最近備受關(guān)注的奧迪首款量產(chǎn)純電動SUV名為e-tron的原型車比同尺寸的傳統(tǒng)SUV的Cd 值低了不到70個counts，就續(xù)航里程而言，這相當于增加了35公里。其空氣動力學研發(fā)負責人莫尼·伊斯拉姆在近日接受采訪時提到空氣動力學在決定電動汽車行駛里程方面起到了重要作用。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對于電動汽車，高速公路上空氣阻力可以達到總駕駛阻力的48%。通過提升電動汽車的空氣動力學性能來減少空氣阻力可增加汽車的行駛里程，而減阻可以通過合理控制和引導氣流來實現(xiàn)。電動汽車可帶來更多的空氣動力學設(shè)計的可能性，在關(guān)注當前和未來概念車的空氣動力學設(shè)計的同時也需要回顧下汽車空氣動力學發(fā)展的精彩瞬間。

汽車空氣動力學發(fā)展歷史

引入空氣動力學指導車輛造型的歷史可以追溯到20世紀20年代，阻力系數(shù)Cd作為一種無量綱數(shù)值用來比較車輛的氣動性能。為減少氣動阻力，起源于飛艇的流線設(shè)計被應(yīng)用于汽車設(shè)計，比較出名的是Jaray的設(shè)計?；诙嗄甑娘w艇空氣動力學的研究經(jīng)驗和帶有輪子的“半流線體”風阻測試的結(jié)果，Jaray設(shè)計出其較著名的作品TatraT77并在之后同汽車制造商如菲亞特，邁巴赫和奧迪合作出不同的設(shè)計車型。

Jaray的設(shè)計(從左到右):Tatra 、菲亞特合作款、邁巴赫合作款和奧迪合作款

針對Jaray設(shè)計的后排乘客的空間非常有限的缺點，其他汽車制造商也加緊了流線型汽車的設(shè)計，20世紀20年代末同時期的設(shè)計師Chrysler和Charles Dennistoun Burney均有較著名的作品。

Chrysler的設(shè)計

Charles Dennistoun Burney和Crossley Motors的合作款

這種設(shè)計靈感一直用來指導20世紀40年代和50年代的汽車設(shè)計中，直到第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了幾種Cd較低的概念車。意大利汽車制造商菲亞特發(fā)布了一款名為菲亞特Turbina的概念車，其Cd值為0.14。這款車是為高端性能而開發(fā)的，使用的是噴氣發(fā)動機而不是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機。另一家意大利汽車制造商阿爾法•羅密歐也發(fā)布了3款概念車，第一款車BAT 5于1953年發(fā)布，Cd值為0.23，其次是BAT 7和BAT 9，其Cd值均為0.19。

菲亞特Turbina概念車

1956年阿爾法·羅密歐仿生蝙蝠車（從左至右）：BAT 5、BAT7和BAT9

1960年后，Hucho提供了優(yōu)化當前車輛設(shè)計的方法，基于這些方法，一些研究人員研究并發(fā)表了一些通用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在很長一段時間內(nèi)一直指導著汽車的流線化設(shè)計。

奧迪公司在1983年開發(fā)了一款由Buchheim設(shè)計的名為Audi 100的汽車，據(jù)說具有當時生產(chǎn)車輛的最低阻力系數(shù)，Cd值為0.30。該車上市6年后，歐寶公司發(fā)布了歐寶Calibra，Cd值為0.26，成為市場上阻力系數(shù)最低的車型。

從左到右:Audi100、歐寶Calibra

90年代中期以后，制造商開始了對混動汽車和純電動汽車的研究，由于電池續(xù)航里程的影響，氣動特性開始被關(guān)注。美國通用汽車在1996年發(fā)布了純電動汽車EV1，流線型車身及完全封閉的前后艙蓋造就了它0.19的阻力系數(shù)值。

1997年豐田發(fā)布的一款廣受關(guān)注的混合動力車普銳斯，至今仍是全球銷量最大的混合動力車之一。在2006年第三代普銳斯發(fā)布，改進的空氣動力學設(shè)計使其Cd值僅為0.25。

2006年的第三代普銳斯

此時期傳統(tǒng)汽車的氣動性能也進行了改進。1999年本田發(fā)布的Insight和2001年奧迪發(fā)布的奧迪A2的Cd值均為0.25，成為當時市場上阻力系數(shù)最低的傳統(tǒng)汽車，但這兩款車都屬于小型車。在風洞和計算機資源都在不斷改進的同時政府在汽車的安全、舒適和功能性方面的法規(guī)和立法也在不斷推進。于2004年底發(fā)布的Cd值僅為0.26的寶馬3系不僅滿足了所有的法規(guī)，而且滿足了客戶對乘客空間和存儲空間的要求。

