Audi Q5轎車的空氣動力學設計

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1 新款Audi Q5轎車的空氣動力學性能

近年來，轎車空氣動力學的重要性可謂日益彰顯。總體而言，汽車空氣動力學是降低燃油耗的重要因素之一，因為較小的空氣阻力不僅能提升燃油經濟性，而且也能降低CO2排放。

汽車的空氣動力學品質通常取決于無量綱風阻系數cW值，它僅與空氣環繞汽車流動的形式有關，而與汽車的尺寸大小無關。空氣阻力與cW值和汽車迎風面積成正比，cW值或汽車的外形尺寸越小，空氣阻力也就越小。

新款Audi Q5轎車通過開發獲得了良好的空氣動力學性能，從而以風阻系數值cW=0.30成為其同類車型中的翹楚，很少有4缸機汽車能達到此風阻系數值。該車型配備了經空氣動力學優化的Aero-Rad車輪，即使配備其他品牌的車輪也能實現相近的cW值。與Q5原車型相比，新型Audi Q5轎車成功地降低了10%的空氣阻力。即使在離地凈高為20 cm的情況下，仍能使cW值保持在0.30的水平。因為通常降低SUV的離地凈高就能顯著降低空氣阻力，因此意圖將cW調整至最佳值的SUV車型大多采取這種措施。新款Audi Q5轎車上采用全球統一輕型車輛排放測試規程(WLTP)，說明其對降低CO2排放的重視程度。

本文介紹了兩種典型的開發步驟，以此可優化新款Audi Q5轎車的空氣動力學性能。

2 模型上的優化

為了在汽車設計中盡可能顧及到汽車空氣動力學性能，需要盡早參與設計過程。在設計探索過程中設計參數仍有可能會發生較大的變化，所以必須應用能快速和低成本地反映這類變化的預測工具，通常應用一定比例的模型進行風洞試驗，并采用計算流體動力學(CFD)予以輔助。其中，空氣動力學優化的難點在于，在尋找改善措施時需要對其中一種進行具體評估。因此，設計理念起著重要的作用。為了使設計過程盡可能高效，就需要豐富的經驗、創造性和直覺，但是設計理念也需要新穎的模擬計算方法予以輔助。高效的預測工具提供了輔助方法，以計算空氣動力對表面形狀變化的敏感度，由此得到的敏感區域圖最終能提供關于空氣作用力的變化情況，從而可以得知汽車任意部位的外表面應如何調整。

在早期設計階段，新款Audi Q5轎車的動力學優化主要采用1∶4比例的模型在風洞中進行。為了高效地確定具有優化潛力的部件，通常采用精確調整的方法來分析在風洞中的汽車試驗模型。Q5轎車是Audi公司應用該方法進行優化的第一種車型。圖1示出了新款Audi Q5轎車早期開發過程中的空氣阻力敏感區域圖。為了降低空氣阻力，藍色區域表面必須向內調整，而紅色區域表面必須向外調整。表1中列出了改進措施及其在風洞中成功降低風阻系數的效果。

圖1 新款Audi Q5轎車早期刊發的空氣阻力敏感區域圖

每次進行的1∶4模型都需要在試驗現場對必須調整和可能調整的造型進行討論和優化，然后將設計上無法采納的措施在項目組內進行討論，探討其原因，以便獲取cW設計上允許降低的最大值。該方式是一種快捷、高效的優化手段，能夠使參與風洞試驗的1∶4模型的cW降低達0.04。

盡管在早期設計探索階段持續不斷地提出改進建議，但其中僅有少數方案可直接進行1∶4模型風洞試驗，而其他方案則建議首先進行視覺分析。如果有必要，則需分別進行CFD評估。

表1 通過精細調整方法和風洞試驗驗證的cW潛力

3 實際比例模型的優化

此后，確定了新款Audi Q5轎車的初步尺寸，車身外形就不會再有實質性的變化，就可建立帶有底盤和發動機艙的1∶1的汽車模型，然后將這種模型在Audi公司的汽車風洞中進行進一步優化，其重點在于D柱的導流邊緣、側面裝飾件、輪輞設計、發動機艙的氣流運動、底部和車頂導流棱的最終調整。

圖2 環繞側面裝飾件的氣流狀況

圖2示出了環繞側面裝飾件的氣流狀況。因為這種氣流狀況會導致側面嚴重凹陷處出現氣流分離現象，使cW值升高0.013。而如果用光滑的外形表面替代裝飾件，就能將氣流分離現象降至最低，從而防止cW值的惡化。研究目的是要開發一種可使用的裝飾件，使其空氣動力學性能不亞于光滑的外形表面。在該設計理念指導下，Q5轎車上規定的最大可忍受的側面凹陷正好使車燈前方的氣流仍能保持緊貼表面流動，從而保持cW值不變。

為了進一步降低cW值，在模型上采取了一系列的地板優化措施。另外，還可通過加長發動機罩蓋遮掩汽車前端的氣流通道，從而減少外部氣流對發動機冷卻氣流的強烈干擾，因為此時發動機冷卻氣流沿著發動機罩蓋向外排出，從而減少了流動方向上的動量損失，即降低了空氣阻力。此外，通過改進廢氣裝置的外形明顯減小了對發動機罩蓋下通道中發動機冷卻氣流的阻隔，從而能更好地減小空氣阻力。

