某SUV車型底部氣動附件的開發與研究

徐鵬李春花劉鵬劉二寶馮偉

（長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心）

某SUV車型底部氣動附件的開發與研究

徐鵬李春花劉鵬劉二寶馮偉

（長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心）

以空氣動力學仿真分析為前期開發工具，以氣壩、發動機機艙底護板為研究對象，針對某SUV車型的空氣動力學附件進行了整車氣動性能分析與優化，通過實車風洞試驗驗證了氣動附件良好的降阻效果。通過整車散熱性能試驗、阻力滑行試驗及高速操縱穩定性試驗可知，增加以上氣動附件，能夠在滿足整車散熱性能的同時降低油耗，提高車輛的高速操穩性能。

1 前言

車輛的外氣動特性，對整車動力性、經濟性及操縱穩定性有重要影響[1]。由相關研究可知，空氣阻力所消耗的功率與車速的三次方成正比，車輛低速行駛時，風阻所占功率消耗比例不大，車速較高時，風阻將成為車輛最主要的阻力[2]，車輛底部結構對整車的風阻貢獻僅次于車身[3]，而在車型開發后期進行車身造型的修改非常困難。本文基于一款SUV車型進行了氣動性能優化、風洞試驗驗證及其他相關性能試驗驗證，通過在車輛目前狀態下合理布置氣動附件，降低了該車型整車風阻，提高了車輛經濟性。

2 空氣動力學仿真分析

2.1 氣壩模型開發與分析

氣壩即車輛前保險杠下導流板，其造型是將保險杠向下擴大，形成一個氣流阻擋裝置，通過使車前端更加接近地面，減少通過車輛底部的氣流量，同時可以將亂流引導至車頭兩側，提高車輛行駛穩定性。

如圖1所示，從該SUV車型整車原狀態空氣動力學仿真分析結果中看到，車輛前部部分懸架和護板處在高速氣流沖擊下，有必要設計氣壩裝置。從40～100 mm每隔5 mm設計了一組垂向高度不同的氣壩模型，通過使用CFD分析軟件對加裝該組不同高度氣壩的SUV車型進行空氣動力學仿真分析，根據計算結果得到風阻系數改善量隨氣壩高度的變化規律如圖2所示，可知高度為80 mm的氣壩對整車風阻的優化效果最為明顯。如圖3所示，在車頭正前方可以明顯觀察到，80 mm高度的氣壩在基本不增大車輛正投影面積的基礎上，遮擋了車輛底部絕大部分的突出部件。

經過穩態流場分析計算，從圖4中可以看到，加裝80 mm高度氣壩的車輛底部氣流只有部分流線受到從發動機艙向下流出的氣流影響發生亂流，其余絕大部分氣流能夠平穩通過車輛底部，與底盤部件無沖擊現象發生。計算結果表明，加裝80 mm高度氣壩時可使整車風阻系數降低近0.01。

2.2 發動機艙底護板的模型開發與分析

發動機艙底護板具有導流、防護、降阻、降噪4大功能，對于輕微碰撞和路面彈起的石子有很好的阻擋作用，且車輛行駛中一旦拖底，還可以起到對發動機和變速器的保護效果。

由于發動機艙內安裝有發動機、變速器等部件，其散熱效率直接影響汽車的動力性和燃油經濟性[4，5]，因此要在發動機艙底護板開發過程中對發動機艙的散熱效率給予重點考慮。首先進行發動機艙底護板初版數字模型的整車CFD流場分析，確定發動機艙底護板對車輛外部及發動機艙流場的影響，通過仿真分析對該模型進行優化，待模型在仿真分析環節能夠滿足流場性能后，進行樣件試制，通過整車散熱性能試驗驗證其是否滿足發動機艙散熱性能要求。

應用CFD分析軟件分別對整車原狀態（狀態1）、加裝無孔發動機艙底護板（狀態2）和加裝開孔底護板（狀態3）3種狀態進行了流場分析，得到各方案怠速及120 km/h車速下的分析結果及截面流量信息，狀態2、狀態3整車風阻均比原狀態減小0.004～0.007，如圖5～圖8所示。

從圖7、圖8中看到，怠速及120 km/h車速工況下，3種狀態車輛的上、下中網及前端模塊附近區域的流場無明顯變化；狀態2與狀態3由于加裝發動機艙底護板，將原狀態通過發動機底部的氣流引導向了發動機后部，同時狀態3由于底護板存在開口，開口區域同樣有少量空氣流出。

由表1得到的數據充分驗證了圖7、圖8中的流場現象。3種方案對比可知，車輛3種狀態下通過前端冷卻模塊的風量差別不大，加裝底護板使發動機后部區域氣流通過量增加了120～150 m3/h，且底護板是否開孔對車輛120 km/h工況下發動機艙流量分布影響很小；但從怠速工況流量分布可知，底護板開口區域對氣流有少量的分流效果。因此，為使怠速發動機艙有更好的散熱性能，底護板采用開孔模式。

3 風洞試驗結果及分析

對該SUV車型氣動附件對整車空氣動力學的影響進行了試驗驗證，試驗工況為120 km/h風速，車輪旋轉加移動地面，無側偏角。

試驗結果如表2所示，加裝氣壩后整車風阻系數CD降低0.011，俯仰力矩系數CPM下降0.036，升力系數CL降低0.066，其中前輪升力系數CLF降低0.069；原狀態車輛前輪升力系數CLF、后輪升力系數CLR分別為0.133和0.032，存在較大的升力不均衡問題，而增加氣壩在一定程度上削弱了這種不平衡，降低了俯仰力矩，提升了車輛的高速操縱穩定性。

