整車風(fēng)阻開發(fā)及應(yīng)用

王萬同 雷永國 盧生林

（奇瑞汽車股份有限公司）

理論上，一輛轎車以80 km/h的速度向前直線行駛，約60%的油耗用來克服風(fēng)阻，風(fēng)阻系數(shù)降低10%，其油耗相對降低7%左右[1]，尤其是在高速行駛狀態(tài)下，風(fēng)阻對油耗的影響更大。因此，隨著油耗法規(guī)要求越來越嚴(yán)格，降低整車風(fēng)阻成為主機(jī)廠整車開發(fā)的重要內(nèi)容之一。然而汽車廠家的整車開發(fā)模式、品牌價值、研發(fā)能力及開發(fā)成本各有差異，導(dǎo)致開發(fā)流程、造型風(fēng)格、研發(fā)投入及設(shè)計規(guī)范不盡相同。該文總結(jié)了整車風(fēng)阻開發(fā)的一般流程，通過流場仿真軟件分析和風(fēng)洞驗(yàn)證，確定了一整套降風(fēng)阻方案，進(jìn)行造型和零部件優(yōu)化設(shè)計，達(dá)成了預(yù)定的風(fēng)阻目標(biāo)，為整車風(fēng)阻開發(fā)提供了一般開發(fā)流程和零部件設(shè)計的一些參考建議。

1 整車風(fēng)阻開發(fā)流程

各主機(jī)廠整車開發(fā)模式不盡相同，正向開發(fā)模式的整車風(fēng)阻開發(fā)一般流程，如圖1所示。

圖1 整車風(fēng)阻開發(fā)流程

2 整車風(fēng)阻開發(fā)應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合風(fēng)阻開發(fā)一般流程，文章介紹了某款SUV的風(fēng)阻開發(fā)過程。

2.1 油耗目標(biāo)確定

依據(jù)四階段乘用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)[2]，根據(jù)公司產(chǎn)品及企業(yè)油耗規(guī)劃要求，某SUV 2018年的油耗目標(biāo)定為6.1 L/100 km，如表1所示。

表1 四階段過渡期車型油耗要求

2.2 風(fēng)阻目標(biāo)確定和分解

2.2.1 風(fēng)阻目標(biāo)確定

某款SUV油泥整車經(jīng)風(fēng)洞測試，基礎(chǔ)風(fēng)阻系數(shù)為0.422，不滿足目標(biāo)。根據(jù)油耗目標(biāo)要求，分解到對整車行駛阻力的要求[3]。整車行駛阻力主要包含風(fēng)阻和機(jī)械阻力兩部分，確定該SUV風(fēng)阻系數(shù)目標(biāo)為0.36，如表2所示。

表2 整車行駛阻力分解

2.2.2 風(fēng)阻目標(biāo)分解及零部件設(shè)計開發(fā)

通過CFD仿真分析軟件starccm+，提出風(fēng)阻優(yōu)化方案，從造型優(yōu)化和降風(fēng)阻件兩方面考慮，進(jìn)行了2輪油泥風(fēng)洞和1輪實(shí)車風(fēng)洞驗(yàn)證，方案驗(yàn)證測試?yán)塾嫿?00次，如表3所示。

表3 風(fēng)阻優(yōu)化方案總結(jié)

2.2.2.1 造型設(shè)計優(yōu)化

在造型階段，通過仿真分析和油泥風(fēng)洞驗(yàn)證，優(yōu)化造型，降低風(fēng)阻達(dá)15 count。

1）將前保險杠和輪眉外擴(kuò)5 mm，更多覆蓋前輪，減少氣流沖擊輪胎，如圖2所示，降阻效果為0.2 count。XOY截面數(shù)據(jù)優(yōu)化，如圖2a所示，造型工程師刮油泥效果，如圖2b所示。

圖2 前保險杠和輪眉外擴(kuò)圖

2）將前大燈特征線內(nèi)收，與翼子板特征線順暢銜接，如圖3所示，降阻效果為0.5 count。XOY截面數(shù)據(jù)優(yōu)化，如圖3a所示，造型工程師刮油泥效果，如圖3b所示。

