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技術(shù) | “Hold不住”的汽車正投影面積

2021-02-26 10:26:34·  來源：中國汽研汽車風(fēng)洞技術(shù)  作者：張風(fēng)利  
　
同為汽車風(fēng)阻的兩大要素，風(fēng)阻系數(shù)猶如空氣動力學(xué)工程師的掌上明珠，正投影面積卻倍受冷落。待遇懸殊的背后，汽車空氣動力學(xué)工程師們有他們的苦衷。本期特邀中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會委員，比亞迪汽車工程院張風(fēng)利先生為您講述：汽車正投影面積的開
同為汽車風(fēng)阻的兩大要素，風(fēng)阻系數(shù)猶如空氣動力學(xué)工程師的掌上明珠，正投影面積卻倍受冷落。待遇懸殊的背后，汽車空氣動力學(xué)工程師們有他們的苦衷。本期特邀中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會委員，比亞迪汽車工程院張風(fēng)利先生為您講述：汽車正投影面積的開發(fā)管控為什么那么難？
 
作者簡介

張風(fēng)利：
中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會委員，比亞迪汽車工程研究院CAE部經(jīng)理，汽車空氣動力學(xué)工程師，主要從事汽車CAE仿真、汽車空氣動力學(xué)、整車熱管理性能開發(fā)。

引   言
 
當(dāng)我們談?wù)撈嚳諝鈩恿W(xué)的時候，往往只談風(fēng)阻系數(shù)，很少提及正投影面積?？杀娝苤?，以一定速度行駛的汽車的風(fēng)阻是與正投影面積和風(fēng)阻系數(shù)兩者的乘積呈正比的。為什么要厚此薄彼呢？
1. 定義與測試
 
在討論這個問題之前，我們先回顧一下汽車風(fēng)阻的計(jì)算公式：
Fw=CD·A·½ρv²
正投影面積A定義為在車頭正前方（整車坐標(biāo)系的X方向）發(fā)射平行光源，在車后方垂直于光源入射方向的屏幕上形成的陰影的面積。式中½ρv²是來流速度為v的空氣的動壓，單位是Pa。因此CD·A·½ρv²表示在垂直于來流的方向上，通過面積A的均勻來流的動能轉(zhuǎn)化為氣流內(nèi)能損失的部分。比如CD=0.3可近似理解為面積A上有30%的氣流動能轉(zhuǎn)換為熱量耗散掉。
圖1 汽車正投影面積的示意圖[1]

在風(fēng)洞試驗(yàn)室的測力天平上，CD并不能被直接測量。天平測量得到的是各個方向的力和力矩，需要根據(jù)提前測量得到的正投影面積，再換算得到CD值。
 
正投影面積的測量主要有兩種方法，一種是二維激光投射法，另一種是三維掃描測量法。詳細(xì)介紹參見資料[1]，在此不做贅述。以前有人曾提出采用長焦距和高倍像素相機(jī)的照相法，實(shí)踐證明測試偏差過大，遠(yuǎn)不能滿足工程開發(fā)需求。
2.影響汽車正投影面積的因素
 
正投影面積主要與車高車寬有關(guān)，工程上可將正投影面積寫作車高和車寬的函數(shù)：
A=C×H×W
其中C定義車輛的形狀因子，主要與車輛類型有關(guān)，比如SUV，MPV，三廂轎車、超級跑車的形狀因子各不相同。具體來說，它與車輛的寬高比、B柱傾斜角、車頂拱度、離地間隙、輪胎寬度等因素相關(guān)。
 
為了減小車體局部凸出的附件的差異對面積估算的影響，車高也可取去除車頂天線后的車高H’，車寬取去除外后視鏡的車寬W’。這樣，對同一類車型的形狀因子的變化范圍就很小了，可視為恒定值。再加上外后視鏡、天線等附件的面積Ai，即可得到更準(zhǔn)確的估算公式：
A=C’×H‘×W’+ΣAi
從以上影響因素可以看出，車高、車寬、車輛的類型三者基本已決定了車輛的正投影面積，而車高、車寬是整車總布置的重要參數(shù)，影響車內(nèi)的乘員空間、人機(jī)操作空間、車輛通過性、車輛的造型姿態(tài)等等，空氣動力學(xué)工程師完全“hold不住”，于是大家往往只談“CD”，不談“A”。
3.決定車高車寬的主要因素
 
