徐鵬李春花劉鵬劉二寶馮偉

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

某SUV車型底部氣動(dòng)附件的開發(fā)與研究

徐鵬李春花劉鵬劉二寶馮偉

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

以空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析為前期開發(fā)工具，以氣壩、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙底護(hù)板為研究對象，針對某SUV車型的空氣動(dòng)力學(xué)附件進(jìn)行了整車氣動(dòng)性能分析與優(yōu)化，通過實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了氣動(dòng)附件良好的降阻效果。通過整車散熱性能試驗(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，能夠在滿足整車散熱性能的同時(shí)降低油耗，提高車輛的高速操穩(wěn)性能。

1 前言

車輛的外氣動(dòng)特性，對整車動(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速的三次方成正比，車輛低速行駛時(shí)，風(fēng)阻所占功率消耗比例不大，車速較高時(shí)，風(fēng)阻將成為車輛最主要的阻力[2]，車輛底部結(jié)構(gòu)對整車的風(fēng)阻貢獻(xiàn)僅次于車身[3]，而在車型開發(fā)后期進(jìn)行車身造型的修改非常困難。本文基于一款SUV車型進(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，通過在車輛目前狀態(tài)下合理布置氣動(dòng)附件，降低了該車型整車風(fēng)阻，提高了車輛經(jīng)濟(jì)性。

2 空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 氣壩模型開發(fā)與分析

氣壩即車輛前保險(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，通過使車前端更加接近地面，減少通過車輛底部的氣流量，同時(shí)可以將亂流引導(dǎo)至車頭兩側(cè)，提高車輛行駛穩(wěn)定性。

如圖1所示，從該SUV車型整車原狀態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果中看到，車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，通過使用CFD分析軟件對加裝該組不同高度氣壩的SUV車型進(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的氣壩對整車風(fēng)阻的優(yōu)化效果最為明顯。如圖3所示，在車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輛正投影面積的基礎(chǔ)上，遮擋了車輛底部絕大部分的突出部件。

經(jīng)過穩(wěn)態(tài)流場分析計(jì)算，從圖4中可以看到，加裝80 mm高度氣壩的車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)通過車輛底部，與底盤部件無沖擊現(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，對于輕微碰撞和路面彈起的石子有很好的阻擋作用，且車輛行駛中一旦拖底，還可以起到對發(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)板開發(fā)過程中對發(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CFD流場分析，確定發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板對車輛外部及發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場的影響，通過仿真分析對該模型進(jìn)行優(yōu)化，待模型在仿真分析環(huán)節(jié)能夠滿足流場性能后，進(jìn)行樣件試制，通過整車散熱性能試驗(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分析軟件分別對整車原狀態(tài)（狀態(tài)1）、加裝無孔發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板（狀態(tài)2）和加裝開孔底護(hù)板（狀態(tài)3）3種狀態(tài)進(jìn)行了流場分析，得到各方案怠速及120 km/h車速下的分析結(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車速工況下，3種狀態(tài)車輛的上、下中網(wǎng)及前端模塊附近區(qū)域的流場無明顯變化；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)板存在開口，開口區(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中的流場現(xiàn)象。3種方案對比可知，車輛3種狀態(tài)下通過前端冷卻模塊的風(fēng)量差別不大，加裝底護(hù)板使發(fā)動(dòng)機(jī)后部區(qū)域氣流通過量增加了120～150 m3/h，且底護(hù)板是否開孔對車輛120 km/h工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙流量分布影響很??；但從怠速工況流量分布可知，底護(hù)板開口區(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)板采用開孔模式。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果及分析

對該SUV車型氣動(dòng)附件對整車空氣動(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，車輪旋轉(zhuǎn)加移動(dòng)地面，無側(cè)偏角。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，加裝氣壩后整車風(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，提升了車輛的高速操縱穩(wěn)定性。

表1 各參考截面流量信息

表2 車輛原狀態(tài)與加裝氣動(dòng)附件氣動(dòng)性能對比

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

4 整車散熱性能試驗(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，對該SUV車型進(jìn)行了整車散熱性能試驗(yàn)。試驗(yàn)按照GB/T1 2542-2009《汽車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，車輛滿載狀態(tài)。

試驗(yàn)開始后，以1 s為時(shí)間間隔測量每個(gè)測點(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105℃，機(jī)油溫度不超過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)

對該SUV車型進(jìn)行了阻力滑行試驗(yàn)，并對加裝降阻附件（氣壩、發(fā)動(dòng)機(jī)艙底護(hù)板）的狀態(tài)進(jìn)行了測試，得到各考察部件對整車阻力貢獻(xiàn)量如圖10所示?？芍?，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整車降阻效果明顯；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)定性主觀評價(jià)試驗(yàn)。通過與原車進(jìn)行主觀評價(jià)對比測試，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時(shí)晃動(dòng)感大幅減輕；

c.高速公路變換車道行駛時(shí)，車體控制能力提升。

6 結(jié)束語

a.通過CFD仿真分析可知，80mm高度氣壩降阻效果最佳，其對流經(jīng)底盤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)得到車輛原狀態(tài)風(fēng)阻系數(shù)為0.363，通過加裝氣動(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)降低了車輛的升力系數(shù)。

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

經(jīng)過本次車底降阻附件的開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證，形成了完整的車輛空氣動(dòng)力學(xué)附件性能開發(fā)流程，對后續(xù)車型相關(guān)部件的開發(fā)具有參考價(jià)值。

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

2陳禮璠，杜愛民，陳明.汽車節(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.汽車底部結(jié)構(gòu)對氣動(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.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析.汽車工程，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