节能车车身与车架设计分析

米俊松，江鹏飞，王建美，齐 芳 Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

节能车车身与车架设计分析

米俊松，江鹏飞，王建美，齐 芳
Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

（武汉华夏理工学院 汽车工程学院，湖北 武汉 430223）

节能车通过减小空气阻力，结构材料轻量化来达到节能的目的，主要介绍节能车车身车架的总体设计思路和方案，车身方面首先从空气动力学理论入手，尽可能减小风阻系数，然后通过软件建模把车身导入分析软件进行优化，得到有良好空气动力学性能的车身；车架方面首先从几种基本车架形式入手，多方面考虑选取最优方案并完成建模，然后导入软件进行分析，设计出符合节能车性能要求的轻质量车架。

节能车；车身；车架；空气动力学

0 引 言[1]

随着社会不断发展，能源不断枯竭，节约能源、保护环境已成为当今社会面临的重要问题。石油储备的急剧减少预示着节能是现今汽车发展的必然趋势。车身车架作为阻力及能耗的主要部件，是节能车的主要研究内容，研究了节能车的车身和车架设计，以获得良好的空气动力学性能和使结构轻量化，从而提高燃油经济性、汽车操纵稳定性和安全性等。通常发动机近60％的功耗用来克服行驶阻力，其中空气阻力占据主要部分，因此对车辆的空气动力学探究是节能的重要方向。

1 节能车车身设计分析

1.1 车身外形设计理论分析

车辆在行驶中，推动前方的气流，车头部分气流运动速度减慢，使车头部分压力升高，同时这部分气流会向车身四周分散，为了实现车头部分气流的良好疏导，应减小车头的迎风面积，车头迎风区设计应圆滑平顺，减小阻力并引导气流[1]。车尾部分某些区域气流无法填补，使该区域形成真空区，真空区的压力较小，车头、车尾形成了压力差，产生气动阻力，为减小真空区，车尾的设计应尽可能小，类似于水滴的形状。由于气流进入车身内部后参与内循环并冷却形成内循环阻力，为减少空气进入车身内部，应选择全包围车身，因为全包围车身相比半包围车身具有更小的风阻系数。

1.2 车身建模

结合空气动力学理论和车架参数进行车身建模，车身外形设计类似于水滴形状，采用CATIA自由曲面结合创成式曲面设计进行车身建模，先由3D曲线构建整车线条，再结合曲面桥接、填充等命令形成曲面，为达到车身光洁度和曲面连续性要求，需要确保大多数面都达到G1、G2连续。采用全包围车身，如图1所示。

图1 车身外形图

1.3 计算域的生成和网格划分

使用有限元分析软件，通过ICEM-CFD软件建立车身外流场计算域和划分网格，导入Fluent软件进行计算，得到车身周围流速以及压力的分布情况，优化和验证设计结果。

将CATIA模型导入ICEM-CFD，建立流场流体域，气流在车身周围一定范围之外不受车身影响，根据国内外学者的研究结果，流体域一般为9倍车长、5倍车高、6倍车宽的一个长方体形状。从流体域边界设置气流进口和出口作为流体的入口和出口边界[2]。因为节能车的车轮内包，而且尺寸小，对气流的影响较弱，所以在建立模型时忽略车轮，整车离地间隙60 mm。计算域建立完成后进行网格划分，实现主流区域离散化。网格分为面网格和体网格，面网格用来描述物体表面特征，体网格用于填充实体区域。网格划分质量对求解精度的影响很大，一般要对车身周围和地面网格进行加密处理，面与面角度较小的面网格设置较小以提高求解精度。流体域的划分结果如图2所示，网格数为485 531，节点数为113 412，网格质量均大于0.3，保证仿真结果有意义（网格质量必须大于0.1）。

图2 流体域网格划分

1.4 外流场的仿真分析

网格划分完成后，导入Fluent，节能车的平均车速为25 km/h，周围气流马赫数小于0.3属于不可压缩空气动力学范畴，选择SST-湍流模型，该模型可应用于粘性内层，通过壁面函数可精确模拟边界层，设置进口速度为8 m/s，选用2阶迎风离散格式。控制方程设置完成后进行计算，设置迭代步数，一般设置为300步可以完成计算，得到稳定的曲线图，计算结果收敛。车身表面压力云图及速度矢量图如图3、图4所示。

