Air Dam對整車氣動性能的影響

趙亞芳，尹章順，居小敏，秦 鵬

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

前言

根據(jù)文獻(xiàn)資料，空氣阻力是除燃燒散熱和機(jī)械摩擦損失之外能量消耗的第三主因，占據(jù)整個(gè)車輛能耗約22%[1-3]。利用空氣動力學(xué)理論可以有效提高整車的氣動性能，設(shè)計(jì)出風(fēng)阻更低的車型，而且研發(fā)費(fèi)用比其它方法低很多，所以越來越受到各整車廠的重視[4]。通常情況下，整車底部的布置由于不同零件有不同的準(zhǔn)則，使整車底部的各部件底部高低不平，這會使整車底部的流動變得很復(fù)雜且不穩(wěn)定，對整車的風(fēng)阻系數(shù)有很大的影響，增大整車的風(fēng)阻系數(shù)和油耗。

各大汽車廠商都在尋找有效而低成本的方案來解決該問題，據(jù)此，近年來成本低且有效的air dam方案獲得了廣泛應(yīng)用。該方案是在整車底部的前端添加特殊形狀的部件，能有效改善整車底部的流動，可以降低整車的風(fēng)阻，且能夠提升發(fā)動機(jī)艙冷卻空氣量和前端升力，各國研究人員對其開展了大量的研究[5]。Air dam在國內(nèi)有直譯為“氣壩”；也有根據(jù)其實(shí)際功能直接稱為“前導(dǎo)流板”。圖1示出3種不同的air dam：①前唇下方的細(xì)長條形air dam，目前豐田普銳斯用的就是這種形式，見圖1(a)；②圓弧形環(huán)繞式air dam，這種形式最為常見，見圖1(b)；③兩端和前輪導(dǎo)流板相連的直條形air dam，見圖1(c)。

但是air dam不同結(jié)構(gòu)和不同安裝位置對整車氣動性能和前端進(jìn)氣都有復(fù)雜影響，應(yīng)針對具體車型進(jìn)行詳細(xì)的研究。

本文中通過空氣動力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)研究了air dam的結(jié)構(gòu)和安裝位置的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對整車氣動性能的影響，獲得了其對整車風(fēng)阻系數(shù)和前端進(jìn)氣的影響規(guī)律，獲得了優(yōu)化的air dam結(jié)構(gòu)。

1 Air dam對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

整車的風(fēng)阻包括內(nèi)部風(fēng)阻和外部風(fēng)阻。外部風(fēng)阻包括整車外表面、底盤和后視鏡等附件產(chǎn)生的風(fēng)阻。本文中主要研究外部風(fēng)阻。

1.1 Air dam影響整車風(fēng)阻系數(shù)的原理

通常，air dam位于車輛前端，與格柵相連。Air dam的型線通常由變半徑的圓弧組合而成。安裝air dam前后整車前部的流線和壓力分布見圖2。由圖2可見，未安裝air dam時(shí)，從車底進(jìn)入的氣流中一部分氣流會直接撞擊在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部的零部件(如前橫梁、油底殼、后部艙壁等)的底部，這部分氣流會和從前端進(jìn)來的氣流相互作用，使發(fā)動機(jī)艙后壁的壓力升高而降低前端進(jìn)氣量。當(dāng)車底安裝air dam后，將使從車底進(jìn)入的氣流不再撞擊到發(fā)動機(jī)艙零部件的底部，這樣發(fā)動機(jī)艙后壁無正壓力存在，使通過發(fā)動機(jī)艙內(nèi)零部件氣流的阻力降低。由圖2(c)可見，安裝air dam后，輪胎、前懸架和橫梁處以及發(fā)動機(jī)艙后壁處的壓力降低。

為更好地發(fā)揮air dam的作用，從改善整車風(fēng)阻的角度，希望它越靠前越好。但是，從造型的角度考慮，因它破壞了造型美觀，故又希望它越靠后越好。為平衡兩方面的需求，air dam被設(shè)計(jì)得靠后而且在y方向比較短，在兩側(cè)依靠左右前輪的導(dǎo)流板進(jìn)行補(bǔ)償[6]。

