節能車車身與車架設計分析

米俊松，江鵬飛，王建美，齊 芳 Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

節能車車身與車架設計分析

米俊松，江鵬飛，王建美，齊 芳
Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

（武漢華夏理工學院 汽車工程學院，湖北 武漢 430223）

節能車通過減小空氣阻力，結構材料輕量化來達到節能的目的，主要介紹節能車車身車架的總體設計思路和方案，車身方面首先從空氣動力學理論入手，盡可能減小風阻系數，然后通過軟件建模把車身導入分析軟件進行優化，得到有良好空氣動力學性能的車身；車架方面首先從幾種基本車架形式入手，多方面考慮選取最優方案并完成建模，然后導入軟件進行分析，設計出符合節能車性能要求的輕質量車架。

節能車；車身；車架；空氣動力學

0 引 言[1]

隨著社會不斷發展，能源不斷枯竭，節約能源、保護環境已成為當今社會面臨的重要問題。石油儲備的急劇減少預示著節能是現今汽車發展的必然趨勢。車身車架作為阻力及能耗的主要部件，是節能車的主要研究內容，研究了節能車的車身和車架設計，以獲得良好的空氣動力學性能和使結構輕量化，從而提高燃油經濟性、汽車操縱穩定性和安全性等。通常發動機近60％的功耗用來克服行駛阻力，其中空氣阻力占據主要部分，因此對車輛的空氣動力學探究是節能的重要方向。

1 節能車車身設計分析

1.1 車身外形設計理論分析

車輛在行駛中，推動前方的氣流，車頭部分氣流運動速度減慢，使車頭部分壓力升高，同時這部分氣流會向車身四周分散，為了實現車頭部分氣流的良好疏導，應減小車頭的迎風面積，車頭迎風區設計應圓滑平順，減小阻力并引導氣流[1]。車尾部分某些區域氣流無法填補，使該區域形成真空區，真空區的壓力較小，車頭、車尾形成了壓力差，產生氣動阻力，為減小真空區，車尾的設計應盡可能小，類似于水滴的形狀。由于氣流進入車身內部后參與內循環并冷卻形成內循環阻力，為減少空氣進入車身內部，應選擇全包圍車身，因為全包圍車身相比半包圍車身具有更小的風阻系數。

1.2 車身建模

結合空氣動力學理論和車架參數進行車身建模，車身外形設計類似于水滴形狀，采用CATIA自由曲面結合創成式曲面設計進行車身建模，先由3D曲線構建整車線條，再結合曲面橋接、填充等命令形成曲面，為達到車身光潔度和曲面連續性要求，需要確保大多數面都達到G1、G2連續。采用全包圍車身，如圖1所示。

圖1 車身外形圖

1.3 計算域的生成和網格劃分

使用有限元分析軟件，通過ICEM-CFD軟件建立車身外流場計算域和劃分網格，導入Fluent軟件進行計算，得到車身周圍流速以及壓力的分布情況，優化和驗證設計結果。

將CATIA模型導入ICEM-CFD，建立流場流體域，氣流在車身周圍一定范圍之外不受車身影響，根據國內外學者的研究結果，流體域一般為9倍車長、5倍車高、6倍車寬的一個長方體形狀。從流體域邊界設置氣流進口和出口作為流體的入口和出口邊界[2]。因為節能車的車輪內包，而且尺寸小，對氣流的影響較弱，所以在建立模型時忽略車輪，整車離地間隙60 mm。計算域建立完成后進行網格劃分，實現主流區域離散化。網格分為面網格和體網格，面網格用來描述物體表面特征，體網格用于填充實體區域。網格劃分質量對求解精度的影響很大，一般要對車身周圍和地面網格進行加密處理，面與面角度較小的面網格設置較小以提高求解精度。流體域的劃分結果如圖2所示，網格數為485 531，節點數為113 412，網格質量均大于0.3，保證仿真結果有意義（網格質量必須大于0.1）。

圖2 流體域網格劃分

1.4 外流場的仿真分析

網格劃分完成后，導入Fluent，節能車的平均車速為25 km/h，周圍氣流馬赫數小于0.3屬于不可壓縮空氣動力學范疇，選擇SST-湍流模型，該模型可應用于粘性內層，通過壁面函數可精確模擬邊界層，設置進口速度為8 m/s，選用2階迎風離散格式。控制方程設置完成后進行計算，設置迭代步數，一般設置為300步可以完成計算，得到穩定的曲線圖，計算結果收斂。車身表面壓力云圖及速度矢量圖如圖3、圖4所示。

