某SUV車(chē)型底部氣動(dòng)附件的開(kāi)發(fā)與研究

徐鵬李春花劉鵬劉二寶馮偉

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

某SUV車(chē)型底部氣動(dòng)附件的開(kāi)發(fā)與研究

徐鵬李春花劉鵬劉二寶馮偉

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

以空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析為前期開(kāi)發(fā)工具，以氣壩、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙底護(hù)板為研究對(duì)象，針對(duì)某SUV車(chē)型的空氣動(dòng)力學(xué)附件進(jìn)行了整車(chē)氣動(dòng)性能分析與優(yōu)化，通過(guò)實(shí)車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了氣動(dòng)附件良好的降阻效果。通過(guò)整車(chē)散熱性能試驗(yàn)、阻力滑行試驗(yàn)及高速操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)可知，增加以上氣動(dòng)附件，能夠在滿足整車(chē)散熱性能的同時(shí)降低油耗，提高車(chē)輛的高速操穩(wěn)性能。

1 前言

車(chē)輛的外氣動(dòng)特性，對(duì)整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及操縱穩(wěn)定性有重要影響[1]。由相關(guān)研究可知，空氣阻力所消耗的功率與車(chē)速的三次方成正比，車(chē)輛低速行駛時(shí)，風(fēng)阻所占功率消耗比例不大，車(chē)速較高時(shí)，風(fēng)阻將成為車(chē)輛最主要的阻力[2]，車(chē)輛底部結(jié)構(gòu)對(duì)整車(chē)的風(fēng)阻貢獻(xiàn)僅次于車(chē)身[3]，而在車(chē)型開(kāi)發(fā)后期進(jìn)行車(chē)身造型的修改非常困難。本文基于一款SUV車(chē)型進(jìn)行了氣動(dòng)性能優(yōu)化、風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證及其他相關(guān)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)在車(chē)輛目前狀態(tài)下合理布置氣動(dòng)附件，降低了該車(chē)型整車(chē)風(fēng)阻，提高了車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性。

2 空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 氣壩模型開(kāi)發(fā)與分析

氣壩即車(chē)輛前保險(xiǎn)杠下導(dǎo)流板，其造型是將保險(xiǎn)杠向下擴(kuò)大，形成一個(gè)氣流阻擋裝置，通過(guò)使車(chē)前端更加接近地面，減少通過(guò)車(chē)輛底部的氣流量，同時(shí)可以將亂流引導(dǎo)至車(chē)頭兩側(cè)，提高車(chē)輛行駛穩(wěn)定性。

如圖1所示，從該SUV車(chē)型整車(chē)原狀態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果中看到，車(chē)輛前部部分懸架和護(hù)板處在高速氣流沖擊下，有必要設(shè)計(jì)氣壩裝置。從40～100 mm每隔5 mm設(shè)計(jì)了一組垂向高度不同的氣壩模型，通過(guò)使用CFD分析軟件對(duì)加裝該組不同高度氣壩的SUV車(chē)型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到風(fēng)阻系數(shù)改善量隨氣壩高度的變化規(guī)律如圖2所示，可知高度為80 mm的氣壩對(duì)整車(chē)風(fēng)阻的優(yōu)化效果最為明顯。如圖3所示，在車(chē)頭正前方可以明顯觀察到，80 mm高度的氣壩在基本不增大車(chē)輛正投影面積的基礎(chǔ)上，遮擋了車(chē)輛底部絕大部分的突出部件。

經(jīng)過(guò)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析計(jì)算，從圖4中可以看到，加裝80 mm高度氣壩的車(chē)輛底部氣流只有部分流線受到從發(fā)動(dòng)機(jī)艙向下流出的氣流影響發(fā)生亂流，其余絕大部分氣流能夠平穩(wěn)通過(guò)車(chē)輛底部，與底盤(pán)部件無(wú)沖擊現(xiàn)象發(fā)生。計(jì)算結(jié)果表明，加裝80 mm高度氣壩時(shí)可使整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)降低近0.01。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板的模型開(kāi)發(fā)與分析

發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板具有導(dǎo)流、防護(hù)、降阻、降噪4大功能，對(duì)于輕微碰撞和路面彈起的石子有很好的阻擋作用，且車(chē)輛行駛中一旦拖底，還可以起到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的保護(hù)效果。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等部件，其散熱效率直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[4，5]，因此要在發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱效率給予重點(diǎn)考慮。首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板初版數(shù)字模型的整車(chē)CFD流場(chǎng)分析，確定發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板對(duì)車(chē)輛外部及發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)的影響，通過(guò)仿真分析對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化，待模型在仿真分析環(huán)節(jié)能夠滿足流場(chǎng)性能后，進(jìn)行樣件試制，通過(guò)整車(chē)散熱性能試驗(yàn)驗(yàn)證其是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能要求。