1.2 Air dam位置對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

通過風(fēng)洞試驗(yàn)，研究air dam安裝位置對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。通常，air dam只能被安裝在格柵下方到冷凝器-水箱-風(fēng)扇總成框架之間的范圍內(nèi)，如圖3所示。圖4為研究車型1的air dam安裝位置范圍，它到格柵前端的距離從10mm到450mm；圖5為研究車型2的air dam安裝位置的變化范圍，它到格柵前端的距離從15mm到280mm。

圖6為air dam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，對于車型1，隨著air dam安裝位置的后移，其降低整車風(fēng)阻系數(shù)的作用越來越小。當(dāng)其安裝位置到達(dá)200mm時(shí)，整車風(fēng)阻系數(shù)僅僅降低0.6%。隨著air dam的繼續(xù)后移，當(dāng)其與格柵前端的距離增加到300和450mm時(shí)，整車的風(fēng)阻系數(shù)分別增加1.4%和2.0%。研究車型2也有類似的變化特征。

Air dam的安裝位置對整車的風(fēng)阻系數(shù)影響較大的主要原因是隨著它的向后移動，不僅在輪胎胎面上的壓力分布發(fā)生變化，而且氣流撞擊輪胎胎面的面積增加，導(dǎo)致了風(fēng)阻增加。

1.3 Air dam高度對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

Air dam的高度一方面要滿足路階和接近角的要求，另一方面受到安裝方式和運(yùn)輸方式的影響。Air dam高度對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響如表1所示。

表1 Air dam不同高度對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

從表1中可見，隨著其高度的減小，整車的風(fēng)阻系數(shù)增加。Air dam的高度影響整車風(fēng)阻的原因是：當(dāng)其高度較小時(shí)，氣流直接撞擊到輪胎胎面、流經(jīng)發(fā)動機(jī)和變速器的氣流增加，導(dǎo)致整車風(fēng)阻系數(shù)Cd增加。

1.4 Air dam各參數(shù)對整車風(fēng)阻系數(shù)的綜合影響

從上述研究發(fā)現(xiàn)，air dam高度、形狀和安裝位置對整車風(fēng)阻系數(shù)有不同程度的影響。為優(yōu)化air dam，研究了這3個(gè)參數(shù)對整車風(fēng)阻系數(shù)的綜合影響，結(jié)果如表2所示。

表2 Air dam對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響(車型3)

從表2可以看出，air dam 1方案對降低整車風(fēng)阻系數(shù)最有效，使其降低了5.7%；air dam 2方案次之，使整車風(fēng)阻系數(shù)降低4.9%。Air dam 1和air dam 2的形狀如圖7所示。從圖中可以看出，air dam 1在拐角處比air dam 2外擴(kuò)，在兩端，air dam 1也外擴(kuò)了一些。外擴(kuò)的air dam 1會減少直接打擊在胎面上的氣流，減少了氣流在輪罩內(nèi)部的渦流，使氣流貼著輪胎流向車輛后方，從而減小整車的風(fēng)阻系數(shù)。由表2可見，air dam兩端對風(fēng)阻影響很大，兩端高度減少10mm，整車風(fēng)阻系數(shù)增加0.9%。這是因?yàn)槠鋬啥烁叨鹊臏p少，增加了氣流對輪胎胎面的打擊力度，增加了輪胎胎面的壓力，從而風(fēng)阻增加。另外隨著air dam的安裝位置向后移動，整車風(fēng)阻系數(shù)增加；air dam高度減小，風(fēng)阻增加。

Air dam 3的形狀類似于圖1(c)的air dam加前輪導(dǎo)流板的造型。這種造型是為將air dam后移，air dam 3位于距離格柵前端125mm處，使整車風(fēng)阻系數(shù)僅下降2.3%。因?yàn)檫@種造型導(dǎo)致其拐角處需要內(nèi)縮，如圖7所示。相比air dam 1和air dam 2，拐角處的變化劇烈，對整車風(fēng)阻系數(shù)影響較大。

