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奔驰汽车环境风洞的神秘世界

2018-03-15 21:28:54·  来源:中国汽研汽车风洞技术  作者:贺晓娜  
 
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梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)于2011年在德国辛德芬根(Sindelfingen)建造了两座环境风洞,以实现在室内模拟极端恶劣的天气条件。本期作者将带您走进奔驰环境风洞的神秘世界。

梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)于2011年在德国辛德芬根(Sindelfingen)建造了两座环境风洞,以实现在室内模拟极端恶劣的天气条件。本期作者将带您走进奔驰环境风洞的神秘世界。

梅赛德斯-奔驰于2011年在德国辛德芬根建造了两座环境风洞,以实现在室内模拟极端恶劣的天气条件。两个环境风洞联合使用可以实现-40℃到60℃温度变化,风速可达265 km/h,此外,还可以模拟热带降雨、暴风雪以及烈日等气候条件。

在汽车开发的早期阶段,汽车工程师们可以使用环境风洞针对所有可能的天气条件对汽车或部件进行优化,那些通过环境风洞极端气候测试的汽车或部件,在后期开发阶段再去北极的极寒或沙漠的炎热地带进行真实的道路测试验证,梅赛德斯-奔驰因环境风洞的投入使用获得了汽车开发的高质量和高效率。



虽然汽车首先在计算机上形成模型,不管是碰撞测试、空气动力学研究或悬架测试,最初都是使用计算机模拟技术,但是计算机模拟决不能取代实际测试。

为了进一步缩小计算机模拟与实际测试之间的差距,梅赛德斯-奔驰公司经过两年时间在辛德芬根完成了两座环境风洞的建设,此后梅赛德斯-奔驰技术中心的研究、开发、设计、规划和生产团队将在辛德芬根通过密切的合作进行。

风洞测试与道路测试的最佳组合

梅赛德斯-奔驰两座环境风洞一座被设计为极冷风洞,温度范围为-40℃到40℃。另一座风洞设计为极热风洞,温度范围为-10℃到60℃。 每座环境风洞都配备了集成式双轴底盘测功机,可以实现265 km/h的速度。



戴姆勒公司负责集团研究和梅赛德斯-奔驰汽车开发的董事会成员Thomas Weber博士说:“即使在瑞典的北极地区,冬季温度并不总是像低温试验所要求的那样低;同样也不能总是依靠夏季高温来进行高温试验,比如说在美国有名的死亡谷。但是在环境风洞中却可以随时得到试验所需的气候条件,并且可以实现非常严格精确的控制,因此试验可以在任何时间重现,而这在实际道路测试中是完全不可能。”

正如梅赛德斯-奔驰安全事业部负责人Ulrich Mellinghoff先生所说:“我们并不是把环境风洞当作实际道路的替代品,但是因为环境风洞的存在,实际道路试验次数变得更少了,试验效率更高了。例如,我们有20个不同的发动机隔热罩待验证,通过环境风洞试验就可以淘汰一部分隔热罩,通过初步试验的隔热罩再进行实际道路试验,这样一来,在早期就可以省去很多非常耗时的道路试验,这意味着我们可以更快地实现目标。”

多工况试验的反复再现


在梅赛德斯-奔驰环境风洞中通过一系列的操作可以模拟几乎所有的试验工况,例如全负载或部分负载下的驾驶、最高速行驶、交通堵塞或者爬坡时的车辆行驶等。

此外,还可以模拟任何气候条件,极端炎热和寒冷、干燥的沙漠或者湿润的丛林、细雨或倾盆大雨、冰雪或暴风雪、多云的天空或暴烈的阳光等。在环境风洞中,汽车工程师只需动动指尖就可以实现这一切。

梅赛德斯-奔驰的工程师们利用环境风洞这样便利的试验条件来进行各种车辆或部件的性能测试。例如,他们可以完成不同作用力和使用条件下的发动机冷却系统测试;也可以测试空调采暖系统是否能够完成任何情况下的车内温度调节工作;还可以通过测试详细了解风窗玻璃刮水器的功能,验证在特殊的天气里汽车车窗是否能够保持清洁。



