前輪阻風板對整車風阻系數(shù)的影響

陸飛龍

(上汽集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

原創(chuàng)

前輪阻風板對整車風阻系數(shù)的影響

陸飛龍

(上汽集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

以某中大型SUV車型為例，為了盡可能降低整車風阻系數(shù)，根據(jù)空氣動力學原理，借助虛擬仿真手段研究了不同尺寸及形狀的前輪阻風板對整車風阻系數(shù)的影響。研究表明，前輪阻風板的結(jié)構(gòu)對整車風阻系數(shù)非常敏感。相比于傾斜的阻風板，豎直的阻風板通常可以獲得更低的風阻系數(shù)。阻風板的尺寸對整車風阻系數(shù)同樣非常重要。

空氣動力學風阻系數(shù)前輪阻風板

0 前言

研究表明，汽車空氣阻力占整個車輛能耗的22%左右，它是除了燃料燃燒散熱及機械摩擦損失之外的第三大能耗[1]。合理利用空氣動力學原理可以有效地提高整車的空氣動力性能，使設計出的車型具有更低的風阻，而且研發(fā)費用相比其他的節(jié)能手段更低，因此越來越多的整車廠開始重視整車空氣動力學性能。一般情況下，車輪在車底部有一半暴露在車身外，且離地間隙越大車輪外露越多，車輛高速行駛時，高速氣流直接沖擊車輪，在車輪上產(chǎn)生很大的正壓力，增大了整車阻力，導致油耗增加[2]。

各大整車廠都在努力尋找有效且成本較低的優(yōu)化方案來降低整車風阻，其中前輪阻風板成本低且效果明顯，已經(jīng)被廣泛應用[3]。此方案就是在車輪前部增加特殊形狀的部件，從而有效改善車輪前部氣流流動，可有效降低整車風阻。前輪阻風板也有叫前保下?lián)醢澹拘螤钊鐖D1所示。

考慮到前輪阻風板的不同結(jié)構(gòu)和安裝位置對整車空氣動力學的影響非常復雜，應該針對具體車型進行詳細的研究。本文主要通過仿真計算模似手段，研究了不同的前輪阻風板結(jié)構(gòu)和安裝位置等主要參數(shù)對整車空氣動力學性能的影響，獲得了其對整車風阻系數(shù)的影響規(guī)律，得到了優(yōu)化的前輪阻風板結(jié)構(gòu)。

1 仿真計算模型與邊界條件

整車空氣動力學性能分析的模型包括車身外表面、前端冷卻模塊、發(fā)動機和艙零件、底盤零件等幾乎所有外部氣流經(jīng)過區(qū)域的零部件。整車網(wǎng)格劃分中，車身外表面包含7層邊界層網(wǎng)格，對車身周圍、后視鏡、風窗蓋板等氣流易分離的區(qū)域分別進行了不同程度的加密，最終得到4 000萬個整車網(wǎng)格。

圖2 計算模型網(wǎng)格

本次計算選用的車速為120 km/h，即風洞速度入口條件120 km/h，地面及風洞壁面均采用無滑移的對稱條件，風洞出口為壓力出口，冷卻模塊采用多孔介質(zhì)進行模擬，其中粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)均由試驗數(shù)據(jù)擬合而成。

2 前輪阻風板對整車風阻系數(shù)的影響

整車風阻主要包括外部風阻和內(nèi)部風阻，其中外部風阻主要由車身外表面、底盤、車輪、后視鏡等組成。本文主要研究外部風阻。

2.1 前輪阻風板影響整車風阻系數(shù)的原理

前輪阻風板通常位于車輪前方，有平直的矩形面也有變半徑的弧組成。未安裝前輪阻風板時整車前部特別是車輪前部的流線及壓力分布見圖3。由圖3可知，未安裝前輪阻風板時，前端氣流直接沖擊車輪，氣流速度迅速衰減，動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，從而在車輪前部形成很大的正壓區(qū)，進而整車氣動阻力明顯增大。另外，前輪阻風板還可以起到一部分空氣阻尼的作用，減少氣流對底盤零件的沖擊，也對整車降阻起到一定的作用。

