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技術(shù) | 我所理解的客車空氣動力學(xué)

2020-04-03 19:00:47·  來源：中國汽研汽車風(fēng)洞技術(shù)  作者：王宏朝  
　
隨著車輛在電氣化和智能化方面的技術(shù)進(jìn)步，以及人們對公共出行的需求升級，消費(fèi)者對客車產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)性和舒適性方面提出了更高的要求。因此，跟隨乘用車的發(fā)展路徑
隨著車輛在電氣化和智能化方面的技術(shù)進(jìn)步，以及人們對公共出行的需求升級，消費(fèi)者對客車產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)性和舒適性方面提出了更高的要求。因此，跟隨乘用車的發(fā)展路徑，客車同樣需要通過空氣動力學(xué)技術(shù)降低氣動阻力和風(fēng)噪，同時(shí)提升整車熱管理水平，才能夠有效提升產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上的競爭力。本期特邀汽車空氣動力學(xué)分會委員、宇通客車節(jié)能技術(shù)研究工程師王宏朝博士解讀國內(nèi)客車空氣動力學(xué)技術(shù)要點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀。
 
作者簡介 
王宏朝博士：
中國汽車工程學(xué)會空氣動力學(xué)分會委員，專業(yè)研究領(lǐng)域?yàn)槠嚳諝鈩恿W(xué)?，F(xiàn)為鄭州宇通客車股份有限公司技術(shù)研究院節(jié)能技術(shù)研究工程師，負(fù)責(zé)宇通客車的新產(chǎn)品造型風(fēng)阻優(yōu)化及空氣動力學(xué)方向的新技術(shù)開發(fā)和預(yù)研工作。工作愿景是力爭在商用車空氣動力學(xué)領(lǐng)域?qū)⒂钔蛙囃葡驀H標(biāo)桿水平。
 
1. 引  言
通常所謂的客車是指乘坐9人以上（包括駕駛員座位在內(nèi)），一般具有方形車廂，用于載運(yùn)乘客及其隨身行李的商用車，這類車型主要用于公共交通和團(tuán)體運(yùn)輸使用（百度百科）。
 
作為公路客運(yùn)的重要載體，客車在人們出行的過程中發(fā)揮了重要作用。以2018年的汽車保有量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，承擔(dān)公共運(yùn)輸?shù)拇笾行涂蛙噧H占民用客車總量的1.14%，而如此低保有量的客車卻能夠?qū)崿F(xiàn)年運(yùn)輸量136.5億人次，占全部旅客運(yùn)輸量的75.8%。由此也能夠彰顯出客車在汽車產(chǎn)業(yè)中的重要地位。
 
隨著車輛在電氣化和智能化方面的技術(shù)進(jìn)步，以及人們對公共出行的需求升級，消費(fèi)者對客車產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)性和舒適性方面提出了更高的要求。因此，跟隨乘用車的發(fā)展路徑，客車企業(yè)同樣需要通過空氣動力學(xué)技術(shù)降低自身的氣動阻力和風(fēng)噪，同時(shí)提升整車熱管理水平，由此才能夠有效提升產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上的競爭力。
 
2. 客車發(fā)展空氣動力學(xué)的困境和必要性
 
自2009年我國首座適用于地面交通工具的風(fēng)洞投入使用以來，國內(nèi)各乘用車企都先后投入了大量的資源發(fā)展汽車空氣動力學(xué)技術(shù)。經(jīng)過10年的發(fā)展，可以說國內(nèi)自主車企在空氣動力學(xué)方向的專業(yè)水平已取得了不亞于國際高端品牌的成績，不斷有具備優(yōu)良空氣動力學(xué)性能的產(chǎn)品投向市場（如榮威I6的風(fēng)阻系數(shù)已達(dá)到0.25）。一方面乘用車企在空氣動力學(xué)的發(fā)展道路上持續(xù)高歌猛進(jìn)，另一方面有關(guān)客車的空氣動力學(xué)成果卻少見報(bào)道。這背后的原因也是多樣性的：
 