在极冷环境风洞中,工程师们甚至可以测试高速行驶的卡车是否会卷起雪花从而阻塞进气道;当然,他们也会测试车载电子设备处于极端的气候条件下是否会失效。

从工程师的角度来看,环境风洞尤为重要的一个特点是:完全相同的条件下测试可以随时再现以验证结果,这正是实际道路测试所不能提供的“奢侈品”。

适应未来汽车的替代驱动系统

梅赛德斯-奔驰环境风洞的另一个优势是:非常适合未来汽车的替代驱动系统。

风洞中特殊的传感器和有效的抽吸系统意味着燃料电池驱动的车辆也可以在这里进行测试。

风洞和底盘测功机一体化设计

梅赛德斯-奔驰环境风洞卓越性能的背后是许多复杂工程的一体化设计。

18米高的环境风洞建筑占地面积大约4200平方米,包括两个试验台和相关的准备间、控制室和办公室等。通过特殊处理的隔热窗口,技术人员能够非常密切地监测整个测试过程并进行温度、湿度和风速调节以及其他设置。测试过程中,各种测量传感器将测得的数据传输并显示在控制室的计算机上。



为了模拟实际路面,环境风洞中配备了动力强大的电机来驱动四个精密制造的滚筒,每个滚筒直径大约两米,即使是全轮驱动车辆也可以进行测试。因此梅赛德斯 - 奔驰环境风洞可以进行从奔驰smart到奔驰Sprinter等各种车型的测试。

环境风洞试验台的总功率为600kW,在过载情况下,短时间内甚至可以达到780kW,对应的最高时速可达265km/h。底盘测功机的最大牵引力为每轴12,000N,过载时可高达20000N。

20000N的力到底有多大呢?如果用20,000N的力驱动1000公斤的物体,那么在一秒内就可以加速至72km/h,加速度高达20m/s2,想象一下吧,自由落体的重力加速度才只有9.81m/s2。

从微风到飓风,应有尽有

无论汽车实际行驶路线如何,汽车及其部件周围总存在着空气流动。在梅赛德斯-奔驰的环境风洞就可以准确模拟这种环境条件。

风洞风机可以产生任何所需要的气流形式,从微风到飓风,应有尽有。



举一个极端例子:在梅赛德斯-奔驰的环境风洞中,风速高达200 km/h的飓风暴风雪是完全可以再现的,虽然当风速超过100km/h时,人类在没有外界帮助的情况下是无法稳定站立的。

当然,工程师们可以根据试验需要调节环境风洞的风速,风洞中的气流是可以通过调节风扇的风速以及喷口的横截面积来进行控制的。

通常情况下,喷口横截面积越小,可达到的速度就越高。对于普通乘用车测试,通常使用横截面积8平方米的喷口;对于奔驰Sprinter这样的大型MPV,则需要使用横截面积12平方米的喷口。如果是奔驰SLS AMG或其他跑车,测试工程师则会选择使用横截面积更小的喷口(比如:7平方米)。

除了调节风速外,梅赛德斯-奔驰的两个环境风洞均可设定环境湿度在5%至95%之间,使得气候条件的敏感调节成为可能。

两个环境风洞在其他配置细节方面的不同,从而可以满足工程师更为广泛的测试需求。

极冷风洞再现北极暴风雪

梅赛德斯-奔驰极冷风洞的温度调节范围为-40℃到40℃,可满足大多数正常天气条件,并且可以实现-40℃的极寒天气。

在0℃以上,该风洞可以实现每小时高达80L/平方米的降雨量。在0℃以下,即使是最严重的暴风雪也不是问题,在这里,你可以看到漫天雪花以200km/h的速度飞来。



在极冷风洞进行的一项重要试验是除霜除雾,这个试验是测试汽车采暖系统是否可以在短时间内完成深度冰冻汽车风窗玻璃的除冰霜工作,风洞中配置的相机准确记录了整个除霜除雾过程。

极冷风洞同时也配备了用于模拟汽车除污试验的设备。试验过程中将使用紫外线下可见的液体对试验车辆进行喷射,通过试验发现汽车存在的潜在除污不足,整个试验过程将通过自动照相或录像进行记录。

极热风洞再现沙漠烈日

梅赛德斯-奔驰极热风洞的温度调节范围为-10℃到60℃,同时还配置了阳光模拟系统,该系统32盏灯的辐射强度可与真正的太阳光比肩。

在20平方米的区域内可以实现光照强度200W/平方米至1200W/平方米之间的调节。1200W/平方米的光照强度可与世界上极少数高温地区的实际太阳辐射强度相当,例如美国死亡谷或其他偏远的沙漠高温地带。事实上,即使在这些极度高温地区,也只是在正午时分最高温度才会超过50℃。



