某SUV车型转向机区域温度优化与验证

韩奎超,张俊，周炯明，刘小颖，李俊锋，李田田

(1.上汽大众汽车有限公司技术中心，上海 201805；2.同济大学上海地面交通工具风洞中心，上海 201804)

0 引言

整车零部件温度试验涉及传热学和空气动力学等多门学科，是整车热管理的重要分支，也是整车质量检验的重要一环。一般各家主机厂都有自己定义的试验工况，涵盖不同环境温度、不同车速和不同坡度等。燃油车的零部件温度试验主要考察两个方面：一是发动机舱及排气管周边的塑料件和橡胶件，避免因工作环境温度过高而导致老化加速、熔化变形甚至车辆自燃事故；二是热敏感零件的环境温度，有些执行器例如转向机等零部件，虽然其电机线圈本身是金属材质，但对工作环境的温度要求较高，一旦超出本身所允许的工作温度就会出现热保护，导致工作功能减弱，从而危害车辆行驶安全。

仿真和试验是验证整车零部件温度的两种最主要的手段[1]。虽然试验的数据最为可靠，但具有周期长、成本高等局限性；仿真试验周期短、成本低、数据展示更为直观。因此，本文作者将这两种手段的优点有效结合，大大提高开发效率。

1 问题描述

某一改款 SUV 车型在进行整车零部件温度试验时发现前副车架动力总成悬置和转向机区域温度较上一代车型有所升高。动力总成悬置是连接动力总成与前副车架的橡胶缓冲块，如果该零件温度过高可能会降低其耐久寿命，发生破损，在行驶过程中产生类似金属敲击声的异响。而转向机的环境温度过高则更为严重，尤其对于中大型SUV来说，前轴载荷较大，转向时转向机线圈发热量相对较大，如遇连续转向工况，可能导致转向机线圈散热量不足，发生转向机过热报警、转向助力失效等危险情况。

因此需要对该情况进行分析，寻找热害形成原因，并得出可行的解决方案。经对比发现，该车型与上一代车型相比，在前保险杠下方实施了空气动力学措施——安装气坝(图1)。为了分析气坝对发动机舱流场的影响，对整车进行建模，并进行流场仿真分析。

图1 气坝

2 模型的搭建

2.1 数学模型

由于发动机舱内的空气流动速度小于声速的1/3，空气密度变化比较小，故在计算时可以将空气近似看作是不可压缩的气体，密度为常数。由于速度的作用，车辆行驶会引起空气流体的无序流动，进而形成空气涡流和边界层分离。发动机舱内部组件多且布置紧凑、湍流较多，因此该流场仿真可以看作是三维、定常、不可压缩的湍流运动，文中采用汽车开发应用较为广泛的Realizablek-ε湍流模型进行求解[2-4]，满足连续性方程：

(1)

式中：ρ为流体密度;u，v，w分别表示流体速度矢量在x，y，z方向上的矢量。

由于不可压缩流体满足∂ρ/∂t=0，因此式(1)转化为：

divv=0

(2)

2.2 物理模型

文中主要侧重分析发动机舱在内的整车前部区域流场，因此可以对底盘后部、车身后部和部分外饰件进行适当简化，舍去外后视镜、门把手和内饰模型，保留发动机舱和前副车架等区域的部件，省略发动机舱内的部分线束，提高计算效率，节约计算资源。对重点关注的转向机和副车架区域进行网格加密处理，以提高计算精度。计算模型使用多面体网格搭建，发动机舱内部、底盘及尾流区域加密体网格尺寸为3 mm，距离车身较远的计算域网格尺寸取16 mm，构建网格模型如图2所示。

图2 网格模型

散热风扇选用多重参考模型模拟散热风扇旋转对流场的影响。冷却模块选用多孔介质模型，满足如下方程：

(3)