圖3 車身表面壓力云圖

圖4 車身表面速度矢量圖

由圖3和圖4可知，氣流到達車頭部分，速度迅速下降，形成駐點壓力最大。隨后氣流沿駐點向車身周圍擴散，車身上部氣流逐漸加速，壓力逐漸減小。在車頭兩側，氣流流速快，形成較大負壓，氣流到達車身頂部速度達到最大，然后速度逐漸減小并在尾部與車身底部的氣流匯合，壓力逐漸增大。因為車身尾部壓力相比車頭部分較小，形成壓力差，產生壓差阻力。對車身進行合理設計，增加氣流到達車頭后的流速，減小空氣阻力。由圖3可知，車頭駐點區域較小，氣流在車身表面和尾部并未發生較大分離，車頭、車尾形成的壓差阻力小。分析可得，車身在8 m/s進口速度下受到空氣阻力為2.3 N。

2 車架設計

2.1 車架類型分析

車架是整輛節能車的載體，參照近幾年節能車車架樣式，主要分為4種。

1）梯形車架。

在賽場上大部分車隊都使用該種車架，優點是結構簡單、便于加工、小巧輕便、造型美觀[3]。

2）空間車架。

優點是結構穩定，車架強度高、剛度大；缺點是車架質量較重，結構過于復雜[4]。

3）碳纖維單體殼。

優點是質量輕、強度大，車身車架一體；缺點是加工極其復雜，造價昂貴。

4）小型賽車車架。

類似于卡丁車車架，優點是強度高、造型美觀；缺點是結構復雜且過于笨重，不滿足節能要求[5]。

綜上所述，采用梯形車架作為節能車的車架形式。

2.2 車架建模

節能車車架的主要參數見表1。

表1 車架參數

根據相關參數在CATIA中搭建模型，結合節能車總布置和人機工程完成三維建模，如圖5、圖6所示。

圖5 車架建模

圖6 人機工程分析

3 車架優化改進

采用ANSYS有限元分析對車架進行優化。

3.1 優化目標

結合節能車總布置要求及參賽規則確定車架的設計目標，見表2。

表2 車架優化目標

3.2 優化方案

方案1：如圖7所示，添加三角結構（圖7中圓圈部分）在車架輪胎安裝點附近，但是車架高度過高，結構較為復雜。

圖7 方案1車架

方案2：如圖8所示，降低車架的高度以減小迎風面積，去掉部分三角結構，簡化后輪安裝架結構，相較方案1車架寬度縮小120 mm。

圖8 方案2車架

對方案1車架進行扭轉工況分析，固定后輪安裝點，對左前輪安裝點軸正方向施加=+1 000 N的載荷，對右前輪安裝點軸負方向施加=－1 000 N的載荷，方向變形圖如圖9所示，通過分析得出撓度=3.614 8 mm。

圖9 方案1車架方向變形圖

對方案2車架進行扭轉工況分析，施加與方案1相同的變形條件，方向變形圖如圖10所示。通過分析，得出撓度=2.530 5 mm。

圖10 方案2車架方向變形圖

將分析結果數據帶入扭轉剛度計算式

式中：T為扭轉剛度；為載荷；為力臂；為撓度。

表3 車架各參數對比

節能車在賽道上平均速度為35 km/h，在平穩的賽道上行駛，兩方案扭轉剛度都符合要求；兩方案的車架參數對比見表3，通過對比綜合考慮，選擇質量更輕、體積更小的方案2車架。

4 結 論

在節能車的車身設計中，應盡可能降低車身的迎風面積和離地間隙，車身要圓滑，并且曲面過渡均勻連續，車尾部要小以減少尾渦和真空部分。在車身輕量化方面，首先是材料的選取，然后在滿足強度、剛度的前提下減輕質量，最終設 計出類似水滴形狀的車身外形，并對其進行外流場仿真分析。汽車總質量影響加速阻力、滾動阻力和坡道阻力，阻力增加導致油耗增加，對燃油經濟性影響大。要降低節能車的油耗，需要減輕汽車總質量，車架作為整車的載體，結構相對復雜，所占質量最大，車架優化是整車輕量化的重點與難點。在兩種車架設計方案的基礎上，結合節能車使用性能和輕量化的設計要求，最終得到較好的車架設計效果。

[1]張國忠，賴征海.汽車空氣動力學與車身造型研究最新進展[J].沈陽大學學報，2005，17（6）：39-44.

[2]江洪，唐鵬. 轎車車身外流場的CFD仿真與實驗驗證[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版），2011，30（3）：470-475.

[3]馬小康，劉強，宗志堅，等. 節能賽車鋁合金車架結構分析與優化設計[J]. 機械設計與制造，2012（4）：16-18.

[4]武柏年，黃小海，王國麗. 節能車車架設計研究[J]. 車輛與動力技術，2011（4）：42-45.

[5]李亞鵬. 本田節能競技大賽節能車設計與優化[J]. 科技資訊，2017，15（33）：82-83.

2019-04-18

武漢華夏理工學院校級科研基金項目（17013）。

U463.32

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.004

1002-4581（2019）04-0013-04