主動進氣格柵的技術(shù)研發(fā)

桂小剛 徐劼 詹鳳

摘 要：隨著國家對環(huán)保要求的嚴格執(zhí)行，各大主機廠必須嚴控各自生產(chǎn)的汽車的碳排放，通常的做法有：A、減重;B、降低滾阻;C、改善空氣動力學(xué)性能;D、開發(fā)電動車等等;而主動進氣格柵就是改善空氣動力學(xué)性能的一個重要部件，且參與電動車的電池組的熱管理，增加電動車的巡航里程;在目前各個車型，尤其是電動車上，使用越來越廣泛;本文闡述了主動進氣格柵在每個開發(fā)階段的技術(shù)研發(fā)要點。

關(guān)鍵詞：主動進氣格柵;機構(gòu);理論分析;仿真分析;DV測試;控制邏輯

1 引言

隨著全球氣候變化加劇，世界各國都在嚴控各自的碳排放，以減少惡劣氣候的發(fā)生;為此，歐洲環(huán)境署在2014年4月24號宣布了針對歐洲汽車工業(yè)的最新的二氧化碳排放法規(guī)：A、到2015年，歐洲市場上所有新車的二氧化碳平均排放量不超過130g/km（從2012年開始逐步實施）;B、到2021年，所有新車的二氧化碳平均排放量不超過95g/km（從2020年開始逐步實施）。在中國，2012年國務(wù)院發(fā)布《國家節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》里明確要求到2015年乘用車平均油耗降至6.9L/100km，2020年達到5.0L/100km[1]。在汽車行業(yè)，為了降低汽車的碳排放，通常的做法有：A、減重;B、降低滾阻;C、改善空氣動力學(xué)性能;D、開發(fā)電動車等等;而主動進氣格柵是改善空氣動力學(xué)性能的一個重要部件，且參與電動車的電池組的熱管理，增加電動車的巡航里程;相對乘用車而言，主動進氣格柵能夠使CO2的排放降低0.5～3g/km，風(fēng)阻系數(shù)降低0.03[2]。

2 主動進氣格柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在主動進氣格柵（簡稱AGS）前期設(shè)計階段，在沒有CAE分析輔助的階段，所有的技術(shù)方案必須要建立在理論分析可行的基礎(chǔ)之上，再通過一系列的理論驗證方可實施，AGS的結(jié)構(gòu)設(shè)計，就是建立在這一系的理論驗證的基礎(chǔ)上，達到精準(zhǔn)控制葉片的開啟角度及停留位置;

下面是理論分析的方法：

A、風(fēng)壓計算公式：

F=.ρ.V2.S.Cd （1）

式中：F為葉片所受風(fēng)載壓力;ρ為空氣密度;V為車速;S為單片葉片的受力面積;Cd為空氣阻力系數(shù);

B、單片葉片的受力分析，見圖1。

根據(jù)加載狀況，將模型簡化如上圖所示，即可算出單個葉片的受力;

C、單片葉片的受力變形分析，見圖2。

將單個葉片實際受力簡化為簡支梁模型，受到風(fēng)的垂直載荷，如上圖所示。

根據(jù)材料力學(xué)模型得到葉片彎曲的撓曲線方程：

（2）

其中x為距離一段支點的距離，E為材料的剛度（塑料的模量），I為材料的慣性矩（與材料橫截面的形狀有關(guān)），q為受到的均勻載荷的系數(shù)。

根據(jù)彎曲撓度計算，當(dāng)x=I/2時，得到最大變形量。此時撓度ω（彎曲變形量）為：

，代入?yún)?shù)得： （3）

其中慣性矩為 （4）

把相應(yīng)的設(shè)計尺寸代入上述公式當(dāng)中，即可算出葉片的變形;

D、平衡的聯(lián)動機構(gòu)。

為了使AGS在實車上平穩(wěn)運行，且能滿足各種工況下的運動，各零件之間必須要能平衡聯(lián)動，驅(qū)動機構(gòu)之間的有效連接、相互之間的有效驅(qū)動至關(guān)重。

3 主動進氣格柵的電機扭矩的選型

電機扭矩大小的選擇至關(guān)重要，若選擇過小，則無法帶動葉片的開啟;若選擇過大，則電機體積過大，不利結(jié)構(gòu)布置，而且會造成成本過高;所以所選電機的扭矩必須滿足車型在高速行駛狀態(tài)下，克服風(fēng)阻的壓力，能正常帶動葉片的開啟;所以電機的扭矩與葉片的受力面積，風(fēng)速等因素息息相關(guān);

A、葉片受力扭矩的計算公式：

T=FL

式中：T為扭矩，F(xiàn)為葉片所受風(fēng)載壓力;L為力臂;

B、葉片受力扭矩分析，見圖3：

根據(jù)加載狀況，將模型簡化如上圖，由于轉(zhuǎn)軸的位置不對稱，總寬度L=L1+L2，L1、L2分別為長邊和短邊。

單片葉片的扭矩計算：T=T1-T2=F1L1-F2L2

其中：F=.ρ.V2.S.Cd，S=L0L，令K=.ρ.V2.S.Cd;T=KL0（L21-L22）

驅(qū)動單片葉片所需的扭矩為：T=3KL0（L21-L21）

C、葉片最大扭矩位置分析，見圖4：

當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到一定角度（θ）時，如上圖所示（單個葉片旋轉(zhuǎn)之后的受力分析）：根據(jù)上面葉片的受力分析計算過程，同樣得到單個葉片的扭矩為：

