通用技術集團:突破重圍為汽車產業“造風”

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                                              • 來源:中國科技信息雜志社

                                              中國汽研始建于1965年3月,系國家一類科研院所。擁有多個國家重點實驗室及科研平臺,如汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室、我國中西部首座汽車風洞、我國首個國家氫能動力質量監督檢驗中心、新能源汽車國家大數據聯盟西南分中心等。

                                              在重慶,有這樣一個神秘的“洞”,內部時而艷陽高照,時而雨雪傾盆,人間四季隨意切換。最令人稱奇的是,“洞”內刮的風,一秒就值一歐元,被稱為“世界上最昂貴的風”。

                                              如果不加以介紹,普羅大眾很難將其與當今炙手可熱的汽車制造業聯系起來,其實,這個“洞”就是“汽車風洞”。一輛汽車從開始設計,到制造完成,再到交付給消費者,需要經歷無數次的實驗和測試。在“汽車風洞”環節,巨大的人造風可模擬各種行車環境中遇到的空氣阻力、噪聲、熱力學狀態,以及天氣環境甚至太陽輻射等,用以測試樣車的安全性和操縱穩定性,最大限度地減少汽車在行駛中損失的動力,為設計更加節能、美觀的汽車提供條件。也正因如此,在這無數次的實驗和測試中,最燒錢的就是風洞測試。

                                              據粗略計算,建造一個這樣規模的汽車風洞往往需要耗資數億美元,甚至10多億,而且每做一次汽車風洞試驗的費用也是相當大的。同時,世界上的實車風洞主要集中在日、美、德、法、意等國的大汽車公司,我國相關領域在很長一段時期幾乎處于空白狀態。

                                              我國中西部首座空氣動力學-聲學風洞(AAWT)風機

                                              不過,在2019年,中國風洞的誕生,打破了僵持已久的局面。2014年,通用技術集團中國汽研在五年內總投資5.5億元人民幣,啟動“汽車整車風洞研發測試平臺開發及應用”項目,成功建成一座空氣動力學-聲學風洞,一座環境風洞,一座環境艙,以及高性能仿真計算平臺等,極大彌補了我國汽車風洞試驗研究資源的不足,成為國內第一所具備歐六/WLTP和CNAS國六風洞法雙認證資質的風洞機構,具備為國際主流車企提供技術服務的核心能力。

                                              整車風洞“零”的突破

                                              由汽車生產大國升級為真正的汽車強國,車身設計是必須跨越的一道坎。而設計研發汽車,風洞是極為重要的基礎實驗設備。一款汽車從概念創意、圖紙設計到最終定型,必須在風洞里“吹”上成百上千個小時:風洞模擬出汽車在各種行駛環境中遇到的空氣阻力、噪聲、熱力學狀態以及天氣環境,一次次測試樣車的安全性和操縱穩定性。

                                              然而,這樣的要求也意味著昂貴的成本。國際市場上,嘀嗒“吹風”一秒就是1歐元。在我國沒有自己的汽車整車風洞之前,國內車企要做一次風洞實驗,只能漂洋過海去海外測試,一次實驗就是數個小時,不僅經費和時間成本巨大,且只能做一次驗證實驗,一旦驗證有問題,整個項目就要推倒重來。

                                              對于我國來說,風洞建設的初始投資巨大、技術難度很高,“沒有自己的汽車整車風洞”——長期以來是阻礙我國汽車工業發展的硬傷。我國汽車業要真正立足世界,必須實現整車風洞“零”的突破。

                                              “2009年以前,我國只能依靠航空風洞改造進行汽車空氣動力學試驗,這大大制約了我國汽車工業的發展?!敝袊ㄓ眉夹g集團中國汽研相關負責人介紹,2009年后,盡管中國汽車風洞試驗條件實現了一定進步,但仍存在試驗室資源緊張、試驗周期長等問題。

                                              為了改善這一現狀,2014年3月,中國通用技術集團中國汽研成立了汽車風洞中心,開始籌備建設技術指標國際一流、國內領先的兩座汽車風洞——“汽車空氣動力學—聲學風洞”和“汽車環境風洞”。第二年,中國通用技術集團中國汽研與世界著名風洞設計商德國WBI公司以及國內著名設計院上海機電院完成合作簽約,汽車風洞項目進入實質性實施階段。

                                              直至2019年,中西部首座汽車風洞終于落成。

                                              風洞試驗是“造車”必不可少的環節

                                              聽起來“高大上”、用起來“燒錢”的汽車風洞,有哪些現實價值?其實,汽車風洞可以直接地影響汽車的設計,從而提升國民生活品質。

                                              首先,風洞要求在管道內營造一段氣流均勻流動的區域,利用運動的相對性原理來模擬汽車的行駛狀態。也就是說,在風洞內,風在動而汽車是靜止的。例如,一家車企做汽車研發,對研發車輛進行風洞試驗,發現風阻較大會影響車輛的油耗或速度,就會決定重新優化車倆的外形設計,重新設計風阻更小的外形。