图3 车身表面压力云图

图4 车身表面速度矢量图

由图3和图4可知，气流到达车头部分，速度迅速下降，形成驻点压力最大。随后气流沿驻点向车身周围扩散，车身上部气流逐渐加速，压力逐渐减小。在车头两侧，气流流速快，形成较大负压，气流到达车身顶部速度达到最大，然后速度逐渐减小并在尾部与车身底部的气流汇合，压力逐渐增大。因为车身尾部压力相比车头部分较小，形成压力差，产生压差阻力。对车身进行合理设计，增加气流到达车头后的流速，减小空气阻力。由图3可知，车头驻点区域较小，气流在车身表面和尾部并未发生较大分离，车头、车尾形成的压差阻力小。分析可得，车身在8 m/s进口速度下受到空气阻力为2.3 N。

2 车架设计

2.1 车架类型分析

车架是整辆节能车的载体，参照近几年节能车车架样式，主要分为4种。

1）梯形车架。

在赛场上大部分车队都使用该种车架，优点是结构简单、便于加工、小巧轻便、造型美观[3]。

2）空间车架。

优点是结构稳定，车架强度高、刚度大；缺点是车架质量较重，结构过于复杂[4]。

3）碳纤维单体壳。

优点是质量轻、强度大，车身车架一体；缺点是加工极其复杂，造价昂贵。

4）小型赛车车架。

类似于卡丁车车架，优点是强度高、造型美观；缺点是结构复杂且过于笨重，不满足节能要求[5]。

综上所述，采用梯形车架作为节能车的车架形式。

2.2 车架建模

节能车车架的主要参数见表1。

表1 车架参数

根据相关参数在CATIA中搭建模型，结合节能车总布置和人机工程完成三维建模，如图5、图6所示。

图5 车架建模

图6 人机工程分析

3 车架优化改进

采用ANSYS有限元分析对车架进行优化。

3.1 优化目标

结合节能车总布置要求及参赛规则确定车架的设计目标，见表2。

表2 车架优化目标

3.2 优化方案

方案1：如图7所示，添加三角结构（图7中圆圈部分）在车架轮胎安装点附近，但是车架高度过高，结构较为复杂。

图7 方案1车架

方案2：如图8所示，降低车架的高度以减小迎风面积，去掉部分三角结构，简化后轮安装架结构，相较方案1车架宽度缩小120 mm。

图8 方案2车架

对方案1车架进行扭转工况分析，固定后轮安装点，对左前轮安装点轴正方向施加=+1 000 N的载荷，对右前轮安装点轴负方向施加=－1 000 N的载荷，方向变形图如图9所示，通过分析得出挠度=3.614 8 mm。

图9 方案1车架方向变形图

对方案2车架进行扭转工况分析，施加与方案1相同的变形条件，方向变形图如图10所示。通过分析，得出挠度=2.530 5 mm。

图10 方案2车架方向变形图

将分析结果数据带入扭转刚度计算式

式中：T为扭转刚度；为载荷；为力臂；为挠度。

表3 车架各参数对比

节能车在赛道上平均速度为35 km/h，在平稳的赛道上行驶，两方案扭转刚度都符合要求；两方案的车架参数对比见表3，通过对比综合考虑，选择质量更轻、体积更小的方案2车架。

4 结 论

在节能车的车身设计中，应尽可能降低车身的迎风面积和离地间隙，车身要圆滑，并且曲面过渡均匀连续，车尾部要小以减少尾涡和真空部分。在车身轻量化方面，首先是材料的选取，然后在满足强度、刚度的前提下减轻质量，最终设 计出类似水滴形状的车身外形，并对其进行外流场仿真分析。汽车总质量影响加速阻力、滚动阻力和坡道阻力，阻力增加导致油耗增加，对燃油经济性影响大。要降低节能车的油耗，需要减轻汽车总质量，车架作为整车的载体，结构相对复杂，所占质量最大，车架优化是整车轻量化的重点与难点。在两种车架设计方案的基础上，结合节能车使用性能和轻量化的设计要求，最终得到较好的车架设计效果。

[1]张国忠，赖征海.汽车空气动力学与车身造型研究最新进展[J].沈阳大学学报，2005，17（6）：39-44.

[2]江洪，唐鹏. 轿车车身外流场的CFD仿真与实验验证[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2011，30（3）：470-475.

[3]马小康，刘强，宗志坚，等. 节能赛车铝合金车架结构分析与优化设计[J]. 机械设计与制造，2012（4）：16-18.

[4]武柏年，黄小海，王国丽. 节能车车架设计研究[J]. 车辆与动力技术，2011（4）：42-45.

[5]李亚鹏. 本田节能竞技大赛节能车设计与优化[J]. 科技资讯，2017，15（33）：82-83.

2019-04-18

武汉华夏理工学院校级科研基金项目（17013）。

U463.32

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.004

1002-4581（2019）04-0013-04