氣壩在輕型卡車上的氣動性能研究及應用*

劉 婧

(江鈴汽車股份有限公司,江西 南昌 330200)

0 引 言

當前我國已進入國六時代，汽車節能和碳排放要求也越來越嚴格，燃油車的燃油經濟性和電動車的續航在汽車開發過程中的作用更加凸顯[1]。汽車行駛過程中，所受到的阻力主要包括空氣阻力和機械阻力，其中空氣阻力在對汽油油耗的損失中占到17%，而且空氣阻力系數越低，表示汽車動力性和燃料經濟性越好。因此，如何獲取低的風阻系數是一項非常有意義的工作。

從形狀上來說，輕型卡車的風阻系數比轎車等車型要差，但是它的風阻性能提升空間很大，比如方正的大車頭優化、車頭與貨柜的鏈接方式優化、車廂的優化。卡車的底盤在提升風阻性能方面發揮重要作用，氣壩能盡可能地減少進入車底的氣流并且能平整進入底盤的氣流，減少空氣阻力。筆者以某款輕型卡車為研究對象，設計不同高度的氣壩進行仿真模擬和道路滑行試驗，通過對比分析研究氣壩對卡車的節油貢獻。

1 仿真模型與結果

1.1 仿真基礎模型建立

選用某滿載姿態下的一款輕卡為研究對象，入口距車前5倍車身長，出口距車后10倍車身長，左右上距車身邊緣5倍車寬/車高。 地面分大小地面，小地面取車身在地面上的正投影范圍，車輪旋轉速度根據入口風速v=100 km/h和車輪半徑得出，前輪為708 r/min，后輪為810 r/min。利用 STARCCM+軟件[2]進行計算模擬，選擇三維、穩態、定常流和 Realizable K-Epsilon湍流模型[3]。

1.2 仿真基礎模型計算結果

壓力系數云圖、速度矢量圖、ISO總壓為0等勢面圖，分別如圖1～3所示。

圖1 壓力系數云圖

圖2 Y=0截面速度矢量圖

圖3 ISO總壓為0等勢面圖

由圖1(a)上可以看出，前方氣流掠過前保下邊緣直接沖擊底盤，主要擊打在后橋上，正壓區域較大；由圖1(b)上可以看出，整個機艙區域的表面正壓都比較大。

由圖2(a)可知，汽車前方來流直接沿前保下邊緣沖擊底盤區域，由圖2(b)可知，底盤的部件對氣流造成多次分離。由圖3可知，氣流經過前保下邊緣后撞擊多個底盤部件，如變速箱、蓄電池、排氣管等，產生細而多的尾渦，造成嚴重的能力損失。

因此，為達到降阻的目的，減少輕卡底部氣流提前分離和通過底盤的氣流量，必須對輕卡下車體進行優化。增加下防護板是比較典型的措施，簡單有效但成本高、安裝困難，甚至帶來熱害問題，而氣壩安裝簡單、成本低、非常適合輕卡。

2 氣壩對輕卡氣動性能的影響

2.1 氣壩的原理

氣壩也叫前擾流板，將前保險杠往下方擴大，形成一個阻擋氣流的壩頭，盡量減少進入車底的氣流和平整車底氣流。氣壩的高度對整車風阻的影響較大，它不僅受路階和接近角的限制，還要考慮其安裝方式和強度，在已知的邊界限制下，我們設定高度36 mm和70 mm兩組數據進行研究。

2.2 不同氣壩高度下的風阻仿真結果

設置三組方案，基礎方案不帶氣壩，方案1氣壩Z向36 mm高，方案2氣壩Z向70 mm高，參考基礎模型的仿真設置，對三組方案進行仿真模擬分析，模型如圖4所示。

圖4 三組方案模型示意

風阻對比結果如表1所列。從對比結果可以看出，方案2氣壩70 mm狀態下的整車風阻系數最優，較基礎模型能優化20counts，理論節油量在0.1 L/100 km；方案1氣壩36 mm狀態下的整車風阻系數次之，較基礎模型優化16counts，理論節油量在0.08 L/100 km。

表1 仿真對比分析結果

圖5為三組方案的風阻系數累積發展對比曲線，從氣流沖擊前保開始，方案2的阻力系數最大，通過減少進入機艙的氣流和平整機艙底盤氣流，曲線在達到貨柜拐點時，阻力開始減小，最后達到三組方案中的最優效果。

圖5 整車風阻系數發展曲線

圖6、7為三組方案的壓力系數云圖，方案2的圖6(c)后橋的正壓力系數最小，圖7(b)機艙區域正壓力系數明顯更低，有利于風阻。

圖6 三組方案的壓力系數正視圖

圖7 三組方案的壓力系數俯視圖

圖8為三組方案的Y=0中截面的速度云圖，很明顯可以看到8(b)、(c)中方案1、方案2的氣壩能夠將來流往下引導，避開底盤較多凸出的零部件，減少能量損失。

圖8 三組方案的Y=0截面速度云圖

圖9為三組方案的ISO總壓為0等勢面圖，氣壩對底盤的整流作用非常明顯，圖9(c)的前端底盤氣流非常平整，氣流分離明顯減少。

圖9 三組方案的ISO總壓為0等勢面圖

3 道路滑行試驗結果

3.1 道路滑行試驗

道路滑行試驗是讓汽車加速到某預定車速后，摘擋脫開發動機，只靠汽車的動能繼續行駛直至停車的試驗過程。讓車在試驗場的高速直線上滑行，記錄滑行過程中車速與時間的關系曲線和汽車滑行距離等值，根據測試值求解汽車的滾動阻力和空氣阻力等。

道路滑行法因其具有精度較高、重復性較好且滑行過程不受駕駛員因素影響等優點被國際上廣泛采用[4]；滑行試驗方法確定的汽車道路行駛阻力由汽車滾動阻力、空氣阻力和傳動摩擦阻力三部分組成[5]。

利用整車性能測試系統VBOX進行試驗數據采集[6]，根據試驗數據處理繪制出三種狀態車輛對應整車校正滑行阻力曲線，取對應工況下的阻力值，再轉化成實際油耗貢獻值。

3.2 不同氣壩高度下的道路滑行實測結果

表2所列為在某試車場進行的該款輕卡的阻力滑行試驗結果，該結果顯示：①理論節油貢獻與實際節油貢獻差異在誤差之內；②實測油耗貢獻與CFD仿真趨勢一致。

表2 道路滑行試驗結果

4 結 語

對某款輕卡油車進行空氣動力特性研究，特別研究了氣壩對輕卡氣動性能的影響，并通過道路滑行測試，實測了氣壩方案對油耗的影響，并與理論計算值進行了對比，對比結果一致性好。氣壩對輕卡油車的風阻貢獻轉化為實際節油量可達0.08 L/100 km，提高了燃油經濟性，能有效提升產品競爭力。