車(chē)輪輪轂各參數(shù)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)CD值的影響

季惠，王文樂(lè)，張鵬程

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

車(chē)輪輪轂各參數(shù)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)CD值的影響

季惠，王文樂(lè)，張鵬程

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

為適應(yīng)微型純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輪輪轂多樣化需求，并增加純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，利用參數(shù)化編程實(shí)現(xiàn)車(chē)輪相應(yīng)幾何形狀的改變，結(jié)合整車(chē)CFD分析，模擬車(chē)輪各參數(shù)對(duì)微型純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)CD值的影響。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和CFD仿真分析不僅可以提升整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能，還可以為以后純電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)輪輪轂形狀開(kāi)發(fā)提供相應(yīng)參考，同時(shí)文章所使用的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法為今后純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輪輪轂的快速開(kāi)發(fā)提供幫助。

數(shù)值模擬；空氣阻力系數(shù)；參數(shù)化

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-129-03

引言

在環(huán)境整治的大背景下，全球都在大力發(fā)展和推廣純電動(dòng)汽車(chē)。如今電池技術(shù)停滯不前，如何在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加車(chē)輛的續(xù)航能力，目前最主要的一個(gè)手段就是減少行駛阻力，提升空氣動(dòng)力學(xué)性能[1-3]。因此改善電動(dòng)汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能成為現(xiàn)今各汽車(chē)廠商發(fā)展的主要方向。

由于純電動(dòng)汽車(chē)省去了發(fā)動(dòng)機(jī)，改為體積更小的輪轂電機(jī)，因此在車(chē)輛前部節(jié)省了大量的空間，也使得其前圍造型更為自由[4-5]。而裝有輪轂電機(jī)的車(chē)輪的應(yīng)用，更大程度改變了純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輪的形狀，通過(guò)對(duì)車(chē)輪輪轂的分析，選擇其關(guān)鍵參數(shù)作為評(píng)價(jià)汽車(chē)氣動(dòng)特性的因素，并確定各因素的合理取值范圍，結(jié)合CFD空氣動(dòng)力學(xué)仿真，分析電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輪輪轂關(guān)鍵參數(shù)對(duì)整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的影響，為以后純電動(dòng)汽車(chē)的前車(chē)輪輪轂開(kāi)發(fā)提供相應(yīng)參考。

1 數(shù)值模擬的空氣動(dòng)力學(xué)湍流控制方程[5]

1.1 基本控制方程

通常，多維湍流運(yùn)動(dòng)均可用非穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程及 Navier-Stokes方程進(jìn)行表達(dá)。在笛卡爾坐標(biāo)系下，速度矢量u在x，y，z三個(gè)方向上的分量為u，v，w，其表達(dá)式如下：

1.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型需要求解湍流動(dòng)能及其耗散率方程。湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程是通過(guò)精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過(guò)物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的。該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只適合完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬。其表達(dá)式如下：

2 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)建模

在車(chē)輛的外形、外廓尺寸、主要布置參數(shù)基本完成之后，通過(guò)建立三維模型以及有限元模擬確定基本參數(shù)，如表1所示。利用光柵圖像在UG中進(jìn)行正向建模，為了減少計(jì)算量，采取1：10的半模型進(jìn)行分析，同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)車(chē)輛模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：忽略后視鏡、門(mén)把手等車(chē)身附件；忽略車(chē)輪的影響；對(duì)底盤(pán)做平整處理。簡(jiǎn)化后的車(chē)輛三維模型如圖1所示。

表1 車(chē)身總布置設(shè)計(jì)尺寸(mm)

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)的三維模型

3 利用UG二次開(kāi)發(fā)建立車(chē)輪輪轂參數(shù)化模型

3.1 利用MFC建立人機(jī)交互界面

構(gòu)建對(duì)話框是程序二次開(kāi)發(fā)中的必要步驟，但是UGNX在程序二次開(kāi)發(fā)中的顯示界面功能非常短缺。而 MFC功能非常宏大，可對(duì)軟件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)編程，并可利用void指針類(lèi)型進(jìn)行UG/OPEN API和MFC數(shù)據(jù)雙向傳遞。因此MFC在UGNX開(kāi)發(fā)中起著非常重要的作用。MFC功能在UGNX中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程相見(jiàn)附件[6-9]。所建立的對(duì)話框如圖2所示，圖3為生成車(chē)輪輪轂所需程序界面。