                                              同時,在風洞中,真實地再現典型的碰撞過程,是分析和評價汽車碰撞中乘員保護能力的基礎。在實車正面碰撞試驗過程中,車輛通過驅動電機帶動軌道中的鋼繩,通過鋼繩與車輛底部的副車架或發動機支架等部位相連接,實現牽引車輛達到相應的碰撞速度。在車輛前排的駕駛員和乘員側分別放置身體各部位帶有測量用傳感器的假人,通過傳感器測得在試驗中假人的傷害值,從而對車輛的被動安全保護性能進行評判。

                                              所以,在汽車外形設計、整車熱管理開發過程中,風洞試驗是必不可少的環節。同時,風洞試驗也是發現新的流動現象、驗證數值模擬和開展理論研究的重要手段。

                                              “人造的風”為汽車研發吹起“人間煙火”

                                              一款新車的開發,需要滿足哪些條件?如何適應風霜雨雪多變的氣候,估計春假秋冬的四季輪回?這成為了“造車”企業最頭疼的問題,也是汽車風洞誕生的初衷之一。在通用技術集團中國汽研建設的汽車環境風洞中,車輛的熱力學測試不用再“看老天爺的臉色”,一年12個月都可以充分利用模擬的環境對整車開發進行調試,從而更好地控制研發成本和時間。

                                              空氣動力學-聲學風洞風機葉片

                                              為了在風洞中實現陽光模擬,中國通用技術集團中國汽研汽車環境風洞測試段頂部配置了一套全光譜的陽光模擬系統,每個燈源都有獨立的電源和控制系統,以實現光照的精準控制;同時,在每個獨立燈源上集成有網狀擋板和遮光擋板,用于模擬車輛在烏云條件下低照射強度環境和通過隧道時的無照射環境。

                                              這個風洞還能“下雨”。為了在風洞中實現降雨模擬,中國通用技術集團中國汽研汽車環境風洞的噴口安裝了噴槍,根據不同雨量大小設定,噴槍會噴出相應大小的雨滴,雨滴隨噴口氣流吹向測試車輛從而形成降雨,小雨、中雨、暴雨等不同級別的真實降雨都可模擬。

                                              不僅如此,“下雪”也是它的技能之一。風洞的噴口安置了噴槍,這一噴槍能夠根據所需雪量的大小噴出夾帶水滴的高壓氣體,在風洞流道內溫度達到-10℃以下時凝結成冰粒,從而在試驗車輛前方形成了降雪,雪量大小、降雪時間都可自由控制。

                                              簡言之,風洞就是一個人工造風的管道。而通常風洞內都有一個巨大的風扇,可以產生巨大的人造風,根據不同風洞類型與功能,分別可實現模擬各種行車環境中遇到的空氣阻力、噪聲、熱力學狀態等,用以測試樣車的風阻、風噪、操縱穩定性、熱管理性等,最大限度地減少汽車在行駛中損失的動力,為設計更加節能、美觀、安全、舒適的汽車提供條件。

                                              讓汽車更穩定更低碳的奧秘

                                              在我國汽車空氣動力學試驗研究資源極度匱乏的背景下,通用技術集團中國汽研“汽車風洞”運行,極大地彌補了該領域的不足,改變我國汽車工業核心資源與技術受制于人的局面,其服務能力、輻射作用、持續影響力,都為中西部汽車制造乃至我國汽車工業做出巨大貢獻。

                                              汽車風洞環境倉

                                              作為汽車共性技術研發平臺,汽車風洞可以模擬汽車在真實路面行駛狀態,而我國汽車風洞的成功建成,對中國汽車技術進步、核心產品升級具有重要意義。尤其是在今天電動化、低碳化的倡導下,人們對車輛的動力性能、舒適性能和安全性能產生了更高的關注,汽車空氣動力學作為決定汽車造型設計、風噪性能、燃油經濟性、高速行駛穩定性的關鍵指標越來越被車企所重視。

                                              “汽車整車風洞研發測試平臺開發及應用”項目除成功建設汽車風洞以外,還通過了歐洲最新排放法規和全球輕型車測試程序(WLTP)風洞法認證,成為國內第一所具備歐六/WLTP和CNAS國六風洞法雙認證資質的風洞機構。

                                              專家認為,中國汽研汽車風洞具備汽車空氣動力學領域相關實驗與仿真開發能力,通過對車輛空氣動力學性能的優化,可以降低汽車行駛在道路的空氣阻力,從而能夠降低相關能耗,因此汽車風洞也是當前“雙碳”戰略發展下的重要基礎裝備平臺。

                                              目前,這一技術已服務于國內外50余家主機廠,合作完成近百車型的空氣動力學開發,其中開發的智己L7純電轎車風阻系數達到0.21,躋身量產車全球前三,國內第一。

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