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重型商用車空氣動力學(xué)性能開發(fā)

2019-08-23 23:55:51·  來源：中汽中心空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室  
　
背景和意義：重型商用車目前已成為了人類高效運(yùn)輸物質(zhì)資源的重要手段和交通工具。重型商用車行駛過程中的燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、安全性以及舒適性等性能日益受
背景和意義：

重型商用車目前已成為了人類高效運(yùn)輸物質(zhì)資源的重要手段和交通工具。重型商用車行駛過程中的燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、安全性以及舒適性等性能日益受到人們關(guān)注，而重型商用車通常行駛距離較長、行駛環(huán)境惡劣，這對其各方面的性能就提出了更高的要求。
 
1 燃油經(jīng)濟(jì)性
 
根據(jù)正在進(jìn)行修訂的國標(biāo)GB/T 27840-2011，未來重型車油耗測量將采用中國工況進(jìn)行，根據(jù)資料顯示，基于中國工況得到的油耗平均比公告油耗高14%，而隨著國家對商用車燃油消耗限制越來越高，降低油耗已經(jīng)成為商用車企業(yè)降低成本關(guān)注的重點(diǎn)。對于在高速公路上行駛的商用車，氣動阻力降低30%，其等速百公里油耗可降低15%以上，最高可達(dá)20%。進(jìn)入21世紀(jì)后，歐美等發(fā)達(dá)國家紛紛在重卡領(lǐng)域提出新的空氣動力學(xué)研究項(xiàng)目，比如由美國能源部提出《21 世紀(jì)載貨汽車綱要》和《自動汽車與交通工具綱要》；英國運(yùn)輸部制定的《能源效率最佳時間計(jì)劃》；加拿大汽車聯(lián)合會與能源部共同制定的《關(guān)于重型商用載貨車空氣動力學(xué)優(yōu)化提案》。這些研究的目的就是為促進(jìn)生產(chǎn)廠家和相關(guān)的設(shè)計(jì)人員提高對空氣動力學(xué)的重視程度，進(jìn)而提升重型商用車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1 中國半掛牽引車列車行駛工況（CHTC-TT）

圖2 風(fēng)阻系數(shù)對某40噸半掛車燃油經(jīng)濟(jì)性影響關(guān)系圖
（圖片來源：《Aerodynamics of road vehicle》 edited by Wolf-Heinrich Hucho）
 
2 側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性
 
重卡與其它車輛比較，滿載質(zhì)量更大，質(zhì)心更高，而且離地間隙也要高于普通車輛，所以在車身寬度基本不變的情況下，產(chǎn)生側(cè)翻的可能性會顯著增大。國外對重型卡車側(cè)翻穩(wěn)定性能的研究可追溯到上世紀(jì) 80 年代，當(dāng)時主要利用側(cè)翻試驗(yàn)臺研究重型卡車的側(cè)翻穩(wěn)定性能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國外對重型卡車在靜態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定性和瞬態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定性方面的相關(guān)研究逐漸增多。研究方法已經(jīng)從理論分析發(fā)展到試驗(yàn)研究、仿真分析以及相互之間的結(jié)合。在我國，由于汽車空氣動力學(xué)起步較晚，且汽車企業(yè)缺乏足夠重視，除部分高校進(jìn)行過小規(guī)模簡單汽車模型的橫風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算外，整車企業(yè)對量產(chǎn)車型的橫風(fēng)穩(wěn)定性研究幾乎處于空白。

圖3 風(fēng)障對橋梁上行駛車輛安全的影響
（圖片來源：Effects of wind barrier on the safety of vehicles driven on bridges.Ning Chen,Yongle Lin,Bin Wang,Yang Su,Huoyue Xiang. Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, 610031 Chengdu, Sichuan, PR China）

圖4 0度和30度橫擺角狀態(tài)下某商用車車身周圍流場特征
（圖片來源：《Aerodynamics of road vehicle》edited by Wolf-Heinrich Hucho）
 
