汽車底盤流場分析及優(yōu)化

李偉 陳云龍

摘? 要：某車型在苛刻工況下（滿載、高環(huán)境溫度、高速），手動(dòng)變速箱的機(jī)油溫度達(dá)到150℃，而根據(jù)該產(chǎn)品屬性簽發(fā)要求，機(jī)油的正常工作溫度應(yīng)控制在130℃以下。本文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）工具來模擬計(jì)算該車型底盤流場分布情況，分析油溫過高的原因、找到問題的解決方案。底盤流場分析結(jié)果：由于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的遮擋，導(dǎo)致其后方的變速箱周圍風(fēng)速很小，造成殼體外表面與空氣進(jìn)行強(qiáng)制對流熱交換不充分。為優(yōu)化變速箱殼體尤其是油底殼附近區(qū)域流場，在橫梁下方增加了一塊引流式導(dǎo)流板，它能把橫梁之下區(qū)域的高速氣流引向變速箱油底殼周圍。后經(jīng)實(shí)車路試驗(yàn)證，該優(yōu)化方案可以滿足油溫簽發(fā)要求。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；變速箱油溫；底盤流場優(yōu)化；引流式導(dǎo)流板

中圖分類號(hào)：U462? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）02-0022-06

Flow field Analysis and Optimization of automobile chassis

LI Wei1， CHEN Yun-long2

（1.Jiangling Motors Co. LTD， Nanchang 330052， China；2.Science And Technology College Of Nanchang Hangkong University， Nanchang 330029， China）

Abstract： Under harsh conditions （full load， high environment temperature， high speed）， temperature of lubrication oil in gear-box reaches 150 degree Celsius. However， the oil working temperature should be controlled under 130 degree Celsius issued by product attribute. The flow field distribution under vehicle chassis have been simulated by Computational Fluid Dynamics（CFD） software tools in this chapter， to analyze the causes of high oil temperature and to find a solution for this problem. The results of flow filed under chassis show that the velocity around gear-box is very small because of engine oil dish shelter， so the convection heat transfer capacity exchange between gear-box shell and air is not sufficient. In order to optimize the flow field near the transmission， especially the oil pan， a induced deflector plate is added under the cross-beam， which can guide the high-speed air under the cross-beam to the transmission. Road testing indicate the optimization scheme can meet oil temperature issue requirements.

Key? Words： CFD; Transmission Oil Temperature; Flow Field Optimization Under Chassis; Induced Deflector Plate

李? ?偉

畢業(yè)于南昌大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院，CFD主管工程師，中級(jí)機(jī)械工程師，主要從事汽車流體力學(xué)仿真分析工作。

引? ?言

變速箱作為汽車的重要組成部件，為確保變速箱能安全高效工作，需要在其內(nèi)部增加機(jī)油以潤滑齒輪提升傳遞效率、使其零部件在合理的溫度范圍內(nèi)工作提升變速箱的耐久性能。當(dāng)前，大部分手動(dòng)變速箱為被動(dòng)散熱，即熱量的散發(fā)全部依靠其殼體與外環(huán)境空氣進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱[1]。

汽車底盤零部件眾多，安裝布置也非常緊湊。在進(jìn)行相關(guān)零部件外形及底盤布置設(shè)計(jì)時(shí)，很容易造成變速箱殼體尤其是油底殼附近周圍的流場為滯止區(qū)[2]，這樣的話，其殼體表面對流換熱能力極差，能引起油溫過高使變速箱壽命大打折扣甚至無法正常工作[3]。本文研究了某整車在高速工況下變速箱油溫過高的原因及解決方法。

考慮到汽車底盤構(gòu)件的復(fù)雜性、實(shí)驗(yàn)測量底盤流場特征的難度性以及測量設(shè)備本身對流場的干擾性，工程上若要通曉汽車底盤的整個(gè)流場分布情況，全部通過實(shí)驗(yàn)手段來觀察或測量，幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。鑒于實(shí)驗(yàn)測量上的這些局限性，必須需要一種新的手段來替代[4]。

