封泠雨，王慶洋*，徐 磊，曾 翌

（中國汽車工程研究院股份有限公司風洞中心，重慶 401122）

引言

我國汽車標準化工作隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展也在不斷加強和完善，但在體系完備性和統(tǒng)一性上相比國外汽車工業(yè)發(fā)達國家仍有一定差距。近幾年國家對于節(jié)能減排提出了更高的要求，如提出的“雙碳”戰(zhàn)略目標等，使得汽車空氣動力學、汽車風洞技術專業(yè)需求更大，相應的標準化工作也越來越受到重視。風洞試驗室借助先進的試驗環(huán)境仿真能力，測試工況高重復性和準確性的特點，服務于車輛開發(fā)階段的整車性能驗證和優(yōu)化，有效提升產品質量、節(jié)約開發(fā)成本[1]。2020 年之后，汽車的開發(fā)生產受到新型冠狀病毒疫情影響，且隔離政策一定程度上制約了汽車道路試驗項目的開展，也進一步擴大了行業(yè)對于汽車風洞技術的需求。

由于汽車風洞測試技術不斷發(fā)展更迭，不同時期建設的汽車風洞試驗室所采用的設備和測試技術均有差異，導致風洞數(shù)據(jù)結果差異最大可達到40%。國際上先后建立了“USCAR Aerodynamic group”，European Aerodynamic Data Exchange(EADE)，Vehicle Aerodynamics Research Committee of SAE of Japan(JSAE)組織進行相關性試驗研究，推廣統(tǒng)一汽車風洞測試步驟，使不同風洞的試驗結果能在統(tǒng)一的配置和條件下進行橫向比較，建立風洞試驗數(shù)據(jù)相關性[2、3]。汽車風洞試驗結果與燃油經濟性和駕駛舒適性關聯(lián)，特別是汽車風阻系數(shù)Cd已經成為各大汽車制造商用于汽車產品商業(yè)宣傳的重要性能參數(shù)。公布非標準測試結果會導致不必要的額外開發(fā)工作，容易造成政府、學術界和消費者對車輛空氣動力學性能的錯誤認識。統(tǒng)一風洞試驗標準流程，建立風洞間試驗數(shù)據(jù)相關性，能有效處理風洞間的設備差異，促進風洞數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性，這對于汽車空氣動力學的行業(yè)發(fā)展有著重要意義。

由于國內汽車風洞測試技術尚處于初期階段，標準和體系的研制現(xiàn)狀與國外相比存在較大差距，在現(xiàn)行的國家標準和行業(yè)標準中幾乎缺失；對于國內車企而言，大多沒有成熟的技術標準體系，多采用國外相關組織或企業(yè)的標準。國內汽車空氣動力學領域使用的標準不僅缺乏統(tǒng)一規(guī)范，而且具體內容也不符合中國特有國情和條件。本文主要針對于建立統(tǒng)一試驗標準步驟，對國外先進汽車風洞試驗標準進行了研究和分析，并結合國內汽車風洞測試技術的運用和發(fā)展現(xiàn)狀，探討了國內外汽車風洞試驗標準的差異性，提出了對汽車風洞試驗技術和建立風洞試驗標準發(fā)展的理解。

1 汽車風洞試驗標準

汽車風洞試驗標準主要是在汽車風洞長期發(fā)展運用過程中，由多家運營方積累總結多年試驗經驗，經協(xié)商一致建立并由認機構批準，在一定范圍內共同并重復使用的與風洞試驗有關的規(guī)范性文件。與航空風洞技術領域相似[4]，由于風洞試驗處在復雜特殊的技術領域，風洞種類、試驗種類繁多，技術保密性強，對應技術和信息的共享意愿存在壁壘，汽車風洞技術領域也出現(xiàn)了現(xiàn)有試驗標準零散化不成體系的問題。在整理和收集汽車風洞試驗標準過程中，考慮了其主要試驗運用類型、標準制修訂單位、其他可借鑒整車試驗標準，列出了現(xiàn)有汽車風洞類試驗標準，如圖1 所示。

