汽车底盘流场分析及优化

李伟 陈云龙

摘  要：某车型在苛刻工况下（满载、高环境温度、高速），手动变速箱的机油温度达到150℃，而根据该产品属性签发要求，机油的正常工作温度应控制在130℃以下。本文应用计算流体力学（CFD）工具来模拟计算该车型底盘流场分布情况，分析油温过高的原因、找到问题的解决方案。底盘流场分析结果：由于发动机油底壳的遮挡，导致其后方的变速箱周围风速很小，造成壳体外表面与空气进行强制对流热交换不充分。为优化变速箱壳体尤其是油底壳附近区域流场，在横梁下方增加了一块引流式导流板，它能把横梁之下区域的高速气流引向变速箱油底壳周围。后经实车路试验证，该优化方案可以满足油温签发要求。

关键词：计算流体力学；变速箱油温；底盘流场优化；引流式导流板

中图分类号：U462      文献标识码：A      文章编号：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

毕业于南昌大学工程力学专业，硕士研究生学历，现就职于江铃汽车股份有限公司产品研发总院，CFD主管工程师，中级机械工程师，主要从事汽车流体力学仿真分析工作。

引   言

变速箱作为汽车的重要组成部件，为确保变速箱能安全高效工作，需要在其内部增加机油以润滑齿轮提升传递效率、使其零部件在合理的温度范围内工作提升变速箱的耐久性能。当前，大部分手动变速箱为被动散热，即热量的散发全部依靠其壳体与外环境空气进行强制对流换热[1]。

汽车底盘零部件众多，安装布置也非常紧凑。在进行相关零部件外形及底盘布置设计时，很容易造成变速箱壳体尤其是油底壳附近周围的流场为滞止区[2]，这样的话，其壳体表面对流换热能力极差，能引起油温过高使变速箱寿命大打折扣甚至无法正常工作[3]。本文研究了某整车在高速工况下变速箱油温过高的原因及解决方法。

考虑到汽车底盘构件的复杂性、实验测量底盘流场特征的难度性以及测量设备本身对流场的干扰性，工程上若要通晓汽车底盘的整个流场分布情况，全部通过实验手段来观察或测量，几乎是不可能实现的。鉴于实验测量上的这些局限性，必须需要一种新的手段来替代[4]。

随着CFD仿真技术的日渐成熟，其在工程项目中的应用也日趋加强[5]。它不但可以计算非常复杂的流动，还具备强大的后处理能力，能把工程上要关注的数据信息完美地可视化在人们面前。相对于实验测量手段，CFD数值模拟具有低成本、高效率、无干扰等显著优势。因此，越来越多CFD仿真技术应用到了新车型开发过程中，以达到指导产品开发、节约成本、缩短研发周期等目的[6]。

本文就是利用CFD软件STAR-CCM+来计算模拟某车型的底盘流场分布，找到了手动变速箱机油温度过高的主要原因是变速箱机油壳附近的空气流动非常不畅。进一步研究分析流场信息后，最终提出了在横梁下方区域，增加一引流式导流板装置。同时也仿真研究对比了另一个兜风式导流板方案。

采用引流式导流板方案，后经实车路试验证，其对降低变速箱油温的作用显著，可以满足产品属性签发要求。

1    研究内容

以某车型为研究对象，仿真模拟计算车辆在高速行驶时的整车外流场，仅着重研究底盘变速箱周围流场分布情况[7]，如图1所示。共进行了三个状态的研究分析，分别是无导流板（base状态）如图2所示、兜风式导流板如图3所示、引流式导流板如图4所示。通过定性分析变速箱周围速度大小云图分布、定量分析变速箱周围风量大小及风速大小来比较这三种状态的流场差异。

2    几何建模及网格划分

计算域Box大小为：长51m 、宽17m、高8m，如图5所示。采样Polyhedral多面体进行体网格划分，在变速箱上游及附近区域进行体网格加密，总网格量数量控制均在2000万左右。

三个研究状态下，无导流板y=0截面轮廓线如图6所示；带兜风式导流板，采用类似于喇叭口造型，前端大口收集气流于后端小口排出，y=0截面轮廓线如图7所示；带引流式导流板，采用流线型曲面设计，引导气流紧贴导流板而流动，改变原本的气流方向，其y=0截面轮廓线如图8所示。

