Air Dam對整車氣動性能的影響

趙亞芳，尹章順，居小敏，秦 鵬

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

前言

根據文獻資料，空氣阻力是除燃燒散熱和機械摩擦損失之外能量消耗的第三主因，占據整個車輛能耗約22%[1-3]。利用空氣動力學理論可以有效提高整車的氣動性能，設計出風阻更低的車型，而且研發費用比其它方法低很多，所以越來越受到各整車廠的重視[4]。通常情況下，整車底部的布置由于不同零件有不同的準則，使整車底部的各部件底部高低不平，這會使整車底部的流動變得很復雜且不穩定，對整車的風阻系數有很大的影響，增大整車的風阻系數和油耗。

各大汽車廠商都在尋找有效而低成本的方案來解決該問題，據此，近年來成本低且有效的air dam方案獲得了廣泛應用。該方案是在整車底部的前端添加特殊形狀的部件，能有效改善整車底部的流動，可以降低整車的風阻，且能夠提升發動機艙冷卻空氣量和前端升力，各國研究人員對其開展了大量的研究[5]。Air dam在國內有直譯為“氣壩”；也有根據其實際功能直接稱為“前導流板”。圖1示出3種不同的air dam：①前唇下方的細長條形air dam，目前豐田普銳斯用的就是這種形式，見圖1(a)；②圓弧形環繞式air dam，這種形式最為常見，見圖1(b)；③兩端和前輪導流板相連的直條形air dam，見圖1(c)。

但是air dam不同結構和不同安裝位置對整車氣動性能和前端進氣都有復雜影響，應針對具體車型進行詳細的研究。

本文中通過空氣動力學風洞試驗，詳細研究了air dam的結構和安裝位置的多個關鍵參數對整車氣動性能的影響，獲得了其對整車風阻系數和前端進氣的影響規律，獲得了優化的air dam結構。

1 Air dam對整車風阻系數的影響

整車的風阻包括內部風阻和外部風阻。外部風阻包括整車外表面、底盤和后視鏡等附件產生的風阻。本文中主要研究外部風阻。

1.1 Air dam影響整車風阻系數的原理

通常，air dam位于車輛前端，與格柵相連。Air dam的型線通常由變半徑的圓弧組合而成。安裝air dam前后整車前部的流線和壓力分布見圖2。由圖2可見，未安裝air dam時，從車底進入的氣流中一部分氣流會直接撞擊在發動機艙內部的零部件(如前橫梁、油底殼、后部艙壁等)的底部，這部分氣流會和從前端進來的氣流相互作用，使發動機艙后壁的壓力升高而降低前端進氣量。當車底安裝air dam后，將使從車底進入的氣流不再撞擊到發動機艙零部件的底部，這樣發動機艙后壁無正壓力存在，使通過發動機艙內零部件氣流的阻力降低。由圖2(c)可見，安裝air dam后，輪胎、前懸架和橫梁處以及發動機艙后壁處的壓力降低。

為更好地發揮air dam的作用，從改善整車風阻的角度，希望它越靠前越好。但是，從造型的角度考慮，因它破壞了造型美觀，故又希望它越靠后越好。為平衡兩方面的需求，air dam被設計得靠后而且在y方向比較短，在兩側依靠左右前輪的導流板進行補償[6]。

1.2 Air dam位置對整車風阻系數的影響

通過風洞試驗，研究air dam安裝位置對整車風阻系數的影響。通常，air dam只能被安裝在格柵下方到冷凝器-水箱-風扇總成框架之間的范圍內，如圖3所示。圖4為研究車型1的air dam安裝位置范圍，它到格柵前端的距離從10mm到450mm；圖5為研究車型2的air dam安裝位置的變化范圍，它到格柵前端的距離從15mm到280mm。

圖6為air dam不同安裝位置對整車風阻系數的影響。從圖6中可以看出，對于車型1，隨著air dam安裝位置的后移，其降低整車風阻系數的作用越來越小。當其安裝位置到達200mm時，整車風阻系數僅僅降低0.6%。隨著air dam的繼續后移，當其與格柵前端的距離增加到300和450mm時，整車的風阻系數分別增加1.4%和2.0%。研究車型2也有類似的變化特征。

Air dam的安裝位置對整車的風阻系數影響較大的主要原因是隨著它的向后移動，不僅在輪胎胎面上的壓力分布發生變化，而且氣流撞擊輪胎胎面的面積增加，導致了風阻增加。

1.3 Air dam高度對整車風阻系數的影響

Air dam的高度一方面要滿足路階和接近角的要求，另一方面受到安裝方式和運輸方式的影響。Air dam高度對整車風阻系數的影響如表1所示。

表1 Air dam不同高度對整車風阻系數的影響

從表1中可見，隨著其高度的減小，整車的風阻系數增加。Air dam的高度影響整車風阻的原因是：當其高度較小時，氣流直接撞擊到輪胎胎面、流經發動機和變速器的氣流增加，導致整車風阻系數Cd增加。