汽車風洞是專門用來進行汽車空氣動力學、發(fā)動機冷卻、艙內環(huán)境、聲學和動力總成等性能的模擬試驗設備，針對減小空氣阻力、降低油耗、減少噪聲、保障安全性、穩(wěn)定性和發(fā)動機冷卻等性能進行科學研究和改進[5]。圖1將風洞試驗主要驗證性能方向：“空氣動力學性能試驗”、“氣動噪聲性能試驗”、“熱管理性能試驗”、“水管理性能試驗”為1 級標題。由于整車熱管理和水管理性能試驗在道路、環(huán)境艙、風洞試驗場景均可進行，相關道路和環(huán)境艙試驗標準基于對環(huán)境溫度、濕度、車輛負載和行駛工況的設置要求，可對風洞試驗起到指導和對標參考作用。圖1 中在熱管理和水管理性能試驗領域下設置試驗場景為2 級標題。

圖1 現(xiàn)有汽車風洞類試驗標準

在標準制修訂單位方面的考慮，由于汽車風洞技術領域的保密性約束，僅一些國內外技術團體開展了整車風洞試驗標準的專門研究。如下文所示，文中對主要對美國汽車工程師學會、中國汽車工程學會發(fā)布整車風洞試驗標準、和具備參考和指導意義的道路和試驗艙國家標準進行了研究和說明。

1）美國汽車工程師學會（SAE）風洞試驗標準

SAE 是美國最大的機械制造專業(yè)標準化學術團體，其建立標準極具權威性和廣泛性，并有相當一部分被美國國家標準所采用。SAE 標準根據(jù)其作用和廣泛性分為“SAE Standard（標準）”和“SAE recommended practices（推薦流程）”，指被行業(yè)廣泛接受的測試方法規(guī)范文件和操作指導流程文件，這些標準由各領域的技術委員會負責制修訂，發(fā)展至今美國SAE 已建立240 個技術委員會。

如圖2 所示，SAE 共發(fā)布了6 項乘用車風洞類試驗標準，由“道路車輛空氣動力學討論會”以及“汽車內部環(huán)境控制協(xié)會”開展汽車風洞試驗標準研究，并發(fā)布了3 項汽車空氣動力學性能和汽車熱管理性能風洞試驗標準[6-8]。其余3 項標準為汽車空調除霜除霧采暖性能、雨刮器性能的風洞類試驗標準[9-11]。

2）中國汽車工程學會標準（CSAE）

根據(jù)《中華人民共和國標準化法》：國家鼓勵學會、協(xié)會、商會、聯(lián)合會、產業(yè)技術聯(lián)盟等社會團體協(xié)調相關市場主體共同制定滿足市場和創(chuàng)新需要的團體標準。團體標準具有市場響應速度快、制定靈活的特點，其社會影響力和市場認可度也在逐步擴大。

中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會作為推動我國汽車空氣動力學技術發(fā)展的重要社會力量，發(fā)布了“CSAE 汽車空氣動力學技術標準體系”，并結合國內汽車空氣動力學、風噪、熱管理性能正向開發(fā)需求，目前共發(fā)布行業(yè)標準10 項，其中汽車風洞試驗標準4 項[12-15]，涵蓋空氣動力學、氣動聲學、熱力學等領域。所有標準均在廣泛征集行業(yè)意見的基礎上，聯(lián)合多家汽車制造企業(yè)和科研院所共同研制完成。研制過程中充分借鑒了國際先進標準，同時也與國內需求精密結合，填補了國內汽車風洞試驗標準空白，促進了國內汽車風洞測試技術能力的進步與發(fā)展。

3）風洞類國家標準

我國受計劃經濟體制影響，一直采用強制性標準和推薦性標準模式[16]。我國的強制性標準對應發(fā)達國家的汽車技術法規(guī)，是為了保障交通安全和環(huán)境保護，對汽車結構、裝置所作的安全、環(huán)保和質量的法律要求[17]。如圖1 所示，涉及汽車行駛視野的一般安全要求：GB 15085-2013《汽車風窗刮水器和洗滌器 性能要求和試驗方法》、GB 11555-2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗方法》屬于我國強制性標準范疇。

整車空氣動力學、氣動聲學風洞試驗作為整車開發(fā)過程中的驗證手段尚無專門的法規(guī)要求，但GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》提出了風洞法測量汽車行駛阻力，即將風洞試驗得到空氣動力學阻力值與底盤測功機或平帶式測功機測量結果相結合，以確定道路載荷的測量方法。標準文本中沒有直接對風洞試驗的實施步驟和方法進行規(guī)定，只要求風洞法和滑行法之間的循環(huán)能力差，和車輛試驗結果偏差的算數(shù)平均值，以保證風洞測試結果的有效性。

