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Audi Q5轎車的空氣動力學(xué)設(shè)計

2019-08-29 20:12:30·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
1新款A(yù)udiQ5轎車的空氣動力學(xué)性能近年來，轎車空氣動力學(xué)的重要性可謂日益彰顯?？傮w而言，汽車空氣動力學(xué)是降低燃油耗的重要因素之一，因為較小的空氣阻力不僅
1 新款A(yù)udi Q5轎車的空氣動力學(xué)性能
  
近年來，轎車空氣動力學(xué)的重要性可謂日益彰顯?？傮w而言，汽車空氣動力學(xué)是降低燃油耗的重要因素之一，因為較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。

汽車的空氣動力學(xué)品質(zhì)通常取決于無量綱風(fēng)阻系數(shù)cW值，它僅與空氣環(huán)繞汽車流動的形式有關(guān)，而與汽車的尺寸大小無關(guān)?？諝庾枇εccW值和汽車迎風(fēng)面積成正比，cW值或汽車的外形尺寸越小，空氣阻力也就越小。
 
新款A(yù)udi Q5轎車通過開發(fā)獲得了良好的空氣動力學(xué)性能，從而以風(fēng)阻系數(shù)值cW=0.30成為其同類車型中的翹楚，很少有4缸機(jī)汽車能達(dá)到此風(fēng)阻系數(shù)值。該車型配備了經(jīng)空氣動力學(xué)優(yōu)化的Aero-Rad車輪，即使配備其他品牌的車輪也能實現(xiàn)相近的cW值。與Q5原車型相比，新型Audi Q5轎車成功地降低了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。因為通常降低SUV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車型大多采取這種措施。新款A(yù)udi Q5轎車上采用全球統(tǒng)一輕型車輛排放測試規(guī)程(WLTP)，說明其對降低CO2排放的重視程度。

本文介紹了兩種典型的開發(fā)步驟，以此可優(yōu)化新款A(yù)udi Q5轎車的空氣動力學(xué)性能。
 
2 模型上的優(yōu)化
  
為了在汽車設(shè)計中盡可能顧及到汽車空氣動力學(xué)性能，需要盡早參與設(shè)計過程。在設(shè)計探索過程中設(shè)計參數(shù)仍有可能會發(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變化的預(yù)測工具，通常應(yīng)用一定比例的模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，并采用計算流體動力學(xué)(CFD)予以輔助。其中，空氣動力學(xué)優(yōu)化的難點在于，在尋找改善措施時需要對其中一種進(jìn)行具體評估。因此，設(shè)計理念起著重要的作用。為了使設(shè)計過程盡可能高效，就需要豐富的經(jīng)驗、創(chuàng)造性和直覺，但是設(shè)計理念也需要新穎的模擬計算方法予以輔助。高效的預(yù)測工具提供了輔助方法，以計算空氣動力對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，從而可以得知汽車任意部位的外表面應(yīng)如何調(diào)整。
 
在早期設(shè)計階段，新款A(yù)udi Q5轎車的動力學(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)整的方法來分析在風(fēng)洞中的汽車試驗?zāi)Ｐ?。Q5轎車是Audi公司應(yīng)用該方法進(jìn)行優(yōu)化的第一種車型。圖1示出了新款A(yù)udi Q5轎車早期開發(fā)過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模型都需要在試驗現(xiàn)場對必須調(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)計上無法采納的措施在項目組內(nèi)進(jìn)行討論，探討其原因，以便獲取cW設(shè)計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)洞試驗的1∶4模型的cW降低達(dá)0.04。
 
盡管在早期設(shè)計探索階段持續(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，而其他方案則建議首先進(jìn)行視覺分析。如果有必要，則需分別進(jìn)行CFD評估。

表1 通過精細(xì)調(diào)整方法和風(fēng)洞試驗驗證的cW潛力

3 實際比例模型的優(yōu)化
  
此后，確定了新款A(yù)udi Q5轎車的初步尺寸，車身外形就不會再有實質(zhì)性的變化，就可建立帶有底盤和發(fā)動機(jī)艙的1∶1的汽車模型，然后將這種模型在Audi公司的汽車風(fēng)洞中進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，其重點在于D柱的導(dǎo)流邊緣、側(cè)面裝飾件、輪輞設(shè)計、發(fā)動機(jī)艙的氣流運動、底部和車頂導(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。因為這種氣流狀況會導(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。研究目的是要開發(fā)一種可使用的裝飾件，使其空氣動力學(xué)性能不亞于光滑的外形表面。在該設(shè)計理念指導(dǎo)下，Q5轎車上規(guī)定的最大可忍受的側(cè)面凹陷正好使車燈前方的氣流仍能保持緊貼表面流動，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，還可通過加長發(fā)動機(jī)罩蓋遮掩汽車前端的氣流通道，從而減少外部氣流對發(fā)動機(jī)冷卻氣流的強(qiáng)烈干擾，因為此時發(fā)動機(jī)冷卻氣流沿著發(fā)動機(jī)罩蓋向外排出，從而減少了流動方向上的動量損失，即降低了空氣阻力。此外，通過改進(jìn)廢氣裝置的外形明顯減小了對發(fā)動機(jī)罩蓋下通道中發(fā)動機(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動過程，1∶1模型風(fēng)洞試驗需盡量采用CFD模擬計算予以輔助。表2對CFD模擬與風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行比較，證實兩者的實施效果具有非常好的一致性。
 
