前轮阻风板对整车风阻系数的影响

陆飞龙

(上汽集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

原创

前轮阻风板对整车风阻系数的影响

陆飞龙

(上汽集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

以某中大型SUV车型为例，为了尽可能降低整车风阻系数，根据空气动力学原理，借助虚拟仿真手段研究了不同尺寸及形状的前轮阻风板对整车风阻系数的影响。研究表明，前轮阻风板的结构对整车风阻系数非常敏感。相比于倾斜的阻风板，竖直的阻风板通常可以获得更低的风阻系数。阻风板的尺寸对整车风阻系数同样非常重要。

空气动力学风阻系数前轮阻风板

0 前言

研究表明，汽车空气阻力占整个车辆能耗的22%左右，它是除了燃料燃烧散热及机械摩擦损失之外的第三大能耗[1]。合理利用空气动力学原理可以有效地提高整车的空气动力性能，使设计出的车型具有更低的风阻，而且研发费用相比其他的节能手段更低，因此越来越多的整车厂开始重视整车空气动力学性能。一般情况下，车轮在车底部有一半暴露在车身外，且离地间隙越大车轮外露越多，车辆高速行驶时，高速气流直接冲击车轮，在车轮上产生很大的正压力，增大了整车阻力，导致油耗增加[2]。

各大整车厂都在努力寻找有效且成本较低的优化方案来降低整车风阻，其中前轮阻风板成本低且效果明显，已经被广泛应用[3]。此方案就是在车轮前部增加特殊形状的部件，从而有效改善车轮前部气流流动，可有效降低整车风阻。前轮阻风板也有叫前保下挡板，基本形状如图1所示。

考虑到前轮阻风板的不同结构和安装位置对整车空气动力学的影响非常复杂，应该针对具体车型进行详细的研究。本文主要通过仿真计算模似手段，研究了不同的前轮阻风板结构和安装位置等主要参数对整车空气动力学性能的影响，获得了其对整车风阻系数的影响规律，得到了优化的前轮阻风板结构。

1 仿真计算模型与边界条件

整车空气动力学性能分析的模型包括车身外表面、前端冷却模块、发动机和舱零件、底盘零件等几乎所有外部气流经过区域的零部件。整车网格划分中，车身外表面包含7层边界层网格，对车身周围、后视镜、风窗盖板等气流易分离的区域分别进行了不同程度的加密，最终得到4 000万个整车网格。

图2 计算模型网格

本次计算选用的车速为120 km/h，即风洞速度入口条件120 km/h，地面及风洞壁面均采用无滑移的对称条件，风洞出口为压力出口，冷却模块采用多孔介质进行模拟，其中粘性阻力系数和惯性阻力系数均由试验数据拟合而成。

2 前轮阻风板对整车风阻系数的影响

整车风阻主要包括外部风阻和内部风阻，其中外部风阻主要由车身外表面、底盘、车轮、后视镜等组成。本文主要研究外部风阻。

2.1 前轮阻风板影响整车风阻系数的原理

前轮阻风板通常位于车轮前方，有平直的矩形面也有变半径的弧组成。未安装前轮阻风板时整车前部特别是车轮前部的流线及压力分布见图3。由图3可知，未安装前轮阻风板时，前端气流直接冲击车轮，气流速度迅速衰减，动压转化为静压，从而在车轮前部形成很大的正压区，进而整车气动阻力明显增大。另外，前轮阻风板还可以起到一部分空气阻尼的作用，减少气流对底盘零件的冲击，也对整车降阻起到一定的作用。

图3 无前轮阻风板时车轮截面气流及胎面压力分布

如图4所示，当车轮前安装了阻风板后，车头前端的高速气流由于阻风板的遮挡和导流，不再直接冲击车轮，车轮前端的正压区明显减小，整车气动阻力也有所降低。

图4 无前轮阻风板时车轮截面气流及胎面压力分布

为了进一步研究前轮阻风板的作用，探索不同结构形式的阻风板结构对整车风阻系数的影响，并且还要满足造型及接近角等条件，因此针对不同类型的车辆，分析前轮阻风板不同参数对整车风阻系数的影响显得非常重要。

2.2 前轮阻风板不同安装位置对整车风阻系数的影响

通过仿真模拟及风洞试验手段研究前轮阻风板安装位置对整车风阻系数的影响。如图5所示，前轮阻风板的安装位置距离车轮前端面距离范围为160～240 mm。

图5 不同安装位置前轮阻风板

图6为前轮阻风板不同安装位置对整车风阻系数的影响。从图6中可以看出，随着前轮阻风板远离车轮，其对整车风阻系数的作用先是有所增大，后逐渐减小，当其位置距离前轮前端面240 mm时，整车风阻系数增加了0.002。

图6 前轮阻风板不同安装位置对整车风阻系数的影响

前轮阻风板安装位置对整车风阻系数影响较大的原因主要是随着其向车头方向移动，气流撞击轮胎的面积逐渐减小，但是阻风板本身受到前端气流的正压力逐渐增大，当阻风板本身受到的压力大于轮胎及相关零件压力减小值时，整车风阻系数就会出现增大的现象。

