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廣汽ENO.146低風(fēng)阻概念車的啟發(fā)

2020-02-22 22:00:01·  來源：中國汽研汽車風(fēng)洞技術(shù)  作者：肖凌  
　
2019年11月廣州車展期間，廣汽一款全球低風(fēng)阻新紀(jì)錄電動乘用車ENO.146驚艷亮相。正如其名，ENO.146的風(fēng)阻系數(shù)僅為0.146，創(chuàng)造了全球低風(fēng)阻乘用車的最低記錄，充
2019年11月廣州車展期間，廣汽一款全球低風(fēng)阻新紀(jì)錄電動乘用車——ENO.146驚艷亮相。正如其名，ENO.146的風(fēng)阻系數(shù)僅為0.146，創(chuàng)造了全球低風(fēng)阻乘用車的最低記錄，充分體現(xiàn)了廣汽在空氣動力學(xué)設(shè)計上的技術(shù)先進(jìn)性。本期特邀廣汽研究院空氣動力學(xué)主任工程師肖凌揭秘低風(fēng)阻ENO.146誕生記。

作者簡介
    
現(xiàn)任廣汽研究院空氣動力學(xué)主任工程師，10年汽車空氣動力學(xué)和熱管理開發(fā)經(jīng)驗，曾主導(dǎo)或參與多款賽車（F1,Le Mans GT）及高性能量產(chǎn)車（FCA,GM）空氣動力學(xué)研發(fā)。2017年加入廣汽研究院，力爭建設(shè)國際水平的開發(fā)能力與體系，推動汽車空氣動力學(xué)前沿技術(shù)，并打造性能優(yōu)秀的產(chǎn)品。
 
引  言
 
為什么要做這個概念車？
 
作為一個相對年輕的車企，廣汽正在為打造具備國際競爭力的品牌而努力。圍繞著品牌兩大關(guān)鍵字“創(chuàng)新“和”體驗“，集團(tuán)提出打造一款概念車的任務(wù)。經(jīng)過品牌調(diào)研，明確兩個挑戰(zhàn)目標(biāo)：外造型設(shè)計，通過創(chuàng)新突破空氣動力學(xué)低風(fēng)阻記錄和新的造型塑造品牌科技形象；內(nèi)造型設(shè)計，突出以人為本的設(shè)計理念，滿足典型中國家庭的出行需求。
 
能得到企業(yè)品牌形象的重視并以這樣的形式來展現(xiàn)技術(shù)實力，這是空氣動力學(xué)團(tuán)隊很難得而寶貴的機會。為了能夠在空氣動力學(xué)性能上出眾，我們學(xué)習(xí)了近年來各大國際上關(guān)注度比較高的低風(fēng)阻車型，包括奔馳ConCEPT IAA，大眾XL1，以及寶馬NEXT100. 這三輛車的風(fēng)阻系數(shù)分別為0.19，0.186和0.18，因此我們給自己設(shè)下的挑戰(zhàn)是在具有科技感的現(xiàn)代設(shè)計語言下，突破0.18這個數(shù)值，同時滿足內(nèi)部空間的需求。
為什么能破記錄？
ENO.146在同濟大學(xué)風(fēng)洞驗證最終風(fēng)阻系數(shù)Cd為0.146，這個數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了很多人的預(yù)期。在廣州車展亮相后，最被關(guān)注的一個問題是：我們?yōu)槭裁茨芷朴涗?？由于對其他公司低風(fēng)阻車型的開發(fā)過程不了解，我們不能進(jìn)行直接對比。但整個正向開發(fā)的過程給我們留下很多值得學(xué)習(xí)和總結(jié)的經(jīng)驗教訓(xùn)。
 
當(dāng)然更重要的是，我們的量產(chǎn)項目如何從ENO.146開發(fā)過程中吸取精華，打造出更低風(fēng)阻的產(chǎn)品。本文也是出于這個目的，從兩個方面展開討論：第一個方面是開發(fā)流程和方法，第二個方面是工程技術(shù)亮點。
開發(fā)流程和方法
建立設(shè)計師與工程師的相互信任
項目在立項之初便確立了明確的目標(biāo)，就是以出眾的空氣動力學(xué)性能作為載體，證明廣汽品牌的設(shè)計和開發(fā)能力在國際舞臺的競爭力。這個最根本的要求統(tǒng)一了設(shè)計師和工程師的奮斗目標(biāo)。大量方案的頭腦風(fēng)暴、探討、決策都是在圍繞這個核心目標(biāo)開展，這是項目最終取得成功的最關(guān)鍵的因素。
Figure 1  工程師與設(shè)計師共同探討
 
在開發(fā)早期，廣州、上海和洛杉磯三方團(tuán)隊，近10個設(shè)計方案共同競爭。空氣動力學(xué)團(tuán)隊在這個過程中的角色是指導(dǎo)和協(xié)助各方團(tuán)隊的方案達(dá)到低風(fēng)阻的目標(biāo)。在造型評審中，風(fēng)阻系數(shù)是一個評判的重要指標(biāo)，從機制上形成了激勵。同時，初期一些討論的方案的減阻效果在仿真中得到證明，建立了兩個團(tuán)隊的信任。
 