表1 各參考截面流量信息

表2 車輛原狀態與加裝氣動附件氣動性能對比

加裝發動機艙底護板后整車風阻能夠減少近0.013，同時對整車升力系數有少量貢獻，提高了整車操縱穩定性。

4 整車散熱性能試驗

4.1 試驗條件及工況

在加裝氣壩、發動機艙底護板后，對該SUV車型進行了整車散熱性能試驗。試驗按照GB/T1 2542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》要求在環境模擬試驗室中進行。

試驗工況如下。

a.最大扭矩工況：手動擋模式Ⅱ擋，恒速60km/h，坡度10%。

b.高速爬坡工況：自動擋模式D擋，恒速120km/h，坡度6%。

以上工況環境溫度均為45℃，環境濕度50%，日照強度1 050 w/m2，車輛滿載狀態。

試驗開始后，以1 s為時間間隔測量每個測點的數據，當散熱器進水溫度、變速器出油溫度達到5 min內變化小于±2℃，即認為整車達到熱平衡，該試驗結束。若發動機水溫、機油溫度、變速器油溫超出正常工作溫度或車輛及試驗設備出現異常，則停止該工況試驗。

4.2 試驗結果及分析

由圖9試驗結果可知，以上試驗工況下冷卻液溫度不超過105℃，機油溫度不超過130℃，滿足所規定的冷卻介質許用最高溫度要求，同時，各工況穩定后，車內乘客頭部溫度在23～26℃范圍內，駕駛室內較為舒適（表3），所以冷卻系統散熱性能滿足要求。

表3 駕駛室內舒適度劃分級別°C

注：駕駛室內乘員頭部溫度平均值T表示各工況結束前3 min內所有乘員頭部的溫度。

5 性能驗證試驗

5.1 阻力滑行試驗

對該SUV車型進行了阻力滑行試驗，并對加裝降阻附件（氣壩、發動機艙底護板）的狀態進行了測試，得到各考察部件對整車阻力貢獻量如圖10所示。可知，高速狀態下，氣壩加發動機艙底護板的整體降阻方案對整車降阻效果明顯；綜合油耗試驗顯示，加裝整體降阻方案的綜合油耗降低0.3 L/100 km。

5.2 高速操縱穩定性試驗

針對加裝降阻附件狀態下該SUV的高速操作性能，進行了高速操控穩定性主觀評價試驗。通過與原車進行主觀評價對比測試，得出如下結論：

a.高速120 km以上直線行駛穩定性提升；

b.高速公路超越大型車時晃動感大幅減輕；

c.高速公路變換車道行駛時，車體控制能力提升。

6 結束語

a.通過CFD仿真分析可知，80mm高度氣壩降阻效果最佳，其對流經底盤部分的氣流有很好的整流作用；加裝發動機艙底護板同樣具有很好的降阻、整流效果。

b.風洞試驗得到車輛原狀態風阻系數為0.363，通過加裝氣動附件（氣壩、發動機艙底護板）可以將風阻系數降至0.34，同時降低了車輛的升力系數。

c.通過阻力滑行試驗、油耗試驗及高速操縱穩定性試驗驗證得到，原狀態車輛加裝氣壩和發動機艙底護板能夠降低車輛高速行駛阻力，綜合油耗降低0.3 L/100km，同時車輛的高速操縱穩定性得到大幅提高。

經過本次車底降阻附件的開發與試驗驗證，形成了完整的車輛空氣動力學附件性能開發流程，對后續車型相關部件的開發具有參考價值。

1熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數值模擬及其誤差分析.汽車工程，2009，31（3）：274～277.

2陳禮璠，杜愛民，陳明.汽車節能技術.北京:人民交通出版社，2005:82～89.

3袁志群，谷正氣，何憶斌，等.汽車底部結構對氣動特性影響的數值仿真與實驗研究.系統仿真學報，2010，22（8）:1832～1836. 4袁俠義，谷正氣，楊易，等.汽車發動機艙散熱的數值仿真分析.汽車工程，2009，31（9）：843～853.

5曹旭.發動機熱管理仿真與試驗研究：[學位研究].上海：上海交通大學，2008.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Development and Research on Pneumatic Accessories on the Bottom of A SUV

Xu Peng，Li Chunhua，Liu Peng，Liu Erbao，Feng Wei
（Technology Center，Great Wall Motor Co.，Ltd，Hebei Automobile Technology Research Center）

In this paper，we analyze and optimize vehicle pneumatic performance of aerodynamics accessories of a SUV，with aerodynamics simulation analysis as the early development tools，air dam and bottom plate as the object of study.Vehicle wind tunnel test proves that the pneumatic accessories have good drag reduction effect.Then，it is known through vehicle heat dissipation performance test，resistance coasting test and high speed handling stability test that，adding the pneumatic accessories can not only reduce fuel consumption and improve handling stability of the vehicle in high speed driving，but also meet the heat dissipation performance.

SUV,Pneumatic accessory,Wind tunnel test,Heat dissipation performance, Fuel consumption

SUV氣動附件風洞試驗散熱性能油耗

U461.6

A

1000-3703（2014）07-0014-04