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Audi Q5轿车的空气动力学设计

2019-08-29 20:12:30·  来源：EDC电驱未来  
　
1新款AudiQ5轿车的空气动力学性能近年来，轿车空气动力学的重要性可谓日益彰显。总体而言，汽车空气动力学是降低燃油耗的重要因素之一，因为较小的空气阻力不仅
1 新款Audi Q5轿车的空气动力学性能
  
近年来，轿车空气动力学的重要性可谓日益彰显。总体而言，汽车空气动力学是降低燃油耗的重要因素之一，因为较小的空气阻力不仅能提升燃油经济性，而且也能降低CO2排放。

汽车的空气动力学品质通常取决于无量纲风阻系数cW值，它仅与空气环绕汽车流动的形式有关，而与汽车的尺寸大小无关。空气阻力与cW值和汽车迎风面积成正比，cW值或汽车的外形尺寸越小，空气阻力也就越小。
 
新款Audi Q5轿车通过开发获得了良好的空气动力学性能，从而以风阻系数值cW=0.30成为其同类车型中的翘楚，很少有4缸机汽车能达到此风阻系数值。该车型配备了经空气动力学优化的Aero-Rad车轮，即使配备其他品牌的车轮也能实现相近的cW值。与Q5原车型相比，新型Audi Q5轿车成功地降低了10%的空气阻力。即使在离地净高为20 cm的情况下，仍能使cW值保持在0.30的水平。因为通常降低SUV的离地净高就能显著降低空气阻力，因此意图将cW调整至最佳值的SUV车型大多采取这种措施。新款Audi Q5轿车上采用全球统一轻型车辆排放测试规程(WLTP)，说明其对降低CO2排放的重视程度。

本文介绍了两种典型的开发步骤，以此可优化新款Audi Q5轿车的空气动力学性能。
 
2 模型上的优化
  
为了在汽车设计中尽可能顾及到汽车空气动力学性能，需要尽早参与设计过程。在设计探索过程中设计参数仍有可能会发生较大的变化，所以必须应用能快速和低成本地反映这类变化的预测工具，通常应用一定比例的模型进行风洞试验，并采用计算流体动力学(CFD)予以辅助。其中，空气动力学优化的难点在于，在寻找改善措施时需要对其中一种进行具体评估。因此，设计理念起着重要的作用。为了使设计过程尽可能高效，就需要丰富的经验、创造性和直觉，但是设计理念也需要新颖的模拟计算方法予以辅助。高效的预测工具提供了辅助方法，以计算空气动力对表面形状变化的敏感度，由此得到的敏感区域图最终能提供关于空气作用力的变化情况，从而可以得知汽车任意部位的外表面应如何调整。
 
在早期设计阶段，新款Audi Q5轿车的动力学优化主要采用1∶4比例的模型在风洞中进行。为了高效地确定具有优化潜力的部件，通常采用精确调整的方法来分析在风洞中的汽车试验模型。Q5轿车是Audi公司应用该方法进行优化的第一种车型。图1示出了新款Audi Q5轿车早期开发过程中的空气阻力敏感区域图。为了降低空气阻力，蓝色区域表面必须向内调整，而红色区域表面必须向外调整。表1中列出了改进措施及其在风洞中成功降低风阻系数的效果。
 
图1 新款Audi Q5轿车早期刊发的空气阻力敏感区域图
 
每次进行的1∶4模型都需要在试验现场对必须调整和可能调整的造型进行讨论和优化，然后将设计上无法采纳的措施在项目组内进行讨论，探讨其原因，以便获取cW设计上允许降低的最大值。该方式是一种快捷、高效的优化手段，能够使参与风洞试验的1∶4模型的cW降低达0.04。
 
尽管在早期设计探索阶段持续不断地提出改进建议，但其中仅有少数方案可直接进行1∶4模型风洞试验，而其他方案则建议首先进行视觉分析。如果有必要，则需分别进行CFD评估。

表1 通过精细调整方法和风洞试验验证的cW潜力

3 实际比例模型的优化
  
此后，确定了新款Audi Q5轿车的初步尺寸，车身外形就不会再有实质性的变化，就可建立带有底盘和发动机舱的1∶1的汽车模型，然后将这种模型在Audi公司的汽车风洞中进行进一步优化，其重点在于D柱的导流边缘、侧面装饰件、轮辋设计、发动机舱的气流运动、底部和车顶导流棱的最终调整。
 
图2 环绕侧面装饰件的气流状况
 
图2示出了环绕侧面装饰件的气流状况。因为这种气流状况会导致侧面严重凹陷处出现气流分离现象，使cW值升高0.013。而如果用光滑的外形表面替代装饰件，就能将气流分离现象降至最低，从而防止cW值的恶化。研究目的是要开发一种可使用的装饰件，使其空气动力学性能不亚于光滑的外形表面。在该设计理念指导下，Q5轿车上规定的最大可忍受的侧面凹陷正好使车灯前方的气流仍能保持紧贴表面流动，从而保持cW值不变。
 
为了进一步降低cW值，在模型上采取了一系列的地板优化措施。另外，还可通过加长发动机罩盖遮掩汽车前端的气流通道，从而减少外部气流对发动机冷却气流的强烈干扰，因为此时发动机冷却气流沿着发动机罩盖向外排出，从而减少了流动方向上的动量损失，即降低了空气阻力。此外，通过改进废气装置的外形明显减小了对发动机罩盖下通道中发动机冷却气流的阻隔，从而能更好地减小空气阻力。

