空气动力学工程师眼中的北京车展

每两年举办一次的北京车展是国内外各大主机厂展示新车型、新技术、新设计潮流的舞台，也是国内各大主机厂工程师们参观学习的最佳平台。本期邀请了中国汽车工程学会汽车空气动力学分会委员、比亚迪汽车空气动力学主管张风利先生一起聊聊北京车展上的汽车空气动力学。

作者说

我作为空气动力学工程师的一员参加了今年的北京车展，每年车展都有新收获，也都有新理解。参观完车展后，对当今汽车空气动力学发展之迅速感慨颇多，一些平时积累的想法和不成熟的见解也愈加强烈，在此稍做总结。受知识视野所限，观点难免偏颇，仅供业界同行批判讨论。以下内容为个人意见，不代表企业观点。

国内主机厂汽车空气动力学发展介绍

汽车空气动力学性能涉及风阻、风噪、气动升力、横风稳定性、前舱进气冷却、车身污染等诸多方面。

汽车空气动力学性能提升需要投入大量的CFD仿真软硬件资源及风洞试验资源，开发成本很高。

对国内各大主机厂来说，通常只有在一些基础性能，比如造型美观性、材质触感、漆面质量、装配缝隙、发动机噪音、开关门力等用户可直接感知到的问题得到解决和提升后，主机厂才有精力和资源投入到空气动力学性能的开发中去，因此可以毫不夸张的说，空气动力学性能是汽车诸多性能中的一项“高阶性能”。

因此通过观察新车型的空气动力学设计水平，可以“管窥”这家主机厂的整车设计开发能力。

可喜的是，随着中国汽车工业整体的飞速发展，近些年国内自主品牌主机厂在空气动力学性能开发方面进展迅速，尤其是在新能源汽车的能耗与纯电动汽车续航里程压力下，各家主机厂均将风阻性能开发提升到前所未有的高度。这些技术进步在车展的各款新车型上可见一斑。

但是另一方面也要注意到，国内在汽车空气动力学形体的概念研究、CFD仿真、风洞试验资源、空气动力学与产品/造型设计的融合方面，仍与国外主机厂存在的较大差异。

一些案例：空气动力学的局部设计

信息时代，技术与知识的流动传播速度非常快，各量产车型的空气动力学基本形体和低风阻设计的基本原则日趋一致。

各家主机厂将大量的精力花费在局部设计上，以期用最低的代价（成本或开发周期）来提升风阻风噪性能。

局部的气动设计特征通常会在一两款车型上优化和验证，确认有效并形成经验数据库后，会在全系车型上推广实施。

这种推广普及的速度是非常迅速的，在此举几个例子。

在外后视镜安装底座上设计细小的突出，梳理局部气流从而降低A柱和外后视镜的风噪，在多年以前已有车型应用。但从本届车展来看，丰田已经将此设计普及到大部分新车型上。



丰田多款车型在外后视镜底座上设计了导流特征

这一设计也唤起了自主品牌的胸中之痛，那就是风洞试验投入的缺乏。

这种设计特征如果通过CFD仿真来验证和优化，投入的计算资源成本和计算精度都很不理想。

国外大的主机厂都拥有自己的整车风洞试验室，通过在风洞试验现场对油泥或实车进行刮调，可以非常快速的验证设计的有效性，并通过多样本试验形成经验数据库，迅速普及到全体车型上。

2017年上海车展时，我曾发现本田汽车的几乎所有车型都标配了前保险杠下部的airdam。而今年车展又发现，通用汽车已在多款车型上将前保airdam和前轮前面的扰流板集成，形成一体式的airdam。



通用汽车的多款车型均采用一体式的airdam

这种设计可以减少零部件数量，减少附件在车上的安装点，虽然设计本身并不新鲜，但通用汽车在这一设计特征的普及性方面做得很好。

既有利于风阻，又有利于缩减零部件成本、装配复杂度，这是空气动力学工程师与产品工程师的双赢。

雾灯处的空气帘(air curtain)是一种常见的降风阻设计，它使气流在前保的拐角易分离处形成“空气桥”，冲击前轮腔外侧的涡流来降低风阻。

常见的空气帘通常开口设计在雾灯迎风面，出口设计在轮腔挡泥皮上，但奔驰最新发布CLS让人脑洞大开，设计师将空气帘的出口设计在了轮眉的侧面。

原来空气动力学的需求可以和造型设计结合的如此完美。



奔驰CLS的空气帘出口设计在外观面上
别出心裁，不落俗套

小结

类似上述这种典型的空气动力学局部设计案例非常多，在车展上几乎随处可见。

比如宝马几乎全系标配的A柱饰条（用于降低A柱引起的气动噪声），丰田尾灯侧面常见的导流凸起特征等等。

从中我们看到的是国外大主机厂在空气动力学性能开发工作中的精细化，性能与产品/造型设计的融合程度，以及背后的资源投入，这也正是自主品牌们需要努力追赶的地方。

设计集成：空气动力学开发的核心能力

捷豹I-Pace是本届车展上最闪亮的明星之一，代表着一些最新的造型设计理念，而且它的空气动力学性能也非常值得借鉴。

I-Pace在前舱盖和后尾翼两处位置非常巧妙的设计了空气桥，让气流快速通过车身上表面，配合高翘的尾部及鸭尾，可有效控制尾部拖曳涡并获得良好的尾部压力恢复。



I-Pace在前舱盖和后尾翼上均设计了空气桥

C柱内收很多，C柱下部车肩很宽，使整个乘员舱从上面看上去呈倒梯形。

从外形上看，它是粗肌肉线条的SUV，但从上车体的气流路径来看，它更像一台前舱压低，溜背式的跑车。



从空气动力学角度看，I-Pace更像是一台溜背式跑车

这种设计与人机空间的矛盾最大。

通常来说溜背式的外形设计会牺牲较多的后排乘员头部空间。特别是配置全景天窗的车型，需要在后排头部位置的顶盖上预留天窗遮阳帘卷收器的安装空间，使得后排头部空间的矛盾更加突出，导致大部分SUV都不能接受溜背式的造型方案。