式中：v为通过多孔介质的表观速度；Pi和Pv分别为决定多孔介质阻力的惯性阻力系数和黏性阻力系数。

分别根据各自的单体试验得到的速度与压力损失数据拟合出Δp-v曲线，并设置截距为0，拟合其多孔惯性阻力系数和多孔黏性阻力系数。

文中构建了与风洞相同大小的计算域，长宽高分别为28、8和6 m，设置计算域入口距离车头8 m，出口距离车尾15 m，地面高出轮胎最低点20 mm以模拟因自重导致的车身高度变化。边界条件设置为速度入口和压力出口，入口速度分别为40 km/h和100 km/h。空气视为定密度气体，构建计算域如图3所示。

图3 计算域模型

3 仿真结果及分析

3.1 原型车问题分析

基于上文构建的仿真模型，使用STARCCM+软件对分别计算安装气坝和拆除气坝后的两种状态进行流场分析。取Y=0.18处截面，观察发动机舱和发动机底部护板区域的气流轨迹，如图4—7所示。

图4 原车状态(40 km/h)

图5 原车状态(100 km/h)

对比图4—7可以发现，车辆前部迎风在车头前分流为三部分：(1)沿引擎盖流向车尾;(2)经前格栅穿过冷却模块进入发动机舱;(3)从车头下方进入车身底部。进入发动机舱的气流经冷凝器、中冷器、主散热器后，绕过发动机装饰盖，然后沿防火墙到转向机与副车架区域，经中央通道流出发动机舱。为了降低转向机和副车架区域的空气温度，在发动机底部护板设计时，在正对转向机的位置设置了导气孔，将部分流过车身下方的环境空气导入发动机舱，从而降低发动机舱底部区域的空气温度。

图6 拆除气坝(40 km/h)

图7 拆除气坝(100 km/h)

这一设计也在图6和图7上得到了验证。从中看出，在拆除气坝后，有一部分气体经导气孔进入到发动机舱内。由于环境温度相对较低，可以对发动机舱底部区域起到降温的作用。而在原车状态下，气体流经前保险杠下沿时迎风面压力较大，而背风面压力小，且气坝的存在增大了背风面的负压区域，导致分离区变大，在气坝后方出现一个较大的旋涡,如图4和图5所示。旋涡使紊流尾流与护板Z向距离增大，环境空气无法通过导气孔进入发动机舱，空气导流失效。这也是导致这一改款车型副车架动力总成悬置和转向机区域工作温度偏高的原因。

3.2 优化方案及分析

为了维持车辆当前的空气动力学性能，保留气坝，这一问题的解决方向就集中到如何减小旋涡区。由文献[5-6]可知，安装气坝可以有效阻挡直接冲击在轮胎和车辆底部的气流，达到降低空气阻力系数的目的。即如果不改变气坝的高度，通过减小负压区，就有可能保持整车风阻系数不变，于是提出对气坝后的三角区域进行封堵的方案。根据流体力学可知，流线体绕流的分离区很小，甚至不发生边界层分离。因此，气坝到封堵平板之间为流线型过渡应为较优方案。但由于考虑到流线型气坝不容易安装，且制造加工困难，最终确定直接将气坝后方负压区封堵的方案。针对该方案优化模型，并进行仿真分析，结果如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出，优化后的涡流区域明显变小，且在高速工况下有部分气流通过导气孔进入到发动机舱底部。这部分气流由于相对温度较低，可以起到降低副车架和转向机附近温度的作用。

图8 优化方案(40 km/h)

图9 优化方案(100 km/h)