3    基础理论

汽车在120km/h高速行驶，可认为空气是不可压缩的稳态流动；且可忽略重力对流动的影响。则流体动力学方程为连续性方程和动量方程[7]。如下：

连续性方程：

动量方程：

由于整车几何的复杂性，無法根据流体动力学方程解析理论解，但可通过CFD模拟计算得到其数值解。

4   数值模拟

4.1   边界条件

①速度入口120km/h，压力出口。

②地面为滑移wall，Box侧面及顶面为对称面。

③轮胎为旋转壁面932r/min，风扇转速为2000 r/min。

④中冷器、冷凝器、散热器简化为多孔介质。

⑤车身为wall边界条件。

4.2   计算方法

本文采用多面体网格和控制容积积分方法对微分方程进行离散，雷诺平均Navier-stokes方程、分离算法求解器、湍流模型选择为realizable k-Epsilon two-layer[8-9]。

5    数值计算结果

5.1   截面流线与速度大小云图定性分析

无导流板时（base原设计状态），由于变速箱正前方的发动机油底壳向下凸出遮挡及车架的横梁位置高度低于变速箱，气流碰到横梁及油底壳这两个部件后，无法转弯保持较高的气流速度冲向变速箱机油壳表面。带来的后果就是变速箱壳体尤其是其油底壳局部附近区域的气流速度非常小，几乎为滞止区域，流线如图9所示，速度大小如图10所示。

增加兜风式导流板后，受制于发动机油底壳凸出位置的遮挡限制，该区域的气流速度本身较小，该导流板也只能兜风收集少许气流，也无法实现整体气流转弯朝变速箱底部流去，变速箱壳体附近依然为气流滞止区域，其流线如图11所示，速度大小如图12所示。

而采用引流式导流板后，气流能紧贴导流板而流动，依次逐步引导下方的高速气流往后并上扬直冲变速箱机油壳体表面。这样，变速箱尤其是机油壳底附近区域的气流速度显著增大，其流线如图13所示，速度大小如图14所示。

5.2   定量分析圆环断面流量

无导流板时，变速箱壳体壁面附近气流速度很小，壳体横截过流断面流量为1.799kg/s，断面速度如图15所示：

增加兜风式导流板后，变速箱壳体壁面附近气流速度略有提升，但不明显，壳体横截过流断面流量为2.047kg/s，其断面速度如图16所示：

而采用引流式导流板方案，变速箱壳体底部的机油壳壁面附近气流速度提升显著，过流断面流量为2.758kg/s。其断面速度如图17所示：

总之，引流式导流板方案，过流断面上风量增加了约53%。更重要的是变速箱机油壳底部的风速显著增大，而这部分高速气流极具改善了油底壳壁面的对流换热能力，对降低油温起关键性作用。

5.3   定量分析变速箱附近点处速度大小

分别在距离变速箱底部壁面不同位置处布下三排监测点，如图18所示 ：

三种状态下这三排监测点速度大小对比如图19所示，兜风式导流板的导风效果不明显；而采用引流式导流板后，第一、二和三排监测点平均速度分别提升至原来的4.2倍、4.5倍和4.6倍。

6   试验验证

为了验证引流式导流板对降低变速箱油温的实际效果，前期采用手工方式制作了该导流板，并安装在试验车上，如图20所示：

在环模实验室分别进行了带与不带导流板的对比测试，结果表明，采用引流式导流板方案，变速箱机油温度从150℃降至129.1℃，而后又在实际高速道路测试，油温可降至125℃。总之，通过试验表明该导流板的导风作用可使机油的油温满足签发要求。

7    结语

此车型的变速箱机油的散热完全依靠其壳体外表面与空气进行强制对流换热，壳体表面对流换热能力的强弱直接决定油温高低，油温过高关系到变速箱的寿命、整车油耗，甚至可引起危及乘员生命安全的问题。良好的流场是保证该变速箱机油充分散热的前提条件，依据流场的流动特性，增加引流式导流板可把横梁下部的高速气流虹吸向上逐步扬起后直冲向变速箱机油壳壁表面，起到加强对流换热之目的。若分布热源可以较准确输入，CFD还可以进行温度场模拟，仿真分析出内部机油温度大小。总之，借助CFD仿真技术工具可以快速准确地为工程问题提供最有效的优化方案[10]。

参考文献：

[1]陶文铨.数值传热学（第二版）[M].西安：西安交通大学出版社，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]张英朝.汽车空气空力学数值模拟技术[M].北京：北京大学出版社，2011.

[5]唐继响.货车外流场数值模拟研究[D]. 长沙：湖南大学，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.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2005.

[8]郑拯宇.汽车外流场数值仿真中的湍流模型分析与应用[J].力学与实践，2011，33（6）：30-34.

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

[10]张苗.变道超车过程CFD数值模拟研究[D]. 上海：上海交通大学，2011.

专家推荐语

汪振晓

东风公司特种装备事业部

底盘总师  研究员级高级工程师

论文利用CFD软件STAR-CCM+计算某车型的底盘流场分布，分析出變速箱机油温度过高的主要原因，提出了导流板的解决方案并进行了实车验证，对汽车底盘流场优化有一定的参考价值。