陆文昌，王 梓，陈 龙，汪若尘

LU Wen-chang, WANG Zi,CHEN Long,WANG Ruo-chen

（江苏大学 汽车与交通工程学院，镇江 212013）

0 引言

随着道路条件的不断改善，车辆性能的不断提高，汽车在行驶中处于高速状态的时间越来越长，研究车辆高速时的空气动力学变的越来越有意义。空气阻力与速度的平方成正比，车速很高时，车辆受到空气阻力会显著增加，成为主要阻力。高速行驶过程中，车辆还会产生较大的气动升力，该力会降低车辆的垂直载荷，从而降低车辆对路面的附着力，影响车辆的安全性。通过安装良好设计的扰流板，可以优化车辆的空气动力特性。本文尝试研究一种可调式扰流板，并讨论其在车高速制动时对制动效能的影响。

1 制动时的载荷转移现象

由车身和车轴的力与力矩的基本方程可以推导出双轴车辆前后轴上的载荷公式，前轴载荷和后轴载荷分别为：

式中：G为车辆重力，h为质心高度，l为轴距,r 为轮胎半径,FzV，FzH分别是车辆前轴和后轴的载荷，FzVstat，FzHstat分别是前轴和后轴的静态分量，FLzV,FLzH为前后轴的空气升力，λ* 为引进的旋转质量系数，在计算汽车的加速阻力时利用旋转质量系数将发动机飞轮等旋转质量的惯性阻力矩转换成平移质量的惯性阻力矩。车辆制动时，忽略旋转质量的影响和空气升力的影响，并且引入相对减速度表示车辆的制动强度，可将轴荷公式化简为：

式中：lH为质心到后轴的距离，lV为质心到前轴的距离。由公式可见，制动时两轴上的载荷会重新分配，并且随着制动强度的增加，前轴的载荷会越来越大，后轴的载荷会越来越小。从而前轴的悬架会进一步压缩，后轴悬架会延伸，车身会更加“前倾”，这就是实际制动时出现的点头现象。

图1和图2为一次120km/h到0制动测试的前后轮受力比较。由本次制动测试的结果可以看出，制动时，前轮的载荷从4 800N左右上升到6 300N左右，上升了31.25%；而后轮的载荷从4 200N左右下降至2 600N左右，下降了38%。

同时从图2也可以看出，在此制动过程中前轮提供了大部分的制动力，并且随着制动强度的增加，前轮提供的制动力所占的比重会变得更大。在这个制动过程，前轮提供的最大制动力为6 766N，而后轮的最大制动力为1 250N，仅为前轮制动力的18.5%。

图1 高速制动时前后轮的垂直载荷比较

图2 高速制动时前后轮的制动力比较

制动过程中这种载荷的转移和随之引发的前后轮制动力相差过大的情况是对于车辆不利的。首先，这增大了前轴轮胎的磨损，不利于车辆的安全性；其次，由于大部分制动力由前轴提供，车辆前轴制动系统负荷过大，经过紧急制动或者多次反复制动后，很容易发生热衰退，影响制动效能；第三，后轴的轮胎附和制动潜能没能充分利用；最后也是最重要的，由于制动过程中的载荷转移，车辆后轴的垂直载荷变得很小（图1），从而后轴的附着力也随之变小，若受到外界干扰，后轮很容易失去附着力，从而使得车辆的状态变得不稳定。

2 空气动力学特性

2.1 空气阻力和升力

汽车行驶时除了受到来自地面的力外，还受到其周围气流的气动力和力矩作用。车辆在高速行驶时消耗的功率主要由空气阻力系数决定，同时绕汽车的气流也直接影响车辆的升力和对侧风影响的敏感程度，从而影响高速行驶时车辆的行驶状态。

空气阻力和空气升力由下式定义[6]：

式中：A为汽车的迎风投影面积；rV 为相对速度；ρ为空气密度；Cx为空气阻力系数；Cz为空气升力系数。

空气阻力是与汽车运动方向相反的力，由公式可知，其大小取决于迎风投影面积A和空气阻力系数Cx。空气阻力中占主要地位的是压力阻力和摩擦阻力，其中压力阻力是由车辆前后的压力差而形成的，摩擦阻力是车辆与切向气流摩擦而产生的。

同时，由于高速行驶时车身上下的气流流速不同，导致产生的压力不同，这种压力差会产生升力。这就意味着对于高速行驶的车辆来说轴荷总是在减小，当速度快到一定程度时，轴荷下降会导致轮胎附着力不足，严重影响车辆的高速稳定性。

2.2 扰流板和空气动力学特性

汽车扰流板是一种安装在车身上的装置，通过控制流过车身的气流来改善汽车的空气动力特性。扰流板的横截面为抛物线形，平面在上，抛物面在下。在行驶过程中，扰流板上也会形成压力差，从而产生下压力。此下压力可以使得后轴的升力减小，甚至产生负升力，从而保障了行车的安全。并且比较小的后扰流板对前轴的升力系数几乎没有影响。

风阻系数Cx和升力系数Cz是通过风洞实验和下滑实验所确定的数学参数，需要很高的实验条件。但是利用CFD软件我们可以在计算机上进行模拟分析。CFD的实质就是把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程，建立可在计算机上求解的算法，然后利用计算机对流体力学的各类数值实验进行模拟。对汽车动力学参数的模拟分为三部分。首先，建立车身模型，提取车身表面数据，生成计算网格；然后设定仿真的边界条件和数值方法，利用求解器进行计算；最后进行后处理和结果分析。