圖3 大燈特征線內(nèi)收圖

3）后輪前方增加擾流特征，即側(cè)裙后部外擴(kuò)10 mm，降阻效果為0.8count。優(yōu)化前后刮油泥效果，如圖4所示。

圖4 側(cè)裙后部優(yōu)化前后對比圖

4）優(yōu)化后保險杠下端，如圖5所示。將后保險杠下端臺階去除（圖5a中黑色虛線框），且后保險杠下端盡量向“后消聲器”延伸（但要同時考慮溫度場兩者距離要求≥70 mm），保證底部氣流順暢通過。降阻效果為2.3 count。XOZ向截面數(shù)據(jù)優(yōu)化，如圖5a所示，造型工程師刮油泥效果，如圖5b所示。

圖5 后保險杠下端優(yōu)化圖

5）優(yōu)化尾部擾流板兩側(cè)，起到擾流作用，如圖6所示，降阻效果為2.1 count。XOZ向截面數(shù)據(jù)優(yōu)化，如圖6a所示，風(fēng)阻開發(fā)工程師采用替代件的效果，如圖6b所示。

圖6 尾部擾流板優(yōu)化圖

6）封堵冷卻模塊四周進(jìn)風(fēng)無效面積，降低正壓力，降阻效果為3.9 count，如圖7黃色框區(qū)域所示。

圖7 冷卻模塊四周封堵圖

7）優(yōu)化外后視鏡型面，如圖8所示，同時考慮NVH風(fēng)噪聲優(yōu)化方案小凸臺（圖8a中黑色虛線框），降阻效果為5.1 count，YOZ向截面數(shù)據(jù)優(yōu)化，如圖8a所示，造型工程師刮油泥效果，如圖8b所示。

圖8 外后視鏡型面優(yōu)化圖

2.2.2.2 降風(fēng)阻件設(shè)計開發(fā)

1）前后輪阻風(fēng)板在滿足最小離地間隙和臺階保護(hù)設(shè)計要求的前提下，進(jìn)行最大程度優(yōu)化設(shè)計，如圖9所示。前輪阻風(fēng)板由橙色狀態(tài)加長加寬至綠色狀態(tài)，如圖9a所示；后輪阻風(fēng)板由淡綠色狀態(tài)加長至灰色狀態(tài)，如圖9b所示。從而保證遮擋輪胎和懸架的區(qū)域盡可能擴(kuò)大，減少氣流直接沖擊輪胎和懸架，降阻效果為10.6 count。

圖9 前后輪阻風(fēng)板優(yōu)化前后對比圖

2）優(yōu)化設(shè)計前艙下護(hù)板，保證前部氣流可以更加順暢地流過車身底部，降阻效果為7.1 count。如圖10所示。

圖10 前艙下護(hù)板設(shè)計圖

設(shè)計開發(fā)需考慮以下方面：a.前艙下護(hù)板與輪胎阻風(fēng)板、輪罩護(hù)板盡量無間隙匹配（圖10中①②紅色虛線框）；b.前艙下護(hù)板與前保險杠下沿做到無縫隙匹配（圖10中③紅色虛線框）；c.前艙下護(hù)板需經(jīng)過仿真分析確定其熱流場問題；d.前艙下護(hù)板需考慮對前艙部件最大程度防護(hù)。

3）油箱擾流板和底部小護(hù)板，對燃油箱和懸架部件起到擾流作用，保證氣流可以更加順暢地流過車身底部，降阻效果分別為14.2 count和14.5 count。

油箱擾流板的設(shè)計開發(fā)（如圖11所示）需考慮以下方面：a.由于車身地板多車型共用，油箱擾流板固定點(diǎn)位置要求通用（圖11a中①～⑥點(diǎn)）；b.因與燃油濾清器和燃油管路干涉，右側(cè)油箱擾流板位置和形狀需更改優(yōu)化（即由圖11a中黑色虛線框變更到白色虛線框）；c.因在Y向一定距離視野內(nèi)油箱擾流板尾部外側(cè)可見，影響感官質(zhì)量，需進(jìn)行倒角處理（圖11b中2處白色虛線框）。底部小護(hù)板設(shè)計開發(fā)時，同樣需考慮車身地板多車型共用，固定點(diǎn)位置要通用，如圖12所示。圖 12 中 1，2，3，5，7，9，10，11，12，14 點(diǎn)采用凸焊螺母；6，8，13，15 采用凸焊螺釘；6，13 點(diǎn)前移，4 點(diǎn)取消。