表2 風(fēng)洞試驗和模擬計算得出的各種不同措施對cW值的影響

通過采用首款樣車進(jìn)行試驗，能進(jìn)一步提高空氣動力學(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示出了在項目整個進(jìn)展期間cW值的開發(fā)狀況。1∶1模型風(fēng)洞試驗時偶爾會出現(xiàn)cW值比量產(chǎn)汽車更低的情況，這種現(xiàn)象主要是由于在汽車上存在泄漏流動引起的附加損失，這在模型試驗中無法反映出來。

圖3 項目進(jìn)展期間cW值的開發(fā)狀況
 
4 量產(chǎn)汽車上的空氣動力學(xué)措施
  
圖4的紅色區(qū)域為新款A(yù)udi Q5轎車所采用的空氣動力學(xué)措施。其中搭載2.0 L增壓直噴式汽油機(jī)的車型在散熱器上部進(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或在高速行駛時，才有必要打開百葉窗。
 
圖4 新款A(yù)udi Q5轎車所采用的空氣動力學(xué)措施
 
如上文所述，側(cè)面裝飾件的設(shè)計(圖4(a))對于良好的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的氣流速度場。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型輪廓使cW值有所改善，另外原有裝飾件稍有變化就會導(dǎo)致氣流分離現(xiàn)象的出現(xiàn)和cW值的惡化。最終，從空氣動力學(xué)出發(fā)，尋找到了一個用于設(shè)計的裝飾件。
 
圖5 原有裝飾件和具有光滑表面時的氣流速度場比較
 
車輪對汽車空氣動力學(xué)性能具有較大的影響(圖4(a)),不僅輪輞設(shè)計起著重要作用，而且不同的輪胎選擇在空氣動力學(xué)方面就能具有降低CO2排放1 g/km的影響。對于SUV車型則影響更為顯著，因為在SUV車型上前輪因汽車的擠壓作用和較短的懸掛，使氣流從內(nèi)向外的流動現(xiàn)象要比懸掛較長的車輛更為強(qiáng)烈，從而使前輪外側(cè)的氣流能更快速地分離，因而對輪輞和輪胎的設(shè)計更為敏感。與Q5原車型相比，新型Q5轎車通過空氣動力學(xué)優(yōu)化了輪輞，使其cW值降低了0.003。因為輪胎也能相應(yīng)進(jìn)行空氣動力學(xué)優(yōu)化，因此總改善效果ΔcW可降低0.005。雖然經(jīng)空氣動力學(xué)優(yōu)化的車輪是達(dá)到cW=0.30，但是依然可以使用其他能達(dá)到較低cW值的車輪。表3列出了可供選擇的幾類車輪。其中，型號20″-Option的車輪輪胎直徑為255 mm而并非235 mm，其cW值僅比Aero-Rad增加了0.004。試驗結(jié)果表明，因為更寬的輪胎通常具有明顯較高的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車輪的形狀只是胎腹比R20車輪更大。此外，R20車輪配備有空氣動力學(xué)性能優(yōu)異的輪胎，一定程度上補(bǔ)償了輪輞設(shè)計的缺陷。
 
導(dǎo)致cW值明顯降低的另一個重要因素是后視鏡(圖4(a))。Q5原車型仍配備有三角形后視鏡，而新型Q5轎車則使用了腰型后視鏡，該部件從Audi Q7轎車沿用過來，并因位置發(fā)生了改變而更為得細(xì)長，因而相對于原后視鏡其cW值降低了0.008。
 
表3 最佳Q5車輪的空氣動力學(xué)性能

兩個可見的空氣動力學(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))。兩者使氣流運動更為穩(wěn)定，并且由于提高了車尾的壓力而使cW值總共降低了0.009。

發(fā)動機(jī)罩蓋下通道封閉(圖4(a))在上文已介紹過。通過優(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)的車型，而在2.0缸內(nèi)噴射分層燃燒渦輪增壓發(fā)動機(jī)和V6增壓直噴式汽油機(jī)車型上，為了限制溫度只能使用較小通道的方案，通過加強(qiáng)氣流的相互作用與周圍環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫度交換，相應(yīng)cW優(yōu)勢也就更小一些。

 
車輛后面底部的擋板(圖4(b))引導(dǎo)氣流從擋板下方流過,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)桿避開氣流，并且引導(dǎo)氣流環(huán)繞后橋流動。這兩個構(gòu)件以該方式優(yōu)化了車尾擴(kuò)散器的環(huán)流，同時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轎車的空氣動力學(xué)開發(fā)，并用兩種典型的優(yōu)化步驟闡明了其開發(fā)過程，同時還用試驗方法確定了每種部件進(jìn)行空氣動力學(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)到同類車型中最為優(yōu)越的cW值0.30，需要在車身外殼及地板底部采取許多優(yōu)化措施。制定和實施這些措施的關(guān)鍵因素是和專業(yè)部門進(jìn)行緊密高效的合作以及采用現(xiàn)代模擬計算方法來有效輔助風(fēng)洞試驗，并且已在量產(chǎn)汽車上顯示出了這種優(yōu)化過程的效果。新型Q5轎車還可應(yīng)用其他選用車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。 
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