某SUV車型轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域溫度優(yōu)化與驗(yàn)證

韓奎超,張俊，周炯明，劉小穎，李俊鋒，李田田

(1.上汽大眾汽車有限公司技術(shù)中心，上海 201805；2.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804)

0 引言

整車零部件溫度試驗(yàn)涉及傳熱學(xué)和空氣動力學(xué)等多門學(xué)科，是整車熱管理的重要分支，也是整車質(zhì)量檢驗(yàn)的重要一環(huán)。一般各家主機(jī)廠都有自己定義的試驗(yàn)工況，涵蓋不同環(huán)境溫度、不同車速和不同坡度等。燃油車的零部件溫度試驗(yàn)主要考察兩個方面：一是發(fā)動機(jī)艙及排氣管周邊的塑料件和橡膠件，避免因工作環(huán)境溫度過高而導(dǎo)致老化加速、熔化變形甚至車輛自燃事故；二是熱敏感零件的環(huán)境溫度，有些執(zhí)行器例如轉(zhuǎn)向機(jī)等零部件，雖然其電機(jī)線圈本身是金屬材質(zhì)，但對工作環(huán)境的溫度要求較高，一旦超出本身所允許的工作溫度就會出現(xiàn)熱保護(hù)，導(dǎo)致工作功能減弱，從而危害車輛行駛安全。

仿真和試驗(yàn)是驗(yàn)證整車零部件溫度的兩種最主要的手段[1]。雖然試驗(yàn)的數(shù)據(jù)最為可靠，但具有周期長、成本高等局限性；仿真試驗(yàn)周期短、成本低、數(shù)據(jù)展示更為直觀。因此，本文作者將這兩種手段的優(yōu)點(diǎn)有效結(jié)合，大大提高開發(fā)效率。

1 問題描述

某一改款 SUV 車型在進(jìn)行整車零部件溫度試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)前副車架動力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域溫度較上一代車型有所升高。動力總成懸置是連接動力總成與前副車架的橡膠緩沖塊，如果該零件溫度過高可能會降低其耐久壽命，發(fā)生破損，在行駛過程中產(chǎn)生類似金屬敲擊聲的異響。而轉(zhuǎn)向機(jī)的環(huán)境溫度過高則更為嚴(yán)重，尤其對于中大型SUV來說，前軸載荷較大，轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向機(jī)線圈發(fā)熱量相對較大，如遇連續(xù)轉(zhuǎn)向工況，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)線圈散熱量不足，發(fā)生轉(zhuǎn)向機(jī)過熱報警、轉(zhuǎn)向助力失效等危險情況。

因此需要對該情況進(jìn)行分析，尋找熱害形成原因，并得出可行的解決方案。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，該車型與上一代車型相比，在前保險杠下方實(shí)施了空氣動力學(xué)措施——安裝氣壩(圖1)。為了分析氣壩對發(fā)動機(jī)艙流場的影響，對整車進(jìn)行建模，并進(jìn)行流場仿真分析。

圖1 氣壩

2 模型的搭建

2.1 數(shù)學(xué)模型

由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的空氣流動速度小于聲速的1/3，空氣密度變化比較小，故在計算時可以將空氣近似看作是不可壓縮的氣體，密度為常數(shù)。由于速度的作用，車輛行駛會引起空氣流體的無序流動，進(jìn)而形成空氣渦流和邊界層分離。發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部組件多且布置緊湊、湍流較多，因此該流場仿真可以看作是三維、定常、不可壓縮的湍流運(yùn)動，文中采用汽車開發(fā)應(yīng)用較為廣泛的Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行求解[2-4]，滿足連續(xù)性方程：

(1)

式中：ρ為流體密度;u，v，w分別表示流體速度矢量在x，y，z方向上的矢量。

由于不可壓縮流體滿足?ρ/?t=0，因此式(1)轉(zhuǎn)化為：

divv=0

(2)