那么決定車高、車寬的因素又是什么呢？這需要研究一下車高和車寬的尺寸鏈。
圖2 整車車高的尺寸鏈分解示意圖

車頂機(jī)構(gòu)空間H1通常由天窗機(jī)構(gòu)、頂蓋鈑金及加強(qiáng)梁、遮陽簾、車頂最高點(diǎn)的前后位置等因素決定。為降低車高，像Tesla model 3、保時捷Tycan、捷豹I-Pace等車型就取消了遮陽簾來保證頭部空間，雖然采用更高隔熱率的天窗玻璃，但在高溫高太陽輻射的環(huán)境下頭部的烘烤感仍不可避免。另外，將車頂?shù)淖罡唿c(diǎn)前移，使其位于前排乘員的頭部位置，可以充分地將最大車高轉(zhuǎn)化為車內(nèi)乘員空間，同時有助于最高點(diǎn)以后的頂蓋的下傾設(shè)計(jì)，可增大頂蓋后部的壓力恢復(fù)，提升風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)化潛力。
圖3 頂蓋最高點(diǎn)前移對車高的利用和降低風(fēng)阻系數(shù)均有幫助

乘員頭部空間H2一般根據(jù)競品水平和車輛目標(biāo)人群來確定，通常很難壓縮。乘員軀干高度H3與座椅的靠背角相關(guān)，為獲得更低的車高，可以通過適當(dāng)增加座椅靠背角，使軀干后傾，但靠背后傾以后，為了保持乘坐舒適性，一方面前排乘員從踵點(diǎn)到H點(diǎn)的X向距離需增加，另一方面后排乘員的腿部空間也需要加大，這對很多短軸距的緊湊車型很難實(shí)現(xiàn)，對擁有更長軸距的純電動汽車卻是強(qiáng)項(xiàng)，因此增加座椅靠背角在純電動車型上更多見。
 
乘員座高H4對乘坐舒適性影響很大，某低風(fēng)阻競品車型為了降低后排頭部頂蓋高度，將后排乘員H4縮小，就在售后市場引起了后排乘坐舒適性的抱怨，一般的主機(jī)廠并不愿意冒此風(fēng)險。
 
地板機(jī)構(gòu)空間H5取決于地板、排氣管、前副車架等機(jī)械結(jié)構(gòu)的布置，通常不可壓縮。對純電動汽車而言，大部分車型將電池包布置在地板下方，采用更薄的電池包變得非常重要。
 
最小離地間隙H6是車輛通過性的重要參數(shù)，并無太多可調(diào)整空間。當(dāng)今道路條件越來越好，最小離地間隙從長期來看在緩慢降低。但對純電動車型，電池包的防刮底防磕碰非常重要，最小離地間隙不可過小。
 
整車的最寬處（除外后視鏡以外）往往在前車輪輪心位置（保證前車輪通過以后整車要能通過）。此處的寬度尺寸鏈可分解如圖4：
圖4 整車車寬的尺寸鏈分解示意圖（前輪輪心處）
 
輪眉面差（輪眉外側(cè)面與輪胎外端面的面差）希望盡量小一些。車輛側(cè)面的氣流在流經(jīng)此處時，過大的面差會導(dǎo)致嚴(yán)重的氣流分離，增大風(fēng)阻系數(shù)。該面差與前保拐角的設(shè)計(jì)、輪輞的外型面設(shè)計(jì)、車輪前擾流板一起構(gòu)成汽車車輪風(fēng)阻管理的重要特征，對整車降風(fēng)阻貢獻(xiàn)很大。
 
