摘要
汽车在风洞内进行气动力测试时，由于车身姿态与实际道路状态不同，导致所测气动数据与真实数值存在差异。本文通过使用风洞天平系统的“浮动模式”来模拟车辆在道路上的实际车身姿态的方法，测试了9台不同车辆在初始固定姿态、车轮转动姿态和实际道路姿态下的车身姿态数据和气动性能数据，分析了车轮转动和气动升力/力矩对于车身姿态和气动性能的影响，给出了缩小风洞测试数据与实际道路测试数据差异的建议。
汽车在配备五带式天平及路面模拟系统的整车风洞内进行气动六分力测试时，需通过裙边约束系统将天平的测力部分与车辆连接为一个整体进行测量，起到固定车辆三个方向的自由度及传递受力的作用。裙边约束装置主要由夹持裙边的夹具与连接天平的撑杆组成。传统的测力天平，裙边约束装置为“固定”式，即夹具与撑杆在测试中距离风洞实验室地面的高度为恒定值，车辆在测试过程中，按照设定好的固定车身姿态进行测试，在此状态下车辆的悬架系统不起作用，车身姿态在整个测试过程中不会产生变化。
汽车在实际道路上滑行进行气动力测试时，悬架系统起作用，车身姿态随外部激励产生变化。假设道路平坦光滑，则车身姿态主要受两方面的影响，一是车轮高速旋转导致轮胎的转动半径增大，车身上浮；二是受到气动升力及升力矩的影响，车身姿态上下起伏，俯仰及侧倾。
根据上述分析，汽车在风洞内进行气动力测试时，车身姿态与实际道路状态存在一定的差异，这就导致所测气动数据与真实数值存在差
本文旨在研究真实的道路车身姿态与风洞内姿态的差异，分析影响姿态的因素以及模拟道路姿态与风洞固定姿态下，车辆气动力测试结果的差异。
本文使用中国汽车技术研究中心有限公司气动声学风洞的高精度天平及移动路面系统，在风洞中模拟实际道路车身姿态。该天平系统具有“浮动模式”测试功能，其裙边约束装置可释放车辆的Z向自由度，使车辆自身悬架系统处于工作状态，并可在此状态下进行气动六分量的精准测量，同时裙边约束系统与车辆裙边连接点距风洞地面的Z向高度数据也实时被记录。
在浮动模式下，风洞不起风的状态转动车轮至指定车速，这时车身会上浮，记录裙边约束系统撑杆的Z向高度，与车轮静止状态撑杆Z向高度进行对比，可以得到单纯车轮转动情况下，车身姿态的变化量。在此状态下，叠加风洞起风的状态，则车身姿态受气动升力及升力矩产生的变化量，也可以被单独分离出来。
图 1 裙边约束撑杆Z向高度随测试时间变化
Fig.1 RPRS Z-height position varies against time
所有测试车辆均为量产车，轮胎充气至厂商指定胎压，按照T/CSAE 146－202
（1） 将加载后的测试车辆与天平进行连接固定，对齐车辆中轴线与风洞中轴线，天平撑杆设置为浮动模式，车轮低速转动（5 km/h）至车身姿态稳定后停止转动，记录此时的撑杆Z向位置，此为初始车身姿态。
（2） 天平撑杆继续设置为浮动模式，风洞不起风，车轮转动达到相应速度（80、100、120、140 km/h）并维持1 min以上，稳定后记录各速度下撑杆Z向位置。
（3） 进行偏航角0°下的风速扫略（80、100、120、140 km/h），分别测试车辆下列状态下的气动六分量： ①初始车身姿态（撑杆固定模式）； ②不起风状态记录的车轮转动状态下的车身姿态（撑杆固定模式），也称车轮转动姿态； ③浮动车身姿态（撑杆浮动模式，记录相应速度下的撑杆Z向位置），也称模拟道路姿态。
（4） 固定风速为120 km/h，分别测试车辆偏航角为-10°、-20°、-30°时下列状态下的气动六分量： ①不起风状态记录的车轮转动状态下的车身姿态（撑杆固定模式）； ②浮动车身姿态（浮动模式，记录撑杆位置）。
由
| 车辆类型 | 工况 | 80 km/h | 100 km/h | 120 km/h | 140 km/h |
|---|---|---|---|---|---|
| 两厢轿车 | 车轮转动 | 128.45 | 128.88 | 129.65 | 130.45 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 128.94 | 129.70 | 130.95 | 132.34 | |
| 小型SUV | 车轮转动 | 162.36 | 163.00 | 163.74 | 164.28 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 162.93 | 164.20 | 164.96 | 165.92 | |