2.2 物理模型

文中主要側(cè)重分析發(fā)動機(jī)艙在內(nèi)的整車前部區(qū)域流場，因此可以對底盤后部、車身后部和部分外飾件進(jìn)行適當(dāng)簡化，舍去外后視鏡、門把手和內(nèi)飾模型，保留發(fā)動機(jī)艙和前副車架等區(qū)域的部件，省略發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的部分線束，提高計算效率，節(jié)約計算資源。對重點(diǎn)關(guān)注的轉(zhuǎn)向機(jī)和副車架區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以提高計算精度。計算模型使用多面體網(wǎng)格搭建，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部、底盤及尾流區(qū)域加密體網(wǎng)格尺寸為3 mm，距離車身較遠(yuǎn)的計算域網(wǎng)格尺寸取16 mm，構(gòu)建網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

散熱風(fēng)扇選用多重參考模型模擬散熱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對流場的影響。冷卻模塊選用多孔介質(zhì)模型，滿足如下方程：

(3)

式中：v為通過多孔介質(zhì)的表觀速度；Pi和Pv分別為決定多孔介質(zhì)阻力的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)。

分別根據(jù)各自的單體試驗(yàn)得到的速度與壓力損失數(shù)據(jù)擬合出Δp-v曲線，并設(shè)置截距為0，擬合其多孔慣性阻力系數(shù)和多孔黏性阻力系數(shù)。

文中構(gòu)建了與風(fēng)洞相同大小的計算域，長寬高分別為28、8和6 m，設(shè)置計算域入口距離車頭8 m，出口距離車尾15 m，地面高出輪胎最低點(diǎn)20 mm以模擬因自重導(dǎo)致的車身高度變化。邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口，入口速度分別為40 km/h和100 km/h?？諝庖暈槎芏葰怏w，構(gòu)建計算域如圖3所示。

圖3 計算域模型

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 原型車問題分析

基于上文構(gòu)建的仿真模型，使用STARCCM+軟件對分別計算安裝氣壩和拆除氣壩后的兩種狀態(tài)進(jìn)行流場分析。取Y=0.18處截面，觀察發(fā)動機(jī)艙和發(fā)動機(jī)底部護(hù)板區(qū)域的氣流軌跡，如圖4—7所示。

圖4 原車狀態(tài)(40 km/h)

圖5 原車狀態(tài)(100 km/h)

對比圖4—7可以發(fā)現(xiàn)，車輛前部迎風(fēng)在車頭前分流為三部分：(1)沿引擎蓋流向車尾;(2)經(jīng)前格柵穿過冷卻模塊進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙;(3)從車頭下方進(jìn)入車身底部。進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙的氣流經(jīng)冷凝器、中冷器、主散熱器后，繞過發(fā)動機(jī)裝飾蓋，然后沿防火墻到轉(zhuǎn)向機(jī)與副車架區(qū)域，經(jīng)中央通道流出發(fā)動機(jī)艙。為了降低轉(zhuǎn)向機(jī)和副車架區(qū)域的空氣溫度，在發(fā)動機(jī)底部護(hù)板設(shè)計時，在正對轉(zhuǎn)向機(jī)的位置設(shè)置了導(dǎo)氣孔，將部分流過車身下方的環(huán)境空氣導(dǎo)入發(fā)動機(jī)艙，從而降低發(fā)動機(jī)艙底部區(qū)域的空氣溫度。

圖6 拆除氣壩(40 km/h)

圖7 拆除氣壩(100 km/h)

這一設(shè)計也在圖6和圖7上得到了驗(yàn)證。從中看出，在拆除氣壩后，有一部分氣體經(jīng)導(dǎo)氣孔進(jìn)入到發(fā)動機(jī)艙內(nèi)。由于環(huán)境溫度相對較低，可以對發(fā)動機(jī)艙底部區(qū)域起到降溫的作用。而在原車狀態(tài)下，氣體流經(jīng)前保險杠下沿時迎風(fēng)面壓力較大，而背風(fēng)面壓力小，且氣壩的存在增大了背風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)域，導(dǎo)致分離區(qū)變大，在氣壩后方出現(xiàn)一個較大的旋渦,如圖4和圖5所示。旋渦使紊流尾流與護(hù)板Z向距離增大，環(huán)境空氣無法通過導(dǎo)氣孔進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙，空氣導(dǎo)流失效。這也是導(dǎo)致這一改款車型副車架動力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域工作溫度偏高的原因。