圖2 生成對(duì)話框

圖3 生成所需程序

3.2 車(chē)輪輪轂參數(shù)化建模

微型純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輪輪轂?zāi)Ｐ偷膮?shù)化主要是為了在保證基本不影響轎車(chē)整體結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)車(chē)輪進(jìn)行快速生成，其形狀也是對(duì)實(shí)際車(chē)輪的簡(jiǎn)化，但是其數(shù)值分析精度要比傳統(tǒng)的明顯提高，而車(chē)輪輪轂的直徑、寬度、設(shè)計(jì)孔徑季差值等對(duì)流經(jīng)車(chē)輛的氣流產(chǎn)生重要影響[8]同時(shí)，車(chē)輪輪轂前束的角度也會(huì)對(duì)整車(chē)CD值產(chǎn)生重要影響。空氣流經(jīng)車(chē)身前部時(shí)，會(huì)沿車(chē)身前圍向四周流動(dòng)，從而改變氣流方向。良好的車(chē)輪輪轂?zāi)軌蚣涌鞖饬鹘?jīng)過(guò)時(shí)的速率，降低空氣的串流或者滯流，因此可以降低微型純電動(dòng)車(chē)底部所受的空氣阻力。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知：車(chē)輛車(chē)輪輪轂的導(dǎo)流參數(shù)和車(chē)輪輪轂的車(chē)輪寬度、車(chē)輪直徑、輪輞直徑、圓孔直徑或邊長(zhǎng)、差值、孔洞數(shù)及對(duì)應(yīng)符號(hào)。

得到車(chē)輪輪轂基本的尺寸參數(shù)之后，為了快速仿真計(jì)算，對(duì)車(chē)輪輪轂進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)編譯檢查程序無(wú)誤后運(yùn)行程序，先得到集中車(chē)輪的簡(jiǎn)易形狀，在進(jìn)行模型修正，最后選取兩種形式的車(chē)輪進(jìn)行參數(shù)化模擬分析，如圖4所示。

圖4 輸入變量并修正得到的模型

4 含車(chē)輪輪轂參數(shù)的某純電動(dòng)汽車(chē)CFD分析

4.1 風(fēng)阻系數(shù)CD值隨車(chē)輪寬度的變化

由于微型純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)重一般在870千克左右，所以其車(chē)輪寬度取值范圍為(175mm，205mm)之間。對(duì)車(chē)輪的整體性設(shè)計(jì)，車(chē)輪的扁平率寬高比要在一定范圍內(nèi)，為了增加純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，在分析參數(shù)車(chē)輪寬度的變化對(duì)整車(chē)氣動(dòng)性的影響時(shí)，車(chē)輛三維模型中其它幾個(gè)參數(shù)值保持不變，寬度的取值及對(duì)取值計(jì)算分析得到的阻力系數(shù)分別如表2。

表2 不同參數(shù)值a所計(jì)算的阻力系數(shù)

圖5 阻力系數(shù)CD值隨車(chē)輪寬度a變化趨勢(shì)圖

通過(guò)圖 5可以看出，微型純電動(dòng)汽車(chē)的 CD值與車(chē)輪寬度a的值呈反正例關(guān)系，柵格長(zhǎng)度參數(shù)a取較小值時(shí)，從前方流入的氣流，流經(jīng)車(chē)輪輪轂的位置，由于輪胎寬度a大，所以此時(shí)車(chē)輪輪轂形狀較容易阻擋致使氣流通過(guò)，進(jìn)而造成渦流不會(huì)快速散去，導(dǎo)致整個(gè)車(chē)身的風(fēng)阻系數(shù)相對(duì)比較高。下面兩圖的車(chē)輪寬度分別為185mm和205mm時(shí)壓力云圖：

