型长度标准允许，另外美国平原多，良好的公路现状，车速一般较快，更注重安全性，更注重气派。北美长头卡车为降低风阻，整车均采用流线造型风格且观以大面为主，体量感强，粗犷有力。细节造型（灯、格栅等）与整体形成强烈的体量对比，更加反衬出长头卡车的强悍和力量。长头卡车在造型上的延伸感和空间上的阻隔感，给人以方向感和安全感。不同的长头卡车品牌保持着各自的造型风格，局部细节造型迥异。长头卡车更加注重个性表达，身躯威猛高大，动力强劲持久，外表稳重大气，驾乘舒适安全，常常以超凡的艺术魅力，吸引了众多的眼球（图7）。

图7 北美长头卡车部分车型汇总

4、空气动力学对长头卡车造型设计的影响

当车辆高速行驶的时候，最大的阻力都来源于空气，而实验表明，当车速高于每小时80KM的时候，就有将近一半的油耗是用来克服空气阻力的。车速越高，车辆受到的空气阻力就越大，空气阻力的增加值与车速增加值的平方成正比，也就是说，车速提高两倍，空气阻力会相应的提高四倍。空气阻力是空气动力学中最主要的分支，所谓的空气动力学研究的是可观察到的在物体周围或通过物体的气流活动的全部过程。已知的自然界中，水滴的风阻系数最低，只有0.05；垂直平面物体的风阻系数最高为1.0，轿车风阻系数通常为：0.3-0.4，平头卡车通常风阻系数为0.5-0.8左右，长头卡车风阻系数为0.4 -0.5。长头卡车外造型最明显的优势就是风阻系数低，油耗低。2012年德国IAA车展上，Concept S概念卡车（图8）与动力学优化设计的挂车组合在一起进行了展示。相比一辆普通40吨半挂牵引车， Concept S完美的空气动力学设计可降低25%油耗。以低碳环保为主题的曼恩Concept S概念车，其风阻系数为0.3，已经达到了乘用车的水平。不同于现今高速路上跑着的四四方方的传统卡车，曼恩Concept S驾驶室的线条更为流畅。

图8 曼恩卡车

图9 空气动力学

降低车辆风阻系数，对于一辆长头卡车来讲，设计上绝非易事。既要满足驾驶室超大的驾驶室空间所带来的舒适性，又要保证车辆发生碰撞时的安全性，还要保证驾驶员开阔的视野。在空气动力学的影响下长头卡车外造型将使线条更为流畅，大面更加饱满，外凸出造型特征更少（图9）。对于未来的长头卡车，从设计的角度来看，极佳的空气动力效率是至关重要的，这直接决定了长头卡车的外造型。

5、前端模块和内部空间对长头卡车造型设计的影响

从长头卡车驾驶室的前端模块（车头）和内部空间上来看，有前端模块变短和内部空间变大的趋势。首先随着发动机技术的进步，动力系统的小型化、分散化成为可能，从而带来长头卡车发动机区域缩小的变化，从而使得长头卡车前端模块区域变小（图10）。其次随着公路系统和物流的发展，驾驶员将会更多的时间在驾驶室内度过，故驾驶室将被定义为一种新的生活起居，驾驶室大空间的需求越来越迫切。可以预测长头卡车的造型设计将会更多的注重驾驶员的内部空间的设计。以后驾驶员可以在长头卡车驾驶室内部布置车载冰箱、电视、驻车空调、超大卧铺等将（图11）。

图10 斯卡尼亚长头前端模块变小

图11 福莱纳内饰

6、型面特征对长头卡车造型设计的影响

从型面特征上来看，由于生产工艺的进步，使得清晰的锋利线条能够在长头卡车身上得到完美体现，因此长头卡车将与乘用车一样，渐渐会摒弃强调肌肉感的大弧度饱满连接面，转而使用强调清爽感的利落小圆角切面，即所谓chamfer面的运用。如图12新老款福莱纳，从造型型面特征处理上可以看出两种不同的造型风格，老款福莱纳造型是以肌肉感的大弧面设计风格，而新款福莱纳则运用轿车化的切面设计风格。经过新旧两款福莱纳长头卡车的型面对比，我们可以总结出长头卡车造型的设计趋势将会向轿车靠拢。

图12 型面处理新旧对比图

7、比例分割对长头卡车造型设计的影响

整个驾驶室的比例分割来看，目前长头卡车虽然在形式上有创新，但是前风窗的视觉独立设计基本都是相同的。而在部分概念卡车中，将前风窗向各个方向延伸的设计成为一大亮点。比如五十铃的T-NEXT概念车（图13），则将前风窗与侧窗连为一体，加强整车流畅的感觉；三菱公司推出的第一代FUSO CANTER概念车（图14），将前风窗、侧窗、车顶全都连接在一起，形成整体造型；上述两款概念车的设计将会进一步启发长头卡车外观造型的设计，未来长头卡车也会有前风窗向各个方向延伸的设计。

