2017, Vol. 45
2. 同济大学 汽车学院，上海 201804
2. College of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China
电动车作为未来汽车的发展趋势之一，其造型设计必然会有新的诉求.同时为了进一步体现节能环保，其低风阻化也更为必要.为此，各厂家在造型与空气动力学结合方面进行了多方研究.
从与传统车对照的角度看，当代电动车造型总体上可分为三个大类：
第一类：车体基于现有车型.其特点是对动力系统进行改造而沿用了现有传统车身造型，整体造型和传统车无明显区别，如荣威550E等车型.
第二类：整车进行颠覆性设计.其特点是为了强调电动特性及新颖性，形态上很注意突出“电动”特征，相对传统车显得“另类”，如2009年的雷诺Zoe Ze Concept.
第三类：传统车风格的新设计.此类车介于第一类、第二类之间，即造型虽为全新设计，整体形态特征仍和传统车有很大相似性，如2009年的特斯拉Model S Concept.
由于CD(风阻系数)的下降可直接导致能耗的下降，各个厂家在电动车低阻化方面不遗余力，做了很多工作.
国外关于低阻车身形态的研究较早，美国福特“Probe”系列概念车的CD从1979年ProbeⅠ的0.25一直下降到1985年ProbeⅤ的0.137[1].但由于此类车主要用于研究而并未量产推广.
2014年的大众XL1是近年来低阻化较为出色的量产车型，CD仅为0.189.但因车身过于低矮(车高仅为1 153 mm)，车内乘员空间十分狭小；乘员H点(胯点，即乘员躯干与大腿之间的关节点)也过低，上下车非常不便，因而影响了实用性.
2015年的奔驰概念车Concept IAA的CD为0.19，采用了多种主动控制方式以求减阻，如可变长度(由5 040 mm伸长至5 430 mm)、可移动前保险杠导风板(向前25 mm，向后20 mm)、主动格栅以减少内流、主动轮辋饰罩(变得更平滑)等多项措施，且没有传统的后视镜(用摄像头代替).尽管CD很低，但多处主动减阻措施使得结构过于复杂，超过5m的车长也使得车体过于庞大.
由以上可见，各种车型固然各有优势，但也都有可改进之处，比如将电动车造型与空气动力学耦合研究而得到更优的低阻效果，同时使整车各因素之间关系更为合理，使之更具实用性和推广价值.
需要说明的是，本文基于低阻带轮车身的气动优化方法作为技术支持，重点是造型设计.车型代号定为Aero-973.
1 车型基本定位研究 1.1 基本定位及尺寸 1.1.1 空气动力学低阻化目标低阻化是本课题的基本要求之一，CD名义目标值确定为0.25.但作为研究，由于在整车底盘、缝隙等方面做了简化，同时车轮按不旋转处理.根据经验，这几方面对CD的贡献分别为：底盘0.015，缝线0.005，旋转车轮为总CD的-3%[2]，由此可知预估目标值为
CD=0.25-(0.015+0.005-0.25×3%)=0.238
1.1.2 基本尺寸及参数为了保证实用性，以普通的A级三厢轿车为参考，确定整车基本尺寸及参数如下：
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下载CSV 表 1 电动汽车基本尺寸 Tab.1 Basic dimensions |
整体布局对于造型效果及低阻性能有着直接影响，而电动汽车在这方面具有比传统车更明显的优势[3].基于“低阻化”、“A级车”、“电动车”等几个基本条件，对整体布局及人机布置规划如下：
1.2.1 整体布局如图 1所示，ⓐ为动力单元：即电池，安置在车身下面，形成平整的“滑板式”底盘，利于减阻，同时给其他方面的布局带来更大自由.ⓑ整车比例：在整车长度相当的情况下，由于动力、传动系统的结构与传统车不同，故可以加大轴距而缩小前、后悬，空间利用更为高效.ⓒ前脸：由于比传统车机舱的冷却需求降低，格栅面积可以减小，从而降低内流阻力.ⓓ头部：由于没有传统车的发动机、变速箱等总成，前机舱空间可以大大压缩，从而可以降低车头高度，利于减阻.ⓔ车顶最高点：可以较大幅度前移，利于减阻.ⓕ后部造型：由于轴距可以更大，可使得后排坐姿更趋向于平躺，头部位置相应降低，从而降低车顶后部，利于减阻.ⓖ尾部：由于可以采用新型式的悬架系统，可为行李箱部位让出更大空间.ⓗ局部遮盖：比如通过把后轮做部分遮盖，既获得新造型，又利于减阻.
