汽車底盤流場分析及優化

李偉 陳云龍

摘? 要：某車型在苛刻工況下（滿載、高環境溫度、高速），手動變速箱的機油溫度達到150℃，而根據該產品屬性簽發要求，機油的正常工作溫度應控制在130℃以下。本文應用計算流體力學（CFD）工具來模擬計算該車型底盤流場分布情況，分析油溫過高的原因、找到問題的解決方案。底盤流場分析結果：由于發動機油底殼的遮擋，導致其后方的變速箱周圍風速很小，造成殼體外表面與空氣進行強制對流熱交換不充分。為優化變速箱殼體尤其是油底殼附近區域流場，在橫梁下方增加了一塊引流式導流板，它能把橫梁之下區域的高速氣流引向變速箱油底殼周圍。后經實車路試驗證，該優化方案可以滿足油溫簽發要求。

關鍵詞：計算流體力學；變速箱油溫；底盤流場優化；引流式導流板

中圖分類號：U462? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）02-0022-06

Flow field Analysis and Optimization of automobile chassis

LI Wei1， CHEN Yun-long2

（1.Jiangling Motors Co. LTD， Nanchang 330052， China；2.Science And Technology College Of Nanchang Hangkong University， Nanchang 330029， China）

Abstract： Under harsh conditions （full load， high environment temperature， high speed）， temperature of lubrication oil in gear-box reaches 150 degree Celsius. However， the oil working temperature should be controlled under 130 degree Celsius issued by product attribute. The flow field distribution under vehicle chassis have been simulated by Computational Fluid Dynamics（CFD） software tools in this chapter， to analyze the causes of high oil temperature and to find a solution for this problem. The results of flow filed under chassis show that the velocity around gear-box is very small because of engine oil dish shelter， so the convection heat transfer capacity exchange between gear-box shell and air is not sufficient. In order to optimize the flow field near the transmission， especially the oil pan， a induced deflector plate is added under the cross-beam， which can guide the high-speed air under the cross-beam to the transmission. Road testing indicate the optimization scheme can meet oil temperature issue requirements.

Key? Words： CFD; Transmission Oil Temperature; Flow Field Optimization Under Chassis; Induced Deflector Plate

李? ?偉

畢業于南昌大學工程力學專業，碩士研究生學歷，現就職于江鈴汽車股份有限公司產品研發總院，CFD主管工程師，中級機械工程師，主要從事汽車流體力學仿真分析工作。

引? ?言

變速箱作為汽車的重要組成部件，為確保變速箱能安全高效工作，需要在其內部增加機油以潤滑齒輪提升傳遞效率、使其零部件在合理的溫度范圍內工作提升變速箱的耐久性能。當前，大部分手動變速箱為被動散熱，即熱量的散發全部依靠其殼體與外環境空氣進行強制對流換熱[1]。

汽車底盤零部件眾多，安裝布置也非常緊湊。在進行相關零部件外形及底盤布置設計時，很容易造成變速箱殼體尤其是油底殼附近周圍的流場為滯止區[2]，這樣的話，其殼體表面對流換熱能力極差，能引起油溫過高使變速箱壽命大打折扣甚至無法正常工作[3]。本文研究了某整車在高速工況下變速箱油溫過高的原因及解決方法。

考慮到汽車底盤構件的復雜性、實驗測量底盤流場特征的難度性以及測量設備本身對流場的干擾性，工程上若要通曉汽車底盤的整個流場分布情況，全部通過實驗手段來觀察或測量，幾乎是不可能實現的。鑒于實驗測量上的這些局限性，必須需要一種新的手段來替代[4]。

隨著CFD仿真技術的日漸成熟，其在工程項目中的應用也日趨加強[5]。它不但可以計算非常復雜的流動，還具備強大的后處理能力，能把工程上要關注的數據信息完美地可視化在人們面前。相對于實驗測量手段，CFD數值模擬具有低成本、高效率、無干擾等顯著優勢。因此，越來越多CFD仿真技術應用到了新車型開發過程中，以達到指導產品開發、節約成本、縮短研發周期等目的[6]。

