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技术 我所理解的客车空气动力学

作者:快乐28 发布时间:2020-06-10 08:16 点击数:

  随着车辆在电气化和智能化方面的技术进步,以及人们对公共出行的需求升级,消费者对客车产品在经济性和舒适性方面提出了更高的要求。因此,跟随乘用车的发展路径,客车同样需要通过空气动力学技术降低气动阻力和风噪,同时提升整车热管理水平,才能够有效提升产品在国内外市场上的竞争力。本期特邀汽车空气动力学分会委员、宇通客车节能技术研究工程师王宏朝博士解读国内客车空气动力学技术要点和发展现状。

  中国汽车工程学会空气动力学分会委员,专业研究领域为汽车空气动力学。现为郑州宇通客车股份有限公司技术研究院节能技术研究工程师,负责宇通客车的新产品造型风阻优化及空气动力学方向的新技术开发和预研工作。工作愿景是力争在商用车空气动力学领域将宇通客车推向国际标杆水平。

  通常所谓的客车是指乘坐9人以上(包括驾驶员座位在内),一般具有方形车厢,用于载运乘客及其随身行李的商用车,这类车型主要用于公共交通和团体运输使用(百度百科)。

  作为公路客运的重要载体,客车在人们出行的过程中发挥了重要作用。以2018年的汽车保有量统计数据为例,承担公共运输的大中型客车仅占民用客车总量的1.14%,而如此低保有量的客车却能够实现年运输量136.5亿人次,占全部旅客运输量的75.8%。由此也能够彰显出客车在汽车产业中的重要地位。

  随着车辆在电气化和智能化方面的技术进步,以及人们对公共出行的需求升级,消费者对客车产品在经济性和舒适性方面提出了更高的要求。因此,跟随乘用车的发展路径,客车企业同样需要通过空气动力学技术降低自身的气动阻力和风噪,同时提升整车热管理水平,由此才能够有效提升产品在国内外市场上的竞争力。

  自2009年我国首座适用于地面交通工具的风洞投入使用以来,国内各乘用车企都先后投入了大量的资源发展汽车空气动力学技术。经过10年的发展,可以说国内自主车企在空气动力学方向的专业水平已取得了不亚于国际高端品牌的成绩,不断有具备优良空气动力学性能的产品投向市场(如荣威

  I6)的风阻系数已达到0.25)。一方面乘用车企在空气动力学的发展道路上持续高歌猛进,另一方面有关客车的空气动力学成果却少见报道。这背后的原因也是多样性的:

  首先,一般客车企业的产品类别较多,以宇通客车为例(图1),目前已形成了5米到25米,覆盖客运、旅游、公交、团体、新能源、校车及专用车市场,共计约203个产品系列。受制于市场体量,每款产品的销量远不及乘用车,因此单项技术的开发成本很难得到平摊和消化。

  其次,由于汽车空气动力学的相关技术大都依托于车身造型设计,而客车产品类别多样,每款产品的造型特征、车身布置形式等都存在较大差异。因此,很难实现同一技术方案在不同平台产品的通用化,这也会造成相关的技术开发及应用成本居高不下。

  最后,客车大部分为定制化产品,相比乘用车,每款产品的开发周期更短、在产品开发方面的人员投入也更少。因此,乘用车适用的空气动力学正向设计流程难以直接应用到客车的产品设计中来。

  综上可知,当前客车在发展空气动力学方面确实存在较多困境,但我们同样不能忽视空气动力学技术发展对客车产品性能提升的重要性。

  记得之前和一位同行聊到过,虽然乘用车企投入了大量的资源用于提升产品的气动性能,使得当前量产车型的整车风阻已大幅降低。但考虑到大部分车辆的使用场景多为城市工况,实际车辆在生命周期内,自身具备的气动性能优势并未得到充分利用。图2所示为2017年滴滴出行发布的城市交通出行报告,可以看出大部分乘用车的平均行驶车速不足40km/h。结合气动阻力随车速在车辆行驶阻力中占比的变化趋势可知,在该速度段下,气动性能的提升并不能明显地降低客户的使用成本。而对于客车而言,特别是客旅产品,车辆使用工况多为市郊、高速工况,平均行驶车速较高,且年均行驶里程基本都在十万公里以上。因此,车辆的气动性能提升能够为客户节省大量的使用成本。