在這個時期，項目輸出的方案數(shù)量和速度超過空氣動力學(xué)團(tuán)隊利用仿真工具應(yīng)對的能力，因此有大量的方案采用了直接用經(jīng)驗、相關(guān)設(shè)計以及快速草圖的方式進(jìn)行面對面溝通的方式。這種方式建立了良好的合作關(guān)系，同時極大提高了有限的仿真資源的利用效率。
 
空氣動力學(xué)此階段的工作目標(biāo)是提供盡量多的風(fēng)阻達(dá)標(biāo)方案，為造型設(shè)計語言的選擇提供更高自由度。在掌握了幾個關(guān)鍵的造型元素后，設(shè)計團(tuán)隊產(chǎn)出了大量可達(dá)標(biāo)的方案，這也奠定了ENO.146造型成功的基礎(chǔ)。在兩輪的三方評審中，所有方案都達(dá)到Cd<0.19。
Figure 2  多個設(shè)計風(fēng)格不同的風(fēng)阻達(dá)標(biāo)方案
 
選定了單一方案后，空氣動力學(xué)開發(fā)工作的精力集中到細(xì)節(jié)的優(yōu)化。廣州的工程師與洛杉磯的設(shè)計師利用時差的優(yōu)勢，開展了連續(xù)性和節(jié)奏感極強的優(yōu)化工作。反饋的建議在北京時間下午輸出，洛杉磯工作時間剛好實行對應(yīng)，北京時間第二天一早方案確認(rèn)并投入仿真計算，再過一天就可以出結(jié)果進(jìn)行下一輪循環(huán)。這樣的循環(huán)每周平均完成2-3次，并持續(xù)了約2個月時間。在此階段氣動工程師與設(shè)計師充分的溝通是風(fēng)阻系數(shù)能夠從勉強達(dá)標(biāo)的0.18降到優(yōu)異的0.146的關(guān)鍵。
對于量產(chǎn)項目，造型設(shè)計師也許不能投入如此高比例的工作進(jìn)行空氣動力學(xué)性能優(yōu)化。然而空氣動力學(xué)工程師與造型設(shè)計師的相互啟發(fā)和開放的溝通是設(shè)計和性能共同提升的核心要素。只有雙方都腦洞大開的時候才是產(chǎn)品力升級的關(guān)鍵時刻。如果雙方都以目標(biāo)對立的角度進(jìn)行討論，則很難形成共贏的方案。
 
仿真與試驗開發(fā)資源的匹配
 
開發(fā)工具和資源方面，項目主要以仿真優(yōu)化為主，配合風(fēng)洞進(jìn)行驗證。項目空氣動力學(xué)參與部分的開發(fā)周期約為6個月，仿真總數(shù)量超過200次，風(fēng)洞測試（包括宣傳攝影）8小時。開發(fā)資源總體上相當(dāng)于一個開發(fā)規(guī)模較小的量產(chǎn)項目，但開發(fā)周期相對更緊湊一些。然而，由于大部分修改方案是以優(yōu)化空氣動力學(xué)為目的，需要對應(yīng)其他工程約束的改動需求減少很多，因此風(fēng)阻降低的有效方案比例高一些。
Figure 3  仿真風(fēng)阻系數(shù)歷史
 
按照開發(fā)計劃，項目進(jìn)行了風(fēng)洞試驗開發(fā)。試驗過程中，在完成了基礎(chǔ)工況下輪胎旋轉(zhuǎn)速度至80km/h的掃略后，發(fā)現(xiàn)輪胎側(cè)壁有起泡現(xiàn)象，繼續(xù)進(jìn)行試驗有一定危險性。只能放棄剩余的測試計劃，包括其他可能進(jìn)一步減阻方案。同時根據(jù)雷諾數(shù)掃略的規(guī)律，在更高測試的速度下風(fēng)阻系數(shù)趨向于更低。測試過程雖然留下遺憾，卻給我們在風(fēng)洞模型的設(shè)計裝配積累了一些經(jīng)驗教訓(xùn)。
Figure 4  同濟風(fēng)洞測試結(jié)果
 
Figure 5  同濟風(fēng)洞模型安裝
 
技術(shù)亮點
體量設(shè)計要素
為了達(dá)成低風(fēng)阻，我們在造型體量和總布置上我們做出了大量探索。在體量設(shè)計中最大的挑戰(zhàn)是如何在達(dá)成低風(fēng)阻形體的同時，提供6人可以舒適乘坐的空間。技術(shù)思路上，我們認(rèn)為低風(fēng)阻形體最關(guān)鍵的因素是如何實現(xiàn)壓力回收。在確保車的前半部分不會出現(xiàn)明顯總壓損失的設(shè)計后，主要注意力集中在如何設(shè)計車的后半部分實現(xiàn)壓力回收，減少分離的尾流，提升尾部壓力。