1.4 Air dam各參數對整車風阻系數的綜合影響

從上述研究發現，air dam高度、形狀和安裝位置對整車風阻系數有不同程度的影響。為優化air dam，研究了這3個參數對整車風阻系數的綜合影響，結果如表2所示。

表2 Air dam對整車風阻系數的影響(車型3)

從表2可以看出，air dam 1方案對降低整車風阻系數最有效，使其降低了5.7%；air dam 2方案次之，使整車風阻系數降低4.9%。Air dam 1和air dam 2的形狀如圖7所示。從圖中可以看出，air dam 1在拐角處比air dam 2外擴，在兩端，air dam 1也外擴了一些。外擴的air dam 1會減少直接打擊在胎面上的氣流，減少了氣流在輪罩內部的渦流，使氣流貼著輪胎流向車輛后方，從而減小整車的風阻系數。由表2可見，air dam兩端對風阻影響很大，兩端高度減少10mm，整車風阻系數增加0.9%。這是因為其兩端高度的減少，增加了氣流對輪胎胎面的打擊力度，增加了輪胎胎面的壓力，從而風阻增加。另外隨著air dam的安裝位置向后移動，整車風阻系數增加；air dam高度減小，風阻增加。

Air dam 3的形狀類似于圖1(c)的air dam加前輪導流板的造型。這種造型是為將air dam后移，air dam 3位于距離格柵前端125mm處，使整車風阻系數僅下降2.3%。因為這種造型導致其拐角處需要內縮，如圖7所示。相比air dam 1和air dam 2，拐角處的變化劇烈，對整車風阻系數影響較大。

圖8為車型4設計的兩種air dam兩端的截面。表3為air dam對整車風阻系數的影響。從表3中可以看出，車型4的air dam 2降阻效果優于air dam 1，這是因為air dam 2比1的截面更傾斜，這樣的造型可以有效引導氣流，防止氣流撞擊底盤的凸起部位。

序號airdam整車風阻系數變化百分比/%說明1airdam1，高度50mm-31基準安裝位置2airdam2，高度50mm-43基準安裝位置

比較圖7和圖8可以發現，air dam的邊緣對風阻系數的影響較大，因為這一部分影響到了輪胎表面的壓力。

2 Air dam對整車前端進氣的影響

在整車上安裝air dam后，其導流作用會減少流過車輛底部的氣流，然而卻增加了流經冷凝器-水箱-風扇總成的氣流。

2.1 Air dam安裝位置對整車前端進氣的影響

Air dam不同安裝位置對整車前端進氣的影響如表4所示。隨著air dam向車后方向的移動，前端進氣量也逐漸減少，當它安裝在離格柵前端+450mm處時，前端進氣量減少了0.9%，影響較小。這是因為當air dam向后移動時，由于其導流作用經過散熱器前后的壓差變化不大，導致前端進氣量變化小。

表4 Air dam安裝位置對整車前端進氣的影響

2.2 Air dam高度對整車前端進氣的影響

Air dam高度對整車前端進氣的影響如表5所示。從表5可以看出，開始時air dam高度的減小對前端進氣影響較小。隨著其高度的進一步減小，前端進氣也進一步減少。當air dam高度減小到30mm時，進氣量減少2.1%。這是因為當air dam高度減小到一定程度時，使經過車輛底部的氣流增加，減少了進入散熱器的氣流量。

表5 Air dam高度對整車前端進氣的影響

2.3 主動式air dam

目前，已有汽車廠家采用主動式air dam，其高度可隨車速而變化。當車輛低速行駛時，air dam收起；當車輛高速行駛時，air dam升高而起到降低整車風阻系數的作用。

3 結論

為進一步提高整車氣動性能，降低油耗，通過空氣動力學風洞試驗，本文中詳細研究了air dam的結構和安裝位置等諸多參數對整車氣動性能和前端進氣的影響，獲得如下結論。

(1) Air dam的安裝位置和高度都對整車的風阻系數影響較大，在滿足造型要求的基礎上，應盡量將其安裝位置前移。在滿足路階和接近角要求的情況下，盡可能增加air dam的高度。

(2) Air dam邊緣處的結構對整車風阻系數也有一定影響。整車風阻系數對air dam拐角處的形狀非常敏感，需要精心設計。Air dam靠近輪胎附近的兩端也非常敏感，在滿足路階要求的情況下，盡量增加此處的高度。

(3) 與安裝位置相比，air dam的高度變化對整車前端進氣影響較大，應盡可能增加其高度。

(4) 主動式air dam離地高度可調，主要在車輛高速行駛時起作用，這樣其離地高度就不再是主要的影響因素。

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[6] Howell J. “Shape and Drag” Euromotor International Short Course-Using Aerodynamics to Improve the Properties of Cars[C]. FKFS, Stuttgart,17-18, February,1998.