  此外,从前面对客车的定义也可知道,客车的拓扑形状为箱体结构,相比乘用车,其造型特征相对简单。从气动优化的角度来看,我们可以通过简单的造型调整即可获得明显的气动性能提升。如图3所示,通过调整前围面曲率,将矩形直角结构变为单曲面小弧角结构,从而大幅减小气流在绕过前围面时产生的流动分离,即能够将整车风阻系数由0.86降至0.357。

  因此可以说,虽然客车车身造型受限于法规、乘坐空间等因素的限制较多,但仍旧能够探索出拥有较高“回报率”的气动优化方案。

  与商用货车领域相类似,针对客车空气动力学的发展现状同样可以从风阻优化、热管理技术以及尘土泥水管理三个方向进行梳理。气动噪声由于自身理论及研究方法的复杂性,目前国内外在客车风噪方面的研究基本处于空白状态,因此也就不纳入到本文的谈论范围。在研究手段方面,随着数值仿真技术和试验技术的不断提升,一些高端客车品牌已经能够将CFD仿真技术和风洞试验融入到自身产品的开发设计流程中,如图4和图5所示。

  当前国内外客车产品的外造型基本实现流线型设计,配合被动减阻结构的应用,当前的客车风阻性能相比早期产品已有大幅提升,如赛特拉(Comfort Class 500)风阻系数已达0.33。由于客车的拓扑外形属于简单的箱体结构,可从对整车风阻的影响权重和车身布局将客车风阻的优化内容进行划分,如图6所示。

  首先是前围区域,前围的主要造型特征,如风挡结构、前围曲率、A柱转角半径、前围与顶围的过渡半径等,对气流在前围区域的流动结构影响显著(如图3)。因此,在保证美观性的前提下,在进行前围造型设计时,应适当增加前围曲率,配合合适的前围与顶围及侧围的过渡半径,最大程度减小前围区域的流动分离,同时减小前围面的驻压范围。

  其次是后围区域,通过采用下压式后帽檐,能够增加气流在流经后帽檐后的下洗趋势,减小尾部分离区,进而降低整车气动阻力。图7所示为伊利萨尔客车的后围造型及其尾部分离结构。这里需要说明的是,客车车身一般为蒙皮+骨架结构,蒙皮通过张拉工艺覆盖在骨架上。传统的张拉工艺难以实现如图7所示的造型特征,需要采用玻璃钢通过模压成型工艺实现,相应的设计和生产成本也较高,目前仅在部分高端客车品牌中应用。

  再次是底盘区域,一方面客车整体离地间隙较大,行车过程中进入车底的气流较多,且底盘结构复杂,易引起较大的干涉阻力和局部的压差阻力。对此,通过对底盘进行平整化可以最大幅度地降低底盘区域的气动阻力。如图8所示,该车在后桥和后围之间加装了封板结构,封板为玻璃钢结构,采用分块设计,同时在封板上开设的有通风格栅,能够兼顾发动机舱的散热性能。此外,目前大中型客车基本标配了气囊悬架,配合车身控制系统,能够实现行车过程中(例如车速≥60kph),通过调整气囊刚度降低车身离地间隙,从而能够进一步减小底盘部分的气动阻力。

  最后是顶围部分,该区域需要特别关注的是空调和通风窗对顶部气流流态的影响。客车大多搭载顶置式空调,空调布置在不同区域对整车气动阻力的影响也不同。前期研究表明,空调中置相比空调前置,使得整车风阻增加约3%。因此,在总布置设计阶段,应尽可能通过整车配重,将空调布置在车辆前端,同时配合空调导流罩设计,将前围与空调罩进行光滑连接,以此降低顶围区域的气动阻力。

  此外,当前也有客车公司结合仿生学提出了如图9所示的高度渐变式结构,即沿车长方向,车身高度逐渐降低,由此可以有效减小车尾分离区,计算结果表明:该结构相比平直式车身,整车风阻降低44%。但由于客车采用的是蒙皮+骨架结构,为实现高度渐变,车身前后段的骨架高度同样需要设计成渐变式的,这样就给车身设计及生产带来了极大的挑战。