圖3 無前輪阻風板時車輪截面氣流及胎面壓力分布

如圖4所示，當車輪前安裝了阻風板后，車頭前端的高速氣流由于阻風板的遮擋和導流，不再直接沖擊車輪，車輪前端的正壓區(qū)明顯減小，整車氣動阻力也有所降低。

圖4 無前輪阻風板時車輪截面氣流及胎面壓力分布

為了進一步研究前輪阻風板的作用，探索不同結(jié)構(gòu)形式的阻風板結(jié)構(gòu)對整車風阻系數(shù)的影響，并且還要滿足造型及接近角等條件，因此針對不同類型的車輛，分析前輪阻風板不同參數(shù)對整車風阻系數(shù)的影響顯得非常重要。

2.2 前輪阻風板不同安裝位置對整車風阻系數(shù)的影響

通過仿真模擬及風洞試驗手段研究前輪阻風板安裝位置對整車風阻系數(shù)的影響。如圖5所示，前輪阻風板的安裝位置距離車輪前端面距離范圍為160～240 mm。

圖5 不同安裝位置前輪阻風板

圖6為前輪阻風板不同安裝位置對整車風阻系數(shù)的影響。從圖6中可以看出，隨著前輪阻風板遠離車輪，其對整車風阻系數(shù)的作用先是有所增大，后逐漸減小，當其位置距離前輪前端面240 mm時，整車風阻系數(shù)增加了0.002。

圖6 前輪阻風板不同安裝位置對整車風阻系數(shù)的影響

前輪阻風板安裝位置對整車風阻系數(shù)影響較大的原因主要是隨著其向車頭方向移動，氣流撞擊輪胎的面積逐漸減小，但是阻風板本身受到前端氣流的正壓力逐漸增大，當阻風板本身受到的壓力大于輪胎及相關零件壓力減小值時，整車風阻系數(shù)就會出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

2.3 前輪阻風板的形狀對整車風阻系數(shù)的影響

由于汽車行駛中，前端氣流高速撞擊前輪阻風板，使得阻風板本身受到一定的阻力，通過改變阻風板迎風面的形狀，特別是邊界部分的形狀(弧度)，對作用在阻風板上的氣流流動，以及對車輪阻力的影響也會有所不同。如圖7為3種不同前端形狀的前輪阻風板和車輪的相互關系的俯視圖。表1為3種前輪阻風板對應的計算結(jié)果。

圖7 不同界面形狀的前輪阻風板

序號阻風板形式風阻系數(shù)變化1無阻風板02阻風板邊界無拐角-0.0063阻風板邊界大曲率拐角-0.0054阻風板邊界小曲率拐角-0.009

從表1可以看出，對于研究的某SUV車型，前輪阻風板可以有效降低整車風阻系數(shù)，但是隨著阻風板橫截面(迎風面)形狀的變化，經(jīng)過阻風板的氣流也有所不同。當阻風板邊界無拐角(圖7(a))，氣流有效遮擋了撞擊車輪的氣流，但由于整個阻風板前端面均為氣流駐點，作用于阻風板本體上的氣動阻力相對較大。當阻風板邊界大曲率拐角(圖7(b))，由于阻風板邊界有部分曲面，前端氣流撞擊至阻風板后，部分氣流由于曲面部分的導流而減速較小，從而使得作用域阻風板上的氣動阻力略小于阻風板邊界無拐角,但是流過阻風板曲面后的氣流直接撞擊到了車輪，使得車輪所受空氣阻力有所增加。而阻風板大曲率拐角與小曲率拐角情況相似，截面有部分曲面，部分氣流沿著曲面部分高速通過阻風板，對于阻風板的作用力相對較小(圖7(c))。另外，由于阻風板的邊界拐角曲率較小時，流經(jīng)阻風板的氣流基本繞開了車輪，未對車輪增加額外氣動阻力，所以對應的減阻效果最明顯。