圖6 車(chē)輪寬度分別為185mm和205mm時(shí)壓力云圖

4.2 風(fēng)阻系數(shù)CD值隨車(chē)輪輪轂造型空洞個(gè)數(shù)n的變化

在借鑒現(xiàn)有車(chē)型車(chē)輪輪轂的基礎(chǔ)上，設(shè)定參數(shù)n的理論取值范圍為(9，13)個(gè)之間，為了增加純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，在分析參數(shù)n的變化對(duì)整車(chē)氣動(dòng)性的影響時(shí)，車(chē)輛三維模型其它幾個(gè)參數(shù)值保持不變，n的取值及對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果CD值如表3所示。

表3 不同參數(shù)值n所計(jì)算的阻力系數(shù)

圖7 風(fēng)阻系數(shù)CD隨車(chē)輪輪轂開(kāi)孔數(shù)改變的趨勢(shì)圖

從圖7中可以看出，汽車(chē)的阻力系數(shù)與開(kāi)孔個(gè)數(shù)的取值呈正比例關(guān)系，開(kāi)孔個(gè)數(shù)取較小值即設(shè)計(jì)為較封閉時(shí)，從微型純電動(dòng)汽車(chē)前方流來(lái)的空氣流經(jīng)整車(chē)前部車(chē)輪輪轂的位置，由于車(chē)輪輪轂較為封閉致使氣流渦流較小，渦流的來(lái)回干擾也較小，渦流直徑較大較整潔使得整個(gè)車(chē)身的風(fēng)阻系數(shù)相對(duì)比較小。下面通過(guò)9孔和13孔的車(chē)輪輪轂壓力分布云圖，見(jiàn)圖8。

圖8 n=9時(shí)、n=13時(shí)車(chē)輪分別所受壓力分布云圖

接下來(lái)再做兩組數(shù)據(jù)模擬分析在實(shí)際中該車(chē)的車(chē)輪形狀也接近于多孔型的。本次使用的參數(shù)化車(chē)輪的開(kāi)孔數(shù)為九個(gè)，開(kāi)孔總面積一組和13個(gè)的開(kāi)孔面積相等，另一組開(kāi)孔面積小于13個(gè)的開(kāi)孔面積，在其他值保持不變的條件下進(jìn)行模擬分析并得到本次車(chē)輪參數(shù)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，由模擬結(jié)果得知不僅與開(kāi)孔數(shù)目有關(guān)系，而且與開(kāi)孔面積有關(guān)系。且整車(chē) CD的大小與開(kāi)孔數(shù)量成正比，與開(kāi)孔面積成反比。

表4 開(kāi)孔數(shù)目及面積參數(shù)值對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)

5 結(jié)論

利用Fluent仿真軟件對(duì)微型純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的外流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，得到了車(chē)輛車(chē)輪輪轂壓力云圖以及整車(chē) CD值，為以后優(yōu)化微型純電動(dòng)汽車(chē)的氣動(dòng)特性提供一定參考依據(jù)。

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，微型純電動(dòng)汽車(chē)的CD值與車(chē)輪輪轂寬度值呈正比例關(guān)系，與車(chē)輪輪轂上的孔洞數(shù)值呈正比例關(guān)系，與車(chē)輪輪輞上的開(kāi)孔面積呈反比例關(guān)系。本研究結(jié)果可以為以后汽車(chē)車(chē)輪輪轂的開(kāi)發(fā)及提升純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程提供幫助。

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[7] 徐娟媛,汽車(chē)前照燈的空氣動(dòng)力學(xué)特性研究[D],上海：華東理工大學(xué),2012.

Influence of parameters of wheel hub on CD value of pure electric vehicle

Ji Hui, Wang Wenle, Zhang Pengcheng
( Jiang Su Food & Pharmaceutical Science College, Jiangsu Huaian 223003 )

In order to adapt to the micro electric vehicle wheel hub diversified needs, and increase the pure electric vehicle mileage, the use of parametric programming the corresponding wheel geometry changes, combined with vehicle CFD analysis, influence of simulation parameters on wheel miniature pure electric vehicle CD value. Through the parametric design and simulation analysis of the CFD can not only enhance the vehicle aerodynamic performance, can also provide the corresponding reference wheel hub shape the development of pure electric vehicles, to help the parametric design method used in the future for the rapid development of electric vehicle wheel hub.

Numerical simulation; air drag coefficient; grille parameterization

U472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)20-129-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.045

季惠，碩士，就職于江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院。研究方向：車(chē)輛工程。