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技术 | “Hold不住”的汽车正投影面积
2021-02-26 10:26:34· 来源：中国汽研汽车风洞技术 作者：张风利
同为汽车风阻的两大要素，风阻系数犹如空气动力学工程师的掌上明珠，正投影面积却倍受冷落。待遇悬殊的背后，汽车空气动力学工程师们有他们的苦衷。本期特邀中国汽车工程学会汽车空气动力学分会委员，比亚迪汽车工程院张风利先生为您讲述：汽车正投影面积的开
同为汽车风阻的两大要素，风阻系数犹如空气动力学工程师的掌上明珠，正投影面积却倍受冷落。待遇悬殊的背后，汽车空气动力学工程师们有他们的苦衷。本期特邀中国汽车工程学会汽车空气动力学分会委员，比亚迪汽车工程院张风利先生为您讲述：汽车正投影面积的开发管控为什么那么难？
作者简介
张风利：
中国汽车工程学会汽车空气动力学分会委员，比亚迪汽车工程研究院CAE部经理，汽车空气动力学工程师，主要从事汽车CAE仿真、汽车空气动力学、整车热管理性能开发。
引 言
当我们谈论汽车空气动力学的时候，往往只谈风阻系数，很少提及正投影面积。可众所周知，以一定速度行驶的汽车的风阻是与正投影面积和风阻系数两者的乘积呈正比的。为什么要厚此薄彼呢？
1. 定义与测试
在讨论这个问题之前，我们先回顾一下汽车风阻的计算公式：
Fw=CD·A·½ρv²
正投影面积A定义为在车头正前方（整车坐标系的X方向）发射平行光源，在车后方垂直于光源入射方向的屏幕上形成的阴影的面积。式中½ρv²是来流速度为v的空气的动压，单位是Pa。因此CD·A·½ρv²表示在垂直于来流的方向上，通过面积A的均匀来流的动能转化为气流内能损失的部分。比如CD=0.3可近似理解为面积A上有30%的气流动能转换为热量耗散掉。
图1 汽车正投影面积的示意图[1]
在风洞试验室的测力天平上，CD并不能被直接测量。天平测量得到的是各个方向的力和力矩，需要根据提前测量得到的正投影面积，再换算得到CD值。
正投影面积的测量主要有两种方法，一种是二维激光投射法，另一种是三维扫描测量法。详细介绍参见资料[1]，在此不做赘述。以前有人曾提出采用长焦距和高倍像素相机的照相法，实践证明测试偏差过大，远不能满足工程开发需求。
2.影响汽车正投影面积的因素
正投影面积主要与车高车宽有关，工程上可将正投影面积写作车高和车宽的函数：
A=C×H×W
其中C定义车辆的形状因子，主要与车辆类型有关，比如SUV，MPV，三厢轿车、超级跑车的形状因子各不相同。具体来说，它与车辆的宽高比、B柱倾斜角、车顶拱度、离地间隙、轮胎宽度等因素相关。
为了减小车体局部凸出的附件的差异对面积估算的影响，车高也可取去除车顶天线后的车高H’，车宽取去除外后视镜的车宽W’。这样，对同一类车型的形状因子的变化范围就很小了，可视为恒定值。再加上外后视镜、天线等附件的面积Ai，即可得到更准确的估算公式：
A=C’×H‘×W’+ΣAi
从以上影响因素可以看出，车高、车宽、车辆的类型三者基本已决定了车辆的正投影面积，而车高、车宽是整车总布置的重要参数，影响车内的乘员空间、人机操作空间、车辆通过性、车辆的造型姿态等等，空气动力学工程师完全“hold不住”，于是大家往往只谈“CD”，不谈“A”。
3.决定车高车宽的主要因素
那么决定车高、车宽的因素又是什么呢？这需要研究一下车高和车宽的尺寸链。
图2 整车车高的尺寸链分解示意图
车顶机构空间H1通常由天窗机构、顶盖钣金及加强梁、遮阳帘、车顶最高点的前后位置等因素决定。为降低车高，像Tesla model 3、保时捷Tycan、捷豹I-Pace等车型就取消了遮阳帘来保证头部空间，虽然采用更高隔热率的天窗玻璃，但在高温高太阳辐射的环境下头部的烘烤感仍不可避免。另外，将车顶的最高点前移，使其位于前排乘员的头部位置，可以充分地将最大车高转化为车内乘员空间，同时有助于最高点以后的顶盖的下倾设计，可增大顶盖后部的压力恢复，提升风阻系数的优化潜力。