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图 1 新型电动车整体布局与传统车对比 Fig.1 Basic layout comparison between new electric car and traditional car |
乘员布局，如图 2所示，对整体造型有重要影响.普通轿车会有5个座位，而实际坐满的时候很少.针对市场的实际应用情况，此处提出更为合适的布局，即偏置3座乘员布局[4].其特点是右侧只安置一个座位，如此调整幅度可更大，空间比D级车还宽敞.
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图 2 偏置3座布局模式 Fig.2 The offset 3-occupant layout |
很多水生动物都具有非常好的低阻形态，此处以海豚为意向(如图 3所示)，采用形态仿生学展开设计.海豚主体纵向呈梭形，横截面呈圆形，此种外形有较大的空间容积，利于向汽车形态转化.
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图 3 典型的低阻生物体 Fig.3 A typical low drag organism |
根据课题组的研究，类车体(不含车轮等)CD最小可达到0.076左右，带车轮的凹头车体CD最小可达到0.124左右[5]，此成果为后续低阻设计提供了依据.特别注意到此形态在整体上和造型意图也互相吻合，利于造型的开展，如图 4所示.
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图 4 带轮低阻类车体油流图 Fig.4 Oil flow diagram of the wheeled low-drag shape |
建立了低阻体及基本视觉形态之后，确定技术路线为：设定低阻体，然后完成主体造型；之后进行CFD优化，并逐次添加局部造型；再次进行CFD优化，最后进行风洞试验.分为两个大的阶段：第一阶段：主体形态设计及空气动力学优化，在低阻体基础上结合人机空间要求，进行形面、体量等方面的设计，其特点是初始风阻很低.第二阶段：局部形态设计及空气动力学优化，在整体形态风格不变的情况下，对局部曲面(如拐角等)，以及格栅、后视镜、流道等进行优化.
3 造型研究及气动优化 3.1 整车主体造型研究 3.1.1 基本参数的确定综合低阻体研究结论及形态意向、造型、人机空间等，确定初步主体形态如图 5所示，并选取基本尺寸如下：
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图 5 主体形态设计 Fig.5 The main body design |
长×宽×高=4 343 mm×1 797 mm×1 449 mm；轴距2 500 mm
3.1.2 电动车造型风格定位研究及设计电动车的技术特点是布局更为自由，利于使汽车整体架构发生变革.加之对低阻化的诉求，在造型风格上也可以借此突破.传统汽车的造型变化在整体上体现为“新车款”，而电动汽车则可以体现为“新车种”，具体对比如表 2及图 6所示.
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下载CSV 表 2 电动汽车与传统汽车造型风格对比 Tab.2 Styling comparison of electric car and traditional car |
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图 6 电动汽车与传统汽车整体造型对比 Fig.6 Contrast of design between an electric car and a typical traditional car |
原方案的车头比较平直，转折明显，见图 7a.将车头在俯视、侧视两个方向都调整为更加圆滑、平顺，见图 7b.经CFD仿真，CD由0.196下降为0.189，ΔCD为-0.007.
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图 7 车头优化 Fig.7 Optimization of the nose |
将轮辋的简化平板造型细化为具有轮辐的真实造型，见图 8.简化车轮由于没有轮洞，由车身侧面经轮腔边缘进入轮腔内部的气流被阻塞，增加了气动阻力.真实车轮中，由车身侧面经轮腔边缘进入轮腔内部的气流由辐条间隙流出轮腔，从而风阻更小.此效应使CD由0.189下降为0.184，ΔCD为-0.005.
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图 8 电动汽车与传统汽车整体造型对比 Fig.8 A typical low drag organism |
如图 9所示，尾部延长，车长由4 343 mm增至4 618 mm，特别是车尾(后翼子板部分)更加向中央内收.图 9c为优化前，9d为优化后.优化后尾部紊流区明显减小，尾部表面压力明显增加，CD由0.184降至0.160，ΔCD为-0.024.
