孫景新 孫逸昊
(一汽豐田汽車有限公司 技術(shù)研發(fā)分公司,天津 300457)
主題詞:汽車空氣動力學(xué)風阻系數(shù)實車風洞試驗外飾件
汽車空氣動力特性直接影響汽車的動力性能、操作穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟性和氣動噪聲性能,甚至影響汽車的行駛安全。因此,各大汽車廠商越來越重視汽車空氣動力學(xué)特性,其中研究方向主要包含以下4個方面。
(1)車輛行駛阻力、側(cè)向力和升力3個氣動分力;側(cè)傾力矩、縱傾力矩和橫擺力矩3個氣動分力矩。它們共同作用,對車輛的動力性、操穩(wěn)性能產(chǎn)生重要影響。
(2)汽車發(fā)動機艙及制動器的通風量和冷卻研究。
(3)汽車表面壓力分布和車身表面污染,比如傳統(tǒng)兩廂車比三廂車后風窗更易沾染灰塵,需要設(shè)置后雨刷器進行清理。
(4)汽車氣動噪聲的產(chǎn)生傳播機理。如汽車后視鏡、雨刷器和天窗的風噪研究。
隨著汽車保有量的大幅度增加,節(jié)能環(huán)保的理念也越來越深入人心。在車輛行駛過中,發(fā)動機產(chǎn)生的動能需要克服傳動過程的摩擦機械損失,輪胎的滾動阻力以及氣動阻力。當一輛轎車高速行駛時(80 km/h以上),氣動阻力約占總阻力的一半以上,而且隨著車速的增加,氣動阻力也急劇增加。根據(jù)美國國家環(huán)保局定義的城市工況和高速工況駕駛方式,轎車因克服空氣阻力所消耗的燃油占總油耗的13%。對于SUV來講這種影響更為明顯,占總油耗的22%。隨著電動汽車的發(fā)展,降低整車風阻系數(shù)也成為提高續(xù)駛里程的重要手段之一。
汽車實際道路行駛狀態(tài)下的氣動力總體可分為外部阻力和內(nèi)部阻力,如圖1。
圖1 氣動阻力分類
作用在汽車上的空氣,有35%~40%從車身上面流過;10%~15%從底盤流過;25%從車身側(cè)面流過。從底盤流過的空氣包含進入散熱器格柵,最終流出發(fā)動機艙的空氣。
通過實車風洞試驗,可以盡量還原車輛在實際道路上的行駛狀態(tài),不僅可以測試整車風阻系數(shù),也可以優(yōu)化外部裝飾件達到降低風阻系數(shù)的目的。
本次試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速空氣動力研究所(以下簡稱低速所)8 m×6 m風洞第二試驗段進行。該風洞是國內(nèi)首座大型低速風洞,第二試驗段寬8 m、高6 m、長25 m,4角有45°等截面填塊。試驗段底部中心有一個可以帶動車輛一同旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤。第二試驗段風速控制范圍可以滿足汽車風洞試驗所需的80~140 km/h風速條件。氣流穩(wěn)定性、方向場、湍流度均滿足本次車輛風洞試驗對流場品質(zhì)的要求。
為減少地面效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響,安裝專用地板改造第二試驗段。地板長16.1 m,寬7.4 m,上表面距風洞底部0.5 m。
本試驗采用了8 m×6 m風洞汽車專用地板。地板由5塊獨立地板拼接而成,主要由兩根靠近風洞側(cè)壁的長工字鋼梁支撐,地板上表面距風洞下表面0.5 m。地板中心有一直徑7 m的轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤用支撐框架與風洞底部轉(zhuǎn)盤固聯(lián),可實現(xiàn)360°水平轉(zhuǎn)動,滿足測量不同側(cè)偏角條件下,測量氣動力的要求。
測試車輛安裝在模型支撐組合件上,車輛的4個車輪分別放在相應(yīng)的車輪墊塊上(車輪墊塊表面與地板表面平齊),用鐵絲穿過輪轂與支撐組件后絞緊固定,在車輪附近的空隙處做密封處理,在確保不碰觸車輪及模型支撐組合件的同時,降低試驗時湍流對試驗結(jié)果的影響。車輛安裝示意如圖2。
圖2 車輛安裝示意
車輛安裝時需要調(diào)整車輛姿態(tài),保證車輛安裝位置的準確。車輛姿態(tài)調(diào)整的主要步驟如下:
(1)確定天平中心線與風洞中心軸線平行或?qū)R;
(2)根據(jù)車頭、尾部的中心點,使車輛縱向中心連線與天平中心線對齊;
(3)調(diào)整車輛配重,使離地間隙滿足設(shè)計狀態(tài)要求;
(4)0°側(cè)偏角下進行試吹,在風速35 m/s下持續(xù)20 s;
(5)重新檢查并調(diào)整車輛狀態(tài),確認后再進行正式試驗。
試驗車輛狀態(tài)要求如下:
(1)關(guān)閉所有車窗(含天窗);
(2)車輛熄火,空調(diào)切換到內(nèi)循環(huán),關(guān)閉空調(diào);
(3)調(diào)整輪胎胎壓至0.25 MPa;
(4)雨刷器、后視鏡等車輛外部機能零部件處于正常行車狀態(tài);
(5)啟動駐車制動。
圖3所示為原型車在風洞中安裝及調(diào)試后的狀態(tài)。
