前輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

陸飛龍

(上汽集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

原創(chuàng)

前輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

陸飛龍

(上汽集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

以某中大型SUV車型為例，為了盡可能降低整車風(fēng)阻系數(shù)，根據(jù)空氣動力學(xué)原理，借助虛擬仿真手段研究了不同尺寸及形狀的前輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。研究表明，前輪阻風(fēng)板的結(jié)構(gòu)對整車風(fēng)阻系數(shù)非常敏感。相比于傾斜的阻風(fēng)板，豎直的阻風(fēng)板通?？梢垣@得更低的風(fēng)阻系數(shù)。阻風(fēng)板的尺寸對整車風(fēng)阻系數(shù)同樣非常重要。

空氣動力學(xué)風(fēng)阻系數(shù)前輪阻風(fēng)板

0 前言

研究表明，汽車空氣阻力占整個車輛能耗的22%左右，它是除了燃料燃燒散熱及機(jī)械摩擦損失之外的第三大能耗[1]。合理利用空氣動力學(xué)原理可以有效地提高整車的空氣動力性能，使設(shè)計出的車型具有更低的風(fēng)阻，而且研發(fā)費用相比其他的節(jié)能手段更低，因此越來越多的整車廠開始重視整車空氣動力學(xué)性能。一般情況下，車輪在車底部有一半暴露在車身外，且離地間隙越大車輪外露越多，車輛高速行駛時，高速氣流直接沖擊車輪，在車輪上產(chǎn)生很大的正壓力，增大了整車阻力，導(dǎo)致油耗增加[2]。

各大整車廠都在努力尋找有效且成本較低的優(yōu)化方案來降低整車風(fēng)阻，其中前輪阻風(fēng)板成本低且效果明顯，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[3]。此方案就是在車輪前部增加特殊形狀的部件，從而有效改善車輪前部氣流流動，可有效降低整車風(fēng)阻。前輪阻風(fēng)板也有叫前保下?lián)醢澹拘螤钊鐖D1所示。

考慮到前輪阻風(fēng)板的不同結(jié)構(gòu)和安裝位置對整車空氣動力學(xué)的影響非常復(fù)雜，應(yīng)該針對具體車型進(jìn)行詳細(xì)的研究。本文主要通過仿真計算模似手段，研究了不同的前輪阻風(fēng)板結(jié)構(gòu)和安裝位置等主要參數(shù)對整車空氣動力學(xué)性能的影響，獲得了其對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響規(guī)律，得到了優(yōu)化的前輪阻風(fēng)板結(jié)構(gòu)。

1 仿真計算模型與邊界條件

整車空氣動力學(xué)性能分析的模型包括車身外表面、前端冷卻模塊、發(fā)動機(jī)和艙零件、底盤零件等幾乎所有外部氣流經(jīng)過區(qū)域的零部件。整車網(wǎng)格劃分中，車身外表面包含7層邊界層網(wǎng)格，對車身周圍、后視鏡、風(fēng)窗蓋板等氣流易分離的區(qū)域分別進(jìn)行了不同程度的加密，最終得到4 000萬個整車網(wǎng)格。

圖2 計算模型網(wǎng)格

本次計算選用的車速為120 km/h，即風(fēng)洞速度入口條件120 km/h，地面及風(fēng)洞壁面均采用無滑移的對稱條件，風(fēng)洞出口為壓力出口，冷卻模塊采用多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬，其中粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)均由試驗數(shù)據(jù)擬合而成。

2 前輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

整車風(fēng)阻主要包括外部風(fēng)阻和內(nèi)部風(fēng)阻，其中外部風(fēng)阻主要由車身外表面、底盤、車輪、后視鏡等組成。本文主要研究外部風(fēng)阻。

2.1 前輪阻風(fēng)板影響整車風(fēng)阻系數(shù)的原理

前輪阻風(fēng)板通常位于車輪前方，有平直的矩形面也有變半徑的弧組成。未安裝前輪阻風(fēng)板時整車前部特別是車輪前部的流線及壓力分布見圖3。由圖3可知，未安裝前輪阻風(fēng)板時，前端氣流直接沖擊車輪，氣流速度迅速衰減，動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，從而在車輪前部形成很大的正壓區(qū)，進(jìn)而整車氣動阻力明顯增大。另外，前輪阻風(fēng)板還可以起到一部分空氣阻尼的作用，減少氣流對底盤零件的沖擊，也對整車降阻起到一定的作用。