本文就是利用CFD軟件STAR-CCM+來計算模擬某車型的底盤流場分布，找到了手動變速箱機油溫度過高的主要原因是變速箱機油殼附近的空氣流動非常不暢。進一步研究分析流場信息后，最終提出了在橫梁下方區域，增加一引流式導流板裝置。同時也仿真研究對比了另一個兜風式導流板方案。

采用引流式導流板方案，后經實車路試驗證，其對降低變速箱油溫的作用顯著，可以滿足產品屬性簽發要求。

1? ? 研究內容

以某車型為研究對象，仿真模擬計算車輛在高速行駛時的整車外流場，僅著重研究底盤變速箱周圍流場分布情況[7]，如圖1所示。共進行了三個狀態的研究分析，分別是無導流板（base狀態）如圖2所示、兜風式導流板如圖3所示、引流式導流板如圖4所示。通過定性分析變速箱周圍速度大小云圖分布、定量分析變速箱周圍風量大小及風速大小來比較這三種狀態的流場差異。

2? ? 幾何建模及網格劃分

計算域Box大小為：長51m 、寬17m、高8m，如圖5所示。采樣Polyhedral多面體進行體網格劃分，在變速箱上游及附近區域進行體網格加密，總網格量數量控制均在2000萬左右。

三個研究狀態下，無導流板y=0截面輪廓線如圖6所示；帶兜風式導流板，采用類似于喇叭口造型，前端大口收集氣流于后端小口排出，y=0截面輪廓線如圖7所示；帶引流式導流板，采用流線型曲面設計，引導氣流緊貼導流板而流動，改變原本的氣流方向，其y=0截面輪廓線如圖8所示。

3? ? 基礎理論

汽車在120km/h高速行駛，可認為空氣是不可壓縮的穩態流動；且可忽略重力對流動的影響。則流體動力學方程為連續性方程和動量方程[7]。如下：

連續性方程：

動量方程：

由于整車幾何的復雜性，無法根據流體動力學方程解析理論解，但可通過CFD模擬計算得到其數值解。

4? ?數值模擬

4.1? ?邊界條件

①速度入口120km/h，壓力出口。

②地面為滑移wall，Box側面及頂面為對稱面。

③輪胎為旋轉壁面932r/min，風扇轉速為2000 r/min。

④中冷器、冷凝器、散熱器簡化為多孔介質。

⑤車身為wall邊界條件。

4.2? ?計算方法

本文采用多面體網格和控制容積積分方法對微分方程進行離散，雷諾平均Navier-stokes方程、分離算法求解器、湍流模型選擇為realizable k-Epsilon two-layer[8-9]。

5? ? 數值計算結果

5.1? ?截面流線與速度大小云圖定性分析

無導流板時（base原設計狀態），由于變速箱正前方的發動機油底殼向下凸出遮擋及車架的橫梁位置高度低于變速箱，氣流碰到橫梁及油底殼這兩個部件后，無法轉彎保持較高的氣流速度沖向變速箱機油殼表面。帶來的后果就是變速箱殼體尤其是其油底殼局部附近區域的氣流速度非常小，幾乎為滯止區域，流線如圖9所示，速度大小如圖10所示。

增加兜風式導流板后，受制于發動機油底殼凸出位置的遮擋限制，該區域的氣流速度本身較小，該導流板也只能兜風收集少許氣流，也無法實現整體氣流轉彎朝變速箱底部流去，變速箱殼體附近依然為氣流滯止區域，其流線如圖11所示，速度大小如圖12所示。

而采用引流式導流板后，氣流能緊貼導流板而流動，依次逐步引導下方的高速氣流往后并上揚直沖變速箱機油殼體表面。這樣，變速箱尤其是機油殼底附近區域的氣流速度顯著增大，其流線如圖13所示，速度大小如圖14所示。

