汽車輪輞與車輪旋轉(zhuǎn)降阻關(guān)聯(lián)性分析

車艷秋 楊興龍 鄭鎮(zhèn)雨 劉明哲 楊雪峰 張英朝

（1. 一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院，長春 130000；2. 吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，長春 130022）

0 引言

隨著電動汽車的發(fā)展和普及，續(xù)駛里程已成為影響用戶駕乘體驗(yàn)的關(guān)鍵因素。風(fēng)阻消耗能量是整車行駛能量消耗的重要組成部分，因此也是影響續(xù)駛里程的關(guān)鍵因素之一。目前，國內(nèi)外整車廠均發(fā)布了超低風(fēng)阻電動汽車。實(shí)現(xiàn)更低風(fēng)阻車型研發(fā)，降低行駛阻力中的空氣阻力已成為研究熱點(diǎn)[1]。據(jù)統(tǒng)計，汽車輪腔部位的風(fēng)阻約占整車風(fēng)阻力的25%[2]。因此，研究車輪引起的輪腔內(nèi)風(fēng)阻損失對于降低整車風(fēng)阻有重要意義。

通常情況，車輪旋轉(zhuǎn)工況比靜止工況測得的整車風(fēng)阻系數(shù)低，無論是獨(dú)立車輪[3-4]還是整車空氣動力學(xué)試驗(yàn)[5-6]都有相同的結(jié)論。然而，在其他學(xué)者研究中，也曾出現(xiàn)車輪旋轉(zhuǎn)工況比靜止工況測得的整車風(fēng)阻系數(shù)高[7]或者差異比較小的情況[8]。學(xué)術(shù)界對于車輪旋轉(zhuǎn)工況降低風(fēng)阻的機(jī)理未達(dá)成共識[9-12]。造成車輪旋轉(zhuǎn)工況與靜止工況整車風(fēng)阻差異的原因非常復(fù)雜，仍需要各種車型大量試驗(yàn)或仿真數(shù)據(jù)支撐，才能不斷完善這方面相關(guān)理論。

以上對于車輪旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻的研究多以形體較為簡單的標(biāo)準(zhǔn)模型為主，很少涉及包含詳細(xì)研究底盤和機(jī)艙結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)狀態(tài)下整車風(fēng)阻模型。

為了使研究具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義，本文的研究對象為包含機(jī)艙和底盤的整車模型，研究方法包括計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）仿真分析和全尺寸油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)。

關(guān)于車輪旋轉(zhuǎn)工況CFD仿真方法，目前行業(yè)內(nèi)大多主機(jī)廠主要以穩(wěn)態(tài)仿真方法為主。Yu等[13]對比了多種仿真中常見的車輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方法，認(rèn)為2種穩(wěn)態(tài)方法，即旋轉(zhuǎn)壁面法和多重參考系法（Multiple Reference Frame,MRF）在計算整車風(fēng)阻方面能夠模擬出相對準(zhǔn)確的結(jié)果，但對于升力預(yù)測偏差較大。梁繼續(xù)[14]在研究車輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的流動機(jī)理過程中，對比了旋轉(zhuǎn)壁面法和MRF方法，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)壁面法模擬結(jié)果更加貼近真實(shí)流場，MRF方法會使得車輪附近的局部氣流加速，從而產(chǎn)生偏差。谷正氣等[15]對包含車輪的整車進(jìn)行仿真分析時，也同樣認(rèn)為對車輪模擬采用旋轉(zhuǎn)壁面法比MRF更為合理。

根據(jù)以上文獻(xiàn)分析，本文中車輪旋轉(zhuǎn)CFD仿真方法采用旋轉(zhuǎn)壁面法，并用風(fēng)洞試驗(yàn)校核該仿真方法精度及工程可信性。

吉林大學(xué)的傅立敏、胡興軍等[16-17]對單個車輪不同輻板開孔的車輪模型進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)車輪的幾何外形對空氣動力學(xué)特性影響十分顯著，應(yīng)予以充分考慮，并認(rèn)為風(fēng)阻系數(shù)增加是由渦量增加導(dǎo)致的。Koi?trand 等[18]通過試驗(yàn)和仿真測試了輪輞不同開口比下整車風(fēng)阻系數(shù)，結(jié)果顯示，試驗(yàn)和仿真對旋轉(zhuǎn)工況下降低風(fēng)阻效果具有一致性。

鑒于輪輞設(shè)計在車輪旋轉(zhuǎn)工況下對風(fēng)阻影響較大，本文主要研究輪輞與車輪旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)降低的關(guān)聯(lián)性。