首先，一般客車企業(yè)的產(chǎn)品類別較多，以宇通客車為例（圖1），目前已形成了5米到25米，覆蓋客運(yùn)、旅游、公交、團(tuán)體、新能源、校車及專用車市場，共計(jì)約203個(gè)產(chǎn)品系列。受制于市場體量，每款產(chǎn)品的銷量遠(yuǎn)不及乘用車，因此單項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)成本很難得到平攤和消化。
 
其次，由于汽車空氣動力學(xué)的相關(guān)技術(shù)大都依托于車身造型設(shè)計(jì)，而客車產(chǎn)品類別多樣，每款產(chǎn)品的造型特征、車身布置形式等都存在較大差異。因此，很難實(shí)現(xiàn)同一技術(shù)方案在不同平臺產(chǎn)品的通用化，這也會造成相關(guān)的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用成本居高不下。
 
最后，客車大部分為定制化產(chǎn)品，相比乘用車，每款產(chǎn)品的開發(fā)周期更短、在產(chǎn)品開發(fā)方面的人員投入也更少。因此，乘用車適用的空氣動力學(xué)正向設(shè)計(jì)流程難以直接應(yīng)用到客車的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來。
 
圖1  宇通客車產(chǎn)品類別
 
綜上可知，當(dāng)前客車在發(fā)展空氣動力學(xué)方面確實(shí)存在較多困境，但我們同樣不能忽視空氣動力學(xué)技術(shù)發(fā)展對客車產(chǎn)品性能提升的重要性。
記得之前和一位同行聊到過，雖然乘用車企投入了大量的資源用于提升產(chǎn)品的氣動性能，使得當(dāng)前量產(chǎn)車型的整車風(fēng)阻已大幅降低。但考慮到大部分車輛的使用場景多為城市工況，實(shí)際車輛在生命周期內(nèi)，自身具備的氣動性能優(yōu)勢并未得到充分利用。圖2所示為2017年滴滴出行發(fā)布的城市交通出行報(bào)告，可以看出大部分乘用車的平均行駛車速不足40km/h。結(jié)合氣動阻力隨車速在車輛行駛阻力中占比的變化趨勢可知，在該速度段下，氣動性能的提升并不能明顯地降低客戶的使用成本。而對于客車而言，特別是客旅產(chǎn)品，車輛使用工況多為市郊、高速工況，平均行駛車速較高，且年均行駛里程基本都在十萬公里以上。因此，車輛的氣動性能提升能夠?yàn)榭蛻艄?jié)省大量的使用成本。
 
圖2  2017年滴滴城市交通出行報(bào)告
 
此外，從前面對客車的定義也可知道，客車的拓?fù)湫螤顬橄潴w結(jié)構(gòu)，相比乘用車，其造型特征相對簡單。從氣動優(yōu)化的角度來看，我們可以通過簡單的造型調(diào)整即可獲得明顯的氣動性能提升。如圖3所示，通過調(diào)整前圍面曲率，將矩形直角結(jié)構(gòu)變?yōu)閱吻嫘』〗墙Y(jié)構(gòu)，從而大幅減小氣流在繞過前圍面時(shí)產(chǎn)生的流動分離，即能夠?qū)⒄囷L(fēng)阻系數(shù)由0.86降至0.357。
因此可以說，雖然客車車身造型受限于法規(guī)、乘坐空間等因素的限制較多，但仍舊能夠探索出擁有較高“回報(bào)率”的氣動優(yōu)化方案。
 
圖3 不同前圍曲率下的整車風(fēng)阻系數(shù)
 
3.  客車空氣動力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀
與商用貨車領(lǐng)域相類似，針對客車空氣動力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀同樣可以從風(fēng)阻優(yōu)化、熱管理技術(shù)以及塵土泥水管理三個(gè)方向進(jìn)行梳理。氣動噪聲由于自身理論及研究方法的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外在客車風(fēng)噪方面的研究基本處于空白狀態(tài)，因此也就不納入到本文的談?wù)摲秶?。在研究手段方面，隨著數(shù)值仿真技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的不斷提升，一些高端客車品牌已經(jīng)能夠?qū)FD仿真技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)融入到自身產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)流程中，如圖4和圖5所示。
 
