Audi Q5轎車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

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1 新款A(yù)udi Q5轎車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能

近年來(lái)，轎車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的重要性可謂日益彰顯?？傮w而言，汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)是降低燃油耗的重要因素之一，因?yàn)檩^小的空氣阻力不僅能提升燃油經(jīng)濟(jì)性，而且也能降低CO2排放。

汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)品質(zhì)通常取決于無(wú)量綱風(fēng)阻系數(shù)cW值，它僅與空氣環(huán)繞汽車(chē)流動(dòng)的形式有關(guān)，而與汽車(chē)的尺寸大小無(wú)關(guān)?？諝庾枇εccW值和汽車(chē)迎風(fēng)面積成正比，cW值或汽車(chē)的外形尺寸越小，空氣阻力也就越小。

新款A(yù)udi Q5轎車(chē)通過(guò)開(kāi)發(fā)獲得了良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，從而以風(fēng)阻系數(shù)值cW=0.30成為其同類(lèi)車(chē)型中的翹楚，很少有4缸機(jī)汽車(chē)能達(dá)到此風(fēng)阻系數(shù)值。該車(chē)型配備了經(jīng)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的Aero-Rad車(chē)輪，即使配備其他品牌的車(chē)輪也能實(shí)現(xiàn)相近的cW值。與Q5原車(chē)型相比，新型Audi Q5轎車(chē)成功地降低了10%的空氣阻力。即使在離地凈高為20 cm的情況下，仍能使cW值保持在0.30的水平。因?yàn)橥ǔ＝档蚐UV的離地凈高就能顯著降低空氣阻力，因此意圖將cW調(diào)整至最佳值的SUV車(chē)型大多采取這種措施。新款A(yù)udi Q5轎車(chē)上采用全球統(tǒng)一輕型車(chē)輛排放測(cè)試規(guī)程(WLTP)，說(shuō)明其對(duì)降低CO2排放的重視程度。

本文介紹了兩種典型的開(kāi)發(fā)步驟，以此可優(yōu)化新款A(yù)udi Q5轎車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

2 模型上的優(yōu)化

為了在汽車(chē)設(shè)計(jì)中盡可能顧及到汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能，需要盡早參與設(shè)計(jì)過(guò)程。在設(shè)計(jì)探索過(guò)程中設(shè)計(jì)參數(shù)仍有可能會(huì)發(fā)生較大的變化，所以必須應(yīng)用能快速和低成本地反映這類(lèi)變化的預(yù)測(cè)工具，通常應(yīng)用一定比例的模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，并采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)予以輔助。其中，空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的難點(diǎn)在于，在尋找改善措施時(shí)需要對(duì)其中一種進(jìn)行具體評(píng)估。因此，設(shè)計(jì)理念起著重要的作用。為了使設(shè)計(jì)過(guò)程盡可能高效，就需要豐富的經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造性和直覺(jué)，但是設(shè)計(jì)理念也需要新穎的模擬計(jì)算方法予以輔助。高效的預(yù)測(cè)工具提供了輔助方法，以計(jì)算空氣動(dòng)力對(duì)表面形狀變化的敏感度，由此得到的敏感區(qū)域圖最終能提供關(guān)于空氣作用力的變化情況，從而可以得知汽車(chē)任意部位的外表面應(yīng)如何調(diào)整。

在早期設(shè)計(jì)階段，新款A(yù)udi Q5轎車(chē)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化主要采用1∶4比例的模型在風(fēng)洞中進(jìn)行。為了高效地確定具有優(yōu)化潛力的部件，通常采用精確調(diào)整的方法來(lái)分析在風(fēng)洞中的汽車(chē)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Q5轎車(chē)是Audi公司應(yīng)用該方法進(jìn)行優(yōu)化的第一種車(chē)型。圖1示出了新款A(yù)udi Q5轎車(chē)早期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的空氣阻力敏感區(qū)域圖。為了降低空氣阻力，藍(lán)色區(qū)域表面必須向內(nèi)調(diào)整，而紅色區(qū)域表面必須向外調(diào)整。表1中列出了改進(jìn)措施及其在風(fēng)洞中成功降低風(fēng)阻系數(shù)的效果。

圖1 新款A(yù)udi Q5轎車(chē)早期刊發(fā)的空氣阻力敏感區(qū)域圖

每次進(jìn)行的1∶4模型都需要在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)必須調(diào)整和可能調(diào)整的造型進(jìn)行討論和優(yōu)化，然后將設(shè)計(jì)上無(wú)法采納的措施在項(xiàng)目組內(nèi)進(jìn)行討論，探討其原因，以便獲取cW設(shè)計(jì)上允許降低的最大值。該方式是一種快捷、高效的優(yōu)化手段，能夠使參與風(fēng)洞試驗(yàn)的1∶4模型的cW降低達(dá)0.04。

