季惠，王文樂，張鵬程

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

車輪輪轂各參數(shù)對純電動汽車CD值的影響

季惠，王文樂，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)微型純電動汽車車輪輪轂多樣化需求，并增加純電動汽車?yán)m(xù)航里程，利用參數(shù)化編程實(shí)現(xiàn)車輪相應(yīng)幾何形狀的改變，結(jié)合整車CFD分析，模擬車輪各參數(shù)對微型純電動汽車整車CD值的影響。通過對其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和CFD仿真分析不僅可以提升整車空氣動力學(xué)性能，還可以為以后純電動汽車的車輪輪轂形狀開發(fā)提供相應(yīng)參考，同時文章所使用的參數(shù)化設(shè)計方法為今后純電動汽車車輪輪轂的快速開發(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)展和推廣純電動汽車。如今電池技術(shù)停滯不前，如何在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加車輛的續(xù)航能力，目前最主要的一個手段就是減少行駛阻力，提升空氣動力學(xué)性能[1-3]。因此改善電動汽車的空氣動力學(xué)性能成為現(xiàn)今各汽車廠商發(fā)展的主要方向。

由于純電動汽車省去了發(fā)動機(jī)，改為體積更小的輪轂電機(jī)，因此在車輛前部節(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)的車輪的應(yīng)用，更大程度改變了純電動汽車車輪的形狀，通過對車輪輪轂的分析，選擇其關(guān)鍵參數(shù)作為評價汽車氣動特性的因素，并確定各因素的合理取值范圍，結(jié)合CFD空氣動力學(xué)仿真，分析電動汽車車輪輪轂關(guān)鍵參數(shù)對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，為以后純電動汽車的前車輪輪轂開發(fā)提供相應(yīng)參考。

1 數(shù)值模擬的空氣動力學(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能及其耗散率方程。湍流動能輸運(yùn)方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過物理推理，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過程模擬。其表達(dá)式如下：

2 純電動汽車整車建模

在車輛的外形、外廓尺寸、主要布置參數(shù)基本完成之后，通過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，為了減少計算量，采取1：10的半模型進(jìn)行分析，同時為了節(jié)省計算時間，對車輛模型進(jìn)行了如下簡化：忽略后視鏡、門把手等車身附件；忽略車輪的影響；對底盤做平整處理。簡化后的車輛三維模型如圖1所示。

表1 車身總布置設(shè)計尺寸(mm)

圖1 純電動汽車的三維模型

3 利用UG二次開發(fā)建立車輪輪轂參數(shù)化模型

3.1 利用MFC建立人機(jī)交互界面

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

圖2 生成對話框

圖3 生成所需程序

3.2 車輪輪轂參數(shù)化建模

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

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

得到車輪輪轂基本的尺寸參數(shù)之后，為了快速仿真計算，對車輪輪轂進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，經(jīng)過編譯檢查程序無誤后運(yùn)行程序，先得到集中車輪的簡易形狀，在進(jìn)行模型修正，最后選取兩種形式的車輪進(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 含車輪輪轂參數(shù)的某純電動汽車CFD分析

4.1 風(fēng)阻系數(shù)CD值隨車輪寬度的變化

由于微型純電動汽車車重一般在870千克左右，所以其車輪寬度取值范圍為(175mm，205mm)之間。對車輪的整體性設(shè)計，車輪的扁平率寬高比要在一定范圍內(nèi)，為了增加純電動汽車的續(xù)航里程，在分析參數(shù)車輪寬度的變化對整車氣動性的影響時，車輛三維模型中其它幾個參數(shù)值保持不變，寬度的取值及對取值計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所計算的阻力系數(shù)

圖5 阻力系數(shù)CD值隨車輪寬度a變化趨勢圖

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

圖6 車輪寬度分別為185mm和205mm時壓力云圖

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

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

表3 不同參數(shù)值n所計算的阻力系數(shù)

圖7 風(fēng)阻系數(shù)CD隨車輪輪轂開孔數(shù)改變的趨勢圖

從圖7中可以看出，汽車的阻力系數(shù)與開孔個數(shù)的取值呈正比例關(guān)系，開孔個數(shù)取較小值即設(shè)計為較封閉時，從微型純電動汽車前方流來的空氣流經(jīng)整車前部車輪輪轂的位置，由于車輪輪轂較為封閉致使氣流渦流較小，渦流的來回干擾也較小，渦流直徑較大較整潔使得整個車身的風(fēng)阻系數(shù)相對比較小。下面通過9孔和13孔的車輪輪轂壓力分布云圖，見圖8。

圖8 n=9時、n=13時車輪分別所受壓力分布云圖

接下來再做兩組數(shù)據(jù)模擬分析在實(shí)際中該車的車輪形狀也接近于多孔型的。本次使用的參數(shù)化車輪的開孔數(shù)為九個，開孔總面積一組和13個的開孔面積相等，另一組開孔面積小于13個的開孔面積，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輪參數(shù)化設(shè)計的結(jié)果，由模擬結(jié)果得知不僅與開孔數(shù)目有關(guān)系，而且與開孔面積有關(guān)系。且整車 CD的大小與開孔數(shù)量成正比，與開孔面積成反比。

表4 開孔數(shù)目及面積參數(shù)值對應(yīng)的阻力系數(shù)

5 結(jié)論

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

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

[1] 傅立敏.汽車空氣動力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理及應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[3] 杜子學(xué),張杰.基于不同外形參數(shù)模型的汽車外流場仿真.重慶交通大學(xué)學(xué)報.2011,30(4)：848-851.

[4] 許志寶.汽車外流場 CFD 模擬[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2007.(30)：162-164.

[5] Desbnin M, Meyer M, Alliez P .Intrinsic Parameterizations of surface meshes[J]. Computer Graphics Forum,2002,21(3)：209-218.

[6] 高歌.概念車身局部參數(shù)化建模與 CFD仿真一體化研究與應(yīng)用[D].吉林大學(xué)博士學(xué)位論文.2008年

[7] 徐娟媛,汽車前照燈的空氣動力學(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)識碼：A 文章編號：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：車輛工程。