T=KL0（L21-L22）sin2θ

即當(dāng)角度為90度是，葉片的扭矩最大，此時電機輸出的扭矩也是最大;

D、轉(zhuǎn)軸摩擦力產(chǎn)生的扭矩分析：

f摩擦力=F風(fēng)μ摩擦系數(shù);

T摩擦力=f摩擦力R軸承半徑

電機輸出的扭矩：T電機=T葉片T摩擦+T其它

把相應(yīng)的參數(shù)代入，即可估算出電機理論上所需輸出的扭矩;

4 CAE分析

為了驗證設(shè)計的合理性，需要借助CAE的輔助分析，對設(shè)計的機構(gòu)及理論設(shè)置的一些參數(shù)，做進一步的驗證;來指導(dǎo)設(shè)計做進一步的優(yōu)化。

由于AGS是整車空氣動力學(xué)性能的一個重要組成部分，對整車的風(fēng)阻影響較大;所以空氣動力學(xué)的仿真分析，對AGS是非常重要的一項分析。而在AGS的空氣動力學(xué)分析當(dāng)中，泄漏率是AGS的一項非常重要的參數(shù)，而影響泄漏率的主要因素有：a、AGS整體的剛度;b、單片葉片的剛度;c、電機的保持扭矩的大小;所以為了滿足AGS泄漏率的要求，整體AGS的剛度和電機保持扭矩的大小至關(guān)重要;

為了驗證葉片在風(fēng)壓下的剛度及其變形量，來指導(dǎo)葉片的設(shè)計，AGS通常需要做如下分析：

A、計算葉片的壓力分布：

主要為了進一步分析葉片的剛度，為葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支持;

B、泄漏率分析：

主要為了模擬整車在運動過程當(dāng)中，葉片在加載的情況下，AGS總成的密封性，對整車風(fēng)阻的貢獻;

C、仿真運動分析：

主要為了模擬運動機構(gòu)的可行性及平衡性，及時了解瞬態(tài)時的受力情況;

D、電機扭矩大小的輸出分析：

主要為了模擬葉片在加載的情況下，電機所需輸出的扭矩，為電機選型提供依據(jù);

AGS除了做上述分析之后，還會根據(jù)具體要求，做相應(yīng)的其它CAE分析;

下面是葉片的受力分析，見圖6。

5 DV驗證

為了驗證產(chǎn)品性能是否滿足前期設(shè)計階段定義的各種工況的性能要求，需要通過相應(yīng)的DV測試來驗證設(shè)計的合理性及準(zhǔn)確性，同時需要開發(fā)相應(yīng)的DV測試設(shè)備來做相應(yīng)的測試。

根據(jù)AGS這個零件的定義及其在實車上所處的位置，需要滿足整車在各種工況下的性能要求，所以AGS通常需要做如下DV測試。

A、耐久循環(huán)測試：

實驗的目的是模擬實車在各種工況下，主動進氣格柵總成在加載的情況下，經(jīng)受冷熱條件的多次循環(huán)的耐久實驗后，還能滿足AGS所需要的功能;

B、泄漏率測試：

實驗?zāi)康氖菣z驗AGS的密封性，是否能滿足整車風(fēng)阻的要求;

C、高壓沖洗測試：

實驗?zāi)康氖悄M實車在洗車的情況下，AGS是否能正常運轉(zhuǎn)，葉片是否會被沖斷或脫落。

D、潑賤沖擊測試：

由于AGS位于整車的前端，常常需要面臨泥水的潑濺;所以該項實驗的目的是檢驗AGS在泥水的潑濺之后，泥巴粘接在葉片上，AGS總成是否能開啟正常。

為了全面模擬AGS所處的各種工況，還需要做其它各種測試。

6 電機的控制邏輯

BCM根據(jù)整車的發(fā)動機溫度、冷卻水的溫度、車速及其它工況，發(fā)出指令，AGS的電機根據(jù)BCM的指令，來控制AGS葉片的開、閉;通過本身的輸出力矩，精準(zhǔn)控制葉片的停留位置。

7 結(jié)語

節(jié)能減排是國家發(fā)展的一個趨勢，是各主機廠必須執(zhí)行的一項指令，而AGS主動進氣格柵相對燃油車而言：對降低油耗，減少排放可以起到非常大的作用;而相對電動車而言：參與電池組的熱管理，對增加電動車的巡航里程起到非常大的作用;所以對主機廠而言，使用主動進氣格柵來減少碳排放及增加電動車的巡航里程是一個非常好的選擇方案，也是當(dāng)前的一個發(fā)展趨勢;本文闡述了主動進氣格柵在每個開發(fā)階段的技術(shù)研發(fā)要點，對AGS的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）：GB18352.5-2013.

[2]方茂東.道路行駛阻力和滑行法測量及其在底盤側(cè)功機上的設(shè)定[J]，汽車技術(shù)，1996（2）：22-27.

[3]Charnesky Scott，F(xiàn)adler Gregory， Lockwood Thomas. Variable and Fixed Airflow for Vehicle Cooling [C]. SAE Paper 2011-01-1340.

[4] [5]孫訓(xùn)方.梁彎曲時的位移 材料力學(xué)（I）第5版.