图3 顶盖最高点前移对车高的利用和降低风阻系数均有帮助
乘员头部空间H2一般根据竞品水平和车辆目标人群来确定，通常很难压缩。乘员躯干高度H3与座椅的靠背角相关，为获得更低的车高，可以通过适当增加座椅靠背角，使躯干后倾，但靠背后倾以后，为了保持乘坐舒适性，一方面前排乘员从踵点到H点的X向距离需增加，另一方面后排乘员的腿部空间也需要加大，这对很多短轴距的紧凑车型很难实现，对拥有更长轴距的纯电动汽车却是强项，因此增加座椅靠背角在纯电动车型上更多见。
乘员座高H4对乘坐舒适性影响很大，某低风阻竞品车型为了降低后排头部顶盖高度，将后排乘员H4缩小，就在售后市场引起了后排乘坐舒适性的抱怨，一般的主机厂并不愿意冒此风险。
地板机构空间H5取决于地板、排气管、前副车架等机械结构的布置，通常不可压缩。对纯电动汽车而言，大部分车型将电池包布置在地板下方，采用更薄的电池包变得非常重要。
最小离地间隙H6是车辆通过性的重要参数，并无太多可调整空间。当今道路条件越来越好，最小离地间隙从长期来看在缓慢降低。但对纯电动车型，电池包的防刮底防磕碰非常重要，最小离地间隙不可过小。
整车的最宽处（除外后视镜以外）往往在前车轮轮心位置（保证前车轮通过以后整车要能通过）。此处的宽度尺寸链可分解如图4：
图4 整车车宽的尺寸链分解示意图（前轮轮心处）
轮眉面差（轮眉外侧面与轮胎外端面的面差）希望尽量小一些。车辆侧面的气流在流经此处时，过大的面差会导致严重的气流分离，增大风阻系数。该面差与前保拐角的设计、轮辋的外型面设计、车轮前扰流板一起构成汽车车轮风阻管理的重要特征，对整车降风阻贡献很大。
轮胎胎宽的定义与动力性、造型、成本等因素有关，不可压缩。但在轮胎选型初期，需评估轮胎尺寸对整车风阻的影响作为轮胎选型的参考因素。盘距（左右制动盘外端面之间的距离）通常是平台化设计定义的重要参数，不可压缩。通过调整盘偏距（制动盘外端面到轮胎中线的距离）可以调整同一平台上不同车型的轮距，而轮距来源于车型定位、通过性、造型需求等，很难压缩。综合来讲，总车宽一旦定义，优化空间很小。
4.正投影面积的开发过程管控
了解完车高和车宽的影响因素，就明白为什么汽车空气动力学工程师们谈到正投影面积，往往“顾左右而言它”了，造型姿态、通过性、平台化、总布置尺寸及人机空间，这些方面的定义都不是空气动力学工程师能“撬”得动的。所以将正投影面积作为整车性能开发指标时，空气动力学工程师务必要拉上总布置工程师一起来做目标定义、分解、管控和评价，甚至交由总布置工程师来进行正投影面积的开发管控更合理一些。
当然，开发管控难度大并不意味着无法管控。从“竞品车对比分析（benchmarking）”和“尺寸分解”两种方法入手，秉承“将好钢（整车尺寸）用在刀刃（乘员空间）上”的理念，仍可以对正投影面积进行有效的正向开发。简单来说，将车高、车宽等整车尺寸进行分解，将各机构空间和乘员空间，以及外后视镜、轮胎尺寸分别与竞品车进行对比分析，所有引起正投影面积增大的尺寸都应该转移到对应的乘员空间增加上，尽量避免出现“车加大了，车内空间却没有加大”的情况。所有机构和附件引起的正投影面积增大都要有合理的解释，详细论证其增大的必要性。
5. 乘用车正投影面积的演变
二战以后，全球经济迅猛发展，发达国家和部分发展中国家相继迈入汽车社会，人们对美好生活的向往在汽车消费上体现为汽车在平民家庭的迅速普及，以及对车辆的尺寸空间要求越来越高，车辆的尺寸和正投影面积逐年在增加。下文以全球最畅销的丰田卡罗拉、大众高尔夫、奥迪A6/A7历代车型为例，从它们的车高、车宽和正投影面积的演变历程可窥全球乘用车正投影面积演变之一斑。
图5 丰田卡罗拉-历代车型尺寸及正投影面积演变
注1：左纵轴为正投影面积，单位m²。右纵轴为车宽、车高，单位mm。图6同；
注2：正投影面积为根据车高车宽的估算值，形状因子统一按C=0.87，图6同；