圖3 原型車安裝調(diào)試后車輛狀態(tài)
由于阻力系數(shù)與風速無關(guān),在正式試驗開始前,通過變風速試驗(100 km/h、110 km/h、120 km/h),確定車輛在哪個風速下最穩(wěn)定,從而確定試驗風速。
經(jīng)過驗證,在120 km/h條件下測定的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定,因此本試驗的風速除特別說明外,均為33.33 m/s(對應(yīng)車速120 km/h),并根據(jù)試驗當時的氣溫、大氣壓條件計算風洞動壓。
對原型車進行了7次重復(fù)性試驗,重復(fù)性試驗精度詳見表1。阻力系數(shù)重復(fù)性精度要求在0.001以下,所以本次試驗滿足汽車空氣動力學(xué)試驗要求。
表1 風洞重復(fù)性試驗精度
阻力系數(shù)的變側(cè)偏角試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,阻力系數(shù)隨側(cè)偏角變化時有較好的對稱性。
圖4 原型車阻力系數(shù)變側(cè)偏角試驗
為降低汽車風阻系數(shù),同時提升車輛外觀商品力,對該車型的前、后保險杠導(dǎo)流板進行重新造型設(shè)計(圖5、圖6)。
圖5 前保險杠導(dǎo)流板
圖6 后保險杠導(dǎo)流板
在換裝全新設(shè)計的保險杠后,車輛的阻力系數(shù)降低了2.8%,這說明新設(shè)計的前后保險杠有較好的導(dǎo)流效果。使前方氣流更加平穩(wěn)地流向車輛底部,同時在車輛尾部與上部車身氣流匯合時,改善了車輛尾部低壓區(qū)的流動狀態(tài),平衡車身上下部分氣流的流動,因此可以明顯的降低阻力系數(shù)。
為體現(xiàn)車輛特殊運動性身份辨別標識,在換裝前后保險杠導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上,在車輛翼子板處加裝裝飾標識后,組成了特裝車狀態(tài)一(圖7)。其阻力系數(shù)增加了0.2%,說明在翼子板處由于新加裝的車標突出車身表面,氣流在車標附近發(fā)生擾動。但由于車標尺寸較小,對氣流的影響有限,所以阻力系數(shù)僅上升了0.2%。
圖7 特裝車狀態(tài)一翼子板裝飾標識
在特裝車狀態(tài)一的基礎(chǔ)上繼續(xù)加裝裝飾輪眉,組成特裝車狀態(tài)二(圖8),其阻力系數(shù)與原型車等同。由于裝飾輪眉相比原型車的基礎(chǔ)輪眉在擴大車身覆蓋范圍的同時,增加了更多的凹凸感造型細節(jié),因此也增強了車身側(cè)表面的流場擾動和氣流分離,使該狀態(tài)的氣動阻力增加明顯。
圖8 特裝車狀態(tài)二裝飾輪眉
由于車輛冷卻系統(tǒng)散熱器及空調(diào)冷凝器的散熱需求,部分外界空氣需要通過散熱器格柵引導(dǎo)進入發(fā)動機艙,對發(fā)動機艙內(nèi)的冷凝器、中冷器、發(fā)動機散熱器和發(fā)動機排氣歧管、發(fā)動機本體、ECU零部件進行散熱。但這一部分氣流在流經(jīng)以上零部件時會產(chǎn)生能力損失,進而增加了整車氣動阻力。通過封閉散熱器格柵,可以研究發(fā)動機艙內(nèi)阻對阻力系數(shù)的影響。原型車狀態(tài)下單獨封閉格柵如圖9所示。
圖9 原型車狀態(tài)下單獨封閉格柵
試驗結(jié)果顯示,封閉散熱器格柵,阻力系數(shù)降低了10.1%。因此,當車輛處于高速工況而發(fā)動機的冷卻負荷需求不大時,可以通過關(guān)閉部分進氣格柵減少進入發(fā)動機艙內(nèi)部氣流的方式降低阻力系數(shù),從而實現(xiàn)節(jié)油降耗的目標。
通過封閉輪胎輪轂,減小氣流在輪轂處的擾流,阻力系數(shù)降低了2.2%(圖10)。未來可以考慮設(shè)計開孔面積小且表面凹凸結(jié)構(gòu)少的輪轂,通過使用金屬色及熏黑處理來達到輪轂造型的目的。這樣既保證了車輛的美觀,同時也可以降低阻力系數(shù)。
圖10 原型車狀態(tài)下單獨封閉輪轂
應(yīng)用風洞試驗方法,對實車進行風阻測試,并通過改變車輛外部裝飾,得到了不同裝飾件對車輛風阻系數(shù)的影響結(jié)果,同時通過封閉進氣格柵、輪胎輪轂,發(fā)現(xiàn)未來降低風阻系數(shù)的方向,得到了以下5個結(jié)論:
(1)風洞試驗精度滿足試驗要求;
(2)特裝車保險杠的改進效果良好,具有較好的降阻效果,相對原型車風阻系數(shù)降低了2.8%;
(3)輪眉對車輛的氣動特性影響明顯,加裝輪眉后其風阻系數(shù)明顯增加;
(4)發(fā)動機艙內(nèi)流對車輛的氣動特性影響較大,封閉發(fā)動機艙進氣格柵后,其風阻系數(shù)大幅降低;
(5)輪轂對車輛的氣動特性影響明顯,在封閉輪轂后,其風阻系數(shù)明顯降低。
風洞試驗雖然可以盡可能真實的模擬實際道路行駛的效果,但由于試驗費用大、周期長,所以通過前期CFD仿真手段,研究降低車輛風阻系數(shù)是空氣動力學(xué)研究的重點。