節(jié)能車車身與車架設(shè)計分析

米俊松，江鵬飛，王建美，齊 芳 Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

節(jié)能車車身與車架設(shè)計分析

米俊松，江鵬飛，王建美，齊 芳
Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

（武漢華夏理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）

節(jié)能車通過減小空氣阻力，結(jié)構(gòu)材料輕量化來達(dá)到節(jié)能的目的，主要介紹節(jié)能車車身車架的總體設(shè)計思路和方案，車身方面首先從空氣動力學(xué)理論入手，盡可能減小風(fēng)阻系數(shù)，然后通過軟件建模把車身導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到有良好空氣動力學(xué)性能的車身；車架方面首先從幾種基本車架形式入手，多方面考慮選取最優(yōu)方案并完成建模，然后導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析，設(shè)計出符合節(jié)能車性能要求的輕質(zhì)量車架。

節(jié)能車；車身；車架；空氣動力學(xué)

0 引 言[1]

隨著社會不斷發(fā)展，能源不斷枯竭，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)今社會面臨的重要問題。石油儲備的急劇減少預(yù)示著節(jié)能是現(xiàn)今汽車發(fā)展的必然趨勢。車身車架作為阻力及能耗的主要部件，是節(jié)能車的主要研究內(nèi)容，研究了節(jié)能車的車身和車架設(shè)計，以獲得良好的空氣動力學(xué)性能和使結(jié)構(gòu)輕量化，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性、汽車操縱穩(wěn)定性和安全性等。通常發(fā)動機(jī)近60％的功耗用來克服行駛阻力，其中空氣阻力占據(jù)主要部分，因此對車輛的空氣動力學(xué)探究是節(jié)能的重要方向。

1 節(jié)能車車身設(shè)計分析

1.1 車身外形設(shè)計理論分析

車輛在行駛中，推動前方的氣流，車頭部分氣流運動速度減慢，使車頭部分壓力升高，同時這部分氣流會向車身四周分散，為了實現(xiàn)車頭部分氣流的良好疏導(dǎo)，應(yīng)減小車頭的迎風(fēng)面積，車頭迎風(fēng)區(qū)設(shè)計應(yīng)圓滑平順，減小阻力并引導(dǎo)氣流[1]。車尾部分某些區(qū)域氣流無法填補，使該區(qū)域形成真空區(qū)，真空區(qū)的壓力較小，車頭、車尾形成了壓力差，產(chǎn)生氣動阻力，為減小真空區(qū)，車尾的設(shè)計應(yīng)盡可能小，類似于水滴的形狀。由于氣流進(jìn)入車身內(nèi)部后參與內(nèi)循環(huán)并冷卻形成內(nèi)循環(huán)阻力，為減少空氣進(jìn)入車身內(nèi)部，應(yīng)選擇全包圍車身，因為全包圍車身相比半包圍車身具有更小的風(fēng)阻系數(shù)。

1.2 車身建模

結(jié)合空氣動力學(xué)理論和車架參數(shù)進(jìn)行車身建模，車身外形設(shè)計類似于水滴形狀，采用CATIA自由曲面結(jié)合創(chuàng)成式曲面設(shè)計進(jìn)行車身建模，先由3D曲線構(gòu)建整車線條，再結(jié)合曲面橋接、填充等命令形成曲面，為達(dá)到車身光潔度和曲面連續(xù)性要求，需要確保大多數(shù)面都達(dá)到G1、G2連續(xù)。采用全包圍車身，如圖1所示。

圖1 車身外形圖

1.3 計算域的生成和網(wǎng)格劃分

使用有限元分析軟件，通過ICEM-CFD軟件建立車身外流場計算域和劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計算，得到車身周圍流速以及壓力的分布情況，優(yōu)化和驗證設(shè)計結(jié)果。