圖11 油箱擾流板設(shè)計

圖12 底部小護(hù)板設(shè)計

因底部小護(hù)板質(zhì)量和成本幾乎是油箱擾流板的1倍，性價比較低，故最終方案選擇了油箱擾流板。

4）冷卻導(dǎo)風(fēng)板的主要作用是避免前端冷卻模塊正面氣流往四周發(fā)散，對空調(diào)降溫性能和發(fā)動機(jī)增壓中冷系統(tǒng)也有良好的作用，降阻效果為5.6 count。

設(shè)計開發(fā)（如圖13所示）需考慮以下方面：a.左右兩側(cè)導(dǎo)風(fēng)板（圖13中①②）與前保險杠內(nèi)側(cè)做到無縫配合；b.上導(dǎo)風(fēng)板（圖13中③）在設(shè)計上盡量避免孔洞并保證密封；c.冷卻模塊下方避免縫隙并保證密封。

圖13 冷卻導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計

5）智能格柵的葉片全封閉時相當(dāng)于封堵了前保險杠的上格柵和中格柵，且上下左右結(jié)構(gòu)幾乎取代了冷卻導(dǎo)風(fēng)板，整體降阻效果為11 count，但成本較高，一般為高配車型所采用。圖14示出智能格柵設(shè)計圖。

智能格柵的設(shè)計開發(fā)需考慮以下方面：a.上下左右導(dǎo)風(fēng)板與前保險杠內(nèi)側(cè)做到無縫配合，上導(dǎo)風(fēng)板與引氣口連接處盡量保證密封（圖14a白色虛線框）；b.由于上導(dǎo)風(fēng)板與水箱上橫梁蓋板幾乎形成了一個密閉空間，為了滿足引氣口進(jìn)氣和喇叭聲強(qiáng)要求（圖14b和圖14d白色虛線框），前保險杠上格柵需開孔處理，但該處開孔對風(fēng)阻不利，可能還會導(dǎo)致引氣口進(jìn)水，且開孔設(shè)計還需滿足造型美觀要求，為平衡以上矛盾，性能集成工程師對上格柵左右兩側(cè)2個封堵處開腰形孔，左右對稱各布置6個孔，且孔寬度要求不小于4 mm（圖14c中黑色虛線框和圖14e）；c.智能格柵的標(biāo)定需綜合考慮暖機(jī)溫升、冷卻溫度場及空調(diào)降溫性能。

2.3 零部件設(shè)計驗(yàn)證

降風(fēng)阻零部件設(shè)計驗(yàn)證一般包括以下三方面：1）數(shù)字階段仿真分析和校核；2）外觀檢查、關(guān)鍵尺寸和全尺寸檢測、材料性能檢測（如密度、強(qiáng)度及禁用物質(zhì)等）及性能和功能檢測（如高低溫及耐熱耐溶劑等）；3）整車性能實(shí)車驗(yàn)證，主要包含實(shí)車風(fēng)洞驗(yàn)證和整車耐久可靠試驗(yàn)。零部件詳細(xì)設(shè)計驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和方法不再贅述。

3 結(jié)語

CFD仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)對降風(fēng)阻方案的確定發(fā)揮了重要作用，主機(jī)廠會在油泥制作和風(fēng)洞試驗(yàn)階段不惜投入上百萬元，甚至更多。降風(fēng)阻方案中造型優(yōu)化性價比最高，應(yīng)在數(shù)字樣車階段，充分利用仿真軟件和油泥風(fēng)洞將造型優(yōu)化做到極致；降風(fēng)阻件應(yīng)結(jié)合性價比和對整車其他維度的影響兩方面來選擇，一般由整車性能集成工程師來決定最終設(shè)計方案。

文章中智能格柵的設(shè)計開發(fā)難度較大，涉及整車諸多性能，如冷卻、空調(diào)降溫及動力性等，根據(jù)客戶不同的要求，其標(biāo)定過程可簡可繁，可單獨(dú)作為進(jìn)一步研究的課題。

文章運(yùn)用整車風(fēng)阻正向開發(fā)流程，結(jié)合某車型風(fēng)阻開發(fā)實(shí)例，逐步闡述了風(fēng)阻優(yōu)化方案的確定過程，為風(fēng)阻開發(fā)工程師們提供了零部件設(shè)計優(yōu)化方面的一些建議和風(fēng)阻開發(fā)的思路參考。