圖3 無前輪阻風(fēng)板時車輪截面氣流及胎面壓力分布

如圖4所示，當(dāng)車輪前安裝了阻風(fēng)板后，車頭前端的高速氣流由于阻風(fēng)板的遮擋和導(dǎo)流，不再直接沖擊車輪，車輪前端的正壓區(qū)明顯減小，整車氣動阻力也有所降低。

圖4 無前輪阻風(fēng)板時車輪截面氣流及胎面壓力分布

為了進(jìn)一步研究前輪阻風(fēng)板的作用，探索不同結(jié)構(gòu)形式的阻風(fēng)板結(jié)構(gòu)對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，并且還要滿足造型及接近角等條件，因此針對不同類型的車輛，分析前輪阻風(fēng)板不同參數(shù)對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響顯得非常重要。

2.2 前輪阻風(fēng)板不同安裝位置對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

通過仿真模擬及風(fēng)洞試驗手段研究前輪阻風(fēng)板安裝位置對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。如圖5所示，前輪阻風(fēng)板的安裝位置距離車輪前端面距離范圍為160～240 mm。

圖5 不同安裝位置前輪阻風(fēng)板

圖6為前輪阻風(fēng)板不同安裝位置對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。從圖6中可以看出，隨著前輪阻風(fēng)板遠(yuǎn)離車輪，其對整車風(fēng)阻系數(shù)的作用先是有所增大，后逐漸減小，當(dāng)其位置距離前輪前端面240 mm時，整車風(fēng)阻系數(shù)增加了0.002。

圖6 前輪阻風(fēng)板不同安裝位置對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

前輪阻風(fēng)板安裝位置對整車風(fēng)阻系數(shù)影響較大的原因主要是隨著其向車頭方向移動，氣流撞擊輪胎的面積逐漸減小，但是阻風(fēng)板本身受到前端氣流的正壓力逐漸增大，當(dāng)阻風(fēng)板本身受到的壓力大于輪胎及相關(guān)零件壓力減小值時，整車風(fēng)阻系數(shù)就會出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

2.3 前輪阻風(fēng)板的形狀對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

由于汽車行駛中，前端氣流高速撞擊前輪阻風(fēng)板，使得阻風(fēng)板本身受到一定的阻力，通過改變阻風(fēng)板迎風(fēng)面的形狀，特別是邊界部分的形狀(弧度)，對作用在阻風(fēng)板上的氣流流動，以及對車輪阻力的影響也會有所不同。如圖7為3種不同前端形狀的前輪阻風(fēng)板和車輪的相互關(guān)系的俯視圖。表1為3種前輪阻風(fēng)板對應(yīng)的計算結(jié)果。

圖7 不同界面形狀的前輪阻風(fēng)板

序號阻風(fēng)板形式風(fēng)阻系數(shù)變化1無阻風(fēng)板02阻風(fēng)板邊界無拐角-0.0063阻風(fēng)板邊界大曲率拐角-0.0054阻風(fēng)板邊界小曲率拐角-0.009

從表1可以看出，對于研究的某SUV車型，前輪阻風(fēng)板可以有效降低整車風(fēng)阻系數(shù)，但是隨著阻風(fēng)板橫截面(迎風(fēng)面)形狀的變化，經(jīng)過阻風(fēng)板的氣流也有所不同。當(dāng)阻風(fēng)板邊界無拐角(圖7(a))，氣流有效遮擋了撞擊車輪的氣流，但由于整個阻風(fēng)板前端面均為氣流駐點，作用于阻風(fēng)板本體上的氣動阻力相對較大。當(dāng)阻風(fēng)板邊界大曲率拐角(圖7(b))，由于阻風(fēng)板邊界有部分曲面，前端氣流撞擊至阻風(fēng)板后，部分氣流由于曲面部分的導(dǎo)流而減速較小，從而使得作用域阻風(fēng)板上的氣動阻力略小于阻風(fēng)板邊界無拐角,但是流過阻風(fēng)板曲面后的氣流直接撞擊到了車輪，使得車輪所受空氣阻力有所增加。而阻風(fēng)板大曲率拐角與小曲率拐角情況相似，截面有部分曲面，部分氣流沿著曲面部分高速通過阻風(fēng)板，對于阻風(fēng)板的作用力相對較小(圖7(c))。另外，由于阻風(fēng)板的邊界拐角曲率較小時，流經(jīng)阻風(fēng)板的氣流基本繞開了車輪，未對車輪增加額外氣動阻力，所以對應(yīng)的減阻效果最明顯。

