车轮轮毂各参数对纯电动汽车CD值的影响

季惠，王文乐，张鹏程

（江苏食品药品职业技术学院，江苏 淮安 223003）

车轮轮毂各参数对纯电动汽车CD值的影响

季惠，王文乐，张鹏程

（江苏食品药品职业技术学院，江苏 淮安 223003）

为适应微型纯电动汽车车轮轮毂多样化需求，并增加纯电动汽车续航里程，利用参数化编程实现车轮相应几何形状的改变，结合整车CFD分析，模拟车轮各参数对微型纯电动汽车整车CD值的影响。通过对其进行参数化设计和CFD仿真分析不仅可以提升整车空气动力学性能，还可以为以后纯电动汽车的车轮轮毂形状开发提供相应参考，同时文章所使用的参数化设计方法为今后纯电动汽车车轮轮毂的快速开发提供帮助。

数值模拟；空气阻力系数；参数化

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-129-03

引言

在环境整治的大背景下，全球都在大力发展和推广纯电动汽车。如今电池技术停滞不前，如何在现有技术的基础上增加车辆的续航能力，目前最主要的一个手段就是减少行驶阻力，提升空气动力学性能[1-3]。因此改善电动汽车的空气动力学性能成为现今各汽车厂商发展的主要方向。

由于纯电动汽车省去了发动机，改为体积更小的轮毂电机，因此在车辆前部节省了大量的空间，也使得其前围造型更为自由[4-5]。而装有轮毂电机的车轮的应用，更大程度改变了纯电动汽车车轮的形状，通过对车轮轮毂的分析，选择其关键参数作为评价汽车气动特性的因素，并确定各因素的合理取值范围，结合CFD空气动力学仿真，分析电动汽车车轮轮毂关键参数对整车风阻系数的影响，为以后纯电动汽车的前车轮轮毂开发提供相应参考。

1 数值模拟的空气动力学湍流控制方程[5]

1.1 基本控制方程

通常，多维湍流运动均可用非稳态连续方程及 Navier-Stokes方程进行表达。在笛卡尔坐标系下，速度矢量u在x，y，z三个方向上的分量为u，v，w，其表达式如下：

1.2 标准k-ε模型

标准k-ε模型需要求解湍流动能及其耗散率方程。湍流动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准k-ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟。其表达式如下：

2 纯电动汽车整车建模

在车辆的外形、外廓尺寸、主要布置参数基本完成之后，通过建立三维模型以及有限元模拟确定基本参数，如表1所示。利用光栅图像在UG中进行正向建模，为了减少计算量，采取1：10的半模型进行分析，同时为了节省计算时间，对车辆模型进行了如下简化：忽略后视镜、门把手等车身附件；忽略车轮的影响；对底盘做平整处理。简化后的车辆三维模型如图1所示。

表1 车身总布置设计尺寸(mm)

图1 纯电动汽车的三维模型

3 利用UG二次开发建立车轮轮毂参数化模型

3.1 利用MFC建立人机交互界面

构建对话框是程序二次开发中的必要步骤，但是UGNX在程序二次开发中的显示界面功能非常短缺。而 MFC功能非常宏大，可对软件的结构进行相应编程，并可利用void指针类型进行UG/OPEN API和MFC数据双向传递。因此MFC在UGNX开发中起着非常重要的作用。MFC功能在UGNX中的实现过程相见附件[6-9]。所建立的对话框如图2所示，图3为生成车轮轮毂所需程序界面。

图2 生成对话框

图3 生成所需程序

3.2 车轮轮毂参数化建模

微型纯电动汽车车轮轮毂模型的参数化主要是为了在保证基本不影响轿车整体结构的前提下对车轮进行快速生成，其形状也是对实际车轮的简化，但是其数值分析精度要比传统的明显提高，而车轮轮毂的直径、宽度、设计孔径季差值等对流经车辆的气流产生重要影响[8]同时，车轮轮毂前束的角度也会对整车CD值产生重要影响。空气流经车身前部时，会沿车身前围向四周流动，从而改变气流方向。良好的车轮轮毂能够加快气流经过时的速率，降低空气的串流或者滞流，因此可以降低微型纯电动车底部所受的空气阻力。

查阅相关文献得知：车辆车轮轮毂的导流参数和车轮轮毂的车轮宽度、车轮直径、轮辋直径、圆孔直径或边长、差值、孔洞数及对应符号。

得到车轮轮毂基本的尺寸参数之后，为了快速仿真计算，对车轮轮毂进行参数化设计，经过编译检查程序无误后运行程序，先得到集中车轮的简易形状，在进行模型修正，最后选取两种形式的车轮进行参数化模拟分析，如图4所示。