輪胎胎寬的定義與動力性、造型、成本等因素有關(guān)，不可壓縮。但在輪胎選型初期，需評估輪胎尺寸對整車風(fēng)阻的影響作為輪胎選型的參考因素。盤距（左右制動盤外端面之間的距離）通常是平臺化設(shè)計(jì)定義的重要參數(shù)，不可壓縮。通過調(diào)整盤偏距（制動盤外端面到輪胎中線的距離）可以調(diào)整同一平臺上不同車型的輪距，而輪距來源于車型定位、通過性、造型需求等，很難壓縮。綜合來講，總車寬一旦定義，優(yōu)化空間很小。
4.正投影面積的開發(fā)過程管控
 
了解完車高和車寬的影響因素，就明白為什么汽車空氣動力學(xué)工程師們談到正投影面積，往往“顧左右而言它”了，造型姿態(tài)、通過性、平臺化、總布置尺寸及人機(jī)空間，這些方面的定義都不是空氣動力學(xué)工程師能“撬”得動的。所以將正投影面積作為整車性能開發(fā)指標(biāo)時，空氣動力學(xué)工程師務(wù)必要拉上總布置工程師一起來做目標(biāo)定義、分解、管控和評價，甚至交由總布置工程師來進(jìn)行正投影面積的開發(fā)管控更合理一些。
 
當(dāng)然，開發(fā)管控難度大并不意味著無法管控。從“競品車對比分析（benchmarking）”和“尺寸分解”兩種方法入手，秉承“將好鋼（整車尺寸）用在刀刃（乘員空間）上”的理念，仍可以對正投影面積進(jìn)行有效的正向開發(fā)。簡單來說，將車高、車寬等整車尺寸進(jìn)行分解，將各機(jī)構(gòu)空間和乘員空間，以及外后視鏡、輪胎尺寸分別與競品車進(jìn)行對比分析，所有引起正投影面積增大的尺寸都應(yīng)該轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的乘員空間增加上，盡量避免出現(xiàn)“車加大了，車內(nèi)空間卻沒有加大”的情況。所有機(jī)構(gòu)和附件引起的正投影面積增大都要有合理的解釋，詳細(xì)論證其增大的必要性。
5. 乘用車正投影面積的演變
 
二戰(zhàn)以后，全球經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家相繼邁入汽車社會，人們對美好生活的向往在汽車消費(fèi)上體現(xiàn)為汽車在平民家庭的迅速普及，以及對車輛的尺寸空間要求越來越高，車輛的尺寸和正投影面積逐年在增加。下文以全球最暢銷的豐田卡羅拉、大眾高爾夫、奧迪A6/A7歷代車型為例，從它們的車高、車寬和正投影面積的演變歷程可窺全球乘用車正投影面積演變之一斑。
圖5 豐田卡羅拉-歷代車型尺寸及正投影面積演變

注1：左縱軸為正投影面積，單位m²。右縱軸為車寬、車高，單位mm。圖6同；
注2：正投影面積為根據(jù)車高車寬的估算值，形狀因子統(tǒng)一按C=0.87，圖6同；
注3：卡羅拉從第九代開始引入中國，中國版尺寸與日本版有所不同；
注4：數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)[2]，存在不同的數(shù)據(jù)版本，可能與實(shí)際尺寸有偏差，圖6同。
圖6 大眾高爾夫-歷代車型尺寸及正投影面積演變

圖7 奧迪A6/A7歷代車型正投影面積和風(fēng)阻系數(shù)的演變[3]

注：圖中sedan為奧迪A6，station Wagon為A7。圖中曲線為風(fēng)阻因子（CD*A）等值線
綜合上圖數(shù)據(jù)，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：
 
1.從二戰(zhàn)后的汽車發(fā)展史來看，人們追求更大更舒適的乘坐空間，汽車尺寸和正投影面積逐年增加。但進(jìn)入二十一世紀(jì)后，歐美日中等國家相繼制定了嚴(yán)格的能耗排放限制法規(guī)，綠色環(huán)保意識深入人心，部分國家比如日本，開始根據(jù)車型尺寸征稅。為了獲得更低的售價和用車能耗，各主流車型開始嚴(yán)格控制車型尺寸。2000~2010年以后新車型的正投影面積基本不再增加。
 