圖4 某客車外車身壓力分布云圖 
 
圖5 某客車縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)
 
3.1 風(fēng)阻優(yōu)化技術(shù)
 
當(dāng)前國內(nèi)外客車產(chǎn)品的外造型基本實(shí)現(xiàn)流線型設(shè)計(jì)，配合被動減阻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，當(dāng)前的客車風(fēng)阻性能相比早期產(chǎn)品已有大幅提升，如賽特拉（Comfort Class 500）風(fēng)阻系數(shù)已達(dá)0.33。由于客車的拓?fù)渫庑螌儆诤唵蔚南潴w結(jié)構(gòu)，可從對整車風(fēng)阻的影響權(quán)重和車身布局將客車風(fēng)阻的優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行劃分，如圖6所示。
 
圖6 不同車身區(qū)域?qū)φ囷L(fēng)阻的影響
 
首先是前圍區(qū)域，前圍的主要造型特征，如風(fēng)擋結(jié)構(gòu)、前圍曲率、A柱轉(zhuǎn)角半徑、前圍與頂圍的過渡半徑等，對氣流在前圍區(qū)域的流動結(jié)構(gòu)影響顯著（如圖3）。因此，在保證美觀性的前提下，在進(jìn)行前圍造型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加前圍曲率，配合合適的前圍與頂圍及側(cè)圍的過渡半徑，最大程度減小前圍區(qū)域的流動分離，同時(shí)減小前圍面的駐壓范圍。
 
其次是后圍區(qū)域，通過采用下壓式后帽檐，能夠增加氣流在流經(jīng)后帽檐后的下洗趨勢，減小尾部分離區(qū)，進(jìn)而降低整車氣動阻力。圖7所示為伊利薩爾客車的后圍造型及其尾部分離結(jié)構(gòu)。這里需要說明的是，客車車身一般為蒙皮+骨架結(jié)構(gòu)，蒙皮通過張拉工藝覆蓋在骨架上。傳統(tǒng)的張拉工藝難以實(shí)現(xiàn)如圖7所示的造型特征，需要采用玻璃鋼通過模壓成型工藝實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本也較高，目前僅在部分高端客車品牌中應(yīng)用。
圖7  下壓式后帽檐結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的尾部分離結(jié)構(gòu)
 
再次是底盤區(qū)域，一方面客車整體離地間隙較大，行車過程中進(jìn)入車底的氣流較多，且底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易引起較大的干涉阻力和局部的壓差阻力。對此，通過對底盤進(jìn)行平整化可以最大幅度地降低底盤區(qū)域的氣動阻力。如圖8所示，該車在后橋和后圍之間加裝了封板結(jié)構(gòu)，封板為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，采用分塊設(shè)計(jì)，同時(shí)在封板上開設(shè)的有通風(fēng)格柵，能夠兼顧發(fā)動機(jī)艙的散熱性能。此外，目前大中型客車基本標(biāo)配了氣囊懸架，配合車身控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)行車過程中（例如車速≥60kph），通過調(diào)整氣囊剛度降低車身離地間隙，從而能夠進(jìn)一步減小底盤部分的氣動阻力。
 
圖8 某后置式客車底盤封板結(jié)構(gòu)
 
最后是頂圍部分，該區(qū)域需要特別關(guān)注的是空調(diào)和通風(fēng)窗對頂部氣流流態(tài)的影響?？蛙嚧蠖啻钶d頂置式空調(diào)，空調(diào)布置在不同區(qū)域?qū)φ嚉鈩幼枇Φ挠绊懸膊煌Ｇ捌谘芯勘砻?，空調(diào)中置相比空調(diào)前置，使得整車風(fēng)阻增加約3%。因此，在總布置設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡可能通過整車配重，將空調(diào)布置在車輛前端，同時(shí)配合空調(diào)導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)，將前圍與空調(diào)罩進(jìn)行光滑連接，以此降低頂圍區(qū)域的氣動阻力。
 