在梅赛德斯-奔驰极热风洞中,整个阳光模拟系统可以倾斜至水平线上方仅5度进行入射,从而可以更加真实地模仿日间太阳照射的整个过程,还可以模拟真实条件下阳光侧向入射情况。

即使实际条件中存在光线和温度的快速波动,比如说云层出现或汽车进入隧道,也都可以在阳光模拟系统的测试程序中进行控制,例如细网格面板出现在辐射灯的前面以模拟云的效果,而换上坚固盖板遮挡则可以模拟进入隧道时突然发生的光线变化。



在梅赛德斯-奔驰极热风洞中还配置了 “Hot Road”以模拟实际道路夏季高温的热路面,其温度可以在50-70℃之间连续变化。

安全的灭火系统

梅赛德斯-奔驰极热风洞和极冷风洞都配备了高压水雾灭火系统。

如果汽车部件因制动过热着火,风洞中的灭火系统喷嘴会在几分之一秒内从地板射出,形成微小水滴的细雾可以快速灭火,这种雾沫具有隔绝氧气的作用,而水滴的大表面喷射也可以进一步冷却车辆以防止火焰蔓延。需要指出的是,即使测试工程师在车内,也仍然可以立即触发灭火系统。

通过配备先进的灭火系统,从而将昂贵试验车原型的损坏程度降到最低。

先进的配套设施

梅赛德斯 - 奔驰建造两座环境风洞的目的是将自然界所有极端天气引入环境风洞以提高汽车研发质量,但是高效并不仅仅体现在风洞本身的环境条件,还包括风洞配备的各种设施,比如用于测试准备的六个调节舱。

在调节舱中,汽车可以在十分钟内完成预冷,并通过巧妙的新型运输系统传送进入风洞。另外,环境风洞配套的设施还可以在耐久性测试过程中完成加油程序。



六个调节舱中的两个具有良好隔音性能,可以有效防止外部噪音,以便工程师们追踪那些在特定气候条件下发出的“咔哒”声。

拥有各种机械设备和车间设施的大型工作区是高效完成汽车预准备工作的基础条件。在环境风洞现场,车辆的改装或其他准备工作可以在很短的时间内完成,而无需将车辆转移到距离更远的其他工作区。

诸如此类的措施使得占用昂贵环境风洞的时间保持在最低限度,并且可以实现一辆紧跟另一辆的进行试验,风洞以及风洞设施的使用率达到最高。

在梅赛德斯-奔驰的两座环境风洞中,以上目标已经完全实现,风洞正常高效的运行,共有20名员工分两班进行工作。

有效减少实际道路测试

汽车环境风洞测试结果的有效性已经在地球上某些极端气候条件下的实际测试中得到了证实,如迪拜或纳米比亚的沙漠,死亡谷的高温,瑞典北部的极寒暴雪或热带丛林的高热高湿。随着环境风洞的出现和投入使用,不再需要在汽车研发早期阶段就开始进行实际道路测试,道路测试主要用于后期的试验验证。

此外,环境风洞的使用还带来其他积极的影响,那就是汽车工程师和测试车辆不再需要频繁飞行到地球的偏远角落进行测试工作,用于汽车研发测试的总驾驶里程数以及消耗的人力物力大幅度降低,汽车研发的整体生态得到积极改善。

中国汽研汽车风洞

中国汽车工程研究院股份有限公司(中国汽研CAERI)将于2018年底在重庆建成两座比肩世界一流水平的先进风洞——气动-声学风洞和环境风洞,两个风洞主要参数指标均按照国际先进水平风洞设计。



两座风洞投入使用后,中国汽研汽车风洞中心将为车企提供汽车风阻测试、侧风响应测试、风噪测试、流场显示测试、发动机热管理测试、空调系统测试、整车热管理测试等一系列汽车空气动力学、声学和热力学风洞试验服务,以及整车空气动力学、声学和热力学性能开发服务,服务车型涵盖轿车,SUV,皮卡,中型客车,轻卡等。


CAERI气动-声学风洞



CAERI环境风洞