將CATIA模型導(dǎo)入ICEM-CFD，建立流場流體域，氣流在車身周圍一定范圍之外不受車身影響，根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果，流體域一般為9倍車長、5倍車高、6倍車寬的一個長方體形狀。從流體域邊界設(shè)置氣流進(jìn)口和出口作為流體的入口和出口邊界[2]。因為節(jié)能車的車輪內(nèi)包，而且尺寸小，對氣流的影響較弱，所以在建立模型時忽略車輪，整車離地間隙60 mm。計算域建立完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實現(xiàn)主流區(qū)域離散化。網(wǎng)格分為面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，面網(wǎng)格用來描述物體表面特征，體網(wǎng)格用于填充實體區(qū)域。網(wǎng)格劃分質(zhì)量對求解精度的影響很大，一般要對車身周圍和地面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，面與面角度較小的面網(wǎng)格設(shè)置較小以提高求解精度。流體域的劃分結(jié)果如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)為485 531，節(jié)點數(shù)為113 412，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，保證仿真結(jié)果有意義（網(wǎng)格質(zhì)量必須大于0.1）。

圖2 流體域網(wǎng)格劃分

1.4 外流場的仿真分析

網(wǎng)格劃分完成后，導(dǎo)入Fluent，節(jié)能車的平均車速為25 km/h，周圍氣流馬赫數(shù)小于0.3屬于不可壓縮空氣動力學(xué)范疇，選擇SST-湍流模型，該模型可應(yīng)用于粘性內(nèi)層，通過壁面函數(shù)可精確模擬邊界層，設(shè)置進(jìn)口速度為8 m/s，選用2階迎風(fēng)離散格式?？刂品匠淘O(shè)置完成后進(jìn)行計算，設(shè)置迭代步數(shù)，一般設(shè)置為300步可以完成計算，得到穩(wěn)定的曲線圖，計算結(jié)果收斂。車身表面壓力云圖及速度矢量圖如圖3、圖4所示。

圖3 車身表面壓力云圖

圖4 車身表面速度矢量圖

由圖3和圖4可知，氣流到達(dá)車頭部分，速度迅速下降，形成駐點壓力最大。隨后氣流沿駐點向車身周圍擴(kuò)散，車身上部氣流逐漸加速，壓力逐漸減小。在車頭兩側(cè)，氣流流速快，形成較大負(fù)壓，氣流到達(dá)車身頂部速度達(dá)到最大，然后速度逐漸減小并在尾部與車身底部的氣流匯合，壓力逐漸增大。因為車身尾部壓力相比車頭部分較小，形成壓力差，產(chǎn)生壓差阻力。對車身進(jìn)行合理設(shè)計，增加氣流到達(dá)車頭后的流速，減小空氣阻力。由圖3可知，車頭駐點區(qū)域較小，氣流在車身表面和尾部并未發(fā)生較大分離，車頭、車尾形成的壓差阻力小。分析可得，車身在8 m/s進(jìn)口速度下受到空氣阻力為2.3 N。

2 車架設(shè)計

2.1 車架類型分析

車架是整輛節(jié)能車的載體，參照近幾年節(jié)能車車架樣式，主要分為4種。

1）梯形車架。

在賽場上大部分車隊都使用該種車架，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、便于加工、小巧輕便、造型美觀[3]。

2）空間車架。

優(yōu)點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，車架強(qiáng)度高、剛度大；缺點是車架質(zhì)量較重，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜[4]。

3）碳纖維單體殼。

優(yōu)點是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，車身車架一體；缺點是加工極其復(fù)雜，造價昂貴。

4）小型賽車車架。

類似于卡丁車車架，優(yōu)點是強(qiáng)度高、造型美觀；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜且過于笨重，不滿足節(jié)能要求[5]。

綜上所述，采用梯形車架作為節(jié)能車的車架形式。

2.2 車架建模

節(jié)能車車架的主要參數(shù)見表1。

表1 車架參數(shù)

