文/王洪正 李曉峰（江淮汽車集團股份有限公司）

一、風阻對汽車能耗的影響

風阻系數(shù)是衡量汽車空氣動力學的一個重要指標，風阻系數(shù)越小，汽車的空氣動力學特征越優(yōu)越，正面迎來的氣流也就越容易掠過車身，整個過程平滑自然。因此，降低汽車風阻系數(shù)是節(jié)省燃料的重要措施。相關(guān)研究表明，風阻系數(shù)每減小1%，整車油耗節(jié)約約0.03L/100km；風阻系數(shù)每減小5%，NEDC油耗降低約1%。因此，可以通過對造型、發(fā)動機艙布置等方面的優(yōu)化設(shè)計降低風阻，從而達到降低整車油耗的目的。

在汽車風阻中，可以看出外形阻力對風阻的影響占58%，所以，從造型入手研究汽車空氣動力學，對于降低風阻和整車油耗非常有意義。

二、空氣動力學在汽車造型設(shè)計中的研究現(xiàn)狀

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)空氣動力學在汽車造型設(shè)計中的應(yīng)用尚在起步階段，而國外大型車企早已經(jīng)將空氣動力學設(shè)計體現(xiàn)在其各個級別的車型中。為了克服風阻，設(shè)計師將車身設(shè)計得趨向圓滑，從車頭到車頂間的曲線也越來越自然，更容易突破迎面氣流的阻礙。

2.本企業(yè)研究現(xiàn)狀

江淮汽車目前車型的風阻系數(shù)不盡如人意，在空氣阻力設(shè)計方面有較大的提升空間。企業(yè)的空氣阻力設(shè)計方面經(jīng)驗欠缺，表現(xiàn)在CFD模擬分析方法不成熟，分析精度低；風洞試驗未曾涉及，缺乏試驗經(jīng)驗；尚未建立相關(guān)設(shè)計流程，缺乏設(shè)計思路。

三、造型設(shè)計與空氣動力學理論研究

1.汽車空氣動力學與汽車性能

汽車空氣動力學設(shè)計與汽車性能主要體現(xiàn)在使用性、經(jīng)濟性、安全性、舒適性等方面,如圖1所示。汽車空氣動力特性對汽車的動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有重要影響，設(shè)計空氣動力特性良好的汽車，是提高汽車動力性、經(jīng)濟性的重要途徑，而高速汽車的空氣動力穩(wěn)定性是汽車高速、安全行駛的前提。改善駕駛室的內(nèi)流特性，在減阻的同時，提高發(fā)動機、制動器部件的效能，降低空氣動力噪聲，則是保障舒適性的前提。

圖1 汽車空氣動力學與汽車性能

2.汽車空氣動力學設(shè)計程序

對汽車基本外形，在其設(shè)計初期要進行空氣動力特性估算，并對與空氣動力特性相關(guān)的各種性能諸如動力性、經(jīng)濟性、發(fā)動機冷卻特性、空調(diào)性能、氣動噪聲等進行分析，發(fā)現(xiàn)問題時對造型圖進行反復修改。外形設(shè)計主要考慮駕駛室是否有足夠的空間；進行車身前端與后部形狀、發(fā)動機罩的傾斜、前風窗的傾斜、后端的傾斜、基本外形等汽車外形設(shè)計；考慮安全法規(guī)的要求；確定車長、車高、軸距等外形尺寸，在確保乘員空間的前提下，在可能限度內(nèi)盡量縮短車身總長；發(fā)動機冷卻系與冷卻格柵的設(shè)計[1]。

完成了汽車造型設(shè)計后，對于全新的設(shè)計，未知的問題還很多。首先應(yīng)進行汽車性能的估算，但僅僅根據(jù)估算法還不能充分地分析汽車的性能，應(yīng)制作概念車模型，反復進行風洞試驗，以開發(fā)出優(yōu)質(zhì)車。為縮短試驗時間、節(jié)省費用，應(yīng)根據(jù)大量的估算數(shù)據(jù)進行汽車空氣動力特性分析，減少模型的制作個數(shù)。經(jīng)過模型風洞試驗確定了最佳氣動外形后，再進行樣車試制、氣動特性的確認試驗。性能試驗確認樣車合乎要求后，就可以進行樣車試制。

四、汽車造型降風阻優(yōu)化設(shè)計模型構(gòu)建

1.造型設(shè)計與風阻優(yōu)化

汽車的造型設(shè)計與降風阻關(guān)系密切。如果造型設(shè)計階段能夠有效降低風阻，并不需要增加制造成本就可以產(chǎn)生節(jié)油的收益；反之，增大的油耗成本將影響汽車的整個使用周期。因此在造型階段，造型設(shè)計師和空氣動力學工程師必須緊密合作[2]。

汽車的氣動阻力包括壓差阻力和摩擦阻力，以壓差阻力為主，因此汽車的降風阻重點在于壓差阻力。細分風阻的來源有車身上部；車身下部，包括車輪、輪轂罩等；車外突出物，如后視鏡等；發(fā)動機冷卻氣流；空調(diào)與通風氣流；零部件通風，如剎車冷卻氣流等。其中前三項為外流阻力，后三項為內(nèi)流阻力。

降風阻造型優(yōu)化設(shè)計以外型優(yōu)化和局部優(yōu)化兩種方式為主，對應(yīng)于國內(nèi)通常所說的平臺車型開發(fā)和改款開發(fā)。平臺車型開發(fā)給造型設(shè)計提供較大的自由度，空氣動力學優(yōu)化設(shè)計可從造型開始，針對外型優(yōu)化；改款開發(fā)基于已有的車型，外型優(yōu)化自由度很小，只能局部改動增加降阻部件，以局部優(yōu)化為主。

