商用车导流系统最优匹配方法研究.pdf

QICHEYANJIU汽车研究HEAVY TRUCK重型汽车3商用车导流系统商用车导流系统最优匹配方法研究最优匹配方法研究阻分析时发现，外流场的风在上导流罩的作用下，会沿着某条比较有规律的曲线流向货箱。基于此，本文提出了一种导流系统最优化匹配方法：导流罩切线安装法。该方法可根据不同货箱匹配设计出上导流罩最优化安装位置。本文将从整车导流系统的组成、实施方案与调整方案等方面详细介绍导流罩切线安装法，通过 CFD 仿真分析，确定按照导流罩切线安装法设计出的导流方案，风阻系数最低、导流效果最优。1 整车导流系统的组成本文以现有车型为基础，提取整车导流系统简化模型，包括：商用车顶盖、上导流罩、左导流罩安装铰链、右导流罩安装铰链、货箱，如图 1 所示。导流系统中上导流高度调节系统包括：多位置支架、导流罩高度调节基座、多位置调节铰链、多位置支架基座、紧固多位置支架螺栓，如图 2 所示。图 1 导流系统图 2 导流高度调节系统2 导流罩切线安装法的实施与调整方案引言目前，国内货运行业持续发展，商用车的需求呈增长态势。但随着近两年世界经济不断下行，货运行业也难免受到冲击。运费越来越低，行业内卷越来越严重，导致用户对商用车整车经济性的诉求越来越突出。这促使各汽车生产企业对提升汽车的经济性进一步采取措施。降低整车风阻、提升整车经济性是商用车研发过程中的重点。商用车导流系统的安装位置是商用车研发过程中的一个重要参数，根据不同货箱设计出导流罩不同的安装位置，降低整车风阻，提升经济性、动力性。现阶段对导流系统的安装位置的确定还没有成熟的设计方法，仅仅依靠设计人员的经验提供几种安装位置，不能实现整车性能的最优化。通过对商用车导流系统进行整车风文文/马新坡 高芷马新坡 高芷芃芃 王 睿 李正文 宋培育（中国重汽集团应用工程开发中心 王 睿 李正文 宋培育（中国重汽集团应用工程开发中心)【摘 要摘 要】商用车导流系统的安装位置是商用车研发过程中的一个重要参数，商用车在进入市场时，导流系统的安装】商用车导流系统的安装位置是商用车研发过程中的一个重要参数，商用车在进入市场时，导流系统的安装位置是一致的。用户在购买车辆后，会根据自己的需求匹配不同的货箱。由于货箱规格尺寸的不同，会导致整车风位置是一致的。用户在购买车辆后，会根据自己的需求匹配不同的货箱。由于货箱规格尺寸的不同，会导致整车风阻出现差异化，不能实现整车性能的最优化。本文以商用车导流系统为例，经过大量 CFD 对比分析得出商用车导阻出现差异化，不能实现整车性能的最优化。本文以商用车导流系统为例，经过大量 CFD 对比分析得出商用车导流系统最优化匹配方法：导流罩切线安装法。最后，通过对多种导流方案进行 CFD 流体分析，验证了该方法匹配流系统最优化匹配方法：导流罩切线安装法。最后，通过对多种导流方案进行 CFD 流体分析，验证了该方法匹配的导流系统整车风阻最小，导流效果最优。的导流系统整车风阻最小，导流效果最优。【关键词关键词】导流系统；匹配方法；导流罩切线安装法；CFD 流体分析导流系统；匹配方法；导流罩切线安装法；CFD 流体分析重型汽车HEAVY TRUCK4导流罩切线安装法根据实际使用整车中导流系统的相对位置关系，通过理论推导得出上导流的最优化安装位置。2.1 整车信息获取根据实车得到货箱尺寸以及货箱和驾驶室总成的相对位置，通过三维绘图软件将收集到的信息转化为三维数模。2.2 导流罩切线安装法的实施方案 图 3 导流系统相关点以及线三维数模中，定义导流罩切线安装法中理论推导相关的点以及线，如图 3所示。根据导流罩切线安装法推导出导流罩最优化安装位置，相关的点以及线获取的方法如下所示：1：在三维模型中测量左导流罩安装铰链的旋转销轴中心点、右导流罩安装铰链的旋转销轴中心点，连接两个中心点后得出导流罩转动轴线，导流罩转动轴线的中心点即为左右导流罩安装铰链的转动中心点；2：画出货箱上前部圆角上棱线与系统坐标系的 XZ 平面的相交点即货箱前部最高点；3：连接左右导流罩安装铰链的转动中心点和货箱前部最高点得到辅助连线 A，在 XZ 平面内做辅助连线 A 的辅助中垂线 B；4：通过货箱前部最高点，沿着 Z轴负方向作垂向直线 C；5：辅助垂线 B 与垂向直线 C 在XZ 平面的相交点即为最优化圆心；6：以最优化圆心为圆心，以货箱前部最高点和最优化圆心之间的距离为半径得到最优化圆。