應(yīng)用CFD分析軟件分別對(duì)整車(chē)原狀態(tài)（狀態(tài)1）、加裝無(wú)孔發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板（狀態(tài)2）和加裝開(kāi)孔底護(hù)板（狀態(tài)3）3種狀態(tài)進(jìn)行了流場(chǎng)分析，得到各方案怠速及120 km/h車(chē)速下的分析結(jié)果及截面流量信息，狀態(tài)2、狀態(tài)3整車(chē)風(fēng)阻均比原狀態(tài)減小0.004～0.007，如圖5～圖8所示。

從圖7、圖8中看到，怠速及120 km/h車(chē)速工況下，3種狀態(tài)車(chē)輛的上、下中網(wǎng)及前端模塊附近區(qū)域的流場(chǎng)無(wú)明顯變化；狀態(tài)2與狀態(tài)3由于加裝發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板，將原狀態(tài)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)底部的氣流引導(dǎo)向了發(fā)動(dòng)機(jī)后部，同時(shí)狀態(tài)3由于底護(hù)板存在開(kāi)口，開(kāi)口區(qū)域同樣有少量空氣流出。

由表1得到的數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了圖7、圖8中的流場(chǎng)現(xiàn)象。3種方案對(duì)比可知，車(chē)輛3種狀態(tài)下通過(guò)前端冷卻模塊的風(fēng)量差別不大，加裝底護(hù)板使發(fā)動(dòng)機(jī)后部區(qū)域氣流通過(guò)量增加了120～150 m3/h，且底護(hù)板是否開(kāi)孔對(duì)車(chē)輛120 km/h工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙流量分布影響很?。坏珡牡∷俟r流量分布可知，底護(hù)板開(kāi)口區(qū)域?qū)饬饔猩倭康姆至餍Ч?。因此，為使怠速發(fā)動(dòng)機(jī)艙有更好的散熱性能，底護(hù)板采用開(kāi)孔模式。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)該SUV車(chē)型氣動(dòng)附件對(duì)整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)工況為120 km/h風(fēng)速，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)加移動(dòng)地面，無(wú)側(cè)偏角。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，加裝氣壩后整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)CD降低0.011，俯仰力矩系數(shù)CPM下降0.036，升力系數(shù)CL降低0.066，其中前輪升力系數(shù)CLF降低0.069；原狀態(tài)車(chē)輛前輪升力系數(shù)CLF、后輪升力系數(shù)CLR分別為0.133和0.032，存在較大的升力不均衡問(wèn)題，而增加氣壩在一定程度上削弱了這種不平衡，降低了俯仰力矩，提升了車(chē)輛的高速操縱穩(wěn)定性。

表1 各參考截面流量信息

表2 車(chē)輛原狀態(tài)與加裝氣動(dòng)附件氣動(dòng)性能對(duì)比

加裝發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板后整車(chē)風(fēng)阻能夠減少近0.013，同時(shí)對(duì)整車(chē)升力系數(shù)有少量貢獻(xiàn)，提高了整車(chē)操縱穩(wěn)定性。

4 整車(chē)散熱性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件及工況

在加裝氣壩、發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板后，對(duì)該SUV車(chē)型進(jìn)行了整車(chē)散熱性能試驗(yàn)。試驗(yàn)按照GB/T1 2542-2009《汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》要求在環(huán)境模擬試驗(yàn)室中進(jìn)行。

試驗(yàn)工況如下。

a.最大扭矩工況：手動(dòng)擋模式Ⅱ擋，恒速60km/h，坡度10%。

b.高速爬坡工況：自動(dòng)擋模式D擋，恒速120km/h，坡度6%。

以上工況環(huán)境溫度均為45℃，環(huán)境濕度50%，日照強(qiáng)度1 050 w/m2，車(chē)輛滿載狀態(tài)。

試驗(yàn)開(kāi)始后，以1 s為時(shí)間間隔測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)散熱器進(jìn)水溫度、變速器出油溫度達(dá)到5 min內(nèi)變化小于±2℃，即認(rèn)為整車(chē)達(dá)到熱平衡，該試驗(yàn)結(jié)束。若發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、機(jī)油溫度、變速器油溫超出正常工作溫度或車(chē)輛及試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)異常，則停止該工況試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖9試驗(yàn)結(jié)果可知，以上試驗(yàn)工況下冷卻液溫度不超過(guò)105℃，機(jī)油溫度不超過(guò)130℃，滿足所規(guī)定的冷卻介質(zhì)許用最高溫度要求，同時(shí)，各工況穩(wěn)定后，車(chē)內(nèi)乘客頭部溫度在23～26℃范圍內(nèi)，駕駛室內(nèi)較為舒適（表3），所以冷卻系統(tǒng)散熱性能滿足要求。

