汽车轮辋设计空气动力学分析与研究

汽车轮辋设计空气动力学分析与研究

吉利汽车研究院（宁波）有限公司

【摘要】：轮辋是汽车的高速旋转部件,对汽车实际行驶过程中的空气动力性能影响重大。然而，目前轮辋研究的测试和模拟方法存在一定的缺陷。比较不同类型汽车轮辋的计算结果及其在不同轮胎轮辋速度下的边界条件设置，对于轮辋的仿真和研究具有一定的参考意义。对不同内外轮辋开口面积、轮辋形状、样式以及不同开口数量等各种轮辋形状进行仿真分析，得出轮胎不旋转、轮胎设置切向速度和MRF（旋转坐标系）三种类型对所用边界条件进行了对比分析，并对气动轮圈设计进行了讨论和总结。

汽车空气动力学的发展不仅包括造型设计部分上半身风阻的优化，在汽车底盘布局及套件的开发和优化中也尤为重要[1]。汽车高速行驶时，仅车轮引起的气动阻力损失就约占整车气动阻力损失的30%[2]。轮辋的形式，如轮辋的内外开口面积、轮辋形状、样式和不同开口的数量等因素都会影响车辆的空气动力学特性[3~6]。因此，如何在保证工程可行性和保证外观美观的同时，合理设计轮圈辐条形式，使其具有良好的空气动力特性，对于降低车辆风阻、节能减排、增加续航里程具有重要意义。 。

目前基于仿真软件研究轮辋对车辆气动阻力影响的研究还很有限。本文采用数值模拟方法[7]，利用STAR-CCM+分析软件，研究了某电动汽车模型低气动开发过程中各种汽车轮辋形式对车辆气动阻力的影响，并利用轮胎三种轮辋形式对车辆气动阻力的影响进行了研究。旋转速度边界条件设置方法、轮胎设置切向速度和MRF（旋转坐标系）对结果的影响进行了比较分析。

1 模型建立

1.1 几何模型

轮毂造型来自电动车，后扰流板、前轮扰流板、下翼子板等空气动力套件齐全。轮胎型号为2225/45/R18。总共分析了18种不同的轮圈，轮胎型号一致。有六种轮辋形状。轮辋形状如表1和图1所示。

上述每种形式的轮圈对应540cm²、340cm²和140cm²三种开口面积。因此，本次仿真分析共有6×3=18个轮圈模型。

1.2 边界条件

计算域入口边界为速度入口，入口速度为 ，出口为0Pa压力出口，其余4个周围面设置为滑移壁边界条件[8]。轮子转动时的角速度为/s，与风速相匹配。为了比较不同车轮边界条件设置方法引起的计算结果的差异，对每个轮胎轮辋采用轮胎不旋转（壁固定）、轮胎设置切向速度（壁-局部速率）和MRF旋转坐标系模型。方法，设置边界条件有三种方法。

在建立轮胎轮辋的MRF计算区域时，需要将轮辋与制动盘、车轴等部件断开。因此，为了保持分析模型状态的一致性，在轮胎不旋转和轮胎设定切向速度的边界条件下，模型相同，使用相同的断开制动盘的方法（如图2所示） ）。

1.3 物理模型

本次分析采用分析软件STAR CCM++进行不可压缩稳态计算，湍流模型采用RNG κ-ε。

2 计算结果对比分析

2.1 不同轮毂旋转仿真设置方法结果对比

不同轮毂旋转模拟设置方法，C rim在开口面积为340cm²时计算的阻力系数结果如下图3所示。 MRF计算方法的结果比其他两种方法的结果要大，并且壁面和壁面的结果具有相似的趋势。

在开口面积为340cm²的C轮圈模拟、墙壁和MRF设置方法中，左后轮胎和轮圈的阻力系数分解如下表所示。

从结果可以看出，由于MRF的计算方法，轮胎和轮辋承受的压力较大，剪切力最小。轮胎和轮辋的表面速度云图如图4所示。由于MRF采用旋转坐标系方法，轮胎和轮辋的表面速度高于其他两种方法，因此在复杂的气流扰动区域轮胎，能量损失会增加，因此风阻系数较大。

