主動(dòng)進(jìn)氣格柵葉片扭矩簡易計(jì)算方法

摘 要：本文主要介紹了一種簡易快速的主動(dòng)進(jìn)氣格柵葉片的工作扭矩計(jì)算方法，結(jié)合風(fēng)壓計(jì)算公式，計(jì)算出主動(dòng)進(jìn)氣格柵葉片的受力大小，并利用Catia軟件建立連桿的力學(xué)模型，計(jì)算出風(fēng)壓傳遞到電機(jī)輸出軸所在連桿的力值大小，與輸出軸所在連桿的力臂長度相乘，即得出電機(jī)所需求的保持扭矩值大小。此方法可用于方案前期快速開展結(jié)構(gòu)布置、可行性分析及電機(jī)選型，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)進(jìn)氣格柵 扭矩

1 緒論

近年來隨著汽車行業(yè)電動(dòng)車的占有率逐漸提升，對(duì)于電動(dòng)車的續(xù)航能力的需求也越來越強(qiáng)烈。為了增加電動(dòng)車的續(xù)航能力，降低整車風(fēng)阻的需求越來越強(qiáng)烈。

外置式主動(dòng)進(jìn)氣格柵能夠根據(jù)不同的車速，平衡優(yōu)化風(fēng)阻和電驅(qū)冷卻需求，自動(dòng)根據(jù)車速等條件，自行開啟或閉合格柵。在高速巡航的時(shí)候，通過關(guān)閉格柵，降低整車風(fēng)阻，提升續(xù)航里程；而在激烈駕駛的時(shí)候，又自行開啟格柵，提升冷卻系統(tǒng)的散熱能力，保證性能。

因外置式的特性，導(dǎo)致其與造型發(fā)生強(qiáng)關(guān)聯(lián)。目前扭矩的計(jì)算主要依賴于CAE仿真軟件，需求相對(duì)完善的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)才能開展仿真分析，分析周期長，難以有效應(yīng)對(duì)造型階段多變及開發(fā)周期縮短的產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀。

本文主要介紹一種結(jié)合Catia軟件，簡便布置運(yùn)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸線，校核機(jī)構(gòu)所需工作扭矩，初步確定布置的合理性后，再開展詳細(xì)的CAE分析仿真驗(yàn)算，從而提高結(jié)構(gòu)布置準(zhǔn)確性，縮短CAE仿真周期，降低設(shè)計(jì)成本。

2 方法說明

2.1 方法原理簡述

在車輛高速行駛時(shí)，為了獲得較低的風(fēng)阻系數(shù)，外置式主動(dòng)進(jìn)氣格柵葉片往往需要在一定工況下保持關(guān)閉，這需要電機(jī)輸出足夠的扭矩支撐連桿機(jī)構(gòu)，從而確保葉片在高速風(fēng)壓的情況下，保持關(guān)閉狀態(tài)。

故主動(dòng)進(jìn)氣格柵機(jī)構(gòu)所承載的外力主要來源于汽車高速行駛時(shí)所帶來的風(fēng)壓，及葉片所承受的風(fēng)壓。本文所介紹的方法基于四連桿結(jié)構(gòu)力的傳遞原理，結(jié)合Catia的繪圖方法，獲取電機(jī)輸出軸所承受的扭矩值。

2.2 葉片風(fēng)壓計(jì)算方法

風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。結(jié)合貝努利公式確定簡便的風(fēng)壓wp計(jì)算公式如下：

wp=v2/1600，其中wp表示風(fēng)壓（單位為kN/m），v表示風(fēng)速（單位為m/s）。

2.3 四連桿結(jié)構(gòu)力的傳遞構(gòu)圖

不計(jì)機(jī)構(gòu)摩擦，四連桿機(jī)構(gòu)受力如圖1。

基于圖1，通過施加在連桿3上的風(fēng)壓，計(jì)算出扭矩M2的大小，結(jié)合力的分解，計(jì)算出F32的大小，F(xiàn)32=F12，基于力的分解，計(jì)算出連桿1所輸出的保持扭矩M1的大小。

2.4 Catia繪圖

2.4.1 建立Catia力矩模型

如圖2所示為一款外置式主動(dòng)進(jìn)氣格柵圖樣，左右各兩個(gè)葉片，取葉片1示例構(gòu)建力矩模型的過程。

第1步：結(jié)合造型及周邊環(huán)境件，初步布置驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置，以圖1某款A(yù)GS示例，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸與整車坐標(biāo)Y向保持一致，其余空間布置要求不做贅述。

第2步：基于布置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置，靠近電機(jī)側(cè)建立四連桿運(yùn)行平面（垂直于電機(jī)輸出軸），并通過x，y，z坐標(biāo)建點(diǎn)方法，創(chuàng)建四連桿機(jī)構(gòu)的鉸鏈點(diǎn)，如圖3中Point2、Point3、Point4、Point5，并連線形成四連桿結(jié)構(gòu)，其中Point4和Point5為固定鉸鏈點(diǎn)；并通過Point3，建立局部坐標(biāo)系，創(chuàng)建與x，y，z方向關(guān)聯(lián)的葉片的旋轉(zhuǎn)軸Axle1。

