可調式擾流板對高速制動效能的影響

陸文昌，王 梓，陳 龍，汪若塵

LU Wen-chang, WANG Zi,CHEN Long,WANG Ruo-chen

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

0 引言

隨著道路條件的不斷改善，車輛性能的不斷提高，汽車在行駛中處于高速狀態的時間越來越長，研究車輛高速時的空氣動力學變的越來越有意義?？諝庾枇εc速度的平方成正比，車速很高時，車輛受到空氣阻力會顯著增加，成為主要阻力。高速行駛過程中，車輛還會產生較大的氣動升力，該力會降低車輛的垂直載荷，從而降低車輛對路面的附著力，影響車輛的安全性。通過安裝良好設計的擾流板，可以優化車輛的空氣動力特性。本文嘗試研究一種可調式擾流板，并討論其在車高速制動時對制動效能的影響。

1 制動時的載荷轉移現象

由車身和車軸的力與力矩的基本方程可以推導出雙軸車輛前后軸上的載荷公式，前軸載荷和后軸載荷分別為：

式中：G為車輛重力，h為質心高度，l為軸距,r 為輪胎半徑,FzV，FzH分別是車輛前軸和后軸的載荷，FzVstat，FzHstat分別是前軸和后軸的靜態分量，FLzV,FLzH為前后軸的空氣升力，λ* 為引進的旋轉質量系數，在計算汽車的加速阻力時利用旋轉質量系數將發動機飛輪等旋轉質量的慣性阻力矩轉換成平移質量的慣性阻力矩。車輛制動時，忽略旋轉質量的影響和空氣升力的影響，并且引入相對減速度表示車輛的制動強度，可將軸荷公式化簡為：

式中：lH為質心到后軸的距離，lV為質心到前軸的距離。由公式可見，制動時兩軸上的載荷會重新分配，并且隨著制動強度的增加，前軸的載荷會越來越大，后軸的載荷會越來越小。從而前軸的懸架會進一步壓縮，后軸懸架會延伸，車身會更加“前傾”，這就是實際制動時出現的點頭現象。

圖1和圖2為一次120km/h到0制動測試的前后輪受力比較。由本次制動測試的結果可以看出，制動時，前輪的載荷從4 800N左右上升到6 300N左右，上升了31.25%；而后輪的載荷從4 200N左右下降至2 600N左右，下降了38%。

同時從圖2也可以看出，在此制動過程中前輪提供了大部分的制動力，并且隨著制動強度的增加，前輪提供的制動力所占的比重會變得更大。在這個制動過程，前輪提供的最大制動力為6 766N，而后輪的最大制動力為1 250N，僅為前輪制動力的18.5%。

圖1 高速制動時前后輪的垂直載荷比較

圖2 高速制動時前后輪的制動力比較

制動過程中這種載荷的轉移和隨之引發的前后輪制動力相差過大的情況是對于車輛不利的。首先，這增大了前軸輪胎的磨損，不利于車輛的安全性；其次，由于大部分制動力由前軸提供，車輛前軸制動系統負荷過大，經過緊急制動或者多次反復制動后，很容易發生熱衰退，影響制動效能；第三，后軸的輪胎附和制動潛能沒能充分利用；最后也是最重要的，由于制動過程中的載荷轉移，車輛后軸的垂直載荷變得很小（圖1），從而后軸的附著力也隨之變小，若受到外界干擾，后輪很容易失去附著力，從而使得車輛的狀態變得不穩定。

2 空氣動力學特性

2.1 空氣阻力和升力

汽車行駛時除了受到來自地面的力外，還受到其周圍氣流的氣動力和力矩作用。車輛在高速行駛時消耗的功率主要由空氣阻力系數決定，同時繞汽車的氣流也直接影響車輛的升力和對側風影響的敏感程度，從而影響高速行駛時車輛的行駛狀態。

