运用模块化车轮设计概念研究旋转车轮通风阻力

汽车燃油消耗是汽车企业不断关注的焦点，其中空气动力学对燃油消耗的贡献量占重要部分。其中，旋转车轮和轮腔可以产生的阻力占总阻力的比重高达35%。本文研究以17英寸轮辋的轮胎为研究对象并在沃尔沃汽车风洞中进行试验验证，使用安装在轮胎驱动单元（WDU）上，并具有牵引力测量系统的定制悬架来测量通风阻力。旨在确定对所研究尺寸车轮的通风阻力影响显著的设计因素。结果表明，轮辋的设计因素比其他因素的影响要大，其中一种方案的轮辋比全覆盖车轮的通风阻力要低。
与作用于车轮的阻力矩相关的能力损失，来源于车轮在空气中的相对运动，为了更好的理解这些损矢，需要对作用在旋转车轮的力进行研究。



图1 作用于旋转车轮的力矩方向和作用力产生的相应力矩

图1中，T是变速箱通过驱动轴传到车轮的扭矩，它最终被车轮的力和力矩所抵消。阻力矩N*e是由于轮胎与地面接触时负荷不均匀分布导致的，由于车轮、轴和齿轮箱的惯性存在产生的力矩
，由于轴承摩擦产生的力矩Mbe，制动器摩擦力矩Mbr，驱动轴摩擦力矩Mds，轮胎与地面相对滑动时的阻力矩Ms，作用于接触面的牵引力Ftrac（力也包括了滚动阻力），最后一个是由车轮在气流中旋转产生的通风阻力矩M_vent。

本文主要研究通风阻力矩M_vent，这里可以认为由一下三个原因导致的：

1.车轮周围的法向压力分布不均匀；
2.空气与车轮之间的表面摩擦；
3.车轮轮辐产生风扇叶片效应，使空气旋转在其表面产生压差。

为了整体研究一辆车的气动阻力，我们引入空气动力学阻力和通风阻力，这又可以通过阻力系数Cd，并结合气动系数C_(D(AD))和通风阻力系数C_(D(vent）)，而且通风阻力系数可以由下式表示：
C_D(vent) =(F_trac)/(1/2 ρV∞^2 A)
其中，F_trac是对应于通风阻力的牵引力，ρ是空气密度，V∞来流速度,A是正投影面积。

1.试验设置

由于车轮通风阻力手轮腔内部气流的影响，所以不能单独对车轮进行测量，必须在整车情况下测量车轮通风阻力。本文采用沃尔沃公司生产的S60作为试验车，并在沃尔沃全尺寸空气动力学风洞中试验，截面面积为27平方米，尺寸如下图2所示。



图2 沃尔沃风洞俯视图

沃尔沃汽车风洞配有五个地面移动带系统并安装在转盘上，系统由中间移动带和四个车轮驱动单元组成（即WDU），如图3所示。



图3 五带移动地面系统

WDU连接到下面的转盘下面的天平，用来获取车辆的力和力矩。车辆有四个支撑柱限制并连接到天平上，并允许在实验中改变车辆行驶高度如图4所示。



图4 用支撑柱举起测试车辆

由于四个车辆支撑柱和四个WDU都安装在平衡框架上，使得轮胎与WDU之间的力都是内力而不需要测量，这样也使滚动阻力成为内力，意味着可以直接测量气动阻力而不需要补偿滚动阻力。为了评估通风阻力，需要计算在一定运行速度下的车轮旋转所需时间，也必须测量作用于轮胎接地面的纵向分量---牵引力，为此，WDU配备了可以测量牵引力的载荷传感器，从而可以计算车轮转动所需功率。
为了使滚动阻力最小化，将减震器去除并用支撑柱替换，以控制车轮在轮腔内的位置，并使车辆的重量几乎都由风洞支撑柱支撑。特制的前后悬架如图5所示。



图5 前后悬架改装

由于车轮由WDU驱动并不是由发动机驱动，车轮与WDU的接触必须得到保持，因此总是会产生残余滚动阻力。
当准备实验时，车辆被支撑柱放置在设定高度，每个车轮负载为4kg，滚动阻力系数f_rr为0.008，因此残余滚动阻力可以用下式计算：

F_rr=f_rr *N
代入得到每个车轮滚动阻力0.314N,四轮总滚动阻力为1.256N.