1 研究方法

1.1 仿真方法

CFD仿真采用Star CCM+流體分析軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計算。研究對象為某自主品牌燃油車SUV 在研車型，重要參數(shù)設(shè)置如表1。其中，CFD仿真模型的體網(wǎng)格加密設(shè)置如圖1。

表1 某SUV車型穩(wěn)態(tài)仿真參數(shù)設(shè)置

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿叽缬湍嗄Ｐ蛙嚕鐖D2 所示。為確保結(jié)果具有可對比性，油泥模型車數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)保持一致。其中，機(jī)艙和底盤部分由同平臺車的相應(yīng)部分改制完成，風(fēng)洞試驗(yàn)室使用上海同濟(jì)大學(xué)地面交通風(fēng)洞中心。

圖2 油泥模型車試驗(yàn)現(xiàn)場示意

2 研究內(nèi)容

2.1 研究模型

本文為研究車型配置3 款輪輞模型，分別進(jìn)行試驗(yàn)和仿真對比分析。

3 款輪輞模型分別命名為輪輞模型1、輪輞模型2、輪輞模型3，如圖3 所示。其中，輪輞模型1 處于研發(fā)階段，進(jìn)行了模糊展示。

圖3 本研究車型配置的3款輪輞模型

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 旋轉(zhuǎn)仿真方法精度對標(biāo)

對已上市某SUV車型，利用旋轉(zhuǎn)壁面仿真方法和油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行仿真精度對標(biāo)。仿真和試驗(yàn)內(nèi)容包括基礎(chǔ)工況和部分標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況，用以驗(yàn)證不同工況下，旋轉(zhuǎn)壁面仿真方法的整車仿真精度是否具有可信性。

經(jīng)過對比分析得到如下結(jié)論：

（1）不同工況下，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)壁面仿真方法得到整車仿真精度為97%（圖4）。

圖4 同一模型不同工況下整車風(fēng)阻系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

（2）應(yīng)用旋轉(zhuǎn)壁面仿真方法預(yù)測的風(fēng)阻系數(shù)影響量與油泥模型試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致（圖5）。

（3）應(yīng)用旋轉(zhuǎn)壁面仿真方法預(yù)測的不同部位風(fēng)阻系數(shù)影響量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比差值小于0.005（圖5）。

圖5 同一模型不同部位風(fēng)阻系數(shù)影響量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

對于本文研究車型，利用旋轉(zhuǎn)壁面仿真方法和油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行整車風(fēng)阻系數(shù)的仿真精度對標(biāo)，仿真精度達(dá)到97%左右，屬于行業(yè)較高的水平。對比數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 不同輪輞模型的整車風(fēng)阻系數(shù)影響量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

基于以上結(jié)果，針對本文研究車型，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)壁面法預(yù)測車輪旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)具有工程可信性。

2.2.2 輪輞開口比分析

通過輪輞模型2不同開口比試驗(yàn)結(jié)果以及以往不同車型輪輞封閉式實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)，分析其對整車風(fēng)阻系數(shù)影響規(guī)律，并提出滿足產(chǎn)品開發(fā)降低風(fēng)阻需求的輪輞開口比建議方案。

本文中輪輞開口比定義：輪輞Y法線方向鏤空部分的投影面積（圖7中輪輞白色部分面積）與輪輞規(guī)格總面積的比值，圖7 為輪輞模型2 開口比示意。開口比越大，表示輪輞鏤空部分的面積越大，即表明車輛行駛中輪輞通過的氣流越多，輪腔的氣流越不好梳理，不利于整車風(fēng)阻系數(shù)降低。

圖7 輪輞模型2開口比示意

圖8展示了輪輞模型2不同輪輞開口比對應(yīng)的整車風(fēng)阻系數(shù)變化的油泥模型試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，減小輪輞開口比有利于增大車輪旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)降低量。

圖8 不同開口比的整車風(fēng)阻系數(shù)影響量變化趨勢

根據(jù)圖8總結(jié)規(guī)律如下：

（1）輪輞開口比越小，整車風(fēng)阻系數(shù)影響量越小。

（2）輪輞開口比越大，越有利于增大旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)降低量。

結(jié)合圖8分析結(jié)果，在車型開發(fā)時，為平衡成本、質(zhì)量、熱管理及風(fēng)阻要求，需合理設(shè)計輪輞開口比。具體原則為滿足制動片散熱要求的前提下，對應(yīng)電動汽車更低的風(fēng)阻目標(biāo)，建議采用小開口比輪輞；傳統(tǒng)燃油車應(yīng)根據(jù)油耗目標(biāo)需求，選取合適的輪輞開口比。

