某SUV车型底部气动附件的开发与研究

徐鹏李春花刘鹏刘二宝冯伟

（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心）

某SUV车型底部气动附件的开发与研究

徐鹏李春花刘鹏刘二宝冯伟

（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心）

以空气动力学仿真分析为前期开发工具，以气坝、发动机机舱底护板为研究对象，针对某SUV车型的空气动力学附件进行了整车气动性能分析与优化，通过实车风洞试验验证了气动附件良好的降阻效果。通过整车散热性能试验、阻力滑行试验及高速操纵稳定性试验可知，增加以上气动附件，能够在满足整车散热性能的同时降低油耗，提高车辆的高速操稳性能。

1 前言

车辆的外气动特性，对整车动力性、经济性及操纵稳定性有重要影响[1]。由相关研究可知，空气阻力所消耗的功率与车速的三次方成正比，车辆低速行驶时，风阻所占功率消耗比例不大，车速较高时，风阻将成为车辆最主要的阻力[2]，车辆底部结构对整车的风阻贡献仅次于车身[3]，而在车型开发后期进行车身造型的修改非常困难。本文基于一款SUV车型进行了气动性能优化、风洞试验验证及其他相关性能试验验证，通过在车辆目前状态下合理布置气动附件，降低了该车型整车风阻，提高了车辆经济性。

2 空气动力学仿真分析

2.1 气坝模型开发与分析

气坝即车辆前保险杠下导流板，其造型是将保险杠向下扩大，形成一个气流阻挡装置，通过使车前端更加接近地面，减少通过车辆底部的气流量，同时可以将乱流引导至车头两侧，提高车辆行驶稳定性。

如图1所示，从该SUV车型整车原状态空气动力学仿真分析结果中看到，车辆前部部分悬架和护板处在高速气流冲击下，有必要设计气坝装置。从40～100 mm每隔5 mm设计了一组垂向高度不同的气坝模型，通过使用CFD分析软件对加装该组不同高度气坝的SUV车型进行空气动力学仿真分析，根据计算结果得到风阻系数改善量随气坝高度的变化规律如图2所示，可知高度为80 mm的气坝对整车风阻的优化效果最为明显。如图3所示，在车头正前方可以明显观察到，80 mm高度的气坝在基本不增大车辆正投影面积的基础上，遮挡了车辆底部绝大部分的突出部件。

经过稳态流场分析计算，从图4中可以看到，加装80 mm高度气坝的车辆底部气流只有部分流线受到从发动机舱向下流出的气流影响发生乱流，其余绝大部分气流能够平稳通过车辆底部，与底盘部件无冲击现象发生。计算结果表明，加装80 mm高度气坝时可使整车风阻系数降低近0.01。

2.2 发动机舱底护板的模型开发与分析

发动机舱底护板具有导流、防护、降阻、降噪4大功能，对于轻微碰撞和路面弹起的石子有很好的阻挡作用，且车辆行驶中一旦拖底，还可以起到对发动机和变速器的保护效果。

由于发动机舱内安装有发动机、变速器等部件，其散热效率直接影响汽车的动力性和燃油经济性[4，5]，因此要在发动机舱底护板开发过程中对发动机舱的散热效率给予重点考虑。首先进行发动机舱底护板初版数字模型的整车CFD流场分析，确定发动机舱底护板对车辆外部及发动机舱流场的影响，通过仿真分析对该模型进行优化，待模型在仿真分析环节能够满足流场性能后，进行样件试制，通过整车散热性能试验验证其是否满足发动机舱散热性能要求。

应用CFD分析软件分别对整车原状态（状态1）、加装无孔发动机舱底护板（状态2）和加装开孔底护板（状态3）3种状态进行了流场分析，得到各方案怠速及120 km/h车速下的分析结果及截面流量信息，状态2、状态3整车风阻均比原状态减小0.004～0.007，如图5～图8所示。

从图7、图8中看到，怠速及120 km/h车速工况下，3种状态车辆的上、下中网及前端模块附近区域的流场无明显变化；状态2与状态3由于加装发动机舱底护板，将原状态通过发动机底部的气流引导向了发动机后部，同时状态3由于底护板存在开口，开口区域同样有少量空气流出。

由表1得到的数据充分验证了图7、图8中的流场现象。3种方案对比可知，车辆3种状态下通过前端冷却模块的风量差别不大，加装底护板使发动机后部区域气流通过量增加了120～150 m3/h，且底护板是否开孔对车辆120 km/h工况下发动机舱流量分布影响很小；但从怠速工况流量分布可知，底护板开口区域对气流有少量的分流效果。因此，为使怠速发动机舱有更好的散热性能，底护板采用开孔模式。

3 风洞试验结果及分析

对该SUV车型气动附件对整车空气动力学的影响进行了试验验证，试验工况为120 km/h风速，车轮旋转加移动地面，无侧偏角。

试验结果如表2所示，加装气坝后整车风阻系数CD降低0.011，俯仰力矩系数CPM下降0.036，升力系数CL降低0.066，其中前轮升力系数CLF降低0.069；原状态车辆前轮升力系数CLF、后轮升力系数CLR分别为0.133和0.032，存在较大的升力不均衡问题，而增加气坝在一定程度上削弱了这种不平衡，降低了俯仰力矩，提升了车辆的高速操纵稳定性。

