运动摩托车的阻力优化

摘    要

这项工作的重点是优化为超级运动用途而生产的车辆的空气动力学设计。主要目标是通过细微改变来优化行为，以尊重车辆整流罩的独特形式，保持摩托车的可识别性，从而在空气动力学方面寻求最佳性能：通过这种方式，满足了道路比赛的规则，例如世界超级摩托车锦标赛，因为整流罩设备仍然与OEM设备非常相似。事实上，优化是通过实现微小的变化和合适的空气动力学附件来实现的，这些附件可以在售后市场生产。

01  前    言

人们普遍认为，一辆摩托车的“性格”可以在第一眼就确定下来，这是基于从它的美学中传递出来的本能感觉: 例如，一个大的挡风玻璃可以让人联想到这辆摩托车的旅行用途，而细长而紧凑的整流罩则会让人联想到运动或赛车用途。

一般来说，著名的制造商生产的公路摩托车和赛用摩托车具有相同的特点:它们都配备了整流罩，并或多或少具有包围件，外形贼啦炫酷。从非空气动力学的角度来看，我们经常倾向于接受摩托车的“侵略性外观”作为出色性能的保证。然而，可能发生的情况是，市场的需求决定了摩托车的风格和设计，但空气动力学的需求却与舒适性和性能联系在一起。这就产生了矛盾。因此，不可避免地要进行调和。留下更多的空间风格，可能会损害空气动力学性能。这种选择是可以理解的，因为潜在买家无疑是被车车的外形所吸引，而空气动力学性能则停留在一个更抽象的水平。

这项工作的重点是最大限度地提高空气动力学性能，同时保持摩托车的“审美识别”的纽带。问题是:如何在不扭曲外观的情况下改善摩托车系列的空气动力学?所有的空气动力学测试都在川崎ZX10R m.y. 2008上进行，在意大利佩鲁贾大学的风洞设施中进行。

02 空气动力学舒适性和美观性

当定义车辆的形状时，必须考虑到美学在很大程度上影响着空气动力、舒适性、发动机操作(散热器效率)和安全性等重要方面。图1a显示了初步设计中不同方面之间存在的联系。

图1 摩托车发展中的空气动力学框架:(a)公路摩托车的发展(b)从赛用摩托车演变而来的公路摩托车的发展

美学和空气动力学之间的联系是显而易见的，因为车辆的形状决定了流动特性。此外，安全与空气动力学有关，因为空气动力学影响着车辆在高速行驶时的方向惯性和稳定性，以及摩托车—车手系统对侧风的敏感性。

摩托车制造商越来越关注空气动力学舒适性。公路和超级运动摩托车的空气动力学经常被优化以减少:头盔的横向振动，振动声噪音，散热器到骑手腿部的热量传递。这意味着一个好的产品不仅仅是具有低CD·S值的摩托车(其中CD是阻力系数，S是车辆的前部面积)，而是在更广泛的意义上，一个能够平衡上述所有需求的产品。

相反，为了在体育比赛中取得最佳成绩，为了获得良好的空气动力学性能，在舒适性或美学方面可能涉及艰难的妥协;为纯赛车寻找最佳空气动力学性能与标准产品的设计方法完全不同，并且由于缺乏上述约束，在某种程度上更容易处理。

03  空气动力学优化

摩托车在阻力方面的良好气动性能取决于其CD·S值，而CD·S值又由众多参数决定。这些量的影响不是线性的，很难通过分析的方式确定:因此，在其他技术领域中通常执行的“优化过程”在这种情况下是一项艰巨的任务。在任何情况下，所涉及的主要元素如图2所示。风洞“优化”通常是通过“手工”修改和测试不同的解决方案来进行的。一般来说，这种类型的气动设计是通过在风洞中通过改变曲率和/或轮廓的前/后缘，和/或通过添加/切割气动附件来开发模型的。这项工作采取的办法分为三个阶段:

•初步阶段:通过经典的空气动力学快速方法，如烟雾可视化等，确定了关键区域。这项研究是在整个车辆上进行的，通过确定主要感兴趣的区域，但在接下来的阶段中，只测试了不太涉及外形变化的风阻优化方案;

•粗化阶段:通过施加粗化变化进行敏感性测试，以检验优化方案的适用性;

•收尾阶段:在此阶段，进一步分析第一阶段和第二阶段中被认为合适的任何变化，以增强效果，或通过完善结构和美学方面。很明显，骑手的存在也会影响车辆的空气动力学响应;他的位置决定了是否有颠簸：包括脚踏板上的“鸭脚”位置，“变形”的肘部等等，这些都会破坏空气动力学性能。

图2 影响摩托车气动阻力的因素。

由于这些原因，决定排除骑手的影响，通过使用假人进行所有的测试，假人的大小与骑手相同，在固定的位置，并安装了骑手的设备。最后的测试是由一位真正的骑手进行的。

图3中所示的每个特性都会影响总阻力，这是要最小化的。两个因素的乘积公式如下

（1）

RD是阻力[kg]， ρ是空气密度，V是车辆/风速。

为了最小化具有非常强的相互影响的两个因素的乘积（1），通常采用不同的方法：实际上，可以单独或一起处理CD和S的值。在这项工作中，决定通过在CD上工作来寻找更好的空气动力学性能，即使通过修改某些部分也会对S产生一些间接影响。

04  风洞

佩鲁贾大学的设施还包括一个闭环配置的风洞(图3)。一个带有11个叶片的碳纤维弯曲外壳的叶轮，可以将空气加速到200公里/小时的最高速度。在每条曲线上都有固定的叶片来增强气流模式。叶轮由375千瓦的电动机驱动。就在测试室之前(大约2×2平方米的有效截面，图4)，通过蜂窝结构调节和减少流动的湍流。通过汇聚管道进入测试室进一步加速气流。