2.2 不同轮圈方案的Cd计算比较

不同轮圈形式的Cd模拟结果对比如下图5所示。两个普通开口轮圈A和B在不同的设置条件下具有相同的规则。风阻系数随着轮缘开口面积的减小而减小。当外开口面积变小时，该方法的结果保持一致，但壁和MRF的计算方法会有不同的规则。因此，通过模拟手段选择低风阻轮辋时，建议采用该方法。该方法的结果趋势比其他两种方法更加明显。

当使用不同形式和不同开口面积的轮缘时，墙体的阻力系数和方法是可变的。即轮胎不旋转时和轮胎以切线速度旋转时，阻力系数是不同的。当然。

当轮辋开口面积为340cm²时，计算条件下的轮胎轮廓速度场对比如图6所示，并结合图3的结果进行分析。轮辋A和B的流场接近，因为轮辋的凹入程度不同。 A 不明显。当辐条表面变平时，轮辋前凹陷处的回流区域消失，轮辋内侧的气流速度较低。 C方案减小外侧开口面积后，可以看到轮圈内部速度明显降低，外部气流和内部气流的速度明显分离。气流不易流入轮圈内侧，能更快地通过轮圈外侧。 D方案增加倒角后，大量气流由于轮圈开口边缘光滑而难以分离，直接流入轮圈内部。成形边缘内的气流速度变得更高并且能量被耗散。因此，轮圈D的阻力系数比C更大。E轮圈在轮圈A的外侧增加了一个小开口平板。这种形式类似于特斯拉的低风阻可拆卸轮圈（如图7所示）。小开口允许更少的气流流入轮腔，并且平板的整个内部处于较低速度区域，外部气流可以更快地流过，但低速回流区域比轮圈C大，因此风阻系数比扁平小开口轮圈C要小。 轮圈F：在总开口面积不变的情况下，将5个开口改为10个较小的开口。较小的开口使气流更难以流入边缘。轮缘外侧的气流沿着轮缘外侧的切线流动得更快。 ，阻力系数低于C。

3 测试结果

在该模型的油泥模型上进行风洞试验时，轮胎旋转和不旋转的研究结果，轮圈开口面积分别为、，轮圈完全封闭（图8），如表3所示。以下：

从试验结果可以看出，在本次风洞试验中，轮圈开口面积的大小对风阻影响很大。随着开口变小直至完全关闭，风阻系数总共减少0.01。轮胎转动时比轮胎不转动时要好。风阻系数较前代降低约0.008。因此，在选择轮圈时，尽量选择开口面积较小的轮圈，这样会对降低风阻做出更好的贡献。

4 结论

1.当使用轮胎非旋转壁和MRF域两种计算方法时，由于轮辋方案不同，Cd与轮辋开口区域之间没有明显的图案。当采用速度设定方法时，轮缘开口面积变小，Cd变小。花纹很明显，建议在选择轮圈时采用这种方法。

2.当使用轮胎轮辋MRF计算域的速度设定方法时，Cd结果会比其他两种方法大。

3、在相同的轮圈开口面积下，当轮圈外侧的开口面积变小时，流入轮圈内侧的气流就变小，能够更快地流过轮圈外侧。因此，在设计低风阻轮圈时，不仅要考虑轮圈的最小投影面积，还要考虑轮圈外侧的开口面积。

4、在同等条件下，倒角轮圈开口的圆边使得轮圈外侧的气流更容易进入轮圈内侧，增加了轮圈内侧气流的能量损失，增加了风阻。

5、当想要保持原轮圈形状时，可以安装开口面积小、外侧平整度高的可拆卸轮圈，以减少风阻（轮圈E）。由于内回风面积较大，因此具有减少风阻的作用。稍逊于外开口面积与内开口面积相等的轮辋类型（轮辋C）。

6、对于有开口面积的轮圈，由于开口气流较小，空气更难流入，因此10个开口的轮圈的风阻系数低于5个开口的轮圈。