表1 各参考截面流量信息

表2 车辆原状态与加装气动附件气动性能对比

加装发动机舱底护板后整车风阻能够减少近0.013，同时对整车升力系数有少量贡献，提高了整车操纵稳定性。

4 整车散热性能试验

4.1 试验条件及工况

在加装气坝、发动机舱底护板后，对该SUV车型进行了整车散热性能试验。试验按照GB/T1 2542-2009《汽车热平衡能力道路试验方法》要求在环境模拟试验室中进行。

试验工况如下。

a.最大扭矩工况：手动挡模式Ⅱ挡，恒速60km/h，坡度10%。

b.高速爬坡工况：自动挡模式D挡，恒速120km/h，坡度6%。

以上工况环境温度均为45℃，环境湿度50%，日照强度1 050 w/m2，车辆满载状态。

试验开始后，以1 s为时间间隔测量每个测点的数据，当散热器进水温度、变速器出油温度达到5 min内变化小于±2℃，即认为整车达到热平衡，该试验结束。若发动机水温、机油温度、变速器油温超出正常工作温度或车辆及试验设备出现异常，则停止该工况试验。

4.2 试验结果及分析

由图9试验结果可知，以上试验工况下冷却液温度不超过105℃，机油温度不超过130℃，满足所规定的冷却介质许用最高温度要求，同时，各工况稳定后，车内乘客头部温度在23～26℃范围内，驾驶室内较为舒适（表3），所以冷却系统散热性能满足要求。

表3 驾驶室内舒适度划分级别°C

注：驾驶室内乘员头部温度平均值T表示各工况结束前3 min内所有乘员头部的温度。

5 性能验证试验

5.1 阻力滑行试验

对该SUV车型进行了阻力滑行试验，并对加装降阻附件（气坝、发动机舱底护板）的状态进行了测试，得到各考察部件对整车阻力贡献量如图10所示。可知，高速状态下，气坝加发动机舱底护板的整体降阻方案对整车降阻效果明显；综合油耗试验显示，加装整体降阻方案的综合油耗降低0.3 L/100 km。

5.2 高速操纵稳定性试验

针对加装降阻附件状态下该SUV的高速操作性能，进行了高速操控稳定性主观评价试验。通过与原车进行主观评价对比测试，得出如下结论：

a.高速120 km以上直线行驶稳定性提升；

b.高速公路超越大型车时晃动感大幅减轻；

c.高速公路变换车道行驶时，车体控制能力提升。

6 结束语

a.通过CFD仿真分析可知，80mm高度气坝降阻效果最佳，其对流经底盘部分的气流有很好的整流作用；加装发动机舱底护板同样具有很好的降阻、整流效果。

b.风洞试验得到车辆原状态风阻系数为0.363，通过加装气动附件（气坝、发动机舱底护板）可以将风阻系数降至0.34，同时降低了车辆的升力系数。

c.通过阻力滑行试验、油耗试验及高速操纵稳定性试验验证得到，原状态车辆加装气坝和发动机舱底护板能够降低车辆高速行驶阻力，综合油耗降低0.3 L/100km，同时车辆的高速操纵稳定性得到大幅提高。

经过本次车底降阻附件的开发与试验验证，形成了完整的车辆空气动力学附件性能开发流程，对后续车型相关部件的开发具有参考价值。

1熊超强，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析.汽车工程，2009，31（3）：274～277.

2陈礼璠，杜爱民，陈明.汽车节能技术.北京:人民交通出版社，2005:82～89.

3袁志群，谷正气，何忆斌，等.汽车底部结构对气动特性影响的数值仿真与实验研究.系统仿真学报，2010，22（8）:1832～1836. 4袁侠义，谷正气，杨易，等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析.汽车工程，2009，31（9）：843～853.

5曹旭.发动机热管理仿真与试验研究：[学位研究].上海：上海交通大学，2008.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2014年3月1日。

Development and Research on Pneumatic Accessories on the Bottom of A SUV

Xu Peng，Li Chunhua，Liu Peng，Liu Erbao，Feng Wei
（Technology Center，Great Wall Motor Co.，Ltd，Hebei Automobile Technology Research Center）

In this paper，we analyze and optimize vehicle pneumatic performance of aerodynamics accessories of a SUV，with aerodynamics simulation analysis as the early development tools，air dam and bottom plate as the object of study.Vehicle wind tunnel test proves that the pneumatic accessories have good drag reduction effect.Then，it is known through vehicle heat dissipation performance test，resistance coasting test and high speed handling stability test that，adding the pneumatic accessories can not only reduce fuel consumption and improve handling stability of the vehicle in high speed driving，but also meet the heat dissipation performance.

SUV,Pneumatic accessory,Wind tunnel test,Heat dissipation performance, Fuel consumption

SUV气动附件风洞试验散热性能油耗

U461.6

A

1000-3703（2014）07-0014-04