根據(jù)相關(guān)參數(shù)在CATIA中搭建模型，結(jié)合節(jié)能車總布置和人機(jī)工程完成三維建模，如圖5、圖6所示。

圖5 車架建模

圖6 人機(jī)工程分析

3 車架優(yōu)化改進(jìn)

采用ANSYS有限元分析對車架進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

結(jié)合節(jié)能車總布置要求及參賽規(guī)則確定車架的設(shè)計目標(biāo)，見表2。

表2 車架優(yōu)化目標(biāo)

3.2 優(yōu)化方案

方案1：如圖7所示，添加三角結(jié)構(gòu)（圖7中圓圈部分）在車架輪胎安裝點附近，但是車架高度過高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

圖7 方案1車架

方案2：如圖8所示，降低車架的高度以減小迎風(fēng)面積，去掉部分三角結(jié)構(gòu)，簡化后輪安裝架結(jié)構(gòu)，相較方案1車架寬度縮小120 mm。

圖8 方案2車架

對方案1車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況分析，固定后輪安裝點，對左前輪安裝點軸正方向施加=+1 000 N的載荷，對右前輪安裝點軸負(fù)方向施加=－1 000 N的載荷，方向變形圖如圖9所示，通過分析得出撓度=3.614 8 mm。

圖9 方案1車架方向變形圖

對方案2車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況分析，施加與方案1相同的變形條件，方向變形圖如圖10所示。通過分析，得出撓度=2.530 5 mm。

圖10 方案2車架方向變形圖

將分析結(jié)果數(shù)據(jù)帶入扭轉(zhuǎn)剛度計算式

式中：T為扭轉(zhuǎn)剛度；為載荷；為力臂；為撓度。

表3 車架各參數(shù)對比

節(jié)能車在賽道上平均速度為35 km/h，在平穩(wěn)的賽道上行駛，兩方案扭轉(zhuǎn)剛度都符合要求；兩方案的車架參數(shù)對比見表3，通過對比綜合考慮，選擇質(zhì)量更輕、體積更小的方案2車架。

4 結(jié) 論

在節(jié)能車的車身設(shè)計中，應(yīng)盡可能降低車身的迎風(fēng)面積和離地間隙，車身要圓滑，并且曲面過渡均勻連續(xù)，車尾部要小以減少尾渦和真空部分。在車身輕量化方面，首先是材料的選取，然后在滿足強(qiáng)度、剛度的前提下減輕質(zhì)量，最終設(shè) 計出類似水滴形狀的車身外形，并對其進(jìn)行外流場仿真分析。汽車總質(zhì)量影響加速阻力、滾動阻力和坡道阻力，阻力增加導(dǎo)致油耗增加，對燃油經(jīng)濟(jì)性影響大。要降低節(jié)能車的油耗，需要減輕汽車總質(zhì)量，車架作為整車的載體，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所占質(zhì)量最大，車架優(yōu)化是整車輕量化的重點與難點。在兩種車架設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合節(jié)能車使用性能和輕量化的設(shè)計要求，最終得到較好的車架設(shè)計效果。

[1]張國忠，賴征海.汽車空氣動力學(xué)與車身造型研究最新進(jìn)展[J].沈陽大學(xué)學(xué)報，2005，17（6）：39-44.

[2]江洪，唐鵬. 轎車車身外流場的CFD仿真與實驗驗證[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，30（3）：470-475.

[3]馬小康，劉強(qiáng)，宗志堅，等. 節(jié)能賽車鋁合金車架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造，2012（4）：16-18.

[4]武柏年，黃小海，王國麗. 節(jié)能車車架設(shè)計研究[J]. 車輛與動力技術(shù)，2011（4）：42-45.

[5]李亞鵬. 本田節(jié)能競技大賽節(jié)能車設(shè)計與優(yōu)化[J]. 科技資訊，2017，15（33）：82-83.

2019-04-18

武漢華夏理工學(xué)院校級科研基金項目（17013）。

U463.32

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.004

1002-4581（2019）04-0013-04