2.參考圖7，1973~1981年的兩次石油危機(jī)使油價爆漲，并引起各國對石油能源安全的重視，降低汽車能耗成為共識，汽車空氣動力學(xué)研究和工程開發(fā)迎來大發(fā)展，風(fēng)阻系數(shù)逐年降低，但由于正投影面積逐年加大，整車風(fēng)阻能耗變化不大。
 
3.中國市場的消費(fèi)心理和文化與歐日不同，從消費(fèi)心理上講崇尚大氣體面，從用車需求上講中國家庭父母和子女共同生活的情況較多，買車要兼顧家庭共同出行的需求，對車型尺寸和空間要求更大，各跨國車企普遍針對中國市場推出加長加寬版本車型，使中國市場新車型正投影面積的持續(xù)增長的時間更長。從另一方面講，這也可能與中國的汽車空氣動力學(xué)發(fā)展滯后有關(guān)，當(dāng)對風(fēng)阻尚未引起足夠重視的時候，更不要奢望有人會在意正投影面積。2010~2016年前后，中國汽車市場面臨能耗、排放、車輛制造與使用成本等多重因素的壓力，合資品牌受國外發(fā)展趨勢帶動，率先控制車型尺寸，自主品牌汽車空氣動力學(xué)方向也開始迅速發(fā)展，車型尺寸開始受到關(guān)注，漸趨理智。
6. 汽車正投影面積的發(fā)展趨勢
 
各國對燃油車的油耗和排放的限制法規(guī)逐年加碼，而低風(fēng)阻對新能源汽車的續(xù)航里程和電池成本貢獻(xiàn)甚大，風(fēng)阻開發(fā)越來越重視。有研究表明，整車車高每降低10mm，風(fēng)阻系數(shù)的最大優(yōu)化潛力可降低3~4count（尚無公開數(shù)據(jù)嚴(yán)格證實(shí)這一點(diǎn)），加之車高降低使正投影面積減小對風(fēng)阻有直接貢獻(xiàn)。因此近幾年乘用車型降低整車車高的趨勢已經(jīng)非常明顯，為了不犧牲乘員的空間感，會拓展車內(nèi)寬度方向的空間來彌補(bǔ)高度方向的減小，對應(yīng)地適當(dāng)增加車寬。這也可能與汽車造型設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢有關(guān)。
 
純電動汽車由于大部分將電池放置在地板以下，在發(fā)展的初期，多會導(dǎo)致整車車高和正投影面積的增加。但在各車企相繼推出EV專用下車體平臺時，紛紛將電池包減薄，采用更合理的下車體集成設(shè)計(jì)方案和人機(jī)空間總布置方案來降低車高，目前部分純電動三廂轎車的高降到了1450mm左右，甚至低于同等尺寸的燃油車。
 
汽車正投影面積在經(jīng)歷過四十年的“快速膨脹”，和近十年的“原地思考”之后，相信會迎來更理智的發(fā)展。尤其在中國市場，隨著消費(fèi)觀念和產(chǎn)品的成熟化，根據(jù)不同細(xì)分類型和需求，“當(dāng)大則大，當(dāng)小則小”，而不是一味增大，才更符合用戶和主機(jī)廠的一致利益，對道路和人居環(huán)境也更友好。
 
致謝：
感謝比亞迪汽車工程研究院總布置主管趙自強(qiáng)先生的審核校正。
 
參考資料
[1] 高岳，楊一春，李珍妮. 基于三維掃描系統(tǒng)測量汽車正投影面積的研究. 2019 汽車空氣動力學(xué)分會學(xué)術(shù)年會.
[2]全球暢銷車型演變歷史-十一代豐田卡羅拉變化史. https://www.sohu.com/a/258564363_100041123
[3] Wolfgang Mayer, Gerhard Wickern. The New Audi A6/A7 Family – Aerodynamic Development of Different Body Types on One Platform. SAE paper 2011-01-0175.
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