注3：卡罗拉从第九代开始引入中国，中国版尺寸与日本版有所不同；
注4：数据来源于网络[2]，存在不同的数据版本，可能与实际尺寸有偏差，图6同。
图6 大众高尔夫-历代车型尺寸及正投影面积演变
图7 奥迪A6/A7历代车型正投影面积和风阻系数的演变[3]
注：图中sedan为奥迪A6，station Wagon为A7。图中曲线为风阻因子（CD*A）等值线
综合上图数据，可以总结出以下几点：
1.从二战后的汽车发展史来看，人们追求更大更舒适的乘坐空间，汽车尺寸和正投影面积逐年增加。但进入二十一世纪后，欧美日中等国家相继制定了严格的能耗排放限制法规，绿色环保意识深入人心，部分国家比如日本，开始根据车型尺寸征税。为了获得更低的售价和用车能耗，各主流车型开始严格控制车型尺寸。2000~2010年以后新车型的正投影面积基本不再增加。
2.参考图7，1973~1981年的两次石油危机使油价爆涨，并引起各国对石油能源安全的重视，降低汽车能耗成为共识，汽车空气动力学研究和工程开发迎来大发展，风阻系数逐年降低，但由于正投影面积逐年加大，整车风阻能耗变化不大。
3.中国市场的消费心理和文化与欧日不同，从消费心理上讲崇尚大气体面，从用车需求上讲中国家庭父母和子女共同生活的情况较多，买车要兼顾家庭共同出行的需求，对车型尺寸和空间要求更大，各跨国车企普遍针对中国市场推出加长加宽版本车型，使中国市场新车型正投影面积的持续增长的时间更长。从另一方面讲，这也可能与中国的汽车空气动力学发展滞后有关，当对风阻尚未引起足够重视的时候，更不要奢望有人会在意正投影面积。2010~2016年前后，中国汽车市场面临能耗、排放、车辆制造与使用成本等多重因素的压力，合资品牌受国外发展趋势带动，率先控制车型尺寸，自主品牌汽车空气动力学方向也开始迅速发展，车型尺寸开始受到关注，渐趋理智。
6. 汽车正投影面积的发展趋势
各国对燃油车的油耗和排放的限制法规逐年加码，而低风阻对新能源汽车的续航里程和电池成本贡献甚大，风阻开发越来越重视。有研究表明，整车车高每降低10mm，风阻系数的最大优化潜力可降低3~4count（尚无公开数据严格证实这一点），加之车高降低使正投影面积减小对风阻有直接贡献。因此近几年乘用车型降低整车车高的趋势已经非常明显，为了不牺牲乘员的空间感，会拓展车内宽度方向的空间来弥补高度方向的减小，对应地适当增加车宽。这也可能与汽车造型设计的发展趋势有关。
纯电动汽车由于大部分将电池放置在地板以下，在发展的初期，多会导致整车车高和正投影面积的增加。但在各车企相继推出EV专用下车体平台时，纷纷将电池包减薄，采用更合理的下车体集成设计方案和人机空间总布置方案来降低车高，目前部分纯电动三厢轿车的高降到了1450mm左右，甚至低于同等尺寸的燃油车。
汽车正投影面积在经历过四十年的“快速膨胀”，和近十年的“原地思考”之后，相信会迎来更理智的发展。尤其在中国市场，随着消费观念和产品的成熟化，根据不同细分类型和需求，“当大则大，当小则小”，而不是一味增大，才更符合用户和主机厂的一致利益，对道路和人居环境也更友好。
致谢：
感谢比亚迪汽车工程研究院总布置主管赵自强先生的审核校正。
参考资料
[1] 高岳，杨一春，李珍妮. 基于三维扫描系统测量汽车正投影面积的研究. 2019 汽车空气动力学分会学术年会.
[2]全球畅销车型演变历史-十一代丰田卡罗拉变化史. https://www.sohu.com/a/258564363_100041123
[3] Wolfgang Mayer, Gerhard Wickern. The New Audi A6/A7 Family – Aerodynamic Development of Different Body Types on One Platform. SAE paper 2011-01-0175.
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