2.4 前輪阻風(fēng)板安裝角度對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

目前，絕大部分車輛所安裝的前輪阻風(fēng)板都是豎直安裝，從外觀來說不算美觀，本文研究了幾種不同安裝角度且不同結(jié)構(gòu)的前輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。圖8為幾種不同的前輪阻風(fēng)板結(jié)構(gòu)形式。

圖8 不同安裝形式的前輪阻風(fēng)板

3種形式的阻風(fēng)板對應(yīng)的氣流形式如圖9所示，可以看出，當(dāng)阻風(fēng)板豎直時，氣流撞擊阻風(fēng)板后方向朝地面方向流動，且速度衰減明顯，無明顯氣流沖擊車輪。當(dāng)阻風(fēng)板向后傾斜，氣流遇到傾斜的阻風(fēng)板后沿著阻風(fēng)板向斜后方流動，對阻風(fēng)板沖擊力度較小，但經(jīng)過導(dǎo)流的空氣速度很高，并有部分沖擊到車輪，對車輪影響較大。當(dāng)采用陰風(fēng)板向后傾斜+翻邊的定裝形式時，可以看出，氣流被向下引導(dǎo)，沖擊車輪的氣流有所減少，但相較于僅采用阻風(fēng)板向后傾斜的情況，阻風(fēng)板所受沖擊有所增大。表2為不同阻風(fēng)板形式車輪及阻風(fēng)板受力及對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。

圖9 流經(jīng)阻風(fēng)板及車輪的氣流矢量圖

2.5 前輪阻風(fēng)板尺寸對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

前輪阻風(fēng)板的尺寸對風(fēng)阻系數(shù)也有一定影響。如圖10所示，減小了阻風(fēng)板的高度和寬度后，整車風(fēng)阻系數(shù)的影響如表3所示。

表2 阻風(fēng)板不同形狀對阻風(fēng)板、輪胎受力及整車風(fēng)阻系數(shù)影響

圖10 不同尺寸的前輪阻風(fēng)板

序號阻風(fēng)板形式風(fēng)阻系數(shù)變化1基準(zhǔn)阻風(fēng)板豎直02阻風(fēng)板下邊減小10mm+0.0013阻風(fēng)板下邊減小10mm寬度減小30mm+0.003

從表3可以看出，前輪阻風(fēng)板高度減小后，整車風(fēng)阻系數(shù)略有增大，主要因為阻風(fēng)板高度減小后，氣流沖擊到輪胎的量有所增大；阻風(fēng)板寬度減小之后，減少了其對底盤凸起零件的保護(hù)，氣流沖擊到復(fù)雜的底盤零件，從而使得整車風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)一步增大。

3 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高整車氣動性能，降低整車風(fēng)阻系數(shù)，從而通過仿真模擬計算及部分風(fēng)洞試驗的手段，詳細(xì)研究了前輪阻風(fēng)板的不同特征參數(shù)對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，得出的結(jié)論如下：

(1)前輪阻風(fēng)板相對于車輪的位置對整車風(fēng)阻系數(shù)有較大影響，但并非越近越好，也非越遠(yuǎn)越好，其安裝位置需要根據(jù)不同車型的特點進(jìn)行仔細(xì)選擇。

(2)前輪阻風(fēng)板的截面形狀對整車風(fēng)阻系數(shù)也有一定影響，特別是邊界拐角形式，可以無拐角，但如果有拐角則需要考慮拐角的曲率，盡量避免引導(dǎo)氣流沖擊車輪輪胎。

(3)前輪阻風(fēng)板傾斜可以減小阻風(fēng)板的風(fēng)阻，但是卻不一定能降低整車風(fēng)阻，本文所研究的阻風(fēng)板傾斜后反而因?qū)饬鞯膶?dǎo)向不當(dāng)，增加了整車風(fēng)阻。所以阻風(fēng)板的安裝角度需要仔細(xì)研究，其對整車風(fēng)阻系數(shù)十分敏感。

(4)在考慮減少氣流沖擊車輪的同時，還需要考慮前輪阻風(fēng)板對底盤零件的作用，必要時可以結(jié)合空氣阻尼一起設(shè)計。

[1] Yohan Jung, Jehyun Baek. A numerical study on the unsteady flow behavior and the performance of an automotive sirocco fan [J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008, 22(10)：1889-1895.

[2] 傅立敏. 汽車空氣動力學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] Howell J. Shape and drag euromotor international short course using aerodynamics to improve the properties of cars[C]. FKFS,Stuttgart, 1998.