图3 佩鲁贾风洞设施

图4 风洞特性测量(所有尺寸均以毫米为单位)

该风洞对静态和动态空气条件都进行了监测，并与气动力进行了关联;两个皮托管监测影响摩托车的空气速度，而位于测试室内的控制站提供有关静态空气压力、温度和相对湿度的数据。空气动力由四个双轴测压元件获得，安装在支撑车辆的框架下。支撑框架由三个层次构成:底座、固定地面、顶板和传递力的三角形结构。顶板模拟了地面空气动力学的效果。信号由美国国家仪器公司的卡采集，而后处理由作者在LabWiev环境中开发的软件进行，从收集的ρ、RD和V数据中评估每个测试配置的CD·S值。

05  空气动力学设计

在这个实验中使用的摩托车是一个全比例模型。在固定轮和固定悬架的情况下进行了测试。每次测试运行耗时70秒，其中包括启动、数据收集和减速。测试分为三个步骤:

15秒提速，40秒匀速运行，15秒减速。

大多数测试都是在160公里/小时的常规速度值下进行的，至少重复运行两次。所有数量都以1 kHz的采样率获得，而所呈现的数据(图5)是通过以1 Hz的频率重新采样获得的。第一步测试摩托车的标准配置，作为整个工作的参考:假人躺在油箱上的摩托车、OEM整流罩、拆下的闪灯、后视镜和车牌[7]。然后将注意力集中在飞行器内外的空气动力学研究上。外部空气动力学通过对上、中、下整流罩和座罩前缘进行优化(图6)。内部空气动力学的影响分析主要针对冷却系统。

图6 整流罩表面状况(羊毛簇，6a)和车辆周围气流状况(烟雾法，6b)

图7 可视化干预区域

将不同配置下得到的CD·S值归一化为参考条件(表1-A)，如图7所示，并绘制在图9中。较低的整流罩没有考虑到美学方面，因为它不是摩托车上很显眼的部分。新的下部整流罩更大更长(表1-B)。改进的方法是消除前灯上的凸起，并使上部整流罩在最先进的区域变得更加流线型(表1-C)。正如预期的那样，由于下转向板下面的盖板(表1-D)，得到了很大的改进。它被开发为与整流罩分离的空气动力学附件。这些新的条件对于开发新的挡风玻璃很有用(表1-E)。新的挡风玻璃与OEM的尺寸相同，但其曲率现在更加明显。中间整流罩被重新设计，以保持气流更长的附加到整流罩本身。该元件的发展是这样进行的:保持前缘在原来的位置，改变后缘的位置和形状(I区-图8)。最终获得了一个良好的中间整流罩气动配置，新的前缘和一个能够覆盖骑手靴子的气动附件(表1-L)。

表1 风洞气动结构试验

其他小的改进是修改座椅罩(表1-H)。它被重新设计以优化骑手在摩托车上的座位方式;通过改变座椅平面后区域的曲率，改善了座椅整流罩的空气动力学特性。

上整流罩的横向区域通过调整前区域的新空气动力学条件进行了修改。工作的重点是后缘，这是摩托车的一个非常“敏感”的区域:图9的F区表明，仅仅通过修改后缘的入射角就可以获得约2%的增益。

最后一部分的工作是集中在内部空气动力学。起初，散热器是完全封闭的，结果与[1]基本一致，因为发现对总阻力的影响约为6%。然后，流线型的下降曲线应用于分叉管(表1-M)。流线型的分叉管减少了作用在散热器上的空气动力学阴影，导致该元素对总阻力的负面影响更高，但对散热器抽气器的仔细重新设计以及在散热器后面插入新的空气动力学附件允许更好地提取中间整流罩的作用。这种改进产生了总阻力的下降，这是叉管的下降轮廓和中间整流罩的新提取孔共同作用的结果(表1-N)。

在最后的测试中，由配置表1-0表示，假人由骑手Tamada Makoto先生取代:由非常专业的骑手承担的合适位置允许阻力进一步衰减约0.5%。

另外，将CD·S值提高约10%，可以在功耗方面节省大量资金。图9显示了运行所需的功率减少值，作为速度的函数。不用于克服气动阻力的发动机功率可以提高车速:在相同的驾驶员位置和相同的发动机功率下，可以评估摩托车最大速度的提高约为12公里/小时。

图8 CD·S百分比下降取决于在风洞中进行的试验次数;根据表1和图7，需要改进空气动力学的区域用字母突出显示

图9 与初始配置(表1 - A)相比，最佳配置(表1-O)的气动阻力下降可获得的加速功率增益

07  结    论

本文的重点是通过寻找空气动力学改进，同时保持原始设备制造商模型的基本形状和美学，以减少超级运动摩托车的阻力，以满足世界超级摩托车锦标赛的规定。这项任务与寻找最佳的空气动力学性能非常不同，后者可以通过研究上车架的形状、油箱的形状和发动机的几何形状来开发纯赛车。

在这项工作中，对市场上一辆摩托车的空气动力学特性进行了研究和改进:这项研究的最终目标是在不改变自车辆整体形状的情况下，寻找CD·S的最小可实现值。通过设计和测试不同的解决方案，通过改变外部和内部气动特性，气动性能得到了显著改善。相对于OEM配置，CD·S下降了约10%。

所有提议的改变都得到了世界超级摩托车锦标赛技术委员会的批准:采用新的整流罩和新的空气动力学附件，可以将赛道上测量的最大速度值从300公里/小时提高到315公里/小时。为了更好地理解观测到的改进背后的现象，未来的工作将通过三维计算流体动力学分析来进行。