从文献[1]利用CFD分析，我们可以获得某车辆的空气阻力系数、升力系数随扰流板攻角的变化而变化的情况（图3，图4）。

图3 空气阻力系数随攻角变化的示意图

图4 空气升力系数随攻角变化的示意图

观察仿真结果，可以发现随着攻角的增加，车身的空气阻力系数不断增加，升力系数持续减小，并且到达负值，这说明当攻角大于一定的值时，扰流板产生的下压力已经克服了升力，从而在后轴上产生了垂直向下的压力。

3 扰流板工作策略和仿真

3.1 扰流板的工作策略

根据上述结果，我们制定扰流板的工作策略：在相对低速的正常行驶时，扰流板将处于收起状态，以获得最小的空气阻力。当汽车达到一定的高速或者采取紧急制动时，扰流板将升起最大的角度。一方面将增大空气阻力，辅助制动；另一方面，高速气流经过扰流板产生下压力，对抗汽车尾部的升力，从而可以增加后轮的垂直方向上的力，增加后轮的制动力并且增加车辆的稳定性。

图5 扰流板收起和升起的示意图

3.2 模型参数与联合仿真

实验采用专业动力学软件CarSim进行仿真。该软件可以快速、准确的仿真汽车的动力学特性，已广泛应用于常规实验和一些难以操作或者难以测量的测试。

本次实验采用两辆相同的车进行对比仿真测试。其中实验车A为正常车辆，实验车B带有扰流板。可认为车辆A与车辆B只是空气动力特性不同。

表1 空气动力特性

表2 车辆其他重要参数

以上参数在CarSim相应的模块中设置，车辆B扰流板上的作用力利用Simulink模拟，流程控制图如图6。CarSim为Simulink提供一个S函数，该函数中包含了车辆重要信号，并且会更新软件对于车辆其他信息的调整。在仿真实验进行过程中，CarSim将通过S函数中的输入和输出信号和Simulink进行动态交互。根据升力公式和升力系数，并假设空气为静止状态,则车速就是空气的相对速度，可以得出车辆升力是车速的函数f(u)，并将此信号返回输入到S函数。

图6 控制流程图

4 实验和结果分析

4.1 实验内容

实验内容为在的良好路面上，两车辆在180km/h的速度下紧急制动。

该实验考察在良好路面上的高速制动性能。

4.2 实验结果分析

实验结果如下：

图7 空气阻力

车辆高速制动时扰流板升起，B的空气阻力系数增大。由图7看出，在制动初期，B受到的空气阻力远大于车辆A。随着制动进的进行，车速下降，车辆与空气的相对速度减小，空气阻力快速变小。

图8 后轮垂直载荷

图9 后轮制动力

由图8可以看出，制动开始，载荷发生转移，后轮上的力迅速变小。在扰流板下压力的作用下，车辆B对的后轮垂直力大于车辆A，且在整个制动过程中一直保持。该力的最小值约发生在t=0.3s时，此时车辆后轴能得到的附着力是最小的，即车辆状态是最不稳定的，后轮很容易由于操作不当或者受到外界的干扰而失去附着力从而发生滑移。此时车辆A后轴的垂直力为980.67N，车辆B为1 158.85N，比车辆A的值提高了18%。说明扰流板的作用可以增强车辆的稳定性。

图9是后轮制动力的曲线，由图可以观察到，在整个制动过程中，车辆B由后轮提供的制动力始终大于车辆A。后轮提供了更多的制动力，也就意味着整车制动效能的提高。由表3可以看到，对于后轮的垂直力和制动力，车辆B相对于车辆A均有较大提高。

表3 车辆后轮受力比较

图10 俯仰角

图11 制动减速度

由图10俯仰角的比较中可以看到，由于扰流板的作用，车辆B的俯仰角也略小于A，从而对制动的姿态的优化有一定作用。

由车辆的制动减速度曲线（图11）可以看出，在整个制动过程中，车辆B的制动减速度一直大于车辆A，并且在制动初期，这个优势特别明显。这是由于制动初期车速较快，空气阻力和负升力的作用比较大。这表明了扰流板的升起对高速车辆在制动的初期迅速下降车速有很大的帮助。随着车速的下降，空气阻力和负升力的优势逐渐变小，但仍可以保证车辆B的减速度大于车辆A。

表4 制动减速度比较

图12 制动时间

图13 制动距离

最终的制动时间和制动距离也印证了上述的分析，结果如图12、图13和表5。

可以得出结论，在180km/h到0的制动测试中，车辆B的制动时间和制动距离均相对于车辆A有明显的减少。

表5 制动测试结果比较

随后，为了模拟两车在雨天和雪天的制动情况，又进行了两组150km/h到0的制动测试。

实验结果如表6所示，扰流板的制动作用随着地面附着系数的降低而变得更加明显。

表6 低附着系数制动测试结果比较

图14 后轮垂直力

图15 后轮制动力

由雪天制动测试结果的图14和图15可以看出，车辆B后轮上的垂直作用力和后轮提供的制动力均明显高于车辆A。这是由于地面附着系数变小，速度下降变慢，高速下空气阻力和负升力作用的时间变长。这充分说明了扰流板的作用能够不受天气的影响，在湿滑路面的条件下也可以提供有效的制动效能的提升。

5 结论

本文分析了扰流板的作用，制定了其工作策略，并设计了两种速度、三种路面的制动实验。通过上述实验可以发现，扰流板的大角度升起确实对于高速情况下的制动效能有明显提升的作用，有效减小了制动时间和制动距离。并且，扰流板的制动作用不受路面因素影响，在低附条件下也可以有稳定的作用。

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