此外，當(dāng)前也有客車公司結(jié)合仿生學(xué)提出了如圖9所示的高度漸變式結(jié)構(gòu)，即沿車長方向，車身高度逐漸降低，由此可以有效減小車尾分離區(qū)，計(jì)算結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)相比平直式車身，整車風(fēng)阻降低44%。但由于客車采用的是蒙皮+骨架結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)高度漸變，車身前后段的骨架高度同樣需要設(shè)計(jì)成漸變式的，這樣就給車身設(shè)計(jì)及生產(chǎn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。
 
圖9  高度漸變式車身造型
 
除上述四個(gè)區(qū)域外，一些車身及底盤的附件結(jié)構(gòu)對整車風(fēng)阻也存在顯著影響。如流水槽、后視鏡等，其中流水槽是國內(nèi)客車產(chǎn)品獨(dú)有的外飾件（如圖10所示）。由于流水槽安裝在A柱轉(zhuǎn)角位置，氣流在此處的流速較低，抵抗分離的能力較弱，因此在安裝流水槽后，氣流會發(fā)生顯著的流動分離，仿真結(jié)果表明：90kph車速下，整車風(fēng)阻增加約18.8%。如圖11所示為無流水槽和有流水槽兩種狀態(tài)下的車身總壓等值面云圖，可以看出，有流水槽狀態(tài)下，前圍區(qū)域產(chǎn)生了顯著的分離區(qū)。為降低流水槽對整車風(fēng)阻的影響，可以采用圓弧型流水槽結(jié)構(gòu)（詳情可參考發(fā)明專利CN205891025U）。
 
圖10 客車車身流水槽布置結(jié)構(gòu)
 
 
圖11 不同流水槽狀態(tài)下車身總壓等值面云圖
 
除流水槽外，后視鏡對整車風(fēng)阻（噪）也存在顯著的影響。除通過流線型設(shè)計(jì)降低后視鏡的自身風(fēng)阻外，其結(jié)構(gòu)型式以及與車身的布置關(guān)系也需要重點(diǎn)關(guān)注。如圖12所示，對于同一款雙風(fēng)擋車型，采用雙吊耳和長短桿兩種型式的后視鏡會在前圍區(qū)域產(chǎn)生不同的分離結(jié)構(gòu)，可以看出長短桿結(jié)構(gòu)會在司機(jī)側(cè)產(chǎn)生較大的分離區(qū)，由此會增加整車風(fēng)阻及司機(jī)位的風(fēng)噪水平，在車身總布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用雙吊耳型式的后視鏡。
 
圖12  某車型不同后視鏡結(jié)構(gòu)對前圍分離結(jié)構(gòu)的影響
 
3.2 發(fā)動機(jī)艙熱管理技術(shù)
 
客車發(fā)動機(jī)艙的空間相對自由，因此整個(gè)冷卻模塊可以單獨(dú)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。相比早些年客車搭載的冷卻系統(tǒng)，無論從部件性能、系統(tǒng)構(gòu)型還是控制策略方面都有了明顯的改進(jìn)和提升。典型的如宇通推出的發(fā)動機(jī)二代熱管理系統(tǒng)（見圖13），該系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，即散熱器和中冷器并列布置，并通過對電子風(fēng)扇分組，實(shí)現(xiàn)散熱器和中冷器的主動獨(dú)立冷卻。借助該系統(tǒng)，不同車型可實(shí)現(xiàn)整車百公里油耗降低8%~13%。
圖13  宇通發(fā)動機(jī)二代熱管理系統(tǒng)架構(gòu)
 
從空氣動力學(xué)角度來看，發(fā)動機(jī)艙是整車上一個(gè)重要的阻力源。一方面，對于大中型后置車而言，冷卻模塊換熱無法利用前端來流的沖壓效應(yīng)，主要依靠風(fēng)扇驅(qū)動的外部空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行換熱。因此，通過優(yōu)化冷卻模塊的布置型式和風(fēng)扇的阻力環(huán)境，在滿足換熱需求的前提下，降低艙體的內(nèi)流阻力。另一方面，通過設(shè)計(jì)獨(dú)立的冷卻流道，引導(dǎo)經(jīng)過換熱的高溫冷卻空氣通過后艙門格柵開孔排至車輛尾部，如圖14所示，不僅能夠降低發(fā)動機(jī)艙高溫的風(fēng)險(xiǎn)，還可以在行車過程中提升尾部分離區(qū)內(nèi)的壓力，從而降低車輛的氣動阻力。
圖14 后置式客車發(fā)動機(jī)艙獨(dú)立冷卻風(fēng)道
 
