变革之风

几十年来,汽车制造商已经成功对其车辆的空气动力学进行了一轮又一轮的优化。随着电动汽车的发展,最新车型也在风阻系数(Cd 值)上实现了飞跃性发展。但汽车空气动力学尚未完全释放其全部潜力。在未来,我们仍有望借助主动式空气动力学举措和全新的研发方法,进一步提升整车空气动力学的性能表现。

在 40 年前,许多驾驶者第一次碰到这么一个新词:风阻系数(Cd 值)。当新款奥迪 100 于 1982 年推出时,制造商将其称为“世界上最符合流线型的量产型轿车”。而其 0.30 的 Cd 值更是让人叹为观止。车辆的风阻突然成为一个卖点,其主要原因还要追溯到 1973年和 1979 年的石油危机。自危机爆发以后,燃油价格急剧上升,车辆效率由此成为人们关注的焦点。

空气动力学也一下子备受重视。风阻对于油耗起着重要作用,特别是在较高的车速下,这一点更为显著。“从大约80 公里/小时开始,空气阻力的影响就大于轮胎滚动阻力。”保时捷工程公司空气动力学和热管理系统专业项目经理马塞尔·斯特劳布(Marcel Straub)解释说,“而且,空气动力学的影响随着速度的增加呈二次方增长,空气动力学因此对油耗相当关键,对于高速公路上行驶的车辆更是如此。”

车辆的风阻有多大,这一点主要取决于车辆正面投影面积与风阻系数(Cd 值)的乘积。风阻系数主要描述了一个几何形状有多符合流线型。原则上,Cd 值越小越好。水滴形状相当接近理想的流线型,因为其前圆后尖。这种形状的 Cd 值仅为 0.05。然而,水滴形车辆难以容纳车辆动力装备、乘客以及其他有效载荷。

自 20 世纪 80 年代以来,前圆后方的楔形一直占据主导地位。这一设计的主要目的是尽量减少车辆后部的吸力。锋利的边缘能引导空气流动,并减少负压,从而降低风阻。这样,车辆的 Cd 值就能不断降低:欧宝 Calibra 在 1990 年达到 0.26,而奥迪 A2 在十年后则打破了这一纪录,达到 0.25。斯图加特大学汽车工程系主任安德烈亚斯·瓦格纳教授(Andreas Wagner)回忆说:“这是空气动力学的真正飞跃。”

目前,在电动汽车的推动下,下一次飞跃即将出现。“电力驱动的效率比内燃机高得多,因此,其他能耗影响因素的重要性就会进一步凸显出来。”保时捷股份公司空气动力学研发主管托马斯·韦根博士(Dr. Thomas iegand)解释说,“在 WLTP 驾驶循环中,电动汽车 30% 至 40% 的能耗归因于空气动力学,而搭载柴油或汽油发动机的车辆则不到 10%。而且,由于真实(驾驶)循环的平均速度比 WLTP还要高,这就意味着,在实际驾驶电动汽车的过程中,这一数值可能要高于 50%。”

因此,制造商们非常重视优化其电动汽车的空气动力学,而新的驱动技术有望加速这一发展:内燃机汽车一般在车底会有一个中央底槽,并配备一个通过环境空气进行冷却的排气系统。其割裂的表面会导致空气涡流并增加驱动阻力。而在电动汽车中,电池位于前后车桥之间。其底部完全光滑,这有助于实现更好的空气动力学性能表现。

主动式空气动力学措施

电动车的另一优点是,发动机产生的热量较低,需要通过散热器耗散的能量就较少,因此也不需要较多或甚至根本不需要气流经过发动机舱,这也可以降低电动汽车的风阻。在许多电动汽车中,通过进气口处可单独控制的冷却空气挡板,能确保只有真正需要的空气量才会被引导到散热器和制动盘处。该技术可以根据驾驶情况进行主动干预,专家们由此将这类措施称为“主动式空气动力学”。主动式空气动力学措施还包括可伸缩的扰流板和空气悬架底盘,这种设计可在高速行驶时降低汽车的高度。“为了实施这些措施,我们保时捷工程公司正在不断开拓自己在功能和软件开发方面的专业知识。”斯特劳布说,“这让我们能够安全地将功能方面的主动措施推向量产。”现代化的电动汽车中便采用了众多这样的技术:保时捷 Taycan 和奔驰 EQS 的 Cd 值分别为 0.22 和 0.20,在空气动力学方面远远领先于同类型汽车。

主动式空气动力学措施在未来可能会发挥更大的作用,并明显改变车辆行驶时的外观。例如,梅赛德斯-奔驰推出了 Vision EQXX 概念车,其 Cd 值为 0.17。在驾驶时,汽车外形会发生可见的变化,其中就包括一个位于车尾下缘的扩散板:从车速达到 60 公里/小时开始,这个扩散板就会自动向后延伸 20 厘米,再加上安装在加长车尾部上的锋利扰流板边缘,这一设计能确保使风阻降至最低。