2.3 前轮阻风板的形状对整车风阻系数的影响

由于汽车行驶中，前端气流高速撞击前轮阻风板，使得阻风板本身受到一定的阻力，通过改变阻风板迎风面的形状，特别是边界部分的形状(弧度)，对作用在阻风板上的气流流动，以及对车轮阻力的影响也会有所不同。如图7为3种不同前端形状的前轮阻风板和车轮的相互关系的俯视图。表1为3种前轮阻风板对应的计算结果。

图7 不同界面形状的前轮阻风板

序号阻风板形式风阻系数变化1无阻风板02阻风板边界无拐角-0.0063阻风板边界大曲率拐角-0.0054阻风板边界小曲率拐角-0.009

从表1可以看出，对于研究的某SUV车型，前轮阻风板可以有效降低整车风阻系数，但是随着阻风板横截面(迎风面)形状的变化，经过阻风板的气流也有所不同。当阻风板边界无拐角(图7(a))，气流有效遮挡了撞击车轮的气流，但由于整个阻风板前端面均为气流驻点，作用于阻风板本体上的气动阻力相对较大。当阻风板边界大曲率拐角(图7(b))，由于阻风板边界有部分曲面，前端气流撞击至阻风板后，部分气流由于曲面部分的导流而减速较小，从而使得作用域阻风板上的气动阻力略小于阻风板边界无拐角,但是流过阻风板曲面后的气流直接撞击到了车轮，使得车轮所受空气阻力有所增加。而阻风板大曲率拐角与小曲率拐角情况相似，截面有部分曲面，部分气流沿着曲面部分高速通过阻风板，对于阻风板的作用力相对较小(图7(c))。另外，由于阻风板的边界拐角曲率较小时，流经阻风板的气流基本绕开了车轮，未对车轮增加额外气动阻力，所以对应的减阻效果最明显。

2.4 前轮阻风板安装角度对整车风阻系数的影响

目前，绝大部分车辆所安装的前轮阻风板都是竖直安装，从外观来说不算美观，本文研究了几种不同安装角度且不同结构的前轮阻风板对整车风阻系数的影响。图8为几种不同的前轮阻风板结构形式。

图8 不同安装形式的前轮阻风板

3种形式的阻风板对应的气流形式如图9所示，可以看出，当阻风板竖直时，气流撞击阻风板后方向朝地面方向流动，且速度衰减明显，无明显气流冲击车轮。当阻风板向后倾斜，气流遇到倾斜的阻风板后沿着阻风板向斜后方流动，对阻风板冲击力度较小，但经过导流的空气速度很高，并有部分冲击到车轮，对车轮影响较大。当采用阴风板向后倾斜+翻边的定装形式时，可以看出，气流被向下引导，冲击车轮的气流有所减少，但相较于仅采用阻风板向后倾斜的情况，阻风板所受冲击有所增大。表2为不同阻风板形式车轮及阻风板受力及对整车风阻系数的影响。

图9 流经阻风板及车轮的气流矢量图

2.5 前轮阻风板尺寸对整车风阻系数的影响

前轮阻风板的尺寸对风阻系数也有一定影响。如图10所示，减小了阻风板的高度和宽度后，整车风阻系数的影响如表3所示。

表2 阻风板不同形状对阻风板、轮胎受力及整车风阻系数影响

图10 不同尺寸的前轮阻风板

序号阻风板形式风阻系数变化1基准阻风板竖直02阻风板下边减小10mm+0.0013阻风板下边减小10mm宽度减小30mm+0.003

从表3可以看出，前轮阻风板高度减小后，整车风阻系数略有增大，主要因为阻风板高度减小后，气流冲击到轮胎的量有所增大；阻风板宽度减小之后，减少了其对底盘凸起零件的保护，气流冲击到复杂的底盘零件，从而使得整车风阻系数进一步增大。

3 结论

为了进一步提高整车气动性能，降低整车风阻系数，从而通过仿真模拟计算及部分风洞试验的手段，详细研究了前轮阻风板的不同特征参数对整车风阻系数的影响，得出的结论如下：

(1)前轮阻风板相对于车轮的位置对整车风阻系数有较大影响，但并非越近越好，也非越远越好，其安装位置需要根据不同车型的特点进行仔细选择。

(2)前轮阻风板的截面形状对整车风阻系数也有一定影响，特别是边界拐角形式，可以无拐角，但如果有拐角则需要考虑拐角的曲率，尽量避免引导气流冲击车轮轮胎。

(3)前轮阻风板倾斜可以减小阻风板的风阻，但是却不一定能降低整车风阻，本文所研究的阻风板倾斜后反而因对气流的导向不当，增加了整车风阻。所以阻风板的安装角度需要仔细研究，其对整车风阻系数十分敏感。

(4)在考虑减少气流冲击车轮的同时，还需要考虑前轮阻风板对底盘零件的作用，必要时可以结合空气阻尼一起设计。

[1] Yohan Jung, Jehyun Baek. A numerical study on the unsteady flow behavior and the performance of an automotive sirocco fan [J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008, 22(10)：1889-1895.

[2] 傅立敏. 汽车空气动力学[M]. 北京:机械工业出版社,2006.

[3] Howell J. Shape and drag euromotor international short course using aerodynamics to improve the properties of cars[C]. FKFS,Stuttgart, 1998.