3.2 優(yōu)化方案及分析

為了維持車輛當(dāng)前的空氣動力學(xué)性能，保留氣壩，這一問題的解決方向就集中到如何減小旋渦區(qū)。由文獻(xiàn)[5-6]可知，安裝氣壩可以有效阻擋直接沖擊在輪胎和車輛底部的氣流，達(dá)到降低空氣阻力系數(shù)的目的。即如果不改變氣壩的高度，通過減小負(fù)壓區(qū)，就有可能保持整車風(fēng)阻系數(shù)不變，于是提出對氣壩后的三角區(qū)域進(jìn)行封堵的方案。根據(jù)流體力學(xué)可知，流線體繞流的分離區(qū)很小，甚至不發(fā)生邊界層分離。因此，氣壩到封堵平板之間為流線型過渡應(yīng)為較優(yōu)方案。但由于考慮到流線型氣壩不容易安裝，且制造加工困難，最終確定直接將氣壩后方負(fù)壓區(qū)封堵的方案。針對該方案優(yōu)化模型，并進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，優(yōu)化后的渦流區(qū)域明顯變小，且在高速工況下有部分氣流通過導(dǎo)氣孔進(jìn)入到發(fā)動機(jī)艙底部。這部分氣流由于相對溫度較低，可以起到降低副車架和轉(zhuǎn)向機(jī)附近溫度的作用。

圖8 優(yōu)化方案(40 km/h)

圖9 優(yōu)化方案(100 km/h)

為了評估該方案對原車空氣阻力系數(shù)和散熱系統(tǒng)進(jìn)氣量的影響，文中分別對上述方案1原車狀態(tài)、方案2拆除氣壩和方案3優(yōu)化方案等進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案的風(fēng)阻系數(shù)和散熱模塊進(jìn)氣量對比

根據(jù)先前的氣動試驗(yàn)結(jié)果，方案1原車的空氣阻力系數(shù)為0.351，與仿真計算誤差約為0.9%，說明文中所用仿真方法可靠，計算結(jié)果有效。

基于以上模型和仿真結(jié)果可以看出，拆除氣壩后，整車風(fēng)阻系數(shù)明顯升高，氣壩對風(fēng)阻系數(shù)貢獻(xiàn)值約為0.021。實(shí)施優(yōu)化方案后，風(fēng)阻系數(shù)降低了0.004。由流體力學(xué)可知，尾渦區(qū)壓力小于迎風(fēng)體前部的壓力，會在鈍體前后產(chǎn)生壓力差，形成壓差阻力。擋板的存在減小了負(fù)壓區(qū)域，使得氣壩前后的壓差區(qū)域變小，從而降低了壓差阻力。此外，拆除氣壩后，散熱系統(tǒng)的進(jìn)氣量降低了5%左右，而優(yōu)化方案與優(yōu)化前幾乎相同。這是由于拆除氣壩后，汽車前保險杠撞擊氣流的面積減小，更多的氣流流向了底部。而優(yōu)化方案只是在氣壩后方加了一塊擋板，且平行于地面，對前保險杠的迎風(fēng)面積沒有影響，因此不會影響前端模塊的進(jìn)氣量。