盡管在早期設(shè)計(jì)探索階段持續(xù)不斷地提出改進(jìn)建議，但其中僅有少數(shù)方案可直接進(jìn)行1∶4模型風(fēng)洞試驗(yàn)，而其他方案則建議首先進(jìn)行視覺(jué)分析。如果有必要，則需分別進(jìn)行CFD評(píng)估。

表1 通過(guò)精細(xì)調(diào)整方法和風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證的cW潛力

3 實(shí)際比例模型的優(yōu)化

此后，確定了新款A(yù)udi Q5轎車(chē)的初步尺寸，車(chē)身外形就不會(huì)再有實(shí)質(zhì)性的變化，就可建立帶有底盤(pán)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的1∶1的汽車(chē)模型，然后將這種模型在Audi公司的汽車(chē)風(fēng)洞中進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，其重點(diǎn)在于D柱的導(dǎo)流邊緣、側(cè)面裝飾件、輪輞設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流運(yùn)動(dòng)、底部和車(chē)頂導(dǎo)流棱的最終調(diào)整。

圖2 環(huán)繞側(cè)面裝飾件的氣流狀況

圖2示出了環(huán)繞側(cè)面裝飾件的氣流狀況。因?yàn)檫@種氣流狀況會(huì)導(dǎo)致側(cè)面嚴(yán)重凹陷處出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象，使cW值升高0.013。而如果用光滑的外形表面替代裝飾件，就能將氣流分離現(xiàn)象降至最低，從而防止cW值的惡化。研究目的是要開(kāi)發(fā)一種可使用的裝飾件，使其空氣動(dòng)力學(xué)性能不亞于光滑的外形表面。在該設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，Q5轎車(chē)上規(guī)定的最大可忍受的側(cè)面凹陷正好使車(chē)燈前方的氣流仍能保持緊貼表面流動(dòng)，從而保持cW值不變。

為了進(jìn)一步降低cW值，在模型上采取了一系列的地板優(yōu)化措施。另外，還可通過(guò)加長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋遮掩汽車(chē)前端的氣流通道，從而減少外部氣流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流的強(qiáng)烈干擾，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流沿著發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋向外排出，從而減少了流動(dòng)方向上的動(dòng)量損失，即降低了空氣阻力。此外，通過(guò)改進(jìn)廢氣裝置的外形明顯減小了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋下通道中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流的阻隔，從而能更好地減小空氣阻力。

為了更好地理解氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，1∶1模型風(fēng)洞試驗(yàn)需盡量采用CFD模擬計(jì)算予以輔助。表2對(duì)CFD模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證實(shí)兩者的實(shí)施效果具有非常好的一致性。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)和模擬計(jì)算得出的各種不同措施對(duì)cW值的影響

通過(guò)采用首款樣車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)，能進(jìn)一步提高空氣動(dòng)力學(xué)性能模擬的精確度，使其降低cW的措施同樣也能用于量產(chǎn)。圖3示出了在項(xiàng)目整個(gè)進(jìn)展期間cW值的開(kāi)發(fā)狀況。1∶1模型風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)cW值比量產(chǎn)汽車(chē)更低的情況，這種現(xiàn)象主要是由于在汽車(chē)上存在泄漏流動(dòng)引起的附加損失，這在模型試驗(yàn)中無(wú)法反映出來(lái)。

圖3 項(xiàng)目進(jìn)展期間cW值的開(kāi)發(fā)狀況

4 量產(chǎn)汽車(chē)上的空氣動(dòng)力學(xué)措施

圖4的紅色區(qū)域?yàn)樾驴預(yù)udi Q5轎車(chē)所采用的空氣動(dòng)力學(xué)措施。其中搭載2.0 L增壓直噴式汽油機(jī)的車(chē)型在散熱器上部進(jìn)氣口處受到百葉窗(圖4中的1)遮擋。在大多數(shù)行駛狀況下，即在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)或在WLTP工況中，百葉窗是關(guān)閉的，從而能使cW值降低0.006，同時(shí)也能減少CO2排放。僅在特殊情況下，如在較陡的山路上行駛時(shí)或在高速行駛時(shí)，才有必要打開(kāi)百葉窗。

圖4 新款A(yù)udi Q5轎車(chē)所采用的空氣動(dòng)力學(xué)措施

如上文所述，側(cè)面裝飾件的設(shè)計(jì)(圖4(a))對(duì)于良好的cW值起著重要作用。圖5比較了配備有原裝飾件和具有光滑表面時(shí)的氣流速度場(chǎng)。從圖5中可以清晰地看到，雖然后者比前者的氣流貼合效果更佳，但是具有光滑表面的車(chē)型輪廓使cW值有所改善，另外原有裝飾件稍有變化就會(huì)導(dǎo)致氣流分離現(xiàn)象的出現(xiàn)和cW值的惡化。最終，從空氣動(dòng)力學(xué)出發(fā)，尋找到了一個(gè)用于設(shè)計(jì)的裝飾件。