2.3 导流罩切线安装法的调整方案确定完最优化圆之后，需要调节导流罩的位置高低，调节方法如下所示：a：找出导流罩后上部棱线与系统坐标系的 XZ 平面的相交点即导流罩尾部端点；b：多位置支架安装在导流罩高度调节基座上，可绕着多位置调节铰链旋转；通过调节导流高度调节系统中的多位置支架，使紧固多位置支架螺栓在多位置支架滑槽中滑动，最终使导流罩尾部端点落在最优化圆上；c：将紧固多位置支架螺栓卡在固定多位置支架的卡槽上，打紧用于紧固多位置支架螺栓，完成导流罩的最优化安装。3 仿真分析对比 商用车的空气动力学特性直接影响着行驶阻力1，行驶阻力很大程度上决定了汽车的燃油经济性和动力 性。利 用 CFD(Computed Fluid Dynamics)技术研究汽车的空气动力特性，可节约时间和成本，为汽车研发设计提供高效的手段和思路2。针对某商用车导流系统选取三种不同的方案进行对比。方案一：原车设计方案；方案二：设计最高方案；方案 3：导流罩切线安装法匹配出最优化方案。将三种不同匹配方案进行空气动力学研究，模拟分析整车外流场并将结果进行对比。3.1 CFD 计算模型的建立为使气流充分运动，不受模拟风洞边界层的影响，体现汽车实际行驶时的外部条件，需在汽车四周建立一个能够模拟风洞以监测流场状态的区域，即流场计算域3。建立的计算域为长方体，其尺寸越大，越能准确模拟汽车周边环境，但尺寸过大会导致计算成本提升和效率降低4，将整车三维模型简化处理，根据 CFD 整车外流场分析实际情况以及计算机性能的配置情况综合研判。计算域尺寸取为：风洞总长为整车总长的16 倍，风洞高度为整车总高的 6 倍，风洞宽度为整车宽度 13 倍，风洞模型如图 4 所示。图 4 整车风洞模型3.2 边界以及工况本文采用对比分析法将三种不同方案进行对比分析，在设置边界条件时应注意三种方案的边界条件应保持一致，仅改变上导流罩的安装位置。对整车外流场风洞仿真分析，需要选择合适的求解模型，选用 Realizable K-epsilon 湍流。入口条件：设置为 velocity-inlet速度入口，入口风速为 80.0kph，常温状态。出口条件：设置为 pressure-outlet压力出口，出口压力为 0Pa，常温状态。地面、侧面以及顶面条件：设置wall 为滑移。整车表面：设置 wall 为无滑移。3.3 结果对比依据整车导流系统布置方案，经过CFD 仿真分析可得出不同方案的风阻系数，详见下表 1。3.3.1 整车风阻系数累计通过对三种方案风阻系数累计图 5分析可知，三种风阻系数累计曲线可分为三种阶段，第一阶段为开始至导流系统，第二阶段为导流系统至货箱，第三阶段为货箱至尾部。在第一和第三阶段三种方案风阻累计曲线趋势一致，第二阶段主要区别为最优化方案三在导流系统开始阶段增长趋势大于另外两种，但在货箱处出现下降。另外两种方案则不同，在货箱位置出现猛增，特别是方案一。通过风阻系数累计图可清晰地观察出导流系统对整车风阻的影响。表 1 风阻系数导流系统方案货箱风阻系数方案一原车设计Cd=0.563方案二设计最高3000mm4650mmCd=0.531方案三最优化方案Cd=0.469QICHEYANJIU汽车研究HEAVY TRUCK重型汽车5图 5 三种方案风阻系数累计图3.3.2 整车外流场线积分卷积通过对三种方案 CFD 流体仿真分析可知，三种不同的上导流罩安装方式会产生不同的外流场线积分卷积图，通过线积分卷积布置图，如图 6 所示，可以清晰地看出顶盖上方以及导流系统与货箱之间的空气流通情况。