为了更好地理解气流运动过程，1∶1模型风洞试验需尽量采用CFD模拟计算予以辅助。表2对CFD模拟与风洞试验结果进行比较，证实两者的实施效果具有非常好的一致性。
 
表2 风洞试验和模拟计算得出的各种不同措施对cW值的影响

通过采用首款样车进行试验，能进一步提高空气动力学性能模拟的精确度，使其降低cW的措施同样也能用于量产。图3示出了在项目整个进展期间cW值的开发状况。1∶1模型风洞试验时偶尔会出现cW值比量产汽车更低的情况，这种现象主要是由于在汽车上存在泄漏流动引起的附加损失，这在模型试验中无法反映出来。

图3 项目进展期间cW值的开发状况
 
4 量产汽车上的空气动力学措施
  
图4的红色区域为新款Audi Q5轿车所采用的空气动力学措施。其中搭载2.0 L增压直喷式汽油机的车型在散热器上部进气口处受到百叶窗(图4中的1)遮挡。在大多数行驶状况下，即在新欧洲行驶循环(NEDC)或在WLTP工况中，百叶窗是关闭的，从而能使cW值降低0.006，同时也能减少CO2排放。仅在特殊情况下，如在较陡的山路上行驶时或在高速行驶时，才有必要打开百叶窗。
 
图4 新款Audi Q5轿车所采用的空气动力学措施
 
如上文所述，侧面装饰件的设计(图4(a))对于良好的cW值起着重要作用。图5比较了配备有原装饰件和具有光滑表面时的气流速度场。从图5中可以清晰地看到，虽然后者比前者的气流贴合效果更佳，但是具有光滑表面的车型轮廓使cW值有所改善，另外原有装饰件稍有变化就会导致气流分离现象的出现和cW值的恶化。最终，从空气动力学出发，寻找到了一个用于设计的装饰件。
 
图5 原有装饰件和具有光滑表面时的气流速度场比较
 
车轮对汽车空气动力学性能具有较大的影响(图4(a)),不仅轮辋设计起着重要作用，而且不同的轮胎选择在空气动力学方面就能具有降低CO2排放1 g/km的影响。对于SUV车型则影响更为显著，因为在SUV车型上前轮因汽车的挤压作用和较短的悬挂，使气流从内向外的流动现象要比悬挂较长的车辆更为强烈，从而使前轮外侧的气流能更快速地分离，因而对轮辋和轮胎的设计更为敏感。与Q5原车型相比，新型Q5轿车通过空气动力学优化了轮辋，使其cW值降低了0.003。因为轮胎也能相应进行空气动力学优化，因此总改善效果ΔcW可降低0.005。虽然经空气动力学优化的车轮是达到cW=0.30，但是依然可以使用其他能达到较低cW值的车轮。表3列出了可供选择的几类车轮。其中，型号20″-Option的车轮轮胎直径为255 mm而并非235 mm，其cW值仅比Aero-Rad增加了0.004。试验结果表明，因为更宽的轮胎通常具有明显较高的cW值，在轮胎宽度相同的情况下，235 mm和255 mm的尺寸大小与支承面有关。R17车轮的形状只是胎腹比R20车轮更大。此外，R20车轮配备有空气动力学性能优异的轮胎，一定程度上补偿了轮辋设计的缺陷。
 
导致cW值明显降低的另一个重要因素是后视镜(图4(a))。Q5原车型仍配备有三角形后视镜，而新型Q5轿车则使用了腰型后视镜，该部件从Audi Q7轿车沿用过来，并因位置发生了改变而更为得细长，因而相对于原后视镜其cW值降低了0.008。
 
表3 最佳Q5车轮的空气动力学性能

两个可见的空气动力学影响因素是D柱旁的轮廓边缘(图4(a))和尾灯导流板(图4(a))。两者使气流运动更为稳定，并且由于提高了车尾的压力而使cW值总共降低了0.009。

发动机罩盖下通道封闭(图4(a))在上文已介绍过。通过优化废气装置还能进一步降低cW值，可达0.002，两者可使总改善效果达到0.006。但是，这种较大的封闭通道只能应用于搭载2.0涡轮增压直喷式柴油机的车型，而在2.0缸内喷射分层燃烧涡轮增压发动机和V6增压直喷式汽油机车型上，为了限制温度只能使用较小通道的方案，通过加强气流的相互作用与周围环境产生强烈的温度交换，相应cW优势也就更小一些。

 
车辆后面底部的挡板(图4(b))引导气流从挡板下方流过,并且预先设定了气流在后减振器套旁的流出角度。后桥挡板(图4(b))使弹簧导杆避开气流，并且引导气流环绕后桥流动。这两个构件以该方式优化了车尾扩散器的环流，同时又具有防碎石打击的辅助功能。这两种措施总共能降低cW值达0.007。
 
5 结论
 
介绍了新款Audi Q5轿车的空气动力学开发，并用两种典型的优化步骤阐明了其开发过程，同时还用试验方法确定了每种部件进行空气动力学优化的潜力，并解释了进行相应调整的作用原理。
 
为了达到同类车型中最为优越的cW值0.30，需要在车身外壳及地板底部采取许多优化措施。制定和实施这些措施的关键因素是和专业部门进行紧密高效的合作以及采用现代模拟计算方法来有效辅助风洞试验，并且已在量产汽车上显示出了这种优化过程的效果。新型Q5轿车还可应用其他选用车轮和外部选装件以降低cW值。考虑到WLTP工况的新型认证方法，不仅要考虑到认证车型，而且还应考虑到所有选装件，这是降低CO2排放的必要前提条件。 
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