有許多車身設(shè)計參數(shù)的微小改變有助于減小風阻，而這些局部微小的改動并不影響造型設(shè)計風格，這類氣動優(yōu)化設(shè)計措施，稱為局部優(yōu)化。局部優(yōu)化一般是從已有的車型設(shè)計出發(fā)，逐步降低風阻，通常不改變造型，然而在具體設(shè)計過程中卻會出現(xiàn)不得不改變造型的情況，例如從硬朗的棱角到圓弧，造型轉(zhuǎn)向柔和。與之對應(yīng)的外形優(yōu)化，一般從滿足空間需求的某一個低阻力的基本型開始進行優(yōu)化。

2.汽車造型降風阻設(shè)計流程

在汽車設(shè)計流程中，降風阻設(shè)計伴隨著整個開發(fā)流程。圖2為汽車開發(fā)設(shè)計過程中嵌入的降風阻研發(fā)工作，分為五個階段。

預研前期：規(guī)劃風阻，評估概念方案的風阻，定位市場競爭位置。

圖2 嵌入在汽車開發(fā)流程中的降風阻設(shè)計流程

概念設(shè)計：造型（氣動外型）優(yōu)化，規(guī)劃氣流管理，預測實車的風阻數(shù)值。

車身設(shè)計：進一步完成上一階段的工作，并推進實車風阻數(shù)值的準確度；集中進行局部氣動優(yōu)化，確定零部件的設(shè)計方向；驗證評估凍結(jié)方案的氣動性能。

性能開發(fā)：根據(jù)動力性能、燃油經(jīng)濟性、舒適性、安全性、耐久可靠性等進行降風阻設(shè)計流程的設(shè)計和完善。

量產(chǎn)售后：驗證風阻數(shù)值，協(xié)助評估制造質(zhì)量的一致性，充實企業(yè)自主設(shè)計數(shù)據(jù)庫。

3.降風阻的設(shè)計方法

降風阻設(shè)計的方法是多部門、多學科協(xié)作建立起來的。圖3所示是最基本的、也是最有效的分析方法。

幾何分析：從形狀入手，通過橫向?qū)Ρ群蜌鈩痈拍畹幕痉治?，確定造型氣動優(yōu)化設(shè)計的趨勢性方向，如尺寸比例、面的角度、邊的弧度、局部細節(jié)等。

流動分析：分析車身周圍的氣流邊界層和流動分離，分析表面壓力分布趨勢，與幾何分析相配合，進一步確定造型氣動優(yōu)化設(shè)計的趨勢性方向。

氣動力分析：分析汽車整體的氣動力。

性能分析：利用油耗、最大車速計算分析程序評估氣動性能。

圖3 降風阻設(shè)計的系統(tǒng)方法

五、空氣動力學在汽車造型設(shè)計中的運用實例驗證

1.和悅A30驗證

為滿足更低油耗、更節(jié)能環(huán)保的汽車法規(guī)要求，汽車主機廠在眾多技術(shù)方向開展“減阻力、降油耗”的研究，其中包括以“降風阻”為目標的“造型氣動優(yōu)化”研究。和悅A30是一款自主轎車代表車型，結(jié)合該車型的改進造型設(shè)計，嘗試開展了一系列的氣動阻力優(yōu)化分析和測試驗證工作。

和悅A30整備質(zhì)量1110kg，滿載質(zhì)量1410kg，綜合油耗5.9L/100km，用戶油耗6.4～7.8L/100km。整個風阻測試過程利用同濟大學汽車風洞共進行了三輪氣動力測試：第一輪是氣動性能參數(shù)摸底，經(jīng)過CFD反復分析測試風阻系數(shù)為0.345；第二輪是降風阻優(yōu)化方案驗證；第三輪是降風阻優(yōu)化方案驗證。

以第二輪降風阻優(yōu)化方案驗證為例，此輪優(yōu)化以加裝“氣動套件”思路為主，兼顧造型的變化。增加封堵部分格柵、前輪擋板、封發(fā)艙兩側(cè)底部、更改輪罩造型等方式，如圖4所示，經(jīng)過CFD分析和實際風洞試驗，最終風阻系數(shù)為0.321，降低了7%。

圖4 A30轎車CFD分析

2.瑞風M4驗證

對瑞風M4進行了氣動優(yōu)化設(shè)計，各方案累加最佳效果能降低風阻9.3%。在風洞試驗中進行了方案的驗證工作，最佳組合方案能降低風阻系數(shù)7.2%（其中增加底部平整化方案能降低4.8%，后風窗導風板能降低2.4%）。

3.瑞風S7驗證

在S7項目中在SE數(shù)據(jù)階段，通過運用設(shè)計方法及經(jīng)驗，通過底盤平整化等方式，將風阻由0.407降低至0.3625，降低10.9%，降風阻方案將進行風洞試驗驗證。

六、小結(jié)

本文通過對空氣動力學在汽車造型設(shè)計中的現(xiàn)狀進行分析，研究造型設(shè)計與空氣動力學理論，構(gòu)建了汽車造型降風阻優(yōu)化設(shè)計模型。通過研究建立汽車造型降風阻設(shè)計流程與設(shè)計方法。通過江淮汽車實際整車項目，驗證和完善了設(shè)計流程和設(shè)計方法，最終用于指導汽車氣動設(shè)計。