圖8為車型4設(shè)計(jì)的兩種air dam兩端的截面。表3為air dam對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。從表3中可以看出，車型4的air dam 2降阻效果優(yōu)于air dam 1，這是因?yàn)閍ir dam 2比1的截面更傾斜，這樣的造型可以有效引導(dǎo)氣流，防止氣流撞擊底盤的凸起部位。

序號airdam整車風(fēng)阻系數(shù)變化百分比/%說明1airdam1，高度50mm-31基準(zhǔn)安裝位置2airdam2，高度50mm-43基準(zhǔn)安裝位置

比較圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，air dam的邊緣對風(fēng)阻系數(shù)的影響較大，因?yàn)檫@一部分影響到了輪胎表面的壓力。

2 Air dam對整車前端進(jìn)氣的影響

在整車上安裝air dam后，其導(dǎo)流作用會減少流過車輛底部的氣流，然而卻增加了流經(jīng)冷凝器-水箱-風(fēng)扇總成的氣流。

2.1 Air dam安裝位置對整車前端進(jìn)氣的影響

Air dam不同安裝位置對整車前端進(jìn)氣的影響如表4所示。隨著air dam向車后方向的移動，前端進(jìn)氣量也逐漸減少，當(dāng)它安裝在離格柵前端+450mm處時(shí)，前端進(jìn)氣量減少了0.9%，影響較小。這是因?yàn)楫?dāng)air dam向后移動時(shí)，由于其導(dǎo)流作用經(jīng)過散熱器前后的壓差變化不大，導(dǎo)致前端進(jìn)氣量變化小。

表4 Air dam安裝位置對整車前端進(jìn)氣的影響

2.2 Air dam高度對整車前端進(jìn)氣的影響

Air dam高度對整車前端進(jìn)氣的影響如表5所示。從表5可以看出，開始時(shí)air dam高度的減小對前端進(jìn)氣影響較小。隨著其高度的進(jìn)一步減小，前端進(jìn)氣也進(jìn)一步減少。當(dāng)air dam高度減小到30mm時(shí)，進(jìn)氣量減少2.1%。這是因?yàn)楫?dāng)air dam高度減小到一定程度時(shí)，使經(jīng)過車輛底部的氣流增加，減少了進(jìn)入散熱器的氣流量。

表5 Air dam高度對整車前端進(jìn)氣的影響

2.3 主動式air dam

目前，已有汽車廠家采用主動式air dam，其高度可隨車速而變化。當(dāng)車輛低速行駛時(shí)，air dam收起；當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，air dam升高而起到降低整車風(fēng)阻系數(shù)的作用。

3 結(jié)論

為進(jìn)一步提高整車氣動性能，降低油耗，通過空氣動力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)，本文中詳細(xì)研究了air dam的結(jié)構(gòu)和安裝位置等諸多參數(shù)對整車氣動性能和前端進(jìn)氣的影響，獲得如下結(jié)論。

(1) Air dam的安裝位置和高度都對整車的風(fēng)阻系數(shù)影響較大，在滿足造型要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量將其安裝位置前移。在滿足路階和接近角要求的情況下，盡可能增加air dam的高度。

(2) Air dam邊緣處的結(jié)構(gòu)對整車風(fēng)阻系數(shù)也有一定影響。整車風(fēng)阻系數(shù)對air dam拐角處的形狀非常敏感，需要精心設(shè)計(jì)。Air dam靠近輪胎附近的兩端也非常敏感，在滿足路階要求的情況下，盡量增加此處的高度。

(3) 與安裝位置相比，air dam的高度變化對整車前端進(jìn)氣影響較大，應(yīng)盡可能增加其高度。

(4) 主動式air dam離地高度可調(diào)，主要在車輛高速行駛時(shí)起作用，這樣其離地高度就不再是主要的影響因素。

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