重型商用车空气动力学性能开发

2019-08-23 23:55:51·  来源:中汽中心空气动力学实验室  
 
背景和意义:重型商用车目前已成为了人类高效运输物质资源的重要手段和交通工具。重型商用车行驶过程中的燃油经济性、操纵稳定性、安全性以及舒适性等性能日益受
背景和意义:

重型商用车目前已成为了人类高效运输物质资源的重要手段和交通工具。重型商用车行驶过程中的燃油经济性、操纵稳定性、安全性以及舒适性等性能日益受到人们关注,而重型商用车通常行驶距离较长、行驶环境恶劣,这对其各方面的性能就提出了更高的要求。
 
1 燃油经济性
 
根据正在进行修订的国标GB/T 27840-2011,未来重型车油耗测量将采用中国工况进行,根据资料显示,基于中国工况得到的油耗平均比公告油耗高14%,而随着国家对商用车燃油消耗限制越来越高,降低油耗已经成为商用车企业降低成本关注的重点。对于在高速公路上行驶的商用车,气动阻力降低30%,其等速百公里油耗可降低15%以上,最高可达20%。进入21世纪后,欧美等发达国家纷纷在重卡领域提出新的空气动力学研究项目,比如由美国能源部提出《21 世纪载货汽车纲要》和《自动汽车与交通工具纲要》;英国运输部制定的《能源效率最佳时间计划》;加拿大汽车联合会与能源部共同制定的《关于重型商用载货车空气动力学优化提案》。这些研究的目的就是为促进生产厂家和相关的设计人员提高对空气动力学的重视程度,进而提升重型商用车的燃油经济性。

图1 中国半挂牵引车列车行驶工况(CHTC-TT)

图2 风阻系数对某40吨半挂车燃油经济性影响关系图
(图片来源:《Aerodynamics of road vehicle》 edited by Wolf-Heinrich Hucho)
 
2 侧风稳定性
 
重卡与其它车辆比较,满载质量更大,质心更高,而且离地间隙也要高于普通车辆,所以在车身宽度基本不变的情况下,产生侧翻的可能性会显著增大。国外对重型卡车侧翻稳定性能的研究可追溯到上世纪 80 年代,当时主要利用侧翻试验台研究重型卡车的侧翻稳定性能。随着计算机技术的发展,国外对重型卡车在静态侧翻稳定性和瞬态侧翻稳定性方面的相关研究逐渐增多。研究方法已经从理论分析发展到试验研究、仿真分析以及相互之间的结合。在我国,由于汽车空气动力学起步较晚,且汽车企业缺乏足够重视,除部分高校进行过小规模简单汽车模型的横风稳定性计算外,整车企业对量产车型的横风稳定性研究几乎处于空白。

图3 风障对桥梁上行驶车辆安全的影响
(图片来源:Effects of wind barrier on the safety of vehicles driven on bridges.Ning Chen,Yongle Lin,Bin Wang,Yang Su,Huoyue Xiang. Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, 610031 Chengdu, Sichuan, PR China)

图4 0度和30度横摆角状态下某商用车车身周围流场特征
(图片来源:《Aerodynamics of road vehicle》edited by Wolf-Heinrich Hucho)
 
3 风噪性能
 
由于车内噪声对人造成疲劳、易怒等生理危害所引起的事故占事故总量的 60%,其中需要人长时间驾驶的重型商用车和长途客车尤为严重,且多为重大交通事故。从20世纪60年代开始,国外已有制定对汽车噪声进行控制的法规,作为噪声源的重要组成部分,控制车辆行驶时的气动噪声成为国外车企的重点研究内容。国外学者及企业已开展了数十年的仿真与试验研究,并在实车道路试验和风洞试验方面进行了大量论证,在此过程中积累了丰富的数据及设计优化经验。我国对于重型商用车气动噪声的研究起步较晚,经验积累较少,测试方法及标准也亟需完善。仿真研究方面也大多采用简化模型,通常只研究单个部件产生的影响,而很少对整车模型进行整体数值模拟及优化。

图5 某商用车气动噪声分析与优化
(图片来源:evaluation and Optimization of Aerodynamic and Aero-Acoustic Performance of a Heavy Truck using Digital Simulation.Ming Jiang, Huaizhu Wu and Kebing Tang Dongfeng Motor Co Ltd; Minsuk Kim, Sivapalan Senthooran and Heinz Friz Exa Corporation; Yingzhe Zhang T-Solution Co Ltd)
 
4 污染物控制
 
重卡由于长时间长距离行驶,很容易受尘土等各种污染,车体表面污染不仅影响美观、影响客户驾驶体验,尤其在恶劣的驾驶条件下行驶时可以使泥土、石子进入进气系统、发动机舱或其他位置,可能导致性能或安全问题。目前,国外高端汽车制造商已经在开发前期对车体表面污染物的分布进行测评,建立侧窗玻璃与后车体上污垢膜堆积的仿真分析模式,并在风洞中进行试验验证,通过改进后视镜、阻风板以及下护板等部件的结构特征,使得后车体污染减少34%、侧车身污染减少20%、侧窗污染减少30%。在我国,车企对整车污染物控制的研究几乎处于空白,虽然有相关需求,但是缺少相应仿真手段和测试标准,使我国自主品牌高端车品质一直难以提升。

图6 某商用车侧窗污染物控制优化前后对比示意
(图片来源:《Aerodynamics of road vehicle 》 edited by Wolf-Heinrich Hucho)
 
5 雨水管理
 
考虑到运输行业的特殊性,雨天行车也是卡车会经常遇到的工况之一,在雨天等恶劣天气时,行车的事故率要比平时高5倍之多,其中一个重要原因就是雨水在车窗上形成一层水膜,使得驾驶员视野范围受限,视野清晰度下降,从而对安全驾驶形成重大隐患。对于国外主流汽车制造商,雨水管理已贯穿于整体汽车空气动力开发中。在国外某款商用车开发中,在开发前期借助先进的格子玻尔兹曼仿真手段,研究不同车速和偏航角下雨水溢流现象并进行后视镜与A柱形状的改进,可在控制风阻风噪的同时,将溢流现象降低40%以上,侧窗主视野区域从“基本不可见”到“清晰”,满足了确保驾驶员侧方视野的需求。
 
6 制动冷却
 
制动冷却性能的不足会导致刹车片失灵、制动系统“气锁”(刹车液气化)以及制动零部件非常规损耗等安全问题。目前,国外许多主机厂出于对汽车行驶安全的重视,与国外著名高校展开合作,对于如何提升刹车盘的制动冷却性能,避免制动过程中刹车盘过热,进行了较为全面深入的研究。例如,福特在福特澳大利亚分部的风洞试验室对于不同工况,不同安装环境下的刹车盘冷却性能进行了一系列测试,总结出提升刹车盘制动冷却性能的盘体结构设计改进方案;沃尔沃通过仿真和试验手段相结合,提出一些基于刹车盘护罩及轮辋等其它制动零件的间接改进方案等。相较于国外,国内该领域的研究还处在起步阶段,缺乏成熟的仿真分析、试验流程以及优化技术方案。

图7 刹车盘制动冷却仿真分析
 
 
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