本文結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對輪輞開口比開發(fā)建議進(jìn)行了如下總結(jié)：

（1）傳統(tǒng)燃油汽車

對于傳統(tǒng)燃油汽車，開口比（P）≤25%，為優(yōu)秀水平，對降低整車風(fēng)阻有利，可以將輪輞開口比對風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd控制在0.004，但會相應(yīng)地增加成本。25%＜P＜35%為中等水平，也是常規(guī)設(shè)計狀態(tài)，可以將輪輞開口對風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd控制在0.004～0.007。P≥35%，為較差水平。輪輞開口比對整車風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd會達(dá)到0.007以上，對風(fēng)阻系數(shù)要求不高的車型適用，同時可以減輕輪輞質(zhì)量和降低成本。

（2）電動汽車

對于電動汽車，建議開口比（P）≤15%，可以將輪輞開口比對風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd控制在0.002以內(nèi)，滿足電動汽車低風(fēng)阻目標(biāo)，為提高續(xù)駛里程，也會相應(yīng)地增加成本。表2 為輪輞開口比與風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd的評價表，其中輪輞開口面積的建議以17 英寸輪輞為例。

表2 輪輞開口比與風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd的評價

3 機(jī)理分析

3.1 降低風(fēng)阻部位分析

針對本文研究的某燃油車SUV車型，由表3所示的不同部位旋轉(zhuǎn)工況風(fēng)阻系數(shù)影響量統(tǒng)計結(jié)果顯示，在車輪旋轉(zhuǎn)工況下，前輪本身表現(xiàn)出增加風(fēng)阻的效果，后輪則影響較小。整車在車輪旋轉(zhuǎn)工況下降低風(fēng)阻的效果是前輪增加風(fēng)阻與其它部位降低風(fēng)阻綜合的結(jié)果。

表3 不同輪輞模型車輛各部位旋轉(zhuǎn)工況風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd

為深入研究旋轉(zhuǎn)工況下輪輞對整車風(fēng)阻系數(shù)影響，選取表3“其它部分”中的背部（尾渦對應(yīng)的車身部分），統(tǒng)計其風(fēng)阻系數(shù)影響量，將結(jié)果列于表4。從統(tǒng)計結(jié)果上看，背部阻力變小，即體現(xiàn)為背壓增大。

表4 整車及背部旋轉(zhuǎn)工況風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd

圖9為3種輪輞模型隨車長變化的風(fēng)阻系數(shù)影響量累積曲線。首先，盡管車身前部，尤其是前輪附近在旋轉(zhuǎn)工況下阻力增加，但是整車風(fēng)阻累積下來后，3種不同輪輞都產(chǎn)生了降低風(fēng)阻效果，其中每種輪輞降低風(fēng)阻效果略有差異。其次，前輪前部產(chǎn)生的風(fēng)阻增加效果累積至后輪前部區(qū)域時，幾乎都消失。車身前部及前輪區(qū)域因?yàn)檐囕喰D(zhuǎn)而產(chǎn)生的風(fēng)阻差異幾乎不會影響到后輪及車身背部，這也與上述分析結(jié)果吻合。因此，可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)工況引起風(fēng)阻下降的原因主要是后輪，其中氣動阻力下降的部位集中在后輪及后輪以后的車身，結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)有利于恢復(fù)汽車尾部背壓。

圖9 3種輪輞模型隨車長變化的風(fēng)阻系數(shù)影響量累積趨勢

3.2 旋轉(zhuǎn)工況下通風(fēng)阻力矩與風(fēng)阻系數(shù)影響量關(guān)聯(lián)性分析

通風(fēng)阻力矩反映車輪在旋轉(zhuǎn)或靜止工況下與空氣的相互作用程度。通風(fēng)阻力矩定義為車輛行駛狀態(tài)中，氣流通過輪腔時，車輪圍繞其旋轉(zhuǎn)軸所受到的力矩（圖10）。

圖10 車輪通風(fēng)阻力矩示意

表5統(tǒng)計了本文研究車型中7種輪輞模型的前輪和后輪通風(fēng)阻力矩（模型中除輪輞不同，其它數(shù)據(jù)全部保持一致）。其中靜止工況下，出現(xiàn)了車輪通風(fēng)阻力矩為負(fù)數(shù)的情況，主要是由不同輪輞模型結(jié)構(gòu)，使有些車輪在氣流作用下按前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致。車輪旋轉(zhuǎn)工況下，計算得到前輪和后輪通風(fēng)阻力矩全部為正，表明其作用為阻礙車輪旋轉(zhuǎn)。