空氣阻力和空氣升力由下式定義[6]：

式中：A為汽車的迎風投影面積；rV 為相對速度；ρ為空氣密度；Cx為空氣阻力系數；Cz為空氣升力系數。

空氣阻力是與汽車運動方向相反的力，由公式可知，其大小取決于迎風投影面積A和空氣阻力系數Cx。空氣阻力中占主要地位的是壓力阻力和摩擦阻力，其中壓力阻力是由車輛前后的壓力差而形成的，摩擦阻力是車輛與切向氣流摩擦而產生的。

同時，由于高速行駛時車身上下的氣流流速不同，導致產生的壓力不同，這種壓力差會產生升力。這就意味著對于高速行駛的車輛來說軸荷總是在減小，當速度快到一定程度時，軸荷下降會導致輪胎附著力不足，嚴重影響車輛的高速穩定性。

2.2 擾流板和空氣動力學特性

汽車擾流板是一種安裝在車身上的裝置，通過控制流過車身的氣流來改善汽車的空氣動力特性。擾流板的橫截面為拋物線形，平面在上，拋物面在下。在行駛過程中，擾流板上也會形成壓力差，從而產生下壓力。此下壓力可以使得后軸的升力減小，甚至產生負升力，從而保障了行車的安全。并且比較小的后擾流板對前軸的升力系數幾乎沒有影響。

風阻系數Cx和升力系數Cz是通過風洞實驗和下滑實驗所確定的數學參數，需要很高的實驗條件。但是利用CFD軟件我們可以在計算機上進行模擬分析。CFD的實質就是把描述流體運動的連續介質數學模型離散成大型代數方程，建立可在計算機上求解的算法，然后利用計算機對流體力學的各類數值實驗進行模擬。對汽車動力學參數的模擬分為三部分。首先，建立車身模型，提取車身表面數據，生成計算網格；然后設定仿真的邊界條件和數值方法，利用求解器進行計算；最后進行后處理和結果分析。

從文獻[1]利用CFD分析，我們可以獲得某車輛的空氣阻力系數、升力系數隨擾流板攻角的變化而變化的情況（圖3，圖4）。

圖3 空氣阻力系數隨攻角變化的示意圖

圖4 空氣升力系數隨攻角變化的示意圖

觀察仿真結果，可以發現隨著攻角的增加，車身的空氣阻力系數不斷增加，升力系數持續減小，并且到達負值，這說明當攻角大于一定的值時，擾流板產生的下壓力已經克服了升力，從而在后軸上產生了垂直向下的壓力。

3 擾流板工作策略和仿真

3.1 擾流板的工作策略

根據上述結果，我們制定擾流板的工作策略：在相對低速的正常行駛時，擾流板將處于收起狀態，以獲得最小的空氣阻力。當汽車達到一定的高速或者采取緊急制動時，擾流板將升起最大的角度。一方面將增大空氣阻力，輔助制動；另一方面，高速氣流經過擾流板產生下壓力，對抗汽車尾部的升力，從而可以增加后輪的垂直方向上的力，增加后輪的制動力并且增加車輛的穩定性。

圖5 擾流板收起和升起的示意圖

3.2 模型參數與聯合仿真

實驗采用專業動力學軟件CarSim進行仿真。該軟件可以快速、準確的仿真汽車的動力學特性，已廣泛應用于常規實驗和一些難以操作或者難以測量的測試。

本次實驗采用兩輛相同的車進行對比仿真測試。其中實驗車A為正常車輛，實驗車B帶有擾流板?？烧J為車輛A與車輛B只是空氣動力特性不同。

表1 空氣動力特性

表2 車輛其他重要參數

以上參數在CarSim相應的模塊中設置，車輛B擾流板上的作用力利用Simulink模擬，流程控制圖如圖6。CarSim為Simulink提供一個S函數，該函數中包含了車輛重要信號，并且會更新軟件對于車輛其他信息的調整。在仿真實驗進行過程中，CarSim將通過S函數中的輸入和輸出信號和Simulink進行動態交互。根據升力公式和升力系數，并假設空氣為靜止狀態,則車速就是空氣的相對速度，可以得出車輛升力是車速的函數f(u)，并將此信號返回輸入到S函數。