第3步：如圖4所示，基于Catia軟件，用測量工具識(shí)別葉片幾何中心坐標(biāo)，并基于x、y、z坐標(biāo)創(chuàng)建葉片的幾何中心點(diǎn)Point1，并通過該點(diǎn)，基于力的分解圖形，創(chuàng)建力矩模型。

Line33為通過Point1垂直于Axle1的垂線，Line1為X向投影到通過Point1垂直于Axle的平面的投影線，并設(shè)定長度20mm，代表風(fēng)壓分力大小。Line35垂直于Line33。則葉片受風(fēng)壓施加在Axle1的扭矩為：Lline35×Lline33。

第4步：按同樣的方式創(chuàng)建Point2處的受力模型，Line13垂直于Line8，基于Point2處施加在Axle1上的扭矩與Point1處施加在Axle1上的扭矩相等，建立函數(shù)關(guān)系：LLine13= Lline35×Lline33/Lline8，Catia函數(shù)約束方式如圖5所示。

第5步：創(chuàng)建Point5處的受力模型，Line2垂直于Line0，基于Line3的長度與Line4的長度相等，建立函數(shù)關(guān)系：Lline3=Lline4，基于力的分解模型，而獲得Line2的長度，可得出風(fēng)壓傳遞到驅(qū)動(dòng)連桿的壓力傳遞比，如圖3示例則為：9.916/20=0.496。

第6步：計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸Axle3的輸出保持力矩為：Lline2×Lline0。

第7步：重復(fù)以上步驟創(chuàng)建葉片2的受力模型，如圖6所示，基于葉片左右對(duì)稱，另一側(cè)葉片不再單獨(dú)建立受力模型。

2.4.2 計(jì)算葉片所承受的風(fēng)壓

基于貝努利公式wp = v2/ 1600，結(jié)合葉片的開閉邏輯，確定車速要求，本文假設(shè)葉片保持關(guān)閉的上限車速為160km/h，則可獲得對(duì)應(yīng)的風(fēng)速V=44.44m/s，結(jié)合貝努利公式計(jì)算出葉片所承受的風(fēng)壓：wp=1.23kN/m2。

通過Catia軟件，求取葉片1的迎風(fēng)面積S：通過葉片的幾何中心點(diǎn)，垂直于整車坐標(biāo)x軸（行車方向）創(chuàng)建投影基面。葉片投影到基面及可獲得葉片行車方向的正投影面（如圖7所示），及葉片的迎風(fēng)面，并測量其面積大小S。

結(jié)合F=wp*S，導(dǎo)入wp及S值，即可獲得車輛高速行駛時(shí)，風(fēng)施加在葉片1上的力值F。

采用同樣的過程，計(jì)算出風(fēng)施加在葉片2上的力值F。

2.5 演算示例

基于Catia力矩模型，Excel表格中創(chuàng)建圖表并建立計(jì)算公式模型，輸入車速、葉片迎風(fēng)面積、壓力傳遞比、驅(qū)動(dòng)桿力臂長度，即可計(jì)算出葉片1和葉片2傳遞給電機(jī)所需的扭矩值?？紤]機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦等因素造成的傳遞損失，假定機(jī)構(gòu)扭矩?fù)p失的系數(shù)為0.2，及可獲得電機(jī)最終所需的扭矩值大小，如圖8所示。

基于左右對(duì)稱，另一側(cè)葉片不再單獨(dú)計(jì)算，電機(jī)所需扭矩T在葉片1和葉片2的需求上乘以2。

基于圖8的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)電機(jī)所需扭矩值超出常規(guī)電機(jī)扭矩值時(shí)，可以通過Catia力矩模型，調(diào)整Point2、Point3、Ponit4、Point5的坐標(biāo)值及Axle1方向參數(shù)，獲得更合適的壓力傳遞比值，從而獲得合適的電機(jī)扭矩結(jié)果?；诖私Y(jié)果，細(xì)化AGS數(shù)據(jù)，建立AGS的詳細(xì)數(shù)據(jù)模型，如9圖所示。

基于AGS詳細(xì)的模型數(shù)據(jù)，即可開展準(zhǔn)確的CAE仿真工作（如圖10所示），驗(yàn)證分析結(jié)果，從而減少仿真工作的反復(fù)性。

3 結(jié)語

通過以上方法，可以初步支持主動(dòng)進(jìn)氣格柵電機(jī)扭矩的選型及機(jī)構(gòu)的布置，提高方案的一次成功率，最終利用CAE軟件做精確的驗(yàn)證即可。從而避免以前多輪模型建立以及CAE驗(yàn)算，導(dǎo)致的時(shí)間及資源的浪費(fèi)，極大的縮短了設(shè)計(jì)周期，并降低設(shè)計(jì)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆國臣，李先立，李小荷.風(fēng)力等級(jí)、風(fēng)速與風(fēng)壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究[J].門窗，2014（08）：56-57.