  除流水槽外,后视镜对整车风阻(噪)也存在显著的影响。除通过流线型设计降低后视镜的自身风阻外,其结构型式以及与车身的布置关系也需要重点关注。如图12所示,对于同一款双风挡车型,采用双吊耳和长短杆两种型式的后视镜会在前围区域产生不同的分离结构,可以看出长短杆结构会在司机侧产生较大的分离区,由此会增加整车风阻及司机位的风噪水平,在车身总布置设计时,应优先选用双吊耳型式的后视镜。

  客车发动机舱的空间相对自由,因此整个冷却模块可以单独进行模块化设计。相比早些年客车搭载的冷却系统,无论从部件性能、系统构型还是控制策略方面都有了明显的改进和提升。典型的如宇通推出的发动机二代热管理系统(见图13),该系统采用并联式结构,即散热器和中冷器并列布置,并通过对电子风扇分组,实现散热器和中冷器的主动独立冷却。借助该系统,不同车型可实现整车百公里油耗降低8%~13%。

  从空气动力学角度来看,发动机舱是整车上一个重要的阻力源。一方面,对于大中型后置车而言,冷却模块换热无法利用前端来流的冲压效应,主要依靠风扇驱动的外部空气进入发动机舱进行换热。因此,通过优化冷却模块的布置型式和风扇的阻力环境,在满足换热需求的前提下,降低舱体的内流阻力。另一方面,通过设计独立的冷却流道,引导经过换热的高温冷却空气通过后舱门格栅开孔排至车辆尾部,如图14所示,不仅能够降低发动机舱高温的风险,还可以在行车过程中提升尾部分离区内的压力,从而降低车辆的气动阻力。

  随着城市环保不断升级,客户对客车车身的保洁能力提出了新的需求。客车在泥泞路面上行驶时,车轮会将地面的泥水卷起,并由外部气流带至车身上。由于客车车身相对较长,因此尘土/泥水的附着面积也相对较大(如图15所示)。

  特别的,当前围造型设计不合理时,使得前围产生较大的分离区,造成前轮外侧的压力降低。因此在行车过程中,路面泥水被轮胎卷起向外侧低压区流动,如图16所示,由于该区域复杂的三维剪切流动,从轮腔喷出的泥水呈明显的雾状,且辐射范围很大,最终会导致极为严重的甩泥问题。因此在对客车进行造型设计时,也需要将尘土泥水管理纳入到空气动力学的设计流程中来。

  通过上述分析,我们可以看出空气动力学技术在客车产品上拥有极大的应用价值和前景,但同时不可忽视的是,相比乘用车,客车空气动力学现有的技术开发手段还相对落后。

  未来客车空气动力学的发展重心应放在正向开发能力的建设上来,如何根据客车产品的开发特点,利用先进的全局自动寻优技术,搭建高效的空气动力学开发流程,成为摆在每个客车气动工程师面前的共同问题。

  此外,客车空气动力学的业务内容也会根据客户及市场需求的升级而不断拓展。例如,随着客车电动化的不断推进,降低风噪的需求已出现在一些高端客车市场。另外,已有客户提出乘员舱的热舒适性问题,因此也需要充分利用空气动力学手段开发更加合理的空调风道结构,从而提升乘员舱的热舒适性。

  最后还需提及的是,客车空气动力学的专业发展离不开车身设计方法及制造工艺的进步,唯有从根本上对传统的客车车身设计方法及制造工艺进行革新、升级,我们才会有更大的空间和手段实现客车空气动力学性能的大幅提升。

  严格意义上来说,本文并不算一篇学术论文,而是本人结合近两年的工作经验总结出的一些感悟。文章题目也是借用王洪伟老师的《我所理解的流体力学》的书名,考虑到文章是站在学习者的角度来写,本文题目就取为《我所理解的客车空气动力学》。本人所学有限,仅是尝试将自己的理解和感悟书写出来,其中定有许多不足之处。希望能借此机会,和同行进行交流、学习,共同探讨促进我国客车空气动力学发展的路径和模式,也期望我们宇通客车未来能够成为在空气动力学方向上的行业标杆。

  本文为“中国汽研汽车风洞技术”特邀原创作品,感谢作者对CSAE汽车空气动力学分会科普工作的支持。其他公众号转载请联系我们授权,读者转发朋友圈请随意。

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