2 風洞試驗標準差異

本文列出的一系列風洞類試驗標準主要針對乘用車測量和記錄車輛性能的試驗步驟，規(guī)范了車輛準備、傳感器布置和風洞提供試驗工況等影響試驗結果的具體實施步驟。需要注意的是不同試驗標準之間，以及一些車輛制造商建立的用于自身開發(fā)需要的試驗實施規(guī)則之間存差異。除去由于風洞本身硬件的差別，其余的差異主要表現(xiàn)在在車輛的使用地域不同，使得試驗準備過程中車輛配重和工況條件制定會有所不同。此外，由于目前測試技術水平的限制，一些試驗操作還無法進行統(tǒng)一化處理，幾個比較突出的風洞類標準差異化細節(jié)如下：

1）氣動測試中配重

SAE J2881《Measurement of Aerodynamic Performance for Mass-Produced Cars and Light-Duty Trucks》對氣動測試中車輛的配重和輪眉高度要求的描述進行了調整。在測試車輛標稱輪眉高度不可知的情況下，可以通過限制試驗車輛的配重分配實現(xiàn)要求統(tǒng)一。因為汽車懸掛實現(xiàn)了車輪與車身的彈性連接，車身和車輪同時擁有垂直于地面的自由度，使得車輪在不同配重下的輪眉高度和車身離地間隙同時出現(xiàn)差異，車身有效高度也隨之發(fā)生變化，因而造成氣動力的變化。因此，車輛空氣動力學試驗準備中，可以根據(jù)標準在乘員艙內的不同位置分配一定單位量的配重，表1 列出了以5 座乘用車為例，不同標準對在車輛整備質量的基礎上進行配重的要求。標準間單人加載質量差異主要以標準所在地域的乘員平均體重建立。

表1 整車風洞氣動試驗配重要求

在WLTP 和GB/T 18352 標準中，測試質量是基準質量、代表性負荷質量、選裝裝備質量之和，如式（1）所示：

式中：

Mt—測試質量；

Mr—基準質量，整備質量Mcurb+100 kg；

MRL—代表性負載質量，普通乘用車為最大裝載質量；

MOP—選裝質量，生產企業(yè)技術條件規(guī)定標準車輛裝備之外的其他選定的選裝裝備組合質量；

Mcurb—車輛整備質量，即汽車按出廠技術條件裝備完整（如備胎、工具等安裝齊備），各種油液加滿后的重量。

在車輛整備質量的基礎上進行配重，配重質量可根據(jù)得到：

2）熱平衡試驗行駛工況

在環(huán)境風洞試驗中，除了借助相關設備對環(huán)境條件進行模擬外，還會選用行駛工況再現(xiàn)駕駛員駕駛行為特征，并貼近車輛主要銷售區(qū)域的實際道路環(huán)境，體現(xiàn)車輛真實運行狀況。這些行駛工況在恒速、加減速、怠速不同行駛速度上頻繁變化，覆蓋多種發(fā)動機操作點[19]。2020 年修訂標準GB/T 12542 中規(guī)定了爬坡、高速行駛、熄火浸置等常規(guī)、最大扭矩轉速工況和額度功率轉速行駛工況。目前利用環(huán)境模擬技術進行熱平衡試驗更為普通，國內主機廠采納的行駛工況也各不相同。美國三大汽車公司對于Davis_Dam和Eisenhower道路采集了路譜，并據(jù)此制定一系列用于環(huán)境風洞測試的行駛工況[20]，中國汽研也仿效這一做法，對中國地區(qū)乘用車熱環(huán)境適應性典型道路進行了研究，將重慶和長沙城市工況運用在“T/CSAE 114 標準中”。

3）車內風噪測量位置

車內風噪聲測量由放置在車內座位的傳聲器和人工頭采集，采集信號經過多次平均后做FFT 變換得到車內聲場頻譜。車內風噪測量人工頭或傳聲器都布置在座椅之上，按乘員人耳位置進行布置。座椅位置對測點位置直接產生影響，T/CSAE 113-2019 考慮到乘用車前排座椅支持多向調節(jié)，規(guī)定車輛座椅在前后、高低、俯仰方向調節(jié)至中間位置，椅背與水平面的夾角調節(jié)至114 °，如果椅背和腰部支撐可調節(jié)至最后位置。基于該位置規(guī)定安裝2 個傳聲器，如圖2 所示，以此保證座椅在統(tǒng)一使用狀態(tài)下傳聲器與噪聲源保持一定相對距離。氣動噪聲源主要是車外噪聲，或一些密封性不好位置的泄露噪聲，通過泄露點、側窗玻璃，前風擋傳進車內。但是由于不同車輛設計尺寸的不同，固定座椅位置下傳聲器和噪聲源的相對距離無法統(tǒng)一。