图4 输入变量并修正得到的模型

4 含车轮轮毂参数的某纯电动汽车CFD分析

4.1 风阻系数CD值随车轮宽度的变化

由于微型纯电动汽车车重一般在870千克左右，所以其车轮宽度取值范围为(175mm，205mm)之间。对车轮的整体性设计，车轮的扁平率宽高比要在一定范围内，为了增加纯电动汽车的续航里程，在分析参数车轮宽度的变化对整车气动性的影响时，车辆三维模型中其它几个参数值保持不变，宽度的取值及对取值计算分析得到的阻力系数分别如表2。

表2 不同参数值a所计算的阻力系数

图5 阻力系数CD值随车轮宽度a变化趋势图

通过图 5可以看出，微型纯电动汽车的 CD值与车轮宽度a的值呈反正例关系，栅格长度参数a取较小值时，从前方流入的气流，流经车轮轮毂的位置，由于轮胎宽度a大，所以此时车轮轮毂形状较容易阻挡致使气流通过，进而造成涡流不会快速散去，导致整个车身的风阻系数相对比较高。下面两图的车轮宽度分别为185mm和205mm时压力云图：

图6 车轮宽度分别为185mm和205mm时压力云图

4.2 风阻系数CD值随车轮轮毂造型空洞个数n的变化

在借鉴现有车型车轮轮毂的基础上，设定参数n的理论取值范围为(9，13)个之间，为了增加纯电动汽车的续航里程，在分析参数n的变化对整车气动性的影响时，车辆三维模型其它几个参数值保持不变，n的取值及对应的仿真结果CD值如表3所示。

表3 不同参数值n所计算的阻力系数

图7 风阻系数CD随车轮轮毂开孔数改变的趋势图

从图7中可以看出，汽车的阻力系数与开孔个数的取值呈正比例关系，开孔个数取较小值即设计为较封闭时，从微型纯电动汽车前方流来的空气流经整车前部车轮轮毂的位置，由于车轮轮毂较为封闭致使气流涡流较小，涡流的来回干扰也较小，涡流直径较大较整洁使得整个车身的风阻系数相对比较小。下面通过9孔和13孔的车轮轮毂压力分布云图，见图8。

图8 n=9时、n=13时车轮分别所受压力分布云图

接下来再做两组数据模拟分析在实际中该车的车轮形状也接近于多孔型的。本次使用的参数化车轮的开孔数为九个，开孔总面积一组和13个的开孔面积相等，另一组开孔面积小于13个的开孔面积，在其他值保持不变的条件下进行模拟分析并得到本次车轮参数化设计的结果，由模拟结果得知不仅与开孔数目有关系，而且与开孔面积有关系。且整车 CD的大小与开孔数量成正比，与开孔面积成反比。

表4 开孔数目及面积参数值对应的阻力系数

5 结论

利用Fluent仿真软件对微型纯电动汽车整车的外流场进行了仿真分析，得到了车辆车轮轮毂压力云图以及整车 CD值，为以后优化微型纯电动汽车的气动特性提供一定参考依据。

通过仿真分析发现，微型纯电动汽车的CD值与车轮轮毂宽度值呈正比例关系，与车轮轮毂上的孔洞数值呈正比例关系，与车轮轮辋上的开孔面积呈反比例关系。本研究结果可以为以后汽车车轮轮毂的开发及提升纯电动汽车续航里程提供帮助。

[1] 傅立敏.汽车空气动力学.北京：机械工业出版社,2006.

[2] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理及应用.北京：清华大学出版社,2004.

[3] 杜子学,张杰.基于不同外形参数模型的汽车外流场仿真.重庆交通大学学报.2011,30(4)：848-851.

[4] 许志宝.汽车外流场 CFD 模拟[J].合肥工业大学学报(自然科学版).2007.(30)：162-164.

[5] Desbnin M, Meyer M, Alliez P .Intrinsic Parameterizations of surface meshes[J]. Computer Graphics Forum,2002,21(3)：209-218.

[6] 高歌.概念车身局部参数化建模与 CFD仿真一体化研究与应用[D].吉林大学博士学位论文.2008年

[7] 徐娟媛,汽车前照灯的空气动力学特性研究[D],上海：华东理工大学,2012.

Influence of parameters of wheel hub on CD value of pure electric vehicle

Ji Hui, Wang Wenle, Zhang Pengcheng
( Jiang Su Food & Pharmaceutical Science College, Jiangsu Huaian 223003 )

In order to adapt to the micro electric vehicle wheel hub diversified needs, and increase the pure electric vehicle mileage, the use of parametric programming the corresponding wheel geometry changes, combined with vehicle CFD analysis, influence of simulation parameters on wheel miniature pure electric vehicle CD value. Through the parametric design and simulation analysis of the CFD can not only enhance the vehicle aerodynamic performance, can also provide the corresponding reference wheel hub shape the development of pure electric vehicles, to help the parametric design method used in the future for the rapid development of electric vehicle wheel hub.

Numerical simulation; air drag coefficient; grille parameterization

U472 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-129-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.045

季惠，硕士，就职于江苏食品药品职业技术学院。研究方向：车辆工程。