基于有限元分析的家用轎車底盤散熱技術研究

張 凱

（山西交通職業技術學院，山西 太原 030031）

引言

污染物排放，燃料消耗和車輛性能是汽車市場一直面臨的挑戰。在未來十年，車輛的發展將面臨新的挑戰，即將側重于污染物和燃料兩者減少，從而減少二氧化碳的排放和使用燃料中污染物的控制。這一發展將迫使汽車制造商在車輛整體動力總成方法的基礎上發展。在短期的情況下，排放法規將從目前的WLTP變為RDE測試。這些法規的變化意味著汽車制造商將進一步努力確保測試條件盡可能接近現實。車輛校準是一個重大的挑戰，因為許多變量如交通或環境溫度都不能控制。為了克服這些困難，大多數制造商正在使用道路有限元測試來收集數據，而小型轎車的底盤熱量管理就是其中的重要環節。

在這項工作中，使用有限元（CFD）方法來確定某些設計參數的相關性，例流場與溫度分布的相關性。所提出的方法認為只有汽車和前面的鼓風機考慮在內。目標是確定汽車周圍的流場特性考慮到鼓風機出口部分的變化，并圍繞汽車底盤的熱分布開展討論。

1 家用轎車底盤CFD網格劃分和方法分析

在真實道路條件下對汽車進行仿真需要使用擴展域，以確保汽車周圍的流量遠遠低于汽車的上游和下游，所以在網格劃分的過程中，有必要有一個圍繞車身的相當精細的網格以充分解決邊界層，并且也在尾流區域，但是這樣的劃分，當使用標準網格質量時，會導致非常大量的網格細胞，也一定會加重計算量。

圖1 家用轎車底盤的流場區域網格劃分

在圖1中，提供了在真實道路狀況下模擬汽車周圍流動的網格：其尺寸在汽車中定義長度是下游11，上游10和高度 4。這種情況下由于這種類型的網格生成計算效果較好，所以使用笛卡爾方法切割細胞。事實上，它可以準確地適應車輛的復雜幾何形狀，同時在墻壁上保持良好的網格質量并具有足夠的高分辨率。在計算域中，從最小值 0.004m到最大值0.500m的范圍內，總共3.0E + 06個單元。為了重現相對的軸向風，在汽車的上游施加55m / s（200km / h）的速度入口邊界條件，同時在下游，上部和外部周圍設定大氣壓力條件。為了減少網格單元的數量，只考慮了一半的車域沿著汽車長度的對稱平面。

2 家用轎車底盤有限元模擬結果分析

在轎車的車輛設計當中，如何使得車身（包括車輛底盤）達到熱均勻是設計工作者一直所追求的目標，利用上述網格模型，通過計算，可以得到風機模擬試驗車輛周圍的道路流動情況，圖5表示流場流過車輛后，車輛前后的溫度分布情況（左圖為車輛后部，右圖為車輛前部）。

從圖2中可以看出，車輛的尾部溫度遠遠高于車輛前部的溫度，這主要是由于尾部明顯存在流速非常低的區域。事實上，正如預期的那樣，汽車前方雖然產熱量較大，但是有一個接近零速度的停滯區域，這會使得車輛前部的溫度較后方來說低很多。

圖2 汽車流場中前后溫度分布

其他研究也表明，從位于汽車前方大約一半高度的停滯點起，流場流動分離，一部分流過汽車，其余部分在汽車下方。仔細觀察圖 3，在汽車底盤有兩個附加的區域，其中幾乎是流動的零速度。首先在汽車下面，從前面流過的地方到達底盤部位，因為它不能很快適應汽車的幾何形狀，從而急劇轉彎，流線投射到地面上，很難到達底盤后部，導致底盤后部的溫度相比前部較高。

此外，影響汽車底盤熱分布的另外一個重要因素是，汽車下方（底盤）的壓力分布。盡管不同的鼓風機結構在壓力分布方面存在一些差異，但它們在1000Pa左右，不是很顯著。顯然，風速不是影響底盤壓力分布均勻性的重要因素。這個可能的原因是由于在風機的情況下，地板邊界條件沒有考慮到輪子運動這一事實。事實上，對于路上模擬，道路正在相對于車輛以與車輛相同的方向移動空氣，為了獲得更好的區域預測，在CFD風機計算中也應慮輪子在地板上的相對運動。

圖3 汽車底盤的在流場中（風冷）的散熱情況

事實上，空氣對車體施加拖曳力，影響了其空氣動力學性能，并在稍后被模擬作為拖曳力，這會影響其機械效率。因此，空氣與汽車車輛相互作用，在一定條件下對車輛底盤的散熱效率影響很大。對于后驅行轎車，流動的氣流不僅有助于后方底盤后部的熱量排散，也有助于冷卻排氣，從而對后處理裝置的性能產生積極影響。在制動功率要求較高的車輛中，車輛前部的氣流常常不僅用于車輛前部底盤的散熱，目前也被傳送至制動器卡鉗以消散制動過程中產生的熱量。但是，空氣相對于車輛的速度對這個溫度有相反的影響。一方面影響空調系統的冷凝效果，這對系統效率有消極影響。另外，汽車輪胎周圍的氣流不僅會產生氣動阻力，對輪胎溫度也有很大的影響，因此對滾動阻力有影響，這些熱量均會影響汽車底盤的熱分布。

3 結論

本文利用有限元分析，真實地再現樂車輛底盤與空氣相互作用，展現了汽車底盤的溫度分布和散熱特性。經過分析可知，車輛的速度和氣流的速度對底盤散熱的影響并不大，所以，為了達到汽車底盤的有效散熱，需要根據氣動特性，進一步對車輛底盤的設計進行優化，以便能夠在車輛實際運行過程中，底盤熱分布達到均勻。

參考文獻

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