5.2? ?定量分析圓環斷面流量

無導流板時，變速箱殼體壁面附近氣流速度很小，殼體橫截過流斷面流量為1.799kg/s，斷面速度如圖15所示：

增加兜風式導流板后，變速箱殼體壁面附近氣流速度略有提升，但不明顯，殼體橫截過流斷面流量為2.047kg/s，其斷面速度如圖16所示：

而采用引流式導流板方案，變速箱殼體底部的機油殼壁面附近氣流速度提升顯著，過流斷面流量為2.758kg/s。其斷面速度如圖17所示：

總之，引流式導流板方案，過流斷面上風量增加了約53%。更重要的是變速箱機油殼底部的風速顯著增大，而這部分高速氣流極具改善了油底殼壁面的對流換熱能力，對降低油溫起關鍵性作用。

5.3? ?定量分析變速箱附近點處速度大小

分別在距離變速箱底部壁面不同位置處布下三排監測點，如圖18所示 ：

三種狀態下這三排監測點速度大小對比如圖19所示，兜風式導流板的導風效果不明顯；而采用引流式導流板后，第一、二和三排監測點平均速度分別提升至原來的4.2倍、4.5倍和4.6倍。

6? ?試驗驗證

為了驗證引流式導流板對降低變速箱油溫的實際效果，前期采用手工方式制作了該導流板，并安裝在試驗車上，如圖20所示：

在環模實驗室分別進行了帶與不帶導流板的對比測試，結果表明，采用引流式導流板方案，變速箱機油溫度從150℃降至129.1℃，而后又在實際高速道路測試，油溫可降至125℃。總之，通過試驗表明該導流板的導風作用可使機油的油溫滿足簽發要求。

7? ? 結語

此車型的變速箱機油的散熱完全依靠其殼體外表面與空氣進行強制對流換熱，殼體表面對流換熱能力的強弱直接決定油溫高低，油溫過高關系到變速箱的壽命、整車油耗，甚至可引起危及乘員生命安全的問題。良好的流場是保證該變速箱機油充分散熱的前提條件，依據流場的流動特性，增加引流式導流板可把橫梁下部的高速氣流虹吸向上逐步揚起后直沖向變速箱機油殼壁表面，起到加強對流換熱之目的。若分布熱源可以較準確輸入，CFD還可以進行溫度場模擬，仿真分析出內部機油溫度大小。總之，借助CFD仿真技術工具可以快速準確地為工程問題提供最有效的優化方案[10]。

參考文獻：

[1]陶文銓.數值傳熱學（第二版）[M].西安：西安交通大學出版社，2008.

[2]Gillieron P，Chometon F，Laurent J. Analysis of hysteresis and phase shifting phenomena in unsteady three-dimension wakes[J]. Experiments in Fluids，2003，35（2）：117-129.

[3]Nakade k，Masahiro H. Interaction between vehicle and aerodynamic force on high-speech train running in tunnel[J].Vehicle system dynamics supplement，2004，41：717-723.

[4]張英朝.汽車空氣空力學數值模擬技術[M].北京：北京大學出版社，2011.

[5]唐繼響.貨車外流場數值模擬研究[D]. 長沙：湖南大學，2012.

[6]Mckay M D，Beckman R J，Conover W J. A comparison of three methods for selecting values of input variables in the analysis of output from a computer code[J]. Technometrics，2000，42（1）：55-61.

[7]林建忠.流體力學[M].北京：清華大學出版社，2005.

[8]鄭拯宇.汽車外流場數值仿真中的湍流模型分析與應用[J].力學與實踐，2011，33（6）：30-34.

[9]Rodi W. Example of turbulence models for incompressible flows[J].AIAA J，1982，20（7）：872-879.

[10]張苗.變道超車過程CFD數值模擬研究[D]. 上海：上海交通大學，2011.

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