綜上，通過在氣壩后方加裝水平擋板，減小分離區(qū)，可以使發(fā)動機(jī)底部護(hù)板導(dǎo)氣孔恢復(fù)導(dǎo)流功能，同時不影響整車散熱模塊的進(jìn)氣量，對風(fēng)阻系數(shù)也有積極的影響。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該優(yōu)化方案對溫度的影響，在同濟(jì)大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞(CWT)進(jìn)行了溫度試驗(yàn)，圖10為手工優(yōu)化樣件在實(shí)車上的安裝效果。在副車架動力總成懸置及轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域布置了多個溫度測點(diǎn)，分別為動力總成懸置橡膠內(nèi)部，動力總成懸置空氣溫度，穩(wěn)定桿橡膠_左，穩(wěn)定桿橡膠_右，轉(zhuǎn)向機(jī)罩殼，轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_左，轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右等，圖11為部分測點(diǎn)照片。設(shè)置環(huán)境溫度為45 ℃，按相同工況行駛，該工況覆蓋高中低不同車速以模擬客戶最常用的行駛工況，是公司內(nèi)部定義的用于零部件溫度認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)工況。另外，還需保證每個方案試驗(yàn)開始前的各測點(diǎn)起始溫度與其他方案相差±2 ℃以內(nèi)，每個測點(diǎn)結(jié)果取試驗(yàn)中的最高溫度，如表2所示。

圖10 樣件照片

圖11 部分測點(diǎn)照片

表2 實(shí)車溫度試驗(yàn)結(jié)果℃

從整車溫度試驗(yàn)結(jié)果來看，動力總成懸置附近的空氣溫度有10 ℃左右的優(yōu)化量，表明拆除氣壩和在氣壩后部加裝擋板都可以有效地影響導(dǎo)氣孔附近的流場，將車身底部溫度相對較低的空氣重新導(dǎo)流到發(fā)動機(jī)艙底部區(qū)域后方，降低此處的環(huán)境溫度。而動力總成懸置橡膠內(nèi)部由于橡膠的隔熱作用，也有5 ℃左右的小幅降低，并不會有太大的溫度波動。

轉(zhuǎn)向機(jī)罩殼在拆掉氣壩和實(shí)施優(yōu)化措施的狀態(tài)下有10 ℃左右的下降值，其原因與動力總成懸置附近空氣溫度下降原因相同。轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_左和穩(wěn)定桿橡膠_左在3種狀態(tài)下并沒有表現(xiàn)出明顯的溫度差異，這是由于發(fā)動機(jī)底部護(hù)板的開孔位于車輛中心線偏右的位置，因此導(dǎo)氣孔進(jìn)來的空氣并不會對副車架左側(cè)的溫度產(chǎn)生影響，而會降低轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右和穩(wěn)定桿橡膠_右的溫度。轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右的溫度下降值大于穩(wěn)定桿橡膠_右，這是由于轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右測點(diǎn)測量的是轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套表面的溫度，而穩(wěn)定桿橡膠_右是將熱電偶插入橡膠，測量橡膠內(nèi)部的溫度。

綜合來看，動力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域在拆除氣壩和加裝氣壩后擋板后，溫度普遍有了較為明顯的降低，且優(yōu)化措施與拆除氣壩效果相近，說明上節(jié)的分析結(jié)論得到驗(yàn)證。該方案有效降低動力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域的環(huán)境溫度，達(dá)到了優(yōu)化目的。

5 結(jié)論

(1)通過對發(fā)動機(jī)艙及車身底部流場仿真分析，氣壩的應(yīng)用對降低整車風(fēng)阻系數(shù)有很大的貢獻(xiàn)，但削弱了發(fā)動機(jī)底部護(hù)板開孔的導(dǎo)流降溫功能。因此，在安裝氣壩時應(yīng)綜合考慮其帶來的影響。

(2)通過改變發(fā)動機(jī)護(hù)板造型，在氣壩后方加裝擋板，減小分離區(qū)，可以降低氣壩帶來的對氣流的不利影響，降低發(fā)動機(jī)艙部分區(qū)域的環(huán)境溫度，且不影響整車風(fēng)阻系數(shù)。經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證，該優(yōu)化方案為關(guān)注區(qū)域帶來近10 ℃的降溫貢獻(xiàn)。