表5 中的輪輞模型4、輪輞模型5、輪輞模型6、輪輞模型7見圖11。

圖11 表5中輪輞模型4～7

表5 不同輪輞模型前輪和后輪通風(fēng)阻力矩及影響量

靜止工況與旋轉(zhuǎn)工況整車風(fēng)阻系數(shù)差值為旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd，靜止工況與旋轉(zhuǎn)工況通風(fēng)阻力矩差值為旋轉(zhuǎn)工況下通風(fēng)阻力矩影響量。圖12為旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)影響量隨前輪和后輪通風(fēng)阻力矩影響量變化趨勢。結(jié)果表明，車輪旋轉(zhuǎn)工況，整車風(fēng)阻影響量ΔCd與前輪通風(fēng)阻力矩影響量沒有明顯相關(guān)性,而與后輪通風(fēng)阻力矩影響量有比較明顯的關(guān)聯(lián)性，即隨著后輪通風(fēng)阻力矩影響量的增大，整車風(fēng)阻系數(shù)影響量ΔCd增大，但不代表旋轉(zhuǎn)工況降低風(fēng)阻效果增大。車輪旋轉(zhuǎn)工況下通風(fēng)阻力矩的增大，表明特定的輪輻結(jié)構(gòu)可以使得車輪旋轉(zhuǎn)引起的車輪與氣流相互作用增強(qiáng)，尤其是沿車輛行駛方向車輪與氣流相互作用增強(qiáng)。圖13（b）中所體現(xiàn)的后車輪通風(fēng)力矩影響量越大，旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻影響量ΔCd越小的趨勢就說明了由于車輪與氣流相互作用變強(qiáng)，有利于車輪旋轉(zhuǎn)工況降低風(fēng)阻。這一現(xiàn)象也與前文所述的觀點(diǎn)吻合，即車輪旋轉(zhuǎn)工況下，降低風(fēng)阻效果主要取決于后輪與尾部，與前輪區(qū)域幾乎沒有關(guān)聯(lián)性。

但是，圖12（b）中有2個點(diǎn)不符合這一結(jié)論，也表明，趨勢圖只能代表大部分情況下符合趨勢所得到的結(jié)論，但仍然有部分情況不符合趨勢。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖12（b）所示的趨勢，本文設(shè)置了一組驗(yàn)證方案，即通過去除后輪導(dǎo)風(fēng)板，加強(qiáng)氣流對后輪作用效果，進(jìn)而使得后輪通風(fēng)阻力矩影響量更大。結(jié)果如表6所示，輪輞模型2和輪輞模型3模型去除后輪導(dǎo)風(fēng)板之后，通風(fēng)阻力矩影響量明顯提升，并且整車風(fēng)阻系數(shù)影響量也隨之增大，即整車風(fēng)阻系數(shù)降低量與通風(fēng)阻力矩影響量正相關(guān)的關(guān)系成立。

圖12 旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)影響量隨前輪和后輪通風(fēng)阻力矩影響量變化趨勢

表6 后輪導(dǎo)風(fēng)板對旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)降低量與通風(fēng)阻力矩影響量的影響

綜合以上分析，得出如下結(jié)論：

（1）車輪旋轉(zhuǎn)工況下，整車風(fēng)阻系數(shù)降低量與后輪通風(fēng)阻力矩影響量有明顯關(guān)聯(lián)性；

（2）隨著后輪通風(fēng)阻力矩影響量增大，即氣流與后輪相互作用加強(qiáng)，有利于增大車輪旋轉(zhuǎn)工況風(fēng)阻系數(shù)降低量，但這個結(jié)論目前不適合所有車型，后續(xù)需要繼續(xù)深入研究。

4 結(jié)論

（1）車輪旋轉(zhuǎn)工況的仿真方法采用旋轉(zhuǎn)壁面法具有可信性，特別適合輪輞方案設(shè)計預(yù)測。

（2）輪輞開口比越小，越有利于增大車輪旋轉(zhuǎn)工況下整車風(fēng)阻系數(shù)降低量。所以在產(chǎn)品開發(fā)中，應(yīng)根據(jù)風(fēng)阻目標(biāo)需求合理地對輪輞開口比進(jìn)行約束。

（3）通風(fēng)阻力矩影響量越大，氣流在輪胎表面的作用效果越強(qiáng)，越有利于增大車輪旋轉(zhuǎn)工況風(fēng)阻降低量。