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“EQXX 的重点是能源效率。”梅赛德斯-奔驰的空气动力学工程师、卡尔斯鲁厄理工学院讲师斯蒂芬·克罗伯博士(Dr. Stefan Kröber)说,“其中一个重要部分便是对空气动力学的优化。EQXX 每 100 公里应该只消耗不到 10 千瓦时,而目前的 EQS 的耗电量仍然达到至少 15 千瓦时。”另外,斯特劳布也认为,未来汽车在行驶中会改变其形状:“例如,车尾部在高速行驶时可以变得更有棱角,从而形成更尖锐的扰流板边缘。在这里,我们可以采用新型的形状记忆材料。这种材料会根据温度变化或受到的机械应力而改变其几何形状。”

在斯图加特大学,研究人员目前正在寻找一种全新的方法:“我们正在研究,是否可以通过在车身的某些位置有针对性地引入振动来降低 Cd 值。”瓦格纳解释说,“如果在扬声器的帮助下向空气环流中引入一个特定脉冲,你就可以影响其扰流方式。”在一辆 SUV 车型上,我们便成功地将 Cd 值降低了 7%。“但这离实现量产还有很长的路要走。”瓦格纳说,“我们需要确保,乘客不会受比如嗡嗡声的干扰。”

仿真效果不断改善

现在,工程师和设计师会在风洞和 CFD(计算流体动力学)仿真中验证其设想对于新车空气动力学的影响程度。“CFD 仿真在过去 20 年中取得了长足发展。”瓦格纳说,“现在,大家可以对相关的数学方法有更深刻的理解,研发出了更精确的工具并且也提高了计算机的性能。”

然而,如今的计算机仿真仍有其极限。比如,我们目前只能在有限的范围内计算出正在转动的轮胎可能带来的影响。此外,轮胎在车辆重量作用下的变形情况,如今的仿真技术还无法达到足够的精度。这一点应该能在未来获得改善。同样可以有很大发展空间的,还包括计算机辅助之下的车辆几何形状优化。“在此方面需要考虑许多参数,例如侧面线条的走向、A 柱、行李厢盖的高度或扩散板的角度。”瓦格纳解释说,“这就出现了许多可能的组合,以致于人类凭借现有技术无法再全面考虑所有可能性。”但智能算法却有所不同,它可以在大量变式中,有针对性地找到那些能实现较低 Cd 值的组合。另外一种可能性就是,按照设计要求使一个参数(比如行李厢盖高度)保持不变,并在遵守此边界条件的前提下尝试余下的各种几何形状。

Taycan, Test im Windkanal, 2022, Porsche AG
最终测试:尽管仿真技术不断改进,风洞测试仍然是空气动力学最重要的标准测试。不过,计算机正在稳步发展,有望超越风洞测试的地位。

在未来,人工智能将进一步提高这一流程的效率。“在研发阶段的最后,我们必须确定每一种车型各自的能耗值或续航里程数,这些数值除了受到重量和轮胎滚动阻力的影响外,也受到空气动力学性能的影响。”韦根解释说,“因此,我们必须针对空气动力学部分生成大量数据。”但在之前的研发阶段中,技术人员已经获得了大量风洞测量值和仿真结果。今后,这些数据将得到更好地结构化处理,并采用最先进的方法进行分析。“人工智能算法可通过内插和外推方法从现有数据中生成新的数据。这样,我们就能够有针对性地规划测试,并减少测试次数。而且我们将不再需要为了完成型式认证而测量所有款型。”

通过人工智能实现实时优化

保时捷工程公司也在尝试使用人工智能方法。研发人员的目标是通过人工智能实时预测车辆几何形状变化所带来的影响。虽然现在还需要对每种款型进行耗时的 CFD 仿真,但在未来,神经网络将以更快的速度计算出对 Cd 值的影响。“在人工智能的帮助下,我们只需用鼠标改变一个形状,就能立即看到这对空气动力学的影响。”施特劳布说,“我们已经将这种人工智能方法用在保时捷 GT3 的尾翼轮廓优化上了。”保时捷工程公司的人工智能专家们正与魏斯阿赫保时捷股份公司的方法研发部门共同进一步开发这种人工智能方法。

在未来,经过空气动力学优化的车辆将会拥有各不相同的外观。“一个优秀的 Cd 值可以通过不同方式实现。”瓦格纳说,“例如,如果需要优化车尾,就可以改变行李厢盖的高度和车身底部的扩散板。然后与设计部门合作,找到一个适合品牌的最佳方案。这样,我们就可以通过不同的形状,达到同样的空气动力学性能。”施特劳布也非常同意这个观点,他并不相信未来会有“一刀切”的设计:“未来,即使是空气动力学性能最优秀的车辆,它们的外观也会各有特色。”

综述

随着电动汽车的发展,如今的汽车在空气动力学性能方面实现了飞跃性发展。在未来,主动式空气动力学措施,例如车尾处可改变的形状设计或者有针对性引入的振动,都能让车辆的 Cd 值不断降低。而目前在人工智能仿真和测试优化方面,汽车行业也取得了巨大进展。

版权信息

本文初刊于《保时捷工程杂志》2022 第 2 期

文字:Christian Buck

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