| 紧凑型SUV | 车轮转动 | 113.17 | 113.66 | 113.95 | 114.86 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 113.82 | 114.03 | 115.03 | 116.18 | |
| SUV1 | 车轮转动 | 200.63 | 201.34 | 202.09 | 202.86 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 201.13 | 201.37 | 202.09 | 203.03 | |
| SUV2 | 车轮转动 | 226.80 | 227.52 | 228.12 | 228.84 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 228.14 | 228.46 | 229.36 | 230.28 | |
| 电动SUV | 车轮转动 | 170.32 | 170.87 | 171.50 | 172.26 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 170.80 | 171.11 | 171.70 | 172.13 | |
| 溜背轿车 | 车轮转动 | 76.96 | 77.54 | 78.23 | 78.99 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 77.69 | 78.19 | 78.87 | 80.03 | |
| 电动性能车 | 车轮转动 | 86.46 | 87.06 | 87.69 | 88.61 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 87.23 | 87.46 | 88.07 | 89.01 | |
| 性能车 | 车轮转动 | 78.73 | 78.95 | 79.25 | 79.61 |
|
车轮转动+ 风洞起风 | 78.88 | 79.14 | 79.45 | 79.85 |
注： 表中撑杆高度数据为四个撑杆的算数平均值。
随着车轮转动，可以发现，所有试验车辆的车身姿态均上浮：在140 km/h时，一般车辆上浮幅度在3~4 mm左右；而高性能车辆上浮幅度稍低，在2~3 mm左右（见
图 2 纯车轮转动状态下前后轴撑杆位置（V=140 km/h，Y=0为车辆原始姿态撑杆位置）
Fig. 2 F/R RPRS strut position due to wheel rotation (V=140 km/h, Y=0 for original RPRS strut position)
因大部分的车辆前后轴上浮幅度是不均等的，故会带来正投影面积A的改变，所以在分析气动阻力影响时本文以Cd（A）的变化量为依据，而非传统的Cd，这样可以避免正投影面积A变化带来的影响。所有试验车辆在车身姿态上浮条件下，车辆Cd（A）相比于初始车身姿态测得的数值均增大（见
图 3 车轮转动姿态对比初始固定姿态气动阻力的变化量（V=140 km/h）
Fig. 3 Cd（A） variation due to ride height, wheel rotation vs. original (V=140 km/h)
在纯车轮转动姿态下，试验车辆的气动升力系数CL相比于初始车身姿态测得的数值普遍有轻微的增大趋势，除了紧凑型SUV有明显增大及电动性能车出现了减少。
叠加升力对姿态的影响后，车身姿态已接近实际道路滑行姿态，可以看出根据前/后轴升力的差异及俯仰力矩的正/负，车身姿态呈现出不同的变化趋势（见
图 4 模拟道路姿态（虚线）及车轮转动姿态（实线）前/后轴撑杆位置（V=140 km/h）
Fig. 4 F/R strut position, simulated road ride height (dashed line) vs. wheel rotation ride height (solid line) （V=140 km/h）
对比模拟道路姿态和纯车轮转动姿态下的气动阻力，可以发现气动阻力的变化呈现不止一种的趋势（见
图 5 初始状态（Y=0）、车轮转动姿态和模拟道路姿态下的Cd（A）变化量（V=140 km/h）
Fig. 5 Cd（A） variation due to ride heights: original vs. wheel rotation vs. simulated road (V=140 km/h）
| 前轴升力CLF | 后轴升力CLR | 俯仰力矩CPM | |
