空气动力学在汽车造型设计中的研究与应用

2019-12-03王洪正李晓峰江淮汽车集团股份有限公司

安徽科技 2019年11期

文/王洪正李晓峰（江淮汽车集团股份有限公司）

一、风阻对汽车能耗的影响

风阻系数是衡量汽车空气动力学的一个重要指标，风阻系数越小，汽车的空气动力学特征越优越，正面迎来的气流也就越容易掠过车身，整个过程平滑自然。因此，降低汽车风阻系数是节省燃料的重要措施。相关研究表明，风阻系数每减小1%，整车油耗节约约0.03L/100km；风阻系数每减小5%，NEDC油耗降低约1%。因此，可以通过对造型、发动机舱布置等方面的优化设计降低风阻，从而达到降低整车油耗的目的。

在汽车风阻中，可以看出外形阻力对风阻的影响占58%，所以，从造型入手研究汽车空气动力学，对于降低风阻和整车油耗非常有意义。

二、空气动力学在汽车造型设计中的研究现状

1.国内外研究现状

国内空气动力学在汽车造型设计中的应用尚在起步阶段，而国外大型车企早已经将空气动力学设计体现在其各个级别的车型中。为了克服风阻，设计师将车身设计得趋向圆滑，从车头到车顶间的曲线也越来越自然，更容易突破迎面气流的阻碍。

2.本企业研究现状

江淮汽车目前车型的风阻系数不尽如人意，在空气阻力设计方面有较大的提升空间。企业的空气阻力设计方面经验欠缺，表现在CFD模拟分析方法不成熟，分析精度低；风洞试验未曾涉及，缺乏试验经验；尚未建立相关设计流程，缺乏设计思路。

三、造型设计与空气动力学理论研究

1.汽车空气动力学与汽车性能

汽车空气动力学设计与汽车性能主要体现在使用性、经济性、安全性、舒适性等方面,如图1所示。汽车空气动力特性对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性和舒适性有重要影响，设计空气动力特性良好的汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径，而高速汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。改善驾驶室的内流特性，在减阻的同时，提高发动机、制动器部件的效能，降低空气动力噪声，则是保障舒适性的前提。

图1 汽车空气动力学与汽车性能

2.汽车空气动力学设计程序

对汽车基本外形，在其设计初期要进行空气动力特性估算，并对与空气动力特性相关的各种性能诸如动力性、经济性、发动机冷却特性、空调性能、气动噪声等进行分析，发现问题时对造型图进行反复修改。外形设计主要考虑驾驶室是否有足够的空间；进行车身前端与后部形状、发动机罩的倾斜、前风窗的倾斜、后端的倾斜、基本外形等汽车外形设计；考虑安全法规的要求；确定车长、车高、轴距等外形尺寸，在确保乘员空间的前提下，在可能限度内尽量缩短车身总长；发动机冷却系与冷却格栅的设计[1]。

完成了汽车造型设计后，对于全新的设计，未知的问题还很多。首先应进行汽车性能的估算，但仅仅根据估算法还不能充分地分析汽车的性能，应制作概念车模型，反复进行风洞试验，以开发出优质车。为缩短试验时间、节省费用，应根据大量的估算数据进行汽车空气动力特性分析，减少模型的制作个数。经过模型风洞试验确定了最佳气动外形后，再进行样车试制、气动特性的确认试验。性能试验确认样车合乎要求后，就可以进行样车试制。

四、汽车造型降风阻优化设计模型构建

1.造型设计与风阻优化

汽车的造型设计与降风阻关系密切。如果造型设计阶段能够有效降低风阻，并不需要增加制造成本就可以产生节油的收益；反之，增大的油耗成本将影响汽车的整个使用周期。因此在造型阶段，造型设计师和空气动力学工程师必须紧密合作[2]。

汽车的气动阻力包括压差阻力和摩擦阻力，以压差阻力为主，因此汽车的降风阻重点在于压差阻力。细分风阻的来源有车身上部；车身下部，包括车轮、轮毂罩等；车外突出物，如后视镜等；发动机冷却气流；空调与通风气流；零部件通风，如刹车冷却气流等。其中前三项为外流阻力，后三项为内流阻力。

降风阻造型优化设计以外型优化和局部优化两种方式为主，对应于国内通常所说的平台车型开发和改款开发。平台车型开发给造型设计提供较大的自由度，空气动力学优化设计可从造型开始，针对外型优化；改款开发基于已有的车型，外型优化自由度很小，只能局部改动增加降阻部件，以局部优化为主。

有许多车身设计参数的微小改变有助于减小风阻，而这些局部微小的改动并不影响造型设计风格，这类气动优化设计措施，称为局部优化。局部优化一般是从已有的车型设计出发，逐步降低风阻，通常不改变造型，然而在具体设计过程中却会出现不得不改变造型的情况，例如从硬朗的棱角到圆弧，造型转向柔和。与之对应的外形优化，一般从满足空间需求的某一个低阻力的基本型开始进行优化。

2.汽车造型降风阻设计流程

在汽车设计流程中，降风阻设计伴随着整个开发流程。图2为汽车开发设计过程中嵌入的降风阻研发工作，分为五个阶段。

预研前期：规划风阻，评估概念方案的风阻，定位市场竞争位置。

图2 嵌入在汽车开发流程中的降风阻设计流程

概念设计：造型（气动外型）优化，规划气流管理，预测实车的风阻数值。

车身设计：进一步完成上一阶段的工作，并推进实车风阻数值的准确度；集中进行局部气动优化，确定零部件的设计方向；验证评估冻结方案的气动性能。

性能开发：根据动力性能、燃油经济性、舒适性、安全性、耐久可靠性等进行降风阻设计流程的设计和完善。

量产售后：验证风阻数值，协助评估制造质量的一致性，充实企业自主设计数据库。

3.降风阻的设计方法

降风阻设计的方法是多部门、多学科协作建立起来的。图3所示是最基本的、也是最有效的分析方法。

几何分析：从形状入手，通过横向对比和气动概念的基本分析，确定造型气动优化设计的趋势性方向，如尺寸比例、面的角度、边的弧度、局部细节等。

流动分析：分析车身周围的气流边界层和流动分离，分析表面压力分布趋势，与几何分析相配合，进一步确定造型气动优化设计的趋势性方向。

气动力分析：分析汽车整体的气动力。

性能分析：利用油耗、最大车速计算分析程序评估气动性能。

图3 降风阻设计的系统方法

五、空气动力学在汽车造型设计中的运用实例验证

1.和悦A30验证

为满足更低油耗、更节能环保的汽车法规要求，汽车主机厂在众多技术方向开展“减阻力、降油耗”的研究，其中包括以“降风阻”为目标的“造型气动优化”研究。和悦A30是一款自主轿车代表车型，结合该车型的改进造型设计，尝试开展了一系列的气动阻力优化分析和测试验证工作。

和悦A30整备质量1110kg，满载质量1410kg，综合油耗5.9L/100km，用户油耗6.4～7.8L/100km。整个风阻测试过程利用同济大学汽车风洞共进行了三轮气动力测试：第一轮是气动性能参数摸底，经过CFD反复分析测试风阻系数为0.345；第二轮是降风阻优化方案验证；第三轮是降风阻优化方案验证。

以第二轮降风阻优化方案验证为例，此轮优化以加装“气动套件”思路为主，兼顾造型的变化。增加封堵部分格栅、前轮挡板、封发舱两侧底部、更改轮罩造型等方式，如图4所示，经过CFD分析和实际风洞试验，最终风阻系数为0.321，降低了7%。