由于轮胎旋转时的惯性导致直径膨胀，这种膨胀改变了轮胎形状（如图6所示），影响滚动阻力，轮胎膨胀半价取决于材料、车重和速度，最大变形可达8mm，对于本实验在速度200km/h期间，最大轮胎半径膨胀量为2.5mm。为了抵制这种变化，并保持实验过程中滚动阻力尽可能低，车辆离地间隙在随速度增加而通过提升支撑柱高度来提升车辆高度。



图6 沿半径方向轮胎膨胀
载荷传感器测量牵引力公差在±2 N，因此在图7中显示所有旋转车轮所需功率随车速的变化曲线，其中测量的误差由红色误差棒表示。



图7 四车轮的功率测量用误差棒表示

2.模块化车轮轮辋

为了测试不同车轮轮辋而开发的模块化车轮（如下图8所示），每个车轮都是五辐铝合金，这允许轮辋的快速变化，而不需要拆卸和更换车轮，从而确保相同的车轮和轮胎性能，以及在测试期间相同的轮胎变形。



图8 模块化车轮
以下图9为实验所用的所有14个车轮轮辋方案，其中四轮宽度相同，并配备相同类型轮胎，所有车轮胎压在实验过程中保持一致。

图9 实验车轮轮辋方案
由上图可以看出，所有车轮都是五辐轮辋，几何外形唯一不同的就是完全覆盖的轮辋（图9b），还有两个具有三维风扇叶片的轮辋轮辐（见图9g、h），一个是设计用来将轮腔内空气抽出，另一个设计用来把车轮外空气吸入。最后，一个高阻力的设计被用来作为其他设计方案的参考（见图9k）。

3.结果分析

这里，测量克服通风阻力所需功率用气动阻力系数Cd的形式表现,正如预期，高阻力设计的轮辋测得通风阻力和气动阻力都是最高的，因此，这种设计被作为其他设计方案的参考对比。如下图10所示，以参考高阻力设计并归一化得到不同轮辋设计的通风阻力曲线图。



图10 不同轮辋设计的通风阻力百分比

从图中可以看出，大部分曲线很接近而且趋势相同。盖板外层半径宽的轮辋（见图10f）在速度到100km/h及以上时，通风阻力最低，其原因可能是靠近车轮中心的暴露的辐条具有较低的相对速度，因此辐条具有比其他轮辋设计更低的前缘压力。另一个原因是，盖板外半径宽的轮辋刚好密封制动盘和轮辋之间的间隙，从而显著减少通过车轮的气流（如图11所示）。



图11 制动盘和轮辋间隙被盖板密封

效果第二好的方案就是风扇叶片（见图10e），原因是这种轮辋设计可以将轮腔内空气抽出，从而减小内压力，而且这种叶片的气动外形有更平滑的边缘，从而有更小的停滞区域。

从最差的通风阻力角度来看，星状轮辋设计是仅此最高阻力设计之后的最差设计(见图9l)。轮辋完全覆盖的设计具有最低的气动阻力，但是在通风阻力方面处于中等，这是因为盖板完全封闭阻挡了气流流动，导致外侧更多气流附着轮外使表面摩擦增大，轮腔内压力也随着升高。
下图12所示，以最高阻力设计为参考并归一化的各轮辋设计的气动阻力变化曲线。



图12 不同轮辋设计的气动阻力百分比曲线

可以看出，改变轮辋的设计对气动阻力的影响只有6%，远小于通风阻力的30%，考虑到这是因为实验对象是整车而不是车轮，所以改变轮辋对整车气动阻力的影响显得不是那么重要。

正如预期的那样，完全覆盖的轮辋设计（图9b）有最低的气动阻力，其次就是厚外径盖板的轮辋（图9f），然后是宽辐条加外径盖板的轮辋设计（图9j），最47后是花瓣形轮辋设计（图9n），这种花瓣形类似于完全覆盖的轮辋。

相比于以上四个最好的气动设计，排出轮腔气流的风扇叶片设计表现出良好的通风阻力性能，但是导致了更高的气动阻力。
由于C_(D(vent）)和C_(D(AD))都是无量纲的，所以可以将它们相加得到总气动阻力系数C_(D(AD+vent）)
该系数变化曲线以最高阻力设计为参考并归一化得到图13。




图13 不同轮辋设计方案的总气动阻力百分比

可以看出完全覆盖的车轮（图9b）具最好的效果；第二好的设计是宽外径盖板轮辋设计（图9f）在整个速度范围内表现更好，其原因就是具有较低的通风阻力，有利于轮腔空气交换对制动器冷却也有好处；第三效果较好的设计是宽辐条加外径盖板的轮辋设计（图9j）；减阻效果最差的设计是星形设计。这些结果表明，通风阻力对车辆的空气动力学性能影响不能忽视。

4.结论

实验结果表明，通风阻力独立于气动阻力，因此在设计车轮时应该考虑通风阻力的存在。已知具有宽外径盖板的轮辋在气动减阻方面表现良好，而且在通风阻力方面效果也很好。此外，还证实了具有宽外径盖板轮辋比全覆盖轮辋更有效率。
另一个有趣的设计就是三维风扇叶片了，它具有较低的通风阻力，如果设计得当还会减小气动阻力，特别要注意轮辋设计对制动器冷却的限制。