3.3  塵土泥水管理
 
隨著城市環(huán)保不斷升級，客戶對客車車身的保潔能力提出了新的需求?？蛙囋谀酀袈访嫔闲旭倳r(shí)，車輪會將地面的泥水卷起，并由外部氣流帶至車身上。由于客車車身相對較長，因此塵土/泥水的附著面積也相對較大（如圖15所示）。
 
圖15  某公交車車身泥土污染示例
 
特別的，當(dāng)前圍造型設(shè)計(jì)不合理時(shí)，使得前圍產(chǎn)生較大的分離區(qū)，造成前輪外側(cè)的壓力降低。因此在行車過程中，路面泥水被輪胎卷起向外側(cè)低壓區(qū)流動，如圖16所示，由于該區(qū)域復(fù)雜的三維剪切流動，從輪腔噴出的泥水呈明顯的霧狀，且輻射范圍很大，最終會導(dǎo)致極為嚴(yán)重的甩泥問題。因此在對客車進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，也需要將塵土泥水管理納入到空氣動力學(xué)的設(shè)計(jì)流程中來。
 
圖16  某客車車輪區(qū)域的水霧運(yùn)動路徑
 
4.  總 結(jié)
通過上述分析，我們可以看出空氣動力學(xué)技術(shù)在客車產(chǎn)品上擁有極大的應(yīng)用價(jià)值和前景，但同時(shí)不可忽視的是，相比乘用車，客車空氣動力學(xué)現(xiàn)有的技術(shù)開發(fā)手段還相對落后。
 
未來客車空氣動力學(xué)的發(fā)展重心應(yīng)放在正向開發(fā)能力的建設(shè)上來，如何根據(jù)客車產(chǎn)品的開發(fā)特點(diǎn)，利用先進(jìn)的全局自動尋優(yōu)技術(shù)，搭建高效的空氣動力學(xué)開發(fā)流程，成為擺在每個(gè)客車氣動工程師面前的共同問題。
 
此外，客車空氣動力學(xué)的業(yè)務(wù)內(nèi)容也會根據(jù)客戶及市場需求的升級而不斷拓展。例如，隨著客車電動化的不斷推進(jìn)，降低風(fēng)噪的需求已出現(xiàn)在一些高端客車市場。另外，已有客戶提出乘員艙的熱舒適性問題，因此也需要充分利用空氣動力學(xué)手段開發(fā)更加合理的空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，從而提升乘員艙的熱舒適性。
 
最后還需提及的是，客車空氣動力學(xué)的專業(yè)發(fā)展離不開車身設(shè)計(jì)方法及制造工藝的進(jìn)步，唯有從根本上對傳統(tǒng)的客車車身設(shè)計(jì)方法及制造工藝進(jìn)行革新、升級，我們才會有更大的空間和手段實(shí)現(xiàn)客車空氣動力學(xué)性能的大幅提升。
 
后 記
 
嚴(yán)格意義上來說，本文并不算一篇學(xué)術(shù)論文，而是本人結(jié)合近兩年的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的一些感悟。文章題目也是借用王洪偉老師的《我所理解的流體力學(xué)》的書名，考慮到文章是站在學(xué)習(xí)者的角度來寫，本文題目就取為《我所理解的客車空氣動力學(xué)》。本人所學(xué)有限，僅是嘗試將自己的理解和感悟書寫出來，其中定有許多不足之處。希望能借此機(jī)會，和同行進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)，共同探討促進(jìn)我國客車空氣動力學(xué)發(fā)展的路徑和模式，也期望我們宇通客車未來能夠成為在空氣動力學(xué)方向上的行業(yè)標(biāo)桿。 
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