方案一：由原车设计方案线积分卷积图可以看出，由于货箱的高度较高，车顶部的空气不能被导流罩导流至货箱上部，而是直接进入驾驶室与货箱中间区域，并伴有大型的湍流现象。方案二：由设计最高方案线积分卷积图可以看出，将上导流罩抬高后，车顶部的气流一部分被导流罩导流至货箱上部，相较于方案一有明显改善。但是，大部分气流还是被货箱阻挡，直接进入驾驶室与货箱中间区域，且伴有部分湍流现象。方案三：由导流罩切线安装法匹配出最优化方案线积分卷积图可以看出，将上导流系统的安装位置经过优化后，车顶部的气流有效地被导流罩导流至货箱上部，空气流通顺畅，驾驶室与货箱中间区域的湍流现象明显减少。图 6 三种方案线积分卷积图 3.3.3 整车外流场整车正压力云图对比三种方案的整车正压力云图可以看出，如图 7 所示。方案一受到迎面风的冲击，货箱前部出现大面积正压区，最大正压力为 343Pa；方案二相较于方案一，货箱前部的正压区面积减少，最大正压力为 343Pa；方案三货箱前部的正压区得到明显改善，最大正压力为321Pa。通过对比，通过导流罩切线安装法匹配出最优化方案可以有效地改善整车正压区，降低整车正压力，提升整车经济性。图 7 三种方案正压力云图4 结语 通过对多种导流方案进行 CFD 流体分析，验证了本文提出的导流罩切线安装法匹配的导流系统在研究的多组方案中，整车风阻最小，导流效果最优。该方法不仅可以使用在现有成熟车型导流系统的优化布置，提升整车经济性动力性。更为重要的是，该方法可用于新车型的研发设计阶段。在研发新车型时，预先考虑到不同货箱的使用需求，设计出可调整导流系统，这样用户就可以根据自己的货箱进行匹配，节约用车成本，创造更多财富。参考文献:1朱晖，杨志刚两方程模型计算轿车气动性能的适用性研究 J 汽车工程，2016，38(11):1283 12872全国汽车标准化技术委员会商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法:GB 12676 2014S北京:中国标准出版社，2014:403朱仕文一辆东风 EQ1118G 型汽车驻车制动无法解除J汽车运用，2011(5):47 484郝新平军用汽车驻车制动快速解除装置的研制J汽车运用，2007(4):33 35（上接第 2 页）中出现了明显差异，即平均车速上升但驾驶风格动力性指数却出现了下降趋势，这主要是由于其前一计算周期内的瞬时油门开度较小所导致的。这一现象与驾驶风格动力性指标算法的设计初衷相符，即应当从车速和油门开度两个方面来评估驾驶员对车辆持续功率输出的需求程度。这样可以更好地覆盖诸如下坡滑行工况、重载爬坡工况等复杂多变的真实场景，满足驾乘体验的同时实现最大限度的节油效果。5 结语本文提出的双维度驾驶风格在线识别算法通过在一定里程范围内实时采集车辆油门开度、车速和刹车信号，计算平均油门、车速变化率和累计踩刹车次数，并按照初判和终判两个步骤得到最终动态风格类型。驾驶风格动力性指标数值由相同里程范围内的瞬时油门和车速加权得出。通过 Simulink 建模实现和 HiL 驾驶仿真测试，证实该双维度驾驶风格识别模型能够对驾驶风格动态类型和动力性指数进行可靠在线识别，为重卡动力总成智能定制个性化动力输出曲线和 AMT 换挡策略，以及实现人车融合的智能辅助驾驶奠定基础。参考文献：1 吕凯光，李旋，韩天园，等.基于驾驶风格识别的 AEB 控制策略 J.汽车技术，2021（5）：16-21.2 秦大同，詹森，曾育平，等.基于驾驶风格识别的混合动力汽车能量管理策略J.机 械 工 程 学 报，2016,52（8）：162-169.3 王旭，马菲，廖小棱，等.基于多分类监督学习的驾驶风格特征指标筛选 J.交通信息与安全，2022,40（1）：162-168.4 覃文文，鄢祺阳，谷金晶，等.重型货车驾驶人驾驶风格识别与量化研究 J.交通运输系统工程与信息，2022,22（4）：137-148.5 杨建伟，郭春丽，杨洪强，等.一种 AMT 变速器物理模型的搭建方法 J.重型汽车，2023（4）：23-24.