2.4 前輪阻風板安裝角度對整車風阻系數(shù)的影響

目前，絕大部分車輛所安裝的前輪阻風板都是豎直安裝，從外觀來說不算美觀，本文研究了幾種不同安裝角度且不同結(jié)構(gòu)的前輪阻風板對整車風阻系數(shù)的影響。圖8為幾種不同的前輪阻風板結(jié)構(gòu)形式。

圖8 不同安裝形式的前輪阻風板

3種形式的阻風板對應的氣流形式如圖9所示，可以看出，當阻風板豎直時，氣流撞擊阻風板后方向朝地面方向流動，且速度衰減明顯，無明顯氣流沖擊車輪。當阻風板向后傾斜，氣流遇到傾斜的阻風板后沿著阻風板向斜后方流動，對阻風板沖擊力度較小，但經(jīng)過導流的空氣速度很高，并有部分沖擊到車輪，對車輪影響較大。當采用陰風板向后傾斜+翻邊的定裝形式時，可以看出，氣流被向下引導，沖擊車輪的氣流有所減少，但相較于僅采用阻風板向后傾斜的情況，阻風板所受沖擊有所增大。表2為不同阻風板形式車輪及阻風板受力及對整車風阻系數(shù)的影響。

圖9 流經(jīng)阻風板及車輪的氣流矢量圖

2.5 前輪阻風板尺寸對整車風阻系數(shù)的影響

前輪阻風板的尺寸對風阻系數(shù)也有一定影響。如圖10所示，減小了阻風板的高度和寬度后，整車風阻系數(shù)的影響如表3所示。

表2 阻風板不同形狀對阻風板、輪胎受力及整車風阻系數(shù)影響

圖10 不同尺寸的前輪阻風板

序號阻風板形式風阻系數(shù)變化1基準阻風板豎直02阻風板下邊減小10mm+0.0013阻風板下邊減小10mm寬度減小30mm+0.003

從表3可以看出，前輪阻風板高度減小后，整車風阻系數(shù)略有增大，主要因為阻風板高度減小后，氣流沖擊到輪胎的量有所增大；阻風板寬度減小之后，減少了其對底盤凸起零件的保護，氣流沖擊到復雜的底盤零件，從而使得整車風阻系數(shù)進一步增大。

3 結(jié)論

為了進一步提高整車氣動性能，降低整車風阻系數(shù)，從而通過仿真模擬計算及部分風洞試驗的手段，詳細研究了前輪阻風板的不同特征參數(shù)對整車風阻系數(shù)的影響，得出的結(jié)論如下：

(1)前輪阻風板相對于車輪的位置對整車風阻系數(shù)有較大影響，但并非越近越好，也非越遠越好，其安裝位置需要根據(jù)不同車型的特點進行仔細選擇。

(2)前輪阻風板的截面形狀對整車風阻系數(shù)也有一定影響，特別是邊界拐角形式，可以無拐角，但如果有拐角則需要考慮拐角的曲率，盡量避免引導氣流沖擊車輪輪胎。

(3)前輪阻風板傾斜可以減小阻風板的風阻，但是卻不一定能降低整車風阻，本文所研究的阻風板傾斜后反而因?qū)饬鞯膶虿划敚黾恿苏囷L阻。所以阻風板的安裝角度需要仔細研究，其對整車風阻系數(shù)十分敏感。

(4)在考慮減少氣流沖擊車輪的同時，還需要考慮前輪阻風板對底盤零件的作用，必要時可以結(jié)合空氣阻尼一起設計。

[1] Yohan Jung, Jehyun Baek. A numerical study on the unsteady flow behavior and the performance of an automotive sirocco fan [J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008, 22(10)：1889-1895.

[2] 傅立敏. 汽車空氣動力學[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[3] Howell J. Shape and drag euromotor international short course using aerodynamics to improve the properties of cars[C]. FKFS,Stuttgart, 1998.