圖6 控制流程圖

4 實驗和結果分析

4.1 實驗內容

實驗內容為在的良好路面上，兩車輛在180km/h的速度下緊急制動。

該實驗考察在良好路面上的高速制動性能。

4.2 實驗結果分析

實驗結果如下：

圖7 空氣阻力

車輛高速制動時擾流板升起，B的空氣阻力系數增大。由圖7看出，在制動初期，B受到的空氣阻力遠大于車輛A。隨著制動進的進行，車速下降，車輛與空氣的相對速度減小，空氣阻力快速變小。

圖8 后輪垂直載荷

圖9 后輪制動力

由圖8可以看出，制動開始，載荷發生轉移，后輪上的力迅速變小。在擾流板下壓力的作用下，車輛B對的后輪垂直力大于車輛A，且在整個制動過程中一直保持。該力的最小值約發生在t=0.3s時，此時車輛后軸能得到的附著力是最小的，即車輛狀態是最不穩定的，后輪很容易由于操作不當或者受到外界的干擾而失去附著力從而發生滑移。此時車輛A后軸的垂直力為980.67N，車輛B為1 158.85N，比車輛A的值提高了18%。說明擾流板的作用可以增強車輛的穩定性。

圖9是后輪制動力的曲線，由圖可以觀察到，在整個制動過程中，車輛B由后輪提供的制動力始終大于車輛A。后輪提供了更多的制動力，也就意味著整車制動效能的提高。由表3可以看到，對于后輪的垂直力和制動力，車輛B相對于車輛A均有較大提高。

表3 車輛后輪受力比較

圖10 俯仰角

圖11 制動減速度

由圖10俯仰角的比較中可以看到，由于擾流板的作用，車輛B的俯仰角也略小于A，從而對制動的姿態的優化有一定作用。

由車輛的制動減速度曲線（圖11）可以看出，在整個制動過程中，車輛B的制動減速度一直大于車輛A，并且在制動初期，這個優勢特別明顯。這是由于制動初期車速較快，空氣阻力和負升力的作用比較大。這表明了擾流板的升起對高速車輛在制動的初期迅速下降車速有很大的幫助。隨著車速的下降，空氣阻力和負升力的優勢逐漸變小，但仍可以保證車輛B的減速度大于車輛A。

表4 制動減速度比較

圖12 制動時間

圖13 制動距離

最終的制動時間和制動距離也印證了上述的分析，結果如圖12、圖13和表5。

可以得出結論，在180km/h到0的制動測試中，車輛B的制動時間和制動距離均相對于車輛A有明顯的減少。

表5 制動測試結果比較

隨后，為了模擬兩車在雨天和雪天的制動情況，又進行了兩組150km/h到0的制動測試。

實驗結果如表6所示，擾流板的制動作用隨著地面附著系數的降低而變得更加明顯。

表6 低附著系數制動測試結果比較

圖14 后輪垂直力

圖15 后輪制動力

由雪天制動測試結果的圖14和圖15可以看出，車輛B后輪上的垂直作用力和后輪提供的制動力均明顯高于車輛A。這是由于地面附著系數變小，速度下降變慢，高速下空氣阻力和負升力作用的時間變長。這充分說明了擾流板的作用能夠不受天氣的影響，在濕滑路面的條件下也可以提供有效的制動效能的提升。

5 結論

本文分析了擾流板的作用，制定了其工作策略，并設計了兩種速度、三種路面的制動實驗。通過上述實驗可以發現，擾流板的大角度升起確實對于高速情況下的制動效能有明顯提升的作用，有效減小了制動時間和制動距離。并且，擾流板的制動作用不受路面因素影響，在低附條件下也可以有穩定的作用。

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