隨著CFD仿真技術(shù)的日漸成熟，其在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用也日趨加強(qiáng)[5]。它不但可以計(jì)算非常復(fù)雜的流動(dòng)，還具備強(qiáng)大的后處理能力，能把工程上要關(guān)注的數(shù)據(jù)信息完美地可視化在人們面前。相對于實(shí)驗(yàn)測量手段，CFD數(shù)值模擬具有低成本、高效率、無干擾等顯著優(yōu)勢。因此，越來越多CFD仿真技術(shù)應(yīng)用到了新車型開發(fā)過程中，以達(dá)到指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)、節(jié)約成本、縮短研發(fā)周期等目的[6]。

本文就是利用CFD軟件STAR-CCM+來計(jì)算模擬某車型的底盤流場分布，找到了手動(dòng)變速箱機(jī)油溫度過高的主要原因是變速箱機(jī)油殼附近的空氣流動(dòng)非常不暢。進(jìn)一步研究分析流場信息后，最終提出了在橫梁下方區(qū)域，增加一引流式導(dǎo)流板裝置。同時(shí)也仿真研究對比了另一個(gè)兜風(fēng)式導(dǎo)流板方案。

采用引流式導(dǎo)流板方案，后經(jīng)實(shí)車路試驗(yàn)證，其對降低變速箱油溫的作用顯著，可以滿足產(chǎn)品屬性簽發(fā)要求。

1? ? 研究內(nèi)容

以某車型為研究對象，仿真模擬計(jì)算車輛在高速行駛時(shí)的整車外流場，僅著重研究底盤變速箱周圍流場分布情況[7]，如圖1所示。共進(jìn)行了三個(gè)狀態(tài)的研究分析，分別是無導(dǎo)流板（base狀態(tài)）如圖2所示、兜風(fēng)式導(dǎo)流板如圖3所示、引流式導(dǎo)流板如圖4所示。通過定性分析變速箱周圍速度大小云圖分布、定量分析變速箱周圍風(fēng)量大小及風(fēng)速大小來比較這三種狀態(tài)的流場差異。

2? ? 幾何建模及網(wǎng)格劃分

計(jì)算域Box大小為：長51m 、寬17m、高8m，如圖5所示。采樣Polyhedral多面體進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，在變速箱上游及附近區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格量數(shù)量控制均在2000萬左右。

三個(gè)研究狀態(tài)下，無導(dǎo)流板y=0截面輪廓線如圖6所示；帶兜風(fēng)式導(dǎo)流板，采用類似于喇叭口造型，前端大口收集氣流于后端小口排出，y=0截面輪廓線如圖7所示；帶引流式導(dǎo)流板，采用流線型曲面設(shè)計(jì)，引導(dǎo)氣流緊貼導(dǎo)流板而流動(dòng)，改變原本的氣流方向，其y=0截面輪廓線如圖8所示。

3? ? 基礎(chǔ)理論

汽車在120km/h高速行駛，可認(rèn)為空氣是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；且可忽略重力對流動(dòng)的影響。則流體動(dòng)力學(xué)方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[7]。如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

由于整車幾何的復(fù)雜性，無法根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)方程解析理論解，但可通過CFD模擬計(jì)算得到其數(shù)值解。

4? ?數(shù)值模擬

4.1? ?邊界條件

①速度入口120km/h，壓力出口。

②地面為滑移wall，Box側(cè)面及頂面為對稱面。

③輪胎為旋轉(zhuǎn)壁面932r/min，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2000 r/min。

④中冷器、冷凝器、散熱器簡化為多孔介質(zhì)。

⑤車身為wall邊界條件。

4.2? ?計(jì)算方法

本文采用多面體網(wǎng)格和控制容積積分方法對微分方程進(jìn)行離散，雷諾平均Navier-stokes方程、分離算法求解器、湍流模型選擇為realizable k-Epsilon two-layer[8-9]。

5? ? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

5.1? ?截面流線與速度大小云圖定性分析

無導(dǎo)流板時(shí)（base原設(shè)計(jì)狀態(tài)），由于變速箱正前方的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼向下凸出遮擋及車架的橫梁位置高度低于變速箱，氣流碰到橫梁及油底殼這兩個(gè)部件后，無法轉(zhuǎn)彎保持較高的氣流速度沖向變速箱機(jī)油殼表面。帶來的后果就是變速箱殼體尤其是其油底殼局部附近區(qū)域的氣流速度非常小，幾乎為滯止區(qū)域，流線如圖9所示，速度大小如圖10所示。