为了评估该方案对原车空气阻力系数和散热系统进气量的影响，文中分别对上述方案1原车状态、方案2拆除气坝和方案3优化方案等进行了仿真分析，结果如表1所示。

表1 不同方案的风阻系数和散热模块进气量对比

根据先前的气动试验结果，方案1原车的空气阻力系数为0.351，与仿真计算误差约为0.9%，说明文中所用仿真方法可靠，计算结果有效。

基于以上模型和仿真结果可以看出，拆除气坝后，整车风阻系数明显升高，气坝对风阻系数贡献值约为0.021。实施优化方案后，风阻系数降低了0.004。由流体力学可知，尾涡区压力小于迎风体前部的压力，会在钝体前后产生压力差，形成压差阻力。挡板的存在减小了负压区域，使得气坝前后的压差区域变小，从而降低了压差阻力。此外，拆除气坝后，散热系统的进气量降低了5%左右，而优化方案与优化前几乎相同。这是由于拆除气坝后，汽车前保险杠撞击气流的面积减小，更多的气流流向了底部。而优化方案只是在气坝后方加了一块挡板，且平行于地面，对前保险杠的迎风面积没有影响，因此不会影响前端模块的进气量。

综上，通过在气坝后方加装水平挡板，减小分离区，可以使发动机底部护板导气孔恢复导流功能，同时不影响整车散热模块的进气量，对风阻系数也有积极的影响。

4 试验验证

为了验证该优化方案对温度的影响，在同济大学环境风洞(CWT)进行了温度试验，图10为手工优化样件在实车上的安装效果。在副车架动力总成悬置及转向机区域布置了多个温度测点，分别为动力总成悬置橡胶内部，动力总成悬置空气温度，稳定杆橡胶_左，稳定杆橡胶_右，转向机罩壳，转向机护套_左，转向机护套_右等，图11为部分测点照片。设置环境温度为45 ℃，按相同工况行驶，该工况覆盖高中低不同车速以模拟客户最常用的行驶工况，是公司内部定义的用于零部件温度认可的标准工况。另外，还需保证每个方案试验开始前的各测点起始温度与其他方案相差±2 ℃以内，每个测点结果取试验中的最高温度，如表2所示。

图10 样件照片

图11 部分测点照片

表2 实车温度试验结果℃

从整车温度试验结果来看，动力总成悬置附近的空气温度有10 ℃左右的优化量，表明拆除气坝和在气坝后部加装挡板都可以有效地影响导气孔附近的流场，将车身底部温度相对较低的空气重新导流到发动机舱底部区域后方，降低此处的环境温度。而动力总成悬置橡胶内部由于橡胶的隔热作用，也有5 ℃左右的小幅降低，并不会有太大的温度波动。

转向机罩壳在拆掉气坝和实施优化措施的状态下有10 ℃左右的下降值，其原因与动力总成悬置附近空气温度下降原因相同。转向机护套_左和稳定杆橡胶_左在3种状态下并没有表现出明显的温度差异，这是由于发动机底部护板的开孔位于车辆中心线偏右的位置，因此导气孔进来的空气并不会对副车架左侧的温度产生影响，而会降低转向机护套_右和稳定杆橡胶_右的温度。转向机护套_右的温度下降值大于稳定杆橡胶_右，这是由于转向机护套_右测点测量的是转向机护套表面的温度，而稳定杆橡胶_右是将热电偶插入橡胶，测量橡胶内部的温度。

综合来看，动力总成悬置和转向机区域在拆除气坝和加装气坝后挡板后，温度普遍有了较为明显的降低，且优化措施与拆除气坝效果相近，说明上节的分析结论得到验证。该方案有效降低动力总成悬置和转向机区域的环境温度，达到了优化目的。

5 结论

(1)通过对发动机舱及车身底部流场仿真分析，气坝的应用对降低整车风阻系数有很大的贡献，但削弱了发动机底部护板开孔的导流降温功能。因此，在安装气坝时应综合考虑其带来的影响。

(2)通过改变发动机护板造型，在气坝后方加装挡板，减小分离区，可以降低气坝带来的对气流的不利影响，降低发动机舱部分区域的环境温度，且不影响整车风阻系数。经实车验证，该优化方案为关注区域带来近10 ℃的降温贡献。