圖5 原有裝飾件和具有光滑表面時(shí)的氣流速度場(chǎng)比較

車(chē)輪對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能具有較大的影響(圖4(a)),不僅輪輞設(shè)計(jì)起著重要作用，而且不同的輪胎選擇在空氣動(dòng)力學(xué)方面就能具有降低CO2排放1 g/km的影響。對(duì)于SUV車(chē)型則影響更為顯著，因?yàn)樵赟UV車(chē)型上前輪因汽車(chē)的擠壓作用和較短的懸掛，使氣流從內(nèi)向外的流動(dòng)現(xiàn)象要比懸掛較長(zhǎng)的車(chē)輛更為強(qiáng)烈，從而使前輪外側(cè)的氣流能更快速地分離，因而對(duì)輪輞和輪胎的設(shè)計(jì)更為敏感。與Q5原車(chē)型相比，新型Q5轎車(chē)通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化了輪輞，使其cW值降低了0.003。因?yàn)檩喬ヒ材芟鄳?yīng)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，因此總改善效果ΔcW可降低0.005。雖然經(jīng)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的車(chē)輪是達(dá)到cW=0.30，但是依然可以使用其他能達(dá)到較低cW值的車(chē)輪。表3列出了可供選擇的幾類(lèi)車(chē)輪。其中，型號(hào)20″-Option的車(chē)輪輪胎直徑為255 mm而并非235 mm，其cW值僅比Aero-Rad增加了0.004。試驗(yàn)結(jié)果表明，因?yàn)楦鼘挼妮喬ネǔ＞哂忻黠@較高的cW值，在輪胎寬度相同的情況下，235 mm和255 mm的尺寸大小與支承面有關(guān)。R17車(chē)輪的形狀只是胎腹比R20車(chē)輪更大。此外，R20車(chē)輪配備有空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)異的輪胎，一定程度上補(bǔ)償了輪輞設(shè)計(jì)的缺陷。

導(dǎo)致cW值明顯降低的另一個(gè)重要因素是后視鏡(圖4(a))。Q5原車(chē)型仍配備有三角形后視鏡，而新型Q5轎車(chē)則使用了腰型后視鏡，該部件從Audi Q7轎車(chē)沿用過(guò)來(lái)，并因位置發(fā)生了改變而更為得細(xì)長(zhǎng)，因而相對(duì)于原后視鏡其cW值降低了0.008。

表3 最佳Q5車(chē)輪的空氣動(dòng)力學(xué)性能

兩個(gè)可見(jiàn)的空氣動(dòng)力學(xué)影響因素是D柱旁的輪廓邊緣(圖4(a))和尾燈導(dǎo)流板(圖4(a))。兩者使氣流運(yùn)動(dòng)更為穩(wěn)定，并且由于提高了車(chē)尾的壓力而使cW值總共降低了0.009。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋下通道封閉(圖4(a))在上文已介紹過(guò)。通過(guò)優(yōu)化廢氣裝置還能進(jìn)一步降低cW值，可達(dá)0.002，兩者可使總改善效果達(dá)到0.006。但是，這種較大的封閉通道只能應(yīng)用于搭載2.0渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的車(chē)型，而在2.0缸內(nèi)噴射分層燃燒渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和V6增壓直噴式汽油機(jī)車(chē)型上，為了限制溫度只能使用較小通道的方案，通過(guò)加強(qiáng)氣流的相互作用與周?chē)h(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫度交換，相應(yīng)cW優(yōu)勢(shì)也就更小一些。

車(chē)輛后面底部的擋板(圖4(b))引導(dǎo)氣流從擋板下方流過(guò),并且預(yù)先設(shè)定了氣流在后減振器套旁的流出角度。后橋擋板(圖4(b))使彈簧導(dǎo)桿避開(kāi)氣流，并且引導(dǎo)氣流環(huán)繞后橋流動(dòng)。這兩個(gè)構(gòu)件以該方式優(yōu)化了車(chē)尾擴(kuò)散器的環(huán)流，同時(shí)又具有防碎石打擊的輔助功能。這兩種措施總共能降低cW值達(dá)0.007。

5 結(jié)論

介紹了新款A(yù)udi Q5轎車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)，并用兩種典型的優(yōu)化步驟闡明了其開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)還用試驗(yàn)方法確定了每種部件進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的潛力，并解釋了進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整的作用原理。

為了達(dá)到同類(lèi)車(chē)型中最為優(yōu)越的cW值0.30，需要在車(chē)身外殼及地板底部采取許多優(yōu)化措施。制定和實(shí)施這些措施的關(guān)鍵因素是和專業(yè)部門(mén)進(jìn)行緊密高效的合作以及采用現(xiàn)代模擬計(jì)算方法來(lái)有效輔助風(fēng)洞試驗(yàn)，并且已在量產(chǎn)汽車(chē)上顯示出了這種優(yōu)化過(guò)程的效果。新型Q5轎車(chē)還可應(yīng)用其他選用車(chē)輪和外部選裝件以降低cW值?？紤]到WLTP工況的新型認(rèn)證方法，不僅要考慮到認(rèn)證車(chē)型，而且還應(yīng)考慮到所有選裝件，這是降低CO2排放的必要前提條件。