新型能减小风阻的铝合金货车车厢体设计研究

摘 要：本研究围绕新型铝合金货车车厢体的设计与优化展开，旨在通过改进车厢体结构来减少风阻，提升货车的燃油效率和运输性能。针对传统货车车厢体在高速行驶时风阻较大的问题，本文提出了一种基于铝合金材料和弧形结构设计的新型货车车厢体。通过风洞实验和计算流体力学（CFD）模拟，验证了该设计在不同速度下的风阻系数降低效果。实验结果表明，使用新型车厢体可以显著降低风阻系数约22.5%，进而提升燃油效率10%左右。此外，本文还对新型铝合金车厢体的结构稳定性、材料性能以及耐用性进行了分析，指出铝合金材料在轻量化、耐腐蚀性和使用寿命上的显著优势。研究结果为货车车厢体设计提供了新的方向，有助于提升货运车辆的整体性能。

关键词：能减小风阻 铝合金货车 车厢体设计

0 引言

随着全球运输需求的不断增加，如何提升货车的燃油效率、降低运营成本成为了各大汽车制造商和物流企业的关注重点。研究表明，在高速行驶的货车中，风阻是造成燃油消耗的主要因素之一，特别是传统货车车厢体的设计通常为方形或矩形，这种设计虽然便于制造和装载，但在空气动力学方面存在较大的劣势。高风阻不仅增加了油耗，还对车辆的行驶稳定性和速度产生负面影响。因此，如何通过优化车厢体结构来降低风阻、提高车辆的燃油效率成为一个亟待解决的问题。

1 新型铝合金车厢体结构设计

1.1 传统货车车厢体设计及风阻问题

传统货车车厢体多采用方形或矩形的设计，这种结构虽然便于制造与运输，但在行驶过程中会产生较大的风阻。方形或直线形车厢体在高速行驶时，气流在前端撞击车厢，无法顺畅绕过车体，导致湍流和涡流的形成，增加了空气阻力。风阻不仅直接影响车辆的燃油效率，还对车速和稳定性造成不利影响，尤其在高速公路行驶时，风阻成为燃油消耗的主要因素之一[1]。

根据研究，传统方形车厢的风阻系数大约在0.6至0.7之间，意味着车厢设计对于燃油经济性有显著影响。降低风阻对提高车辆的运输效率、减少能源消耗具有重要意义，因此在现代货车设计中，如何优化车厢体的结构以降低风阻成为关注的重点[2]。

1.2 新型铝合金车厢体设计结构

根据专利中的技术，新型铝合金车厢体通过结构的优化和材料的改进，成功实现了风阻的降低。车厢体的设计关键在于以下几点结构改进。

顶侧纵向铝型材：车厢的顶侧部分采用特殊的纵向铝型材设计，增强了车厢的强度，同时在顶部形成了弧形结构，帮助气流顺利通过车厢顶部，减少湍流和涡流的产生。相比传统平直顶面的设计，弧形结构的顶面能够更好地引导气流，避免气流在顶部聚集，减小了风阻[3]。

底侧纵向铝型材：底侧的纵向铝型材不仅增强了车厢底部的强度，还在车厢底部形成了光滑的曲面，使得气流从车底顺畅通过，减少了车辆下方的风阻。这种设计有效避免了传统车厢在底部形成的气流涡旋[4]。

竖向和横向圆弧面过渡片：车厢体的四个边角处，采用竖向和横向圆弧面过渡片，这种圆弧过渡的设计使得气流在前端能够顺利绕过车厢，而不会在边角处形成强烈的湍流和涡流。传统设计的直角车厢在这些区域容易产生气流分离，导致风阻增大，而圆弧过渡片的应用有效减少了这些问题[5]。

1.3 弧形结构对风阻的影响及材料选择

1.3.1 弧形结构对风阻的影响

弧形结构的应用是本次设计中的关键创新。通过计算流体力学（CFD）模拟分析，新型弧形车厢体的风阻系数从传统设计的0.65降低至0.48，风阻减少了大约26.2%。这种结构能够使车厢前端的空气平滑过渡，从而避免了气流的紊乱，减小了空气阻力。

对于一辆载重10吨的货车，在高速行驶时（约100公里/小时），空气阻力是主要的燃油消耗因素。通过降低风阻系数，预计每行驶100公里可节省燃油2.5-3.0升，长途运输中的经济效益十分显著。

