某轎車風阻的優化

宋業建，賀子龍，白福軍，高波

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

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某轎車風阻的優化

宋業建，賀子龍，白福軍，高波

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

本文簡單介紹了整車阻力和空氣阻力的構成和原理，明確了最有效的途徑是風阻系數的優化。并以某轎車為例，確定風阻系數優化的方案，并在實車上進行了驗證。結果表明：整車阻力有明顯的下降，油耗也有一定程度的改善。

風阻系數；優化；油耗；熱性能

0 引言

自2012年起，我國汽車產銷規模一直位居世界第一，2015全年產銷雙雙突破2 400萬輛，且未來一段時間仍將繼續保持微增長。汽車進入千家萬戶的同時，也帶來了日益突出的燃油供需矛盾和環境污染問題。

為了促進汽車產業的健康可持續發展，我國出臺了一系列的標準，加嚴了汽車的油耗。針對乘用車，推出GB 19578-2014《乘用車燃料消耗量限值》和GB 27999-2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》，從2016年起開始正式實施，總體目標控制在百公里5 L左右。針對輕型商用車，推出GB 20997-2015《輕型商用車燃料消耗量限值》，從2018年起開始正式實施，總體目標2020年較2012年加嚴約20%。針對重型商用車，推出GB 30510-2014《重型商用車燃料消耗量限值》，下一階段的標準正在起草當中，總體目標計劃在2020年較2015年加嚴約15%。

主機廠可選擇的節油技術有多種，總體而言，分為整車、發動機和混合動力節油技術三大類[1]。降低車身風阻作為整車節油技術之一，能一定程度上改善車輛的油耗，并能在所有車型上應用。

1 風阻影響因素

車輛在平坦的路面上行駛時，需要克服滾動阻力、空氣阻力和加速阻力。且隨著車速的增加，空氣阻力會相應地增加，在高速時尤為明顯。如圖1所示，以某轎車為例，當以80 km/h的車速行駛時，空氣阻力約占總阻力的50%，當車輛以最高車速行駛時，空氣阻力約占總阻力的70%。

圖1 某轎車的整車阻力分布

空氣阻力指的是汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力，包含形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力、誘導阻力和摩擦阻力5個部分。其中，形狀阻力和干擾阻力占比最大。在無風的條件下，空氣阻力可表示為[2-3]：

(1)

式中：CD為風阻系數；A為迎風面積，單位為m2；ua為車速，單位為km/h。

式(1)表明：空氣阻力與風阻系數和迎風面積成正比。因此，可以從兩個方面進行優化：(1)減小迎風面積；(2)降低風阻系數。迎風面積受到使用空間的限制，不容易進一步降低，所以降低風阻系數是降低空氣阻力的主要手段。

2 風阻優化實例

以整備質量約1 150 kg、發動機排量約1.5 L的某轎車為例，總體思路是先對CFD模型進行校核，在此基礎上，分析和確認可行的優化方案，再在風洞中進行實車的試驗論證，最后進行節油效果和其他性能的驗證。

2.1 模型校核和方案設計

通過優化模型處理方式，例如將邊界層的設置調整為7層，厚度設置為15 mm，修正空氣密度、空氣黏度和環境氣壓，增加輪胎傳動，取消風扇轉動狀態等，控制模型精度在±5%范圍內，滿足分析的要求。CFD模型的典型截面速度分布如圖2所示。

因該轎車為已量產市場在售的車型，重新設計車身造型不現實，因而考慮降低車輛的風阻系數，主要從優化干擾阻力和外形阻力兩方面入手。降低干擾阻力的方案有封閉部分格柵、增加整流板、增加底板護板等；降低外形阻力的方案有調節引擎蓋高度、調整保險杠轉角、減小霧燈裝飾框落差、改變大燈型面等。

圖2 CFD模型的典型截面速度分布圖

2.2 方案論證

在風洞中進行實車試驗時，試驗前應按要求將車輛的姿態調整至設計要求，確認車輛幾何參數，包括輪胎氣壓、載荷等，確保車輛固定在天平4個支撐點合理準確的位置，并按照測量要求固定好試驗車輛。試驗風向應與車輛軸線風向一致。通過調節風速，即可測得不同風速下的氣動阻力。