|---|---|---|---|
| 两厢轿车 | 0.02 | 0.16 | -0.07 |
| 小型SUV | 0.06 | 0.02 | 0.02 |
| 紧凑型SUV | 0.03 | 0.07 | -0.02 |
| SUV1 | 0.13 | -0.05 | 0.09 |
| SUV2 | 0.01 | 0.08 | -0.04 |
| 电动SUV | 0.01 | 0.07 | -0.03 |
| 溜背轿车 | 0.15 | 0.03 | 0.06 |
| 电动性能车 | -0.12 | 0.17 | -0.15 |
| 性能车 | 0.12 | -0.07 | 0.10 |
对比模拟道路姿态和初始姿态的气动阻力，则模拟道路姿态下所有试验车辆测得的Cd（A）相比于初始姿态均增大，表明在风洞中使用传统的裙边撑杆固定模式测得的气动阻力数值小于实际道路滑行的数值。
对比模拟道路姿态和纯车轮转动姿态下的气动升力（见
图 6 初始状态（Y=0）、车轮转动姿态和模拟道路姿态下的CL变化量（V=140 km/h）
Fig. 6 CL variation due to ride heights: original vs. wheel rotation vs. simulated road (V=140 km/h）
对比模拟道路姿态和初始车身姿态下的气动升力，两厢轿车、小型SUV、SUV2、电动SUV、电动性能车的升力减小，其余车辆增大。
车辆在风洞中的偏航状态下，撑杆浮动模式相比于固定模式的车身姿态呈现出较大的变化。以（V=120 km/h、偏角=－30°工况为例，
图 7 撑杆变化量 浮动模式对比固定模式（单位：mm； V=120 km/h、偏角=－30°）
Fig. 7 RPRS strut variation: floating vs. fixed (Unit: mm; V=120 km/h, AoA=－30°)
大部分试验车辆在浮动模式侧倾状态下的气动六分量相比固定模式下有较大变化（见
图 8 气动阻力/升力/侧向力变化量浮动模式对比固定模式（单位：count； V=120 km/h，偏角=－30°）
Fig. 8 Cd（A）, CL, CS variation due to ride heights: floating vs. fixed (Unit: count; V=120 km/h, AoA=－30°）
图 9 气动侧倾/俯仰/横摆力矩变化量浮动模式对比固定模式（单位：count； V=120 km/h，偏角=－30°）
Fig. 9 CRM, CPM, CYM variation due to ride heights: floating vs. fixed (Unit: count; V=120 km/h, AoA=－30°）
值得一提的是，在试验车辆中，性能车在大角度偏航的状态下，车身上浮及侧倾量均很小，导致其气动六分量没有出现较大的变化，推测其原因是悬架系统调教得比较硬，悬架行程较短，亦或者有更全面更完善的气动设计，使其在大偏航状态仍可以维持其原本的气动性能。
车辆的车身姿态随车轮转动而上浮，在不考虑升力影响的情况下，上浮高度与车速（轮胎转速）成正比，前置发动机的车辆前轴上浮幅度大于后轴，质量分配均匀的性能车辆前后轴上浮较平均。
单纯考虑车轮转动带来的影响，气动阻力增大，在叠加气动升力及俯仰力矩对姿态的影响后，根据车辆不同，气动阻力增大的趋势会加剧或减缓，但模拟道路姿态测试的气动阻力始终高于初始固定姿态，表明在风洞中使用传统固定模式测得的气动阻力数值小于实际道路滑行的数值。
模拟道路姿态测试气动升力变化趋势与车辆造型相关，但总体符合以下趋势：车身姿态上浮，升力增大；车身姿态前倾，升力减小；车身姿态后仰，升力增大。
偏航状态下，模拟道路姿态与固定姿态之间车身姿态差异较大，车辆出现侧倾，导致气动六分力差异大。悬架较硬或较短的车辆，或整车气动设计较好的车辆，在偏航时姿态变化较小，有利于维持原本的气动性能。
进行气动阻力测试及风洞法道路载荷测
对于前轴/后轴升力分布不平衡的车辆，推荐使用浮动模式进行测试。
验证主动格栅、主动尾翼、空气悬架等随车速变化的主动装置的气动改善效果时，应注意其不仅仅带来气动六分量的变化，还会改变车辆的姿态，带来更进一步叠加或减弱的气动效果，可在浮动模式下进行验证。
使用风洞评估车辆在大偏航角（横风）状态的气动特性时，推荐使用浮动模式，以便更好的与实际道路（如：侧风试验路）的试验结
参考文献
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