图13 ISUZU T-NEXT

图14 FUSO CANTER概念车

8、细节设计对长头卡车造型设计的影响

长头卡车造型设计将会随着技术的发展越来越重视细节设计。从细节设计方面看，前格栅、保险杠、标志、后视镜、灯具、车厢部分都与最新的科技进步紧密相关。国外目前先进的制造技术，可以注塑大型的塑料件使得保险杠或者引擎盖成为一体件。目前的摄像技术的进步使得后视镜变得小型化甚至隐形化。LED和导光条的运用则使得大灯形态更为自由。传统的大灯设计被取而代之的是悬浮、镂空、不完全包覆的灯具设计，新设计的大灯能够塑造出科技感和未来感。未来车厢造型的设计将会和车身造型融为一体。车厢区域的风阻一直是卡车空气动力学研究的侧重点，对货厢进行侧面导流，车轮进行包覆、尾部加装设施等手段不仅减小风阻，降低能耗。例如图15新款福莱纳造型在后视镜、LED雾灯、前格栅导光条等方面做了很多的设计工作，未来的长头卡车造型在这些细节方面将会发生颠覆的变化。

图15 福莱纳细节处理（后视镜LED导光条）

9、总结

长头卡车造型目前致力于塑造强壮的、马力大的肌肉男形象，而未来的消费者可能在满足基本性能需求的情况下，对舒适性、科技性、时尚感的诉求成为重要考量指标，因此长头卡车造将会塑造温和的、安全的、科技的阳光型男人形象。

国标GB1589-2016公布：关于长头卡车整车总长为18100mm，并于2017年1月1日实施。可以预测未来国内长头卡车趋势如下。1）新的标准的发布长头卡车将会在国内迅速的发展，销量定会突飞猛进。2）国内的卡车企业将会争先的去研发长头卡车。3）国内长头卡车造型将会主要延续平台卡车基础上增加前端模块的方式，并持续一段时间。同时部分创新型企业将会走北美的道路，研发北美风格长头卡车以降低风阻提高舒适性。可以预测未来中国长头卡车将会走北美长头卡车的路线。4）长头卡车的造型设计初级阶段将会有空气动力学的研发人员全力介入，设计出符合空气动力学的节油的长头卡车外造型。5）长头卡车驾驶室头部变短和室内变长的趋势。6）长头卡车的造型绝不会局限于目前造型，未来的长头卡车的比例等将会给人以新的视觉冲击。7）长头卡车的型面特征将会参照乘用车的造型风格，内外造型轿车化。8）未来的长头卡车将会更多的注重外造型细节的设计及先进技术的运用。

[1]欧阳予婧.概念重卡造型设计趋势分析.

[2]彭岳华.现代汽车造型设计[M].机械工业出版社.

图8 方案二空滤器1阶模态

综合以上分析，我们选择方案二作为最终优化方案。虽然没有方案一优化效果好，但是它能够满足整车安装要求，更加实用。

4、结论

空滤器在设计过程中，除了考虑本身过滤性能、消声性能等因素外，还需要根据整车频率分布情况，确认空滤器模态频率及振型是否符合整车要求。本文是通过CAE分析方法解决了空滤器壳体模态不匹配的问题。分析过程中我们发现除了空滤器的结构、材料、材料特性对空滤器的模态有影响外，固定点的布置也很重要。在结构无法做大的变动情况下，通过优化固定点位置，合理布局，可以有效提升空滤器壳体的模态。

参考文献

[1]曹培元,杜爱民,杜玉彪,冯桂军．车用空气滤清器总成性能分析与优化[J].车用发动机.2012,(2)：41—45.

[2]朱廉洁,季振林.汽车空气滤清器声学性能数值计算及分析[J]．噪声与振动控制，2007,(2)：55—58.

[3]李伟,史文库.模态分析在轻型载货车变型设计中的应用[ J ].噪声与振动控 制.2008 ( 8 ).

[4]韩明,郑润吴,吴晓明．基于HyperWorks的装载机机罩模态分析[ J ].组合机床与自动化加工技术.2010 ( 5 ).

[5]张胜兰,郑冬黎,郝琪等．基于HyperWorks 的结构优化设计技术[ M ].北京：机械工业出版社,2007.

Research on Design of Long Head Truck

Wang Hongzheng, Li Xiaofeng
（Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Heifei 230601 )

In this paper, the long head truck modeling as the research object, research and analysis of the development and status of long head truck, and summarizes the advantages and disadvantages of long head truck. This paper from the aspects of aerodynamics, front-end module and internal space, face feature, proportion and detail design of domestic and foreign ministers head the shape of the truck were analyzed and summed up the long head truck design trends.

Long head truck; Aerodynamics; Surface feature; Column segmentation; Detail design

U462.1

A

1671-7988(2017)02-22-04

王洪正（1981.-10），男，本科，工程师，主要从事汽车造型设计工作。就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

李晓峰（1985.6-），男，本科，工程师，主要从事汽车造型设计工作。就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.008