圖3 T/CSAE 113-2019 傳聲器安裝位置

3 結論

汽車風洞試驗是通過對整車行駛環(huán)境的模擬，對車輛的多維度性能進行測量探究，涉及流體力學、聲學、熱力學、動力學、材料學、甚至涉及光學成像等學科內容，不同學科的關聯(lián)性弱，造成汽車風洞標準難以構成體系的現(xiàn)象，導致風洞標準應用查找的便利性不高。雖然國內汽車風洞行業(yè)依靠國外領先技術經驗建立和發(fā)展，但是對于國外汽車風洞標準的挖掘還存在困難。

北美歐洲地區(qū)風洞資源豐富，各大汽車制造商均獨立擁有風洞試驗室，針對于自身產品開發(fā)和優(yōu)化的需求早已建立體系化的試驗標準。我國汽車風洞測試技術研究起步較晚，風洞資源緊缺，汽車風洞試驗資源為行業(yè)共有，形成了車輛制造商委外進行風洞試驗的現(xiàn)象。我國的獨立風洞運營方累計了豐富的風洞試驗經驗，具備參與和主導制修訂風洞標準的能力，也保證已建立試驗標準的共同使用和重復使用性。目前，在CSAE 等行業(yè)組織的推動下，我國汽車風洞標準在借鑒國外標準的同時，充分考慮我國汽車行業(yè)發(fā)展的技術差異和市場需求，同時結合我國技術引進和改造、產品開發(fā)和改進的技術優(yōu)勢，力爭實現(xiàn)汽車風洞標準的“國產化”。

不同于安全和環(huán)保類汽車強制性技術法規(guī)，空氣動力學性能、風噪性能是整車開發(fā)流程多元化發(fā)展過程中提出的更具體的性能開發(fā)需求，更貼合消費者感知，有利于加大汽車商品的市場占有機會。對于具備豐富風洞開發(fā)經驗的車輛制造商，雖然在其企業(yè)內部已建立完善的風洞相關試驗標準，但仍以科學、技術和經驗綜合成果為基礎，參與制修訂并積極使用統(tǒng)一汽車風洞試驗標準，進行風洞和車輛間試驗結果橫向比較，建立行業(yè)間風洞試驗數(shù)據(jù)相關性。另外，一些尚不具備相關性能開發(fā)能力的車輛制造商，也可以借鑒統(tǒng)一試驗標準，建立相關試驗能力，起到推動整體行業(yè)水平提升的作用。

4 展望

汽車風洞試驗室實現(xiàn)了車輛行駛道路環(huán)境模擬，但是實際道路環(huán)境存在自然風、周邊環(huán)境以及交通的影響，風洞試驗室中模擬出的理想條件有一定差異。為進一步提升風洞試驗結果的真實性和可參考性，建立道路試驗和風洞試驗的統(tǒng)一試驗標準，對于汽車風洞試驗標準來說也是非常有必要的。

隨著近幾年“智能汽車”概念的興起，為汽車行業(yè)引入了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術開發(fā)需求。從新形勢下的汽車風洞試驗的發(fā)展發(fā)現(xiàn)，可利用道路環(huán)境模擬能力，進一步提升精度和維度，滿足智能汽車場景化駕駛開發(fā)運用環(huán)境，并建立相應風洞試驗標準。

《中國制造2025》中明確提出了汽車領域開發(fā)低滾阻輪胎、節(jié)能、安全、舒適等性能控制技術、低風阻整車開發(fā)技術、整車智能熱管理等技術發(fā)展目標。同時也將完善標準法規(guī)體系，提升檢測評價能力視為推動汽車產業(yè)發(fā)展的重要途經。整車風洞試驗作為相關性能領域的重要驗證和評價手段，在不斷發(fā)展汽車風洞測試技術，提高試驗效率和準確性，強化環(huán)境模擬精度和維度的同時，進一步細化整車風洞標準體系，以不同性能目標制定分階段和分車型試驗實施標準；加強行業(yè)乃至國際間的共同合作，以風洞相關性試驗數(shù)據(jù)為支撐，并促進風洞技術產業(yè)共同發(fā)展。