表3 駕駛室內(nèi)舒適度劃分級(jí)別°C

注：駕駛室內(nèi)乘員頭部溫度平均值T表示各工況結(jié)束前3 min內(nèi)所有乘員頭部的溫度。

5 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 阻力滑行試驗(yàn)

對(duì)該SUV車(chē)型進(jìn)行了阻力滑行試驗(yàn)，并對(duì)加裝降阻附件（氣壩、發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板）的狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，得到各考察部件對(duì)整車(chē)阻力貢獻(xiàn)量如圖10所示。可知，高速狀態(tài)下，氣壩加發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板的整體降阻方案對(duì)整車(chē)降阻效果明顯；綜合油耗試驗(yàn)顯示，加裝整體降阻方案的綜合油耗降低0.3 L/100 km。

5.2 高速操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)

針對(duì)加裝降阻附件狀態(tài)下該SUV的高速操作性能，進(jìn)行了高速操控穩(wěn)定性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)。通過(guò)與原車(chē)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)對(duì)比測(cè)試，得出如下結(jié)論：

a.高速120 km以上直線行駛穩(wěn)定性提升；

b.高速公路超越大型車(chē)時(shí)晃動(dòng)感大幅減輕；

c.高速公路變換車(chē)道行駛時(shí)，車(chē)體控制能力提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

a.通過(guò)CFD仿真分析可知，80mm高度氣壩降阻效果最佳，其對(duì)流經(jīng)底盤(pán)部分的氣流有很好的整流作用；加裝發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板同樣具有很好的降阻、整流效果。

b.風(fēng)洞試驗(yàn)得到車(chē)輛原狀態(tài)風(fēng)阻系數(shù)為0.363，通過(guò)加裝氣動(dòng)附件（氣壩、發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板）可以將風(fēng)阻系數(shù)降至0.34，同時(shí)降低了車(chē)輛的升力系數(shù)。

c.通過(guò)阻力滑行試驗(yàn)、油耗試驗(yàn)及高速操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證得到，原狀態(tài)車(chē)輛加裝氣壩和發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板能夠降低車(chē)輛高速行駛阻力，綜合油耗降低0.3 L/100km，同時(shí)車(chē)輛的高速操縱穩(wěn)定性得到大幅提高。

經(jīng)過(guò)本次車(chē)底降阻附件的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證，形成了完整的車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)附件性能開(kāi)發(fā)流程，對(duì)后續(xù)車(chē)型相關(guān)部件的開(kāi)發(fā)具有參考價(jià)值。

1熊超強(qiáng)，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬及其誤差分析.汽車(chē)工程，2009，31（3）：274～277.

2陳禮璠，杜愛(ài)民，陳明.汽車(chē)節(jié)能技術(shù).北京:人民交通出版社，2005:82～89.

3袁志群，谷正氣，何憶斌，等.汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)特性影響的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（8）:1832～1836. 4袁俠義，谷正氣，楊易，等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析.汽車(chē)工程，2009，31（9）：843～853.

5曹旭.發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真與試驗(yàn)研究：[學(xué)位研究].上海：上海交通大學(xué)，2008.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Development and Research on Pneumatic Accessories on the Bottom of A SUV

Xu Peng，Li Chunhua，Liu Peng，Liu Erbao，F(xiàn)eng Wei
（Technology Center，Great Wall Motor Co.，Ltd，Hebei Automobile Technology Research Center）

In this paper，we analyze and optimize vehicle pneumatic performance of aerodynamics accessories of a SUV，with aerodynamics simulation analysis as the early development tools，air dam and bottom plate as the object of study.Vehicle wind tunnel test proves that the pneumatic accessories have good drag reduction effect.Then，it is known through vehicle heat dissipation performance test，resistance coasting test and high speed handling stability test that，adding the pneumatic accessories can not only reduce fuel consumption and improve handling stability of the vehicle in high speed driving，but also meet the heat dissipation performance.

SUV,Pneumatic accessory,Wind tunnel test,Heat dissipation performance, Fuel consumption

SUV氣動(dòng)附件風(fēng)洞試驗(yàn)散熱性能油耗

U461.6

A

1000-3703（2014）07-0014-04