3 風(fēng)噪性能
 
由于車內(nèi)噪聲對人造成疲勞、易怒等生理危害所引起的事故占事故總量的 60％，其中需要人長時間駕駛的重型商用車和長途客車尤為嚴(yán)重，且多為重大交通事故。從20世紀(jì)60年代開始，國外已有制定對汽車噪聲進(jìn)行控制的法規(guī)，作為噪聲源的重要組成部分，控制車輛行駛時的氣動噪聲成為國外車企的重點(diǎn)研究內(nèi)容。國外學(xué)者及企業(yè)已開展了數(shù)十年的仿真與試驗(yàn)研究，并在實(shí)車道路試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)方面進(jìn)行了大量論證，在此過程中積累了豐富的數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。我國對于重型商用車氣動噪聲的研究起步較晚，經(jīng)驗(yàn)積累較少，測試方法及標(biāo)準(zhǔn)也亟需完善。仿真研究方面也大多采用簡化模型，通常只研究單個部件產(chǎn)生的影響，而很少對整車模型進(jìn)行整體數(shù)值模擬及優(yōu)化。

圖5 某商用車氣動噪聲分析與優(yōu)化
（圖片來源：evaluation and Optimization of Aerodynamic and Aero-Acoustic Performance of a Heavy Truck using Digital Simulation.Ming Jiang, Huaizhu Wu and Kebing Tang Dongfeng Motor Co Ltd; Minsuk Kim, Sivapalan Senthooran and Heinz Friz Exa Corporation; Yingzhe Zhang T-Solution Co Ltd）
 
4 污染物控制
 
重卡由于長時間長距離行駛，很容易受塵土等各種污染，車體表面污染不僅影響美觀、影響客戶駕駛體驗(yàn)，尤其在惡劣的駕駛條件下行駛時可以使泥土、石子進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)艙或其他位置，可能導(dǎo)致性能或安全問題。目前，國外高端汽車制造商已經(jīng)在開發(fā)前期對車體表面污染物的分布進(jìn)行測評，建立側(cè)窗玻璃與后車體上污垢膜堆積的仿真分析模式，并在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過改進(jìn)后視鏡、阻風(fēng)板以及下護(hù)板等部件的結(jié)構(gòu)特征，使得后車體污染減少34%、側(cè)車身污染減少20%、側(cè)窗污染減少30%。在我國，車企對整車污染物控制的研究幾乎處于空白，雖然有相關(guān)需求，但是缺少相應(yīng)仿真手段和測試標(biāo)準(zhǔn)，使我國自主品牌高端車品質(zhì)一直難以提升。

圖6 某商用車側(cè)窗污染物控制優(yōu)化前后對比示意
（圖片來源：《Aerodynamics of road vehicle 》 edited by Wolf-Heinrich Hucho）
 
5 雨水管理
 
考慮到運(yùn)輸行業(yè)的特殊性，雨天行車也是卡車會經(jīng)常遇到的工況之一，在雨天等惡劣天氣時，行車的事故率要比平時高5倍之多，其中一個重要原因就是雨水在車窗上形成一層水膜，使得駕駛員視野范圍受限，視野清晰度下降，從而對安全駕駛形成重大隱患。對于國外主流汽車制造商，雨水管理已貫穿于整體汽車空氣動力開發(fā)中。在國外某款商用車開發(fā)中，在開發(fā)前期借助先進(jìn)的格子玻爾茲曼仿真手段，研究不同車速和偏航角下雨水溢流現(xiàn)象并進(jìn)行后視鏡與A柱形狀的改進(jìn)，可在控制風(fēng)阻風(fēng)噪的同時，將溢流現(xiàn)象降低40%以上，側(cè)窗主視野區(qū)域從“基本不可見”到“清晰”，滿足了確保駕駛員側(cè)方視野的需求。
 
6 制動冷卻
 
制動冷卻性能的不足會導(dǎo)致剎車片失靈、制動系統(tǒng)“氣鎖”（剎車液氣化）以及制動零部件非常規(guī)損耗等安全問題。目前，國外許多主機(jī)廠出于對汽車行駛安全的重視，與國外著名高校展開合作，對于如何提升剎車盤的制動冷卻性能，避免制動過程中剎車盤過熱，進(jìn)行了較為全面深入的研究。例如，福特在福特澳大利亞分部的風(fēng)洞試驗(yàn)室對于不同工況，不同安裝環(huán)境下的剎車盤冷卻性能進(jìn)行了一系列測試，總結(jié)出提升剎車盤制動冷卻性能的盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案；沃爾沃通過仿真和試驗(yàn)手段相結(jié)合，提出一些基于剎車盤護(hù)罩及輪輞等其它制動零件的間接改進(jìn)方案等。相較于國外，國內(nèi)該領(lǐng)域的研究還處在起步階段，缺乏成熟的仿真分析、試驗(yàn)流程以及優(yōu)化技術(shù)方案。

圖7 剎車盤制動冷卻仿真分析
 
 
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