I-Pace的做法是取消了遮阳帘，天窗采用能量透过率极低的隔热玻璃来降低太阳辐射热量，从而解决风阻与空间、造型、空调隔热之间的矛盾。



为了保证后排头部空间，采用隔热玻璃，I-Pace取消了占用较多空间的遮阳帘

小结

从I-Pace这一案例中，我们可以看到整个车型项目开发团队围绕低风阻设计目标所付出的努力：调动了外造型设计、人机空间、天窗玻璃设计、车身设计、外饰件、甚至空调等数个部门的力量，并融合在一起为Cd=0.29的空气动力学目标服务。

这种围绕产品性能需求来组织调配资源进行设计开发的能力才是汽车主机厂最核心的开发能力。

从概念车看空气动力学形体的发展：
从三厢车向单厢车的转变

新的需求会催生新的技术，新的技术也会改变汽车设计潮流。

当前汽车技术的发展有三大趋势：电动化、自动驾驶、车辆资源共享化，个人以为这些技术将会对汽车外造型的形体演化产生深远影响。

看完本届车展，这种感觉也愈发强烈，不禁脑洞大开。



丰田概念车1



丰田概念车2



雷诺概念车-外形



雷诺概念车-内部

电动化趋势下的汽车造型变革

就电动化趋势而言，随着驱动电机功率密度的提升和轮边驱动技术的成熟，驱动电机将呈现小型化、分布式的特点，线束软连接将越来越多的替代机械硬连接，能源储存单元（如油箱）、变速箱、差速器、传动轴都有可能会取消或在布置上高度集成，整车的机械布局越来越灵活。

正因为如此，可以预见未来的电动汽车，单独的动力总成机舱将逐渐消失，腾出更多的空间给乘员舱和置物空间。

传统的“三厢车”、“两厢车”形体将会模糊化，动力总成与乘员舱只做物理材料隔离，而不会体现在外部形体上。

这在Tesla model S上已有端倪：电机和传动系统下沉，使得前舱和后舱都可以设计较大的置物空间。

只是受限于传统的设计惯性和用户可接受度，Tesla model S仍采用了传统的三厢风格，造型形体未得以完全进化。

自动驾驶的技术趋势下的汽车造型变革

就自动驾驶的技术趋势而言，本届车展上，诸多款概念车都在阐述这样的理念：完全自动驾驶车辆可以取消主驾驶席位，这样前排座椅可以灵活转动，与后排对向而坐，留出最大的活动空间。

显然，大空间的需求更希望汽车形体像个方正的盒子，传统汽车低矮的流线形形体、突出的发动机舱、大倾角的前风挡玻璃则与之相悖。

近日我在与美国的被动安全方向的专家进行技术交流时，他们反馈国外的部分主机厂针对自动化驾驶车辆这种对向而坐的座椅布局，已在研究前排乘客在前部碰撞时的伤害问题和对策。

而在汽车空气动力学领域，这种自由布局的座椅所带来的外造型形体的变化，以及对风阻的影响尚未见到相关报道。

共享汽车趋势下的汽车造型变革

就共享汽车而言，共享出行是未来汽车发展的一个重要方向，它可以提高车辆资源利用率，降低用户拥车成本和道路拥堵。

需要注意到，与传统的私人汽车追求个性化和独特性不同，共享汽车具备很多公共交通车辆（如出租车）的属性，需涵盖多种类型用户的空间需求，对乘员空间要求较高，与传统的低风阻设计原则相悖。

小结

综合以上设想不妨大胆猜测，符合以上技术发展趋势的汽车，未来在外形上或许将不再有明显的前舱、乘员舱、行李舱的三厢分区，而是三个部分越来越融为一体，向“单厢体”外形发展。

如果真按此趋势发展，大空间的单厢形体将为汽车空气动力学性能开发带来很大的挑战。但正如流水形成了河床，风沙雨水雕刻着山峰，百年的汽车发展史证明空气气流也一点点改变着汽车形体。

相信在平衡新技术所带来的乘员空间和机械布置空间需求以后，空气动力学仍将是决定汽车形体进化的最重要的力量。

结语
“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”， 各款新车云集的车展给了我们寻找不足，发现问题的机会，也帮助我们看清了近期的工作目标。

尽快缩小与国外先进主机厂在空气动力学方面的差距，是我们空气动力学工程师义不容辞的责任，而优化空气动力学开发流程与方法、协调开发资源、促进设计融合是影响我们追赶脚步的“拦路虎”。

相信在国内同仁的不懈努力下，国内的从业者终能找到解决办法，共同迎来中国汽车空气动力学的春天。