后輪輪距
 
最終的方案也展現(xiàn)了一個巧妙的解決方式：首先第一排H點盡量前移，充分利用體量前移的空間，然后用2+1+2+1的方式，最后一排在兩后輪之間，有效利用了尾部收窄的空間，滿足了后排一家團(tuán)聚（2位老人+2位兒童）這樣具有中國特色的空間需求。實現(xiàn)了前輪距1794mm，后輪距1610mm前寬后窄的有利于低風(fēng)阻的形體。而正投影面積2.39m2屬于常規(guī)轎車的尺寸范圍。在調(diào)研中，觀眾對ENO.146這樣的空間設(shè)計非常認(rèn)可，并對超低風(fēng)阻的外形下仍可以創(chuàng)造出如此寬闊舒適的空間感到贊嘆。
Figure 6  座艙布置和前后輪距分布
得益于電動車平整底部以及擴散器形狀提供的自由度，我們在開發(fā)中，對尾部Y截面的設(shè)計進(jìn)行了深度優(yōu)化，最終形成了如下圖所示的Y0截面和流場。在空間上，我們多次優(yōu)化第四排的坐姿和高度，確?？諝鈩恿W(xué)和空間的平衡。
凹形的尾部設(shè)計也使得車身與低壓的渦核距離拉遠(yuǎn)，有助于降低風(fēng)阻。
 
Figure 7  尾部上下匹配和Y0總壓分布
 
體量設(shè)計形成了低風(fēng)阻形體的基礎(chǔ)，然而輪胎作為一個無可避免的鈍體，輪胎的氣流管理是達(dá)成低風(fēng)阻性能的另一個關(guān)鍵。通過一系列的輪胎氣流管理解決方案，輪胎的分離得到非常有效的控制，有效減少總壓損失。
雖然一些主動裝置在量產(chǎn)實現(xiàn)還需要大量探索和驗證，但是通過本項目探索出來的理想流場可以在量產(chǎn)優(yōu)化中作為目標(biāo)和指導(dǎo)方向。

前輪
對于輪腔，設(shè)計的目標(biāo)是盡量減少進(jìn)入和流出輪腔的氣流，使氣流在車的側(cè)面和底部都能平順通過。為了達(dá)到這個目的，一個有效的方法是減少輪胎與車身的間隙，同時平衡輪腔在各個區(qū)域的壓力。我們設(shè)計了可活動的整流氣環(huán)，在車輛高速行駛時減少輪胎和車身的間隙。
 
我們設(shè)計主動機構(gòu)的理念，是基于車輛通過性要求以及輪胎動態(tài)包絡(luò)以及在高速行駛與低速行駛的不同。輪腔設(shè)計需要避讓轉(zhuǎn)向和懸掛行程極限帶來的較大的輪胎運動包絡(luò)；氣壩的設(shè)計也受到車輛通過性的局限。然而上述情況出現(xiàn)的工況通常為低速行駛，此時空氣產(chǎn)生的阻力很小。而汽車在平穩(wěn)的高速行駛過程中，需要避讓的運動包絡(luò)大大減小，同時空氣阻力隨速度平方增長。此時恰好可以利用主動裝置達(dá)到氣流管理而減阻的目的。
當(dāng)然如果實際應(yīng)用，在材料選擇上采用相對軟性的，確保不會對輪胎安全帶來風(fēng)險。
Figure 8  主動前輪氣壩和輪腔整流氣環(huán)
Figure 9  后輪內(nèi)側(cè)氣流管理
我們學(xué)到了什么？
ENO.146是一個企業(yè)對未來設(shè)計的預(yù)言和探索，更加是展示綜合開發(fā)能力的載體。空氣動力學(xué)性能得到高度的重視和宣傳，在職業(yè)生涯能夠得到這樣難得的機會，充分表達(dá)技術(shù)上設(shè)計訴求和愿景，氣動工程師們是十分幸運的。作為技術(shù)團(tuán)隊，我們總結(jié)了開發(fā)流程方法的經(jīng)驗教訓(xùn)，也提取了技術(shù)上流場管理的亮點。在后續(xù)的量產(chǎn)項目中，這些知識將得到應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)揮，為市場持續(xù)推出空氣動力學(xué)性能優(yōu)秀的作品。
 
感謝
感謝陳志夫和湯柱良對本文的校核潤色。
特別感謝廣汽研究院空氣動力學(xué)團(tuán)隊對項目開發(fā)的貢獻(xiàn)?？諝鈩恿W(xué)開發(fā)工程師：肖凌，陳林，陳志夫，湯柱良，孫瑞，于偉靖。
附錄1 CFD仿真設(shè)置部分參數(shù)
Figure 10  資料可查的低風(fēng)阻汽車對比（藍(lán)色為主要對標(biāo)車）
 
 
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