新外形方案。通過優化車頭圓角，改善了氣流向側面流動的流向。同時，保險杠圓角的處理也減小了尾部渦流，風阻系數有0.002的優化。

封閉部分格柵。通過封閉格柵正對散熱器以外的區域，減小進入發艙內部的氣流，風阻系數有0.009的優化。

前保險杠下護板優化。通過優化，能起到阻隔氣流從前保險杠底部進入發動機艙的效果，從而使底部氣流快速通過，降低了干擾阻力，風阻系數有0.01的優化。

發動機下護板優化。在去除原發動機下護板之后，重新設計了型面流暢的新下護板，在保證原有作用的同時，平整了底部氣流，風阻系數有0.003的優化。

車身下護板優化。經過反復優化，在滿足安裝結構的同時，最大范圍內起到了遮蓋下車體凸起特征的作用，加快了底部氣流，風阻系數有0.01的優化。

后保險杠下護板優化。車身底部后端的氣流在后保護板的作用下，能快速通過，并能起到減小尾部渦流的作用，風阻系數有0.004的優化。

如表1所示：通過上述方案的組合，風阻系數有10.3%的優化。由表1還可以看出，車身下護板和前保險杠下護板優化的效果最為明顯，分別為3.3%和2.9%。

表1 風阻系數優化過程

3 優化前后對比

3.1 整車阻力對比

在道路上進行實車滑行試驗，要求車輛為空載，環境為無風狀態，分別測量優化前和優化后的阻力見圖3。相比優化前，優化后的整車阻力平均有4%的降低。且車速越高，風阻優化的效果越明顯，這與理論分析也是一致的。

圖3 優化前后的整車阻力對比

3.2 整車油耗對比

在整車轉鼓上，先模擬車輛與在道路上的狀態一致，再進行經濟性試驗，要求車輛狀態為整備質量加100 kg。考核經濟性常用的項目即最高擋等速油耗和循環油耗，結果見圖4和表2。相比優化前：優化后的最高擋等速油耗平均優5.6%，NEDC油耗優2.8%，油耗改善效果明顯。

圖4 優化前后的最高擋等速油耗對比

關鍵指標優化前優化后優化比例/%NEDC油耗/(L·10-2·km-1)6.536.352.8UDC油耗/(L·10-2·km-1)8.38.122.2EUDC油耗/(L·10-2·km-1)5.455.322.4

3.3 整車熱性能對比

因方案對前進氣格柵和底盤做了修改，有必要開展熱平衡與熱害試驗。試驗結果顯示：減小冷卻氣流及底部平整化等方案基本不影響車輛性能。

圖5 優化前后的熱性能對比(爬坡工況)

4 結束語

通過風阻的優化，可實現整車阻力的明顯降低，并在一定程度上改善車輛的油耗。試驗表明：風阻系數優化約0.04，整車油耗能降低約0.18 L，可為其他項目提供參考。

同時，在關注風阻優化對油耗的改善時，還應關注對其他性能如熱性能等的影響，保證車輛的總體性能滿足設計要求。

【1】華從波,賀子龍,韓震,等.淺談乘用車油耗法規及應對策略[J].農業裝備與車輛工程,2015,53(10):73-76.

HUA C B,HE Z L,HAN Z,et al.Discussion on Passenger Car’s Fuel Consumption Standard and Countermeasures[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2015,53(10):73-76.

【2】余志生.汽車理論[M].3版.北京:機械工業出版社,2000.

【3】劉全有,趙福全,楊安志,等.淺析汽車風阻系數[J].農業裝備與車輛工程,2012,50(11):59-62.

LIU Q Y,ZHAO F Q,YANG A Z,et al.Analysis of Automobile Air Drag Coefficient[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2012,50(11):59-62.

路虎全新一代發現發布

路虎首度公布全新一代發現官方圖片，全尺寸七座豪華SUV即將重磅登場。路虎全新一代發現完美融合強大多功能性、超凡全地形能力以及先進科技，完美融合了英倫風范以及路虎品牌永不止步的探索精神，彰顯了路虎致力于延續品牌“Above and Beyond”傳奇歷程的態度與信心。路虎全新一代發現于巴黎車展前夕(2016年9月28日)全球首秀。

路虎全球設計總監哲芮勛(Gerry MCGOVERN)先生表示:“全新一代發現重新定義了大型豪華SUV。路虎設計與工程團隊徹底顛覆了發現車型的設計基因，全力打造出一款客戶高度向往的集極致多功能性與強悍全地形能力于一身的豪華SUV。”

(來源：路虎)

A Passenger Car’s Aerodynamic Resistance Improvement

SONG Yejian, HE Zilong, BAI Fujun, GAO Bo

(Anhui Jianghuai Automobile Company, Hefei Anhui 230022,China)

The structure and principle of vehicle resistance and aerodynamic resistance were introduced. The most effective way was aerodynamic resistance coefficient optimization. Taking a passenger car as an example, the aerodynamic resistance coefficient optimization scheme was determined and verified on vehicle.The results show that vehicle resistance has obvious drop, fuel economy also has been improved to a certain degree.

Aerodynamic resistance coefficient;Improvement; Fuel economy；Thermal performance

2016-06-09

宋業建(1981—)，男，本科，助理工程師，主要研究方向為發動機節能技術。E-mail:hezilong007@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.013

U461.1

A

1674-1986(2016)09-057-03