從左至右：1999年本田發(fā)布的Insight和2001年奧迪發(fā)布的A2

2005年發(fā)布的寶馬3系轎車

對從20世紀20年代發(fā)展起來的汽車空氣動力學發(fā)展歷史的回顧，可以看出設(shè)計師們對降低風阻系數(shù)所做的努力。

當前與未來汽車空氣動力學的發(fā)展

汽車的減阻裝置分為被動減阻裝置和主動減阻裝置，法規(guī)限制下的空氣動力學新技術(shù)正在向主動減阻裝置發(fā)展，這些裝置只有在需要時才會工作，如高速路行駛時。

2013年梅賽德斯-奔馳發(fā)布的當時市場上阻力系數(shù)最低的名為CLA的車型同時采用了主動和被動減阻裝置。其采用的主動進氣格柵在啟動或引擎和剎車不需要冷卻而關(guān)閉時，可降低10%的阻力系數(shù)。它的后視鏡外殼，改善了的A柱曲率，設(shè)計良好的后端設(shè)計和底部的擴壓器也均體現(xiàn)了良好的空氣動力學特性。

2016年，特斯拉公司發(fā)布的Model S的Cd值為0.24。因為電動汽車不像傳統(tǒng)汽車那樣需要大量冷卻，該車前端是封閉的。除了氣簾，被動減阻裝置還包括氣動輪圈、隱藏門把手和浮動c柱，這些可減少車輛的尾跡。其推出的Model X是市場上第一輛純電動SUV，與S型唯一的區(qū)別是后車頂擾流板，可在高速度下提供下壓力。

從左至右:特斯拉Modle S、ModleX

2017年寶馬發(fā)布的新5系轎車，Cd值為0.22，它的減阻裝置包含主動格柵、后軸區(qū)域額外的鑲板覆蓋、前端的氣簾、前輪罩通風和氣動輪圈。

概念車由于不受法規(guī)的設(shè)計限制，更容易設(shè)計成具備卓越氣動性能的外形，也預示了未來空氣動力學改善方向。

2011年，大眾發(fā)布了XL1超高效率車型，Cd值為0.19。首先側(cè)視鏡被換成了相機，此外后面的輪罩是全覆蓋的，該車還采用了閉合前緣和浮動c柱。

2015年法蘭克福車展上，梅賽德斯-奔馳和奧迪等設(shè)計的概念車均采用主動氣動裝置和其他設(shè)計以減少阻力。梅賽德斯-奔馳推出的概念智能氣動汽車，具有多種主動氣動特性。在80公里/小時左右，從常規(guī)模式切換到氣動模式。為了減少后端尾跡，尾端延長390毫米，前保險杠下部的擾流板向下折疊60毫米以改善車身下部氣流。前保險杠側(cè)面部分的襟翼向外延伸25毫米，向后移動200毫米，以改善通過前輪拱的氣流。啟用所有主動減阻裝置后，阻力系數(shù)將從0.25降至0.19。除此之外，IAA概念車使用了攝像頭而不是傳統(tǒng)的側(cè)鏡，去掉了門把手和巨大的輪罩開孔來改善空氣動力學性能。

在同一個車展上還有奧迪的概念SUV車型e-tron Quattro，據(jù)介紹，e-tron Quattro概念車具有500公里以上的續(xù)航里程，這得益于其主動的空氣動力學特性，Cd值為0.25的這款車因此成為該領(lǐng)域的佼佼者。與梅賽德斯IAA概念車一樣，所有的空氣動力學特性都是在車速達到80公里/小時后啟用的。車輛的主動車頂擾流板延長了100毫米，以延遲后方氣流的分離，從而減少尾跡，與此同時，主動擴散器從車輛較低的尾端延伸100毫米。除此之外，側(cè)窗臺向外延伸50毫米，引導氣流通過后輪。

近日，基于e-tron prototype概念車打造的品牌首款量產(chǎn)純電動SUV奧迪e-tron進入大家的視野，其中一項備受關(guān)注的黑科技是虛擬外后視鏡技術(shù)。除了設(shè)計師最滿意的虛擬外后視鏡技術(shù)外，該車車底設(shè)計也很有特色，車底處類似“酒窩”的凹痕分布也使氣流更順暢地流過車底。

整車風洞煙流

從左至右：局部煙流、車底“凹坑”設(shè)計

總結(jié)

傳統(tǒng)的車輛空氣動力學改進方法是通過優(yōu)化車輛的幾何形狀來實現(xiàn)的，法規(guī)限制下，氣動裝置成為提升氣動特性的方法，而常規(guī)的氣動裝置常是被動的。隨著便宜的電子元件的引入，主動氣動裝置應(yīng)用會越來越廣泛。關(guān)于可應(yīng)用在車身上的氣動裝置可整理如下：

針對表中的氣動裝置在基于DrivAre的電車不同車型配置模型的氣動效果將在后續(xù)發(fā)表中展示。

參考文章來源： 

Aktas U, Abdallah K. Aerodynamics Concept Study of Electric Vehicles[D].Master Thesis,Chalmers University of Technology,2017. 

編者：馬曉靜

評論潤色：張英朝

如有技術(shù)問題或有意相關(guān)技術(shù)合作，請聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！