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图 9 车身长度及尾部形状调整 Fig.9 The adjustment of length and tail shape |
由于增加了总长，轴距也得以由2 500 mm加长至2 610 mm.此举既使整体比例更佳，也可以加大内部乘员空间，见图 10.同时由于车尾内收，后轮距也相应由1 444 mm降至1 434 mm.经CFD仿真，CD由0.160增至0.160 5，ΔCD仅为+0.000 5.
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图 10 轴距加长至2 610 mm Fig.10 The wheelbase added to 2 610 mm |
通过人机分析，发现后排头部空间不足，为此在保持整车最高点不变的前提下，车顶后部加高50mm左右，并与车顶最高点及车尾顺接.经CFD仿真，CD由0.160 5增至0.161 5，ΔCD为+0.001.虽略有增加，但却大大改善了实用性，如图 11所示.
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图 11 车顶后部增高50 mm Fig.11 The height at rear roof added by 50 mm |
在满足尺寸标准的前提下，后视镜造型保持了流畅的风格，支座截面造型近似水滴形以求降低风阻，如图 12所示.经CFD仿真，CD由0.161 5增至0. 174，ΔCD为+0.012 5.
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图 12 外后视镜 Fig.12 The mirror design |
车轮前方来流冲入轮腔后，在车轮的转动下会造成较强的紊流而增大阻力.而车轮前方的小扰流板由于大大减少了进入轮腔的气流，从而明显弱化了轮腔内的紊流，最终降低了整车风阻[6].本方案设置其尺寸为宽200 mm (约与车轮等宽)、高40 mm.经CFD仿真，CD由0.174降至0.157，ΔCD达-0.017，而对造型风格的影响却可以忽略，如图 13所示.
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图 13 前轮扰流板 Fig.13 The front wheel spoiler |
电动汽车仍涉及热管理问题，因此需考虑格栅造型及内流，实现与热的耦合，包括前格栅和内流道的气动设计和优化；散热器、虚拟风机、轮毂电机等阻力特性分析、流道的优化设计；热耦合对整车气动阻力影响分析等，结构及分析结果如图 14所示.经CFD仿真，得到CD为0.180 6.
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图 14 内流道及散热器、风机及风罩优化 Fig.14 Optimization of flow channel, radiator, fans and fan housing |
通过CFD仿真迭代，确定了低阻车型的整体及主要局部，在此基础上制作了1：1硬质模型，包含了内流道及风机、散热器等部件，并在同济大学1:1风洞中进行了气动试验，得到CD为0.193.
图 15为试验照片，由图可见气流经过车顶至尾部时一直紧贴车体而未发生分离；气流经过后视镜时也保持了良好的流线，未产生大的涡流；尾涡也很小.以上均直观地表明了车型良好的气动低阻性能.
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图 15 硬质整车模型风洞试验 Fig.15 Wind-tunnel test of the full-scale hard model |
通过造型和空气动力学的逐渐细化和迭代，得到了全尺寸模型，风洞试验值CD为0.193，明显优于预估目标值0.238.特别是在具有后视镜和考虑内流的情况下，这是非常好的结果.
研究方法采用了低阻体、形态仿生、气动、散热、人机布局耦合的方法，并通过CFD和造型的反复迭代，将气动研究方法和造型设计相融合，形成了低阻研究与实践的有效结合.
风格鲜明，采用了仿生造型方法，比传统汽车有明显突破，流畅顺滑，直观地体现出了电动汽车的低阻化，辨识度高.
实用性较强，采用了偏置3座布局，既可以使得车顶后部高度明显降低，也可以使得后排横向更加内收，非常利于减阻，在满足实用的同时大大提高了空间利用率.
| [1] |
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贾青, 李挺, 杨志刚. 旋转车轮对整车气动性能的影响评价[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2014, 42(6): 949 JIA Qing, LI Ting, YANG Zhigang. Influence of Rotating Wheels on Vehicle Aerodynamics[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2014, 42(6): 949 |
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