為了更好地理解氣流運動過程，1∶1模型風洞試驗需盡量采用CFD模擬計算予以輔助。表2對CFD模擬與風洞試驗結果進行比較，證實兩者的實施效果具有非常好的一致性。

表2 風洞試驗和模擬計算得出的各種不同措施對cW值的影響

通過采用首款樣車進行試驗，能進一步提高空氣動力學性能模擬的精確度，使其降低cW的措施同樣也能用于量產。圖3示出了在項目整個進展期間cW值的開發狀況。1∶1模型風洞試驗時偶爾會出現cW值比量產汽車更低的情況，這種現象主要是由于在汽車上存在泄漏流動引起的附加損失，這在模型試驗中無法反映出來。

圖3 項目進展期間cW值的開發狀況

4 量產汽車上的空氣動力學措施

圖4的紅色區域為新款Audi Q5轎車所采用的空氣動力學措施。其中搭載2.0 L增壓直噴式汽油機的車型在散熱器上部進氣口處受到百葉窗(圖4中的1)遮擋。在大多數行駛狀況下，即在新歐洲行駛循環(NEDC)或在WLTP工況中，百葉窗是關閉的，從而能使cW值降低0.006，同時也能減少CO2排放。僅在特殊情況下，如在較陡的山路上行駛時或在高速行駛時，才有必要打開百葉窗。

圖4 新款Audi Q5轎車所采用的空氣動力學措施

如上文所述，側面裝飾件的設計(圖4(a))對于良好的cW值起著重要作用。圖5比較了配備有原裝飾件和具有光滑表面時的氣流速度場。從圖5中可以清晰地看到，雖然后者比前者的氣流貼合效果更佳，但是具有光滑表面的車型輪廓使cW值有所改善，另外原有裝飾件稍有變化就會導致氣流分離現象的出現和cW值的惡化。最終，從空氣動力學出發，尋找到了一個用于設計的裝飾件。

圖5 原有裝飾件和具有光滑表面時的氣流速度場比較

車輪對汽車空氣動力學性能具有較大的影響(圖4(a)),不僅輪輞設計起著重要作用，而且不同的輪胎選擇在空氣動力學方面就能具有降低CO2排放1 g/km的影響。對于SUV車型則影響更為顯著，因為在SUV車型上前輪因汽車的擠壓作用和較短的懸掛，使氣流從內向外的流動現象要比懸掛較長的車輛更為強烈，從而使前輪外側的氣流能更快速地分離，因而對輪輞和輪胎的設計更為敏感。與Q5原車型相比，新型Q5轎車通過空氣動力學優化了輪輞，使其cW值降低了0.003。因為輪胎也能相應進行空氣動力學優化，因此總改善效果ΔcW可降低0.005。雖然經空氣動力學優化的車輪是達到cW=0.30，但是依然可以使用其他能達到較低cW值的車輪。表3列出了可供選擇的幾類車輪。其中，型號20″-Option的車輪輪胎直徑為255 mm而并非235 mm，其cW值僅比Aero-Rad增加了0.004。試驗結果表明，因為更寬的輪胎通常具有明顯較高的cW值，在輪胎寬度相同的情況下，235 mm和255 mm的尺寸大小與支承面有關。R17車輪的形狀只是胎腹比R20車輪更大。此外，R20車輪配備有空氣動力學性能優異的輪胎，一定程度上補償了輪輞設計的缺陷。

導致cW值明顯降低的另一個重要因素是后視鏡(圖4(a))。Q5原車型仍配備有三角形后視鏡，而新型Q5轎車則使用了腰型后視鏡，該部件從Audi Q7轎車沿用過來，并因位置發生了改變而更為得細長，因而相對于原后視鏡其cW值降低了0.008。

表3 最佳Q5車輪的空氣動力學性能

兩個可見的空氣動力學影響因素是D柱旁的輪廓邊緣(圖4(a))和尾燈導流板(圖4(a))。兩者使氣流運動更為穩定，并且由于提高了車尾的壓力而使cW值總共降低了0.009。

發動機罩蓋下通道封閉(圖4(a))在上文已介紹過。通過優化廢氣裝置還能進一步降低cW值，可達0.002，兩者可使總改善效果達到0.006。但是，這種較大的封閉通道只能應用于搭載2.0渦輪增壓直噴式柴油機的車型，而在2.0缸內噴射分層燃燒渦輪增壓發動機和V6增壓直噴式汽油機車型上，為了限制溫度只能使用較小通道的方案，通過加強氣流的相互作用與周圍環境產生強烈的溫度交換，相應cW優勢也就更小一些。

車輛后面底部的擋板(圖4(b))引導氣流從擋板下方流過,并且預先設定了氣流在后減振器套旁的流出角度。后橋擋板(圖4(b))使彈簧導桿避開氣流，并且引導氣流環繞后橋流動。這兩個構件以該方式優化了車尾擴散器的環流，同時又具有防碎石打擊的輔助功能。這兩種措施總共能降低cW值達0.007。

5 結論

介紹了新款Audi Q5轎車的空氣動力學開發，并用兩種典型的優化步驟闡明了其開發過程，同時還用試驗方法確定了每種部件進行空氣動力學優化的潛力，并解釋了進行相應調整的作用原理。

為了達到同類車型中最為優越的cW值0.30，需要在車身外殼及地板底部采取許多優化措施。制定和實施這些措施的關鍵因素是和專業部門進行緊密高效的合作以及采用現代模擬計算方法來有效輔助風洞試驗，并且已在量產汽車上顯示出了這種優化過程的效果。新型Q5轎車還可應用其他選用車輪和外部選裝件以降低cW值。考慮到WLTP工況的新型認證方法，不僅要考慮到認證車型，而且還應考慮到所有選裝件，這是降低CO2排放的必要前提條件。