1.3.2 材料选择及性能分析

在材料选择上，新型车厢体采用了铝合金与塑料曲面片体相结合的设计。铝合金作为车厢体的主要结构材料，具有以下优势：

轻量化：铝合金的密度为2.7g/cm³，远低于传统钢材（约7.85g/cm³），有效减轻了车厢的自重，提升了燃油效率。

耐腐蚀性：铝合金在长期暴露于空气和雨水中的情况下，表现出良好的耐腐蚀性能，延长了车厢的使用寿命。

强度与刚性：铝合金通过特殊的合金处理，能够提供足够的强度和刚性，保证车厢在高强度工作环境下的结构稳定性。

与此同时，车厢前端及边角的曲面片体使用了高强度塑料材料。塑料片体的弧形设计不仅有助于气流的顺畅通过，还具备较强的耐磨性和抗冲击能力，进一步提升了车厢的防护性能，具体设计如图1所示。

图中：1.顶侧纵向铝型材；2.底侧纵向铝型材；3.第一竖向铝型材；4.第一横向铝型材；5.第二竖向铝型材；6.第二横向铝型材；7.竖向圆弧面过渡片；8.横向圆弧面过渡片；9.塑料曲面片体。

2 减小风阻的实验分析与结果

2.1 风洞实验与计算流体力学（CFD）模拟设计

为了验证新型铝合金车厢体在实际行驶中的风阻减小效果，进行了风洞实验和计算流体力学（CFD）模拟。实验采用了比例模型和实际货车的模拟测试，重点关注新型车厢体与传统车厢体在不同速度下的风阻系数（Cd）变化情况。

风洞实验设计：在风洞实验中，选择了一个真实比例为1⁚10的车厢模型，风速范围设定为40 km/h至120 km/h，模拟货车在不同速度下的行驶环境。通过在车厢模型的前后布置压力传感器，测量前端迎风面和后端尾流区域的压力变化，从而计算得出风阻系数。

CFD模拟设计：使用商业CFD软件（如ANSYS Fluent），建立了新型车厢体和传统车厢体的三维模型。模拟中，计算车厢体表面气流的流动状态，重点分析车厢前端、顶部和边角处的气流分布情况。模拟速度同样设定为40 km/h至120 km/h，空气密度为1.225 kg/m³，黏性系数为1.81×10⁻⁵ Pa·s。

2.2 风阻系数对比与分析

通过风洞实验和CFD模拟，得到了新型铝合金车厢体与传统车厢体在不同速度下的风阻系数。具体数据如表1所示。

从表1可以看出，新型铝合金车厢体在各个速度下的风阻系数均显著低于传统车厢体。平均来看，新型车厢体的风阻系数减少了约22.5%。具体而言，在风速为80 km/h时，传统车厢体的风阻系数为0.65，而新型铝合金车厢体的风阻系数为0.50，风阻减少率达到23.08%。

2.3 风阻降低对车速、燃油效率和运输效率的影响

车速提升：通过降低风阻，新型车厢体使得货车在相同动力输出下能够以更高的速度行驶。以风速80 km/h的情况为例，风阻减少23.08%意味着货车可以减少克服空气阻力所需的功率，从而在功率不变的情况下提升车速。模拟结果表明，车速可提升约4.5%，即车速从80km/h提升至83.6km/h。

燃油效率改善：空气阻力是货车在高速行驶时燃油消耗的主要因素。风阻的减少直接降低了货车的燃油消耗。根据实验数据，使用新型铝合金车厢体的货车，每行驶100公里的燃油消耗量可减少约3.2升，燃油效率提升约10%。这意味着在长途运输中，货车每行驶1，000公里可节省约32升燃油。

运输效率提高：由于风阻减少，车辆的平均车速提升，进而缩短了货物运输时间。例如，在一段500公里的长途运输中，传统车厢体货车需要大约6.25小时（以80 km/h车速计算）才能完成，而采用新型车厢体的货车则仅需约6.0小时。运输时间缩短4%，对于物流运输行业，意味着每辆货车每年可以完成更多的运输任务，整体运营效率得到显著提升。

3 结构稳定性及材料性能分析

3.1 结构设计对车厢体稳定性与强度的影响

新型铝合金车厢体的结构设计在减小风阻的同时，充分考虑了车辆整体的稳定性和强度。车厢体采用了轻质铝合金框架，搭配弧形前端设计，这不仅降低了空气阻力，还提升了结构的抗压性能。通过有限元分析（FEA），对新型车厢体在实际行驶和载荷条件下的应力分布进行了评估。

实验数据表明，在满载状态下，新型铝合金车厢体的结构变形量仅为2.1 mm，较传统钢制车厢的3.4mm有明显减少。这表明，新型车厢体在应对道路不平和重载压力时表现出更高的结构刚度和强度。此外，弧形前端设计有助于分散迎风面所承受的压力，进一步降低局部应力集中情况，提高车厢体整体的结构稳定性。

