主動進氣格柵葉片扭矩簡易計算方法

摘 要：本文主要介紹了一種簡易快速的主動進氣格柵葉片的工作扭矩計算方法，結合風壓計算公式，計算出主動進氣格柵葉片的受力大小，并利用Catia軟件建立連桿的力學模型，計算出風壓傳遞到電機輸出軸所在連桿的力值大小，與輸出軸所在連桿的力臂長度相乘，即得出電機所需求的保持扭矩值大小。此方法可用于方案前期快速開展結構布置、可行性分析及電機選型，縮短設計周期，降低設計成本。

關鍵詞：主動進氣格柵 扭矩

1 緒論

近年來隨著汽車行業電動車的占有率逐漸提升，對于電動車的續航能力的需求也越來越強烈。為了增加電動車的續航能力，降低整車風阻的需求越來越強烈。

外置式主動進氣格柵能夠根據不同的車速，平衡優化風阻和電驅冷卻需求，自動根據車速等條件，自行開啟或閉合格柵。在高速巡航的時候，通過關閉格柵，降低整車風阻，提升續航里程；而在激烈駕駛的時候，又自行開啟格柵，提升冷卻系統的散熱能力，保證性能。

因外置式的特性，導致其與造型發生強關聯。目前扭矩的計算主要依賴于CAE仿真軟件，需求相對完善的產品結構數據才能開展仿真分析，分析周期長，難以有效應對造型階段多變及開發周期縮短的產品開發現狀。

本文主要介紹一種結合Catia軟件，簡便布置運動連桿結構旋轉軸線，校核機構所需工作扭矩，初步確定布置的合理性后，再開展詳細的CAE分析仿真驗算，從而提高結構布置準確性，縮短CAE仿真周期，降低設計成本。

2 方法說明

2.1 方法原理簡述

在車輛高速行駛時，為了獲得較低的風阻系數，外置式主動進氣格柵葉片往往需要在一定工況下保持關閉，這需要電機輸出足夠的扭矩支撐連桿機構，從而確保葉片在高速風壓的情況下，保持關閉狀態。

故主動進氣格柵機構所承載的外力主要來源于汽車高速行駛時所帶來的風壓，及葉片所承受的風壓。本文所介紹的方法基于四連桿結構力的傳遞原理，結合Catia的繪圖方法，獲取電機輸出軸所承受的扭矩值。

2.2 葉片風壓計算方法

風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。結合貝努利公式確定簡便的風壓wp計算公式如下：

wp=v2/1600，其中wp表示風壓（單位為kN/m），v表示風速（單位為m/s）。

2.3 四連桿結構力的傳遞構圖

不計機構摩擦，四連桿機構受力如圖1。

基于圖1，通過施加在連桿3上的風壓，計算出扭矩M2的大小，結合力的分解，計算出F32的大小，F32=F12，基于力的分解，計算出連桿1所輸出的保持扭矩M1的大小。

2.4 Catia繪圖

2.4.1 建立Catia力矩模型

如圖2所示為一款外置式主動進氣格柵圖樣，左右各兩個葉片，取葉片1示例構建力矩模型的過程。

第1步：結合造型及周邊環境件，初步布置驅動電機位置，以圖1某款AGS示例，驅動電機輸出軸與整車坐標Y向保持一致，其余空間布置要求不做贅述。

第2步：基于布置的驅動電機位置，靠近電機側建立四連桿運行平面（垂直于電機輸出軸），并通過x，y，z坐標建點方法，創建四連桿機構的鉸鏈點，如圖3中Point2、Point3、Point4、Point5，并連線形成四連桿結構，其中Point4和Point5為固定鉸鏈點；并通過Point3，建立局部坐標系，創建與x，y，z方向關聯的葉片的旋轉軸Axle1。

第3步：如圖4所示，基于Catia軟件，用測量工具識別葉片幾何中心坐標，并基于x、y、z坐標創建葉片的幾何中心點Point1，并通過該點，基于力的分解圖形，創建力矩模型。

Line33為通過Point1垂直于Axle1的垂線，Line1為X向投影到通過Point1垂直于Axle的平面的投影線，并設定長度20mm，代表風壓分力大小。Line35垂直于Line33。則葉片受風壓施加在Axle1的扭矩為：Lline35×Lline33。

第4步：按同樣的方式創建Point2處的受力模型，Line13垂直于Line8，基于Point2處施加在Axle1上的扭矩與Point1處施加在Axle1上的扭矩相等，建立函數關系：LLine13= Lline35×Lline33/Lline8，Catia函數約束方式如圖5所示。

第5步：創建Point5處的受力模型，Line2垂直于Line0，基于Line3的長度與Line4的長度相等，建立函數關系：Lline3=Lline4，基于力的分解模型，而獲得Line2的長度，可得出風壓傳遞到驅動連桿的壓力傳遞比，如圖3示例則為：9.916/20=0.496。

第6步：計算驅動軸Axle3的輸出保持力矩為：Lline2×Lline0。

第7步：重復以上步驟創建葉片2的受力模型，如圖6所示，基于葉片左右對稱，另一側葉片不再單獨建立受力模型。

2.4.2 計算葉片所承受的風壓

基于貝努利公式wp = v2/ 1600，結合葉片的開閉邏輯，確定車速要求，本文假設葉片保持關閉的上限車速為160km/h，則可獲得對應的風速V=44.44m/s，結合貝努利公式計算出葉片所承受的風壓：wp=1.23kN/m2。

通過Catia軟件，求取葉片1的迎風面積S：通過葉片的幾何中心點，垂直于整車坐標x軸（行車方向）創建投影基面。葉片投影到基面及可獲得葉片行車方向的正投影面（如圖7所示），及葉片的迎風面，并測量其面積大小S。

結合F=wp*S，導入wp及S值，即可獲得車輛高速行駛時，風施加在葉片1上的力值F。

采用同樣的過程，計算出風施加在葉片2上的力值F。

2.5 演算示例

基于Catia力矩模型，Excel表格中創建圖表并建立計算公式模型，輸入車速、葉片迎風面積、壓力傳遞比、驅動桿力臂長度，即可計算出葉片1和葉片2傳遞給電機所需的扭矩值。考慮機構內部的摩擦等因素造成的傳遞損失，假定機構扭矩損失的系數為0.2，及可獲得電機最終所需的扭矩值大小，如圖8所示。

基于左右對稱，另一側葉片不再單獨計算，電機所需扭矩T在葉片1和葉片2的需求上乘以2。

基于圖8的計算結果，當電機所需扭矩值超出常規電機扭矩值時，可以通過Catia力矩模型，調整Point2、Point3、Ponit4、Point5的坐標值及Axle1方向參數，獲得更合適的壓力傳遞比值，從而獲得合適的電機扭矩結果。基于此結果，細化AGS數據，建立AGS的詳細數據模型，如9圖所示。

基于AGS詳細的模型數據，即可開展準確的CAE仿真工作（如圖10所示），驗證分析結果，從而減少仿真工作的反復性。

3 結語

通過以上方法，可以初步支持主動進氣格柵電機扭矩的選型及機構的布置，提高方案的一次成功率，最終利用CAE軟件做精確的驗證即可。從而避免以前多輪模型建立以及CAE驗算，導致的時間及資源的浪費，極大的縮短了設計周期，并降低設計成本。

參考文獻：

[1]閆國臣，李先立，李小荷.風力等級、風速與風壓的對應關系研究[J].門窗，2014（08）：56-57.