增加兜風(fēng)式導(dǎo)流板后，受制于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼凸出位置的遮擋限制，該區(qū)域的氣流速度本身較小，該導(dǎo)流板也只能兜風(fēng)收集少許氣流，也無法實(shí)現(xiàn)整體氣流轉(zhuǎn)彎朝變速箱底部流去，變速箱殼體附近依然為氣流滯止區(qū)域，其流線如圖11所示，速度大小如圖12所示。

而采用引流式導(dǎo)流板后，氣流能緊貼導(dǎo)流板而流動(dòng)，依次逐步引導(dǎo)下方的高速氣流往后并上揚(yáng)直沖變速箱機(jī)油殼體表面。這樣，變速箱尤其是機(jī)油殼底附近區(qū)域的氣流速度顯著增大，其流線如圖13所示，速度大小如圖14所示。

5.2? ?定量分析圓環(huán)斷面流量

無導(dǎo)流板時(shí)，變速箱殼體壁面附近氣流速度很小，殼體橫截過流斷面流量為1.799kg/s，斷面速度如圖15所示：

增加兜風(fēng)式導(dǎo)流板后，變速箱殼體壁面附近氣流速度略有提升，但不明顯，殼體橫截過流斷面流量為2.047kg/s，其斷面速度如圖16所示：

而采用引流式導(dǎo)流板方案，變速箱殼體底部的機(jī)油殼壁面附近氣流速度提升顯著，過流斷面流量為2.758kg/s。其斷面速度如圖17所示：

總之，引流式導(dǎo)流板方案，過流斷面上風(fēng)量增加了約53%。更重要的是變速箱機(jī)油殼底部的風(fēng)速顯著增大，而這部分高速氣流極具改善了油底殼壁面的對流換熱能力，對降低油溫起關(guān)鍵性作用。

5.3? ?定量分析變速箱附近點(diǎn)處速度大小

分別在距離變速箱底部壁面不同位置處布下三排監(jiān)測點(diǎn)，如圖18所示 ：

三種狀態(tài)下這三排監(jiān)測點(diǎn)速度大小對比如圖19所示，兜風(fēng)式導(dǎo)流板的導(dǎo)風(fēng)效果不明顯；而采用引流式導(dǎo)流板后，第一、二和三排監(jiān)測點(diǎn)平均速度分別提升至原來的4.2倍、4.5倍和4.6倍。

6? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證引流式導(dǎo)流板對降低變速箱油溫的實(shí)際效果，前期采用手工方式制作了該導(dǎo)流板，并安裝在試驗(yàn)車上，如圖20所示：

在環(huán)模實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行了帶與不帶導(dǎo)流板的對比測試，結(jié)果表明，采用引流式導(dǎo)流板方案，變速箱機(jī)油溫度從150℃降至129.1℃，而后又在實(shí)際高速道路測試，油溫可降至125℃。總之，通過試驗(yàn)表明該導(dǎo)流板的導(dǎo)風(fēng)作用可使機(jī)油的油溫滿足簽發(fā)要求。

7? ? 結(jié)語

此車型的變速箱機(jī)油的散熱完全依靠其殼體外表面與空氣進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱，殼體表面對流換熱能力的強(qiáng)弱直接決定油溫高低，油溫過高關(guān)系到變速箱的壽命、整車油耗，甚至可引起危及乘員生命安全的問題。良好的流場是保證該變速箱機(jī)油充分散熱的前提條件，依據(jù)流場的流動(dòng)特性，增加引流式導(dǎo)流板可把橫梁下部的高速氣流虹吸向上逐步揚(yáng)起后直沖向變速箱機(jī)油殼壁表面，起到加強(qiáng)對流換熱之目的。若分布熱源可以較準(zhǔn)確輸入，CFD還可以進(jìn)行溫度場模擬，仿真分析出內(nèi)部機(jī)油溫度大小?？傊?，借助CFD仿真技術(shù)工具可以快速準(zhǔn)確地為工程問題提供最有效的優(yōu)化方案[10]。

參考文獻(xiàn)：

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