从上述表格可以看出，新型铝合金车厢体的最大应力为110 MPa，安全系数达到3.2，远高于钢制车厢的2.5。这表明新型车厢体在载荷条件下具有更高的安全余量，能够有效抵抗外界冲击和压力。

3.2 铝合金材料的抗腐蚀性、轻量化及耐用性

新型车厢体所使用的铝合金材料在重量和性能上相比传统钢材具有显著优势。铝合金不仅密度较低（2.7g/cm³），比钢材轻约60%，还能保持足够的强度，这为车厢体的轻量化设计提供了支持。

抗腐蚀性：铝合金材料具有优异的抗腐蚀性能。由于铝合金在空气中会迅速形成一层致密的氧化铝薄膜，这层保护膜能够有效防止材料进一步氧化或受到其他化学侵蚀。因此，新型铝合金车厢体在盐雾、潮湿和化学环境中具有更高的耐腐蚀性，特别适合在沿海和恶劣气候条件下使用。

轻量化优势：铝合金的使用使得新型车厢体的重量比传统钢制车厢轻约30%。具体数据表明，传统钢制车厢的自重约为1，500 kg，而新型铝合金车厢体的自重仅为1，050 kg。轻量化不仅有助于提升车辆的载重量，还能显著降低燃油消耗。根据测算，每减少100 kg的车厢自重，燃油消耗可降低约1.5%，因此新型车厢体的轻量化设计带来了约6%的燃油节省。

耐用性：铝合金的高强度和耐用性使得新型车厢体能够在长时间的使用中保持结构完整性，减少因疲劳或腐蚀导致的车厢损坏。实验结果显示，经过模拟的500，000公里行驶测试后，新型车厢体的材料性能未出现明显的疲劳现象，车厢表面仍保持良好的结构状态。这表明铝合金车厢在实际道路条件下的耐用性更强，使用寿命更长。

3.3 提高车厢整体寿命与降低维护成本的潜在优势

整体寿命：由于铝合金的耐腐蚀性和轻量化特点，新型车厢体的寿命相较传统钢制车厢更长。传统钢制车厢的平均使用寿命约为10年，而新型铝合金车厢体的使用寿命预计可达到15至20年。这意味着使用铝合金车厢的货车车主可以大大延长车厢的更换周期，减少更换车厢的频率，节省大量的成本。

维护成本：铝合金的抗腐蚀特性使得新型车厢体在日常维护中不需要进行频繁的防锈处理，减少了喷漆和表面处理的次数。根据分析，传统钢制车厢每年需要进行约2000元的防锈维护，而铝合金车厢体的防护费用则可减少至每年约500元。结合车厢寿命的延长，整个使用周期内的维护成本可节省50%以上。

面相较传统车厢体有了显著提升，为提高货车整体性能和降低运营成本提供了重要支持。

4 结语

通过本次研究，新型铝合金货车车厢体在降低风阻、提升燃油效率和增强结构稳定性方面展示了显著的优势。实验结果表明，该设计不仅能够有效减少货车在高速行驶时的空气阻力，还通过轻量化铝合金材料的应用，进一步提升了车辆的整体性能和经济效益。同时，铝合金材料的耐腐蚀性和高耐用性使得该设计在长时间使用中具有良好的稳定性，延长了车厢的使用寿命。然而，本研究也发现新型车厢体在实际应用中仍有优化空间，如在材料强度和模块化设计方面的进一步改进，将有助于提升车厢的整体性能和维护便利性。未来的研究方向可以进一步探讨新型材料的应用，以及在车厢体结构优化中引入更多创新设计，为货运车辆的性能提升和能源消耗减少做出贡献。

参考文献：

[1]苗永存，马嘉楠，蒋春玲，等.畜禽车厢体内温度和流场数值CFD模拟及验证[J].中国农机化学报，2024，45（05）：85-90+97.

[2]王彦岗，周丹云，廖祖宽，等.不同厢体结构自卸车抗胀厢能力分析及优化[J].装备制造技术，2024（05）：26-29.

[3]夏悦祥，辛舟.9.6m厢式货车铝合金厢体的轻量化设计和刚度研究[J].机械制造与自动化，2024，53（02）：56-59.

[4]王朋，苗永存，王建林，等.基于CFD的某畜禽车厢体内机械通风优化设计[J].广西科技大学学报，2024，35（02）：17-24.

[5]马门强，徐浩然，李祥鹏.半挂车合厢装配生产线的设计与实施[J].汽车工艺师，2024（03）：44-48.