桂小剛 徐劼 詹鳳

摘 要：隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的嚴(yán)格執(zhí)行，各大主機(jī)廠必須嚴(yán)控各自生產(chǎn)的汽車(chē)的碳排放，通常的做法有：A、減重;B、降低滾阻;C、改善空氣動(dòng)力學(xué)性能;D、開(kāi)發(fā)電動(dòng)車(chē)等等;而主動(dòng)進(jìn)氣格柵就是改善空氣動(dòng)力學(xué)性能的一個(gè)重要部件，且參與電動(dòng)車(chē)的電池組的熱管理，增加電動(dòng)車(chē)的巡航里程;在目前各個(gè)車(chē)型，尤其是電動(dòng)車(chē)上，使用越來(lái)越廣泛;本文闡述了主動(dòng)進(jìn)氣格柵在每個(gè)開(kāi)發(fā)階段的技術(shù)研發(fā)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)進(jìn)氣格柵;機(jī)構(gòu);理論分析;仿真分析;DV測(cè)試;控制邏輯

1 引言

隨著全球氣候變化加劇，世界各國(guó)都在嚴(yán)控各自的碳排放，以減少惡劣氣候的發(fā)生;為此，歐洲環(huán)境署在2014年4月24號(hào)宣布了針對(duì)歐洲汽車(chē)工業(yè)的最新的二氧化碳排放法規(guī)：A、到2015年，歐洲市場(chǎng)上所有新車(chē)的二氧化碳平均排放量不超過(guò)130g/km（從2012年開(kāi)始逐步實(shí)施）;B、到2021年，所有新車(chē)的二氧化碳平均排放量不超過(guò)95g/km（從2020年開(kāi)始逐步實(shí)施）。在中國(guó)，2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》里明確要求到2015年乘用車(chē)平均油耗降至6.9L/100km，2020年達(dá)到5.0L/100km[1]。在汽車(chē)行業(yè)，為了降低汽車(chē)的碳排放，通常的做法有：A、減重;B、降低滾阻;C、改善空氣動(dòng)力學(xué)性能;D、開(kāi)發(fā)電動(dòng)車(chē)等等;而主動(dòng)進(jìn)氣格柵是改善空氣動(dòng)力學(xué)性能的一個(gè)重要部件，且參與電動(dòng)車(chē)的電池組的熱管理，增加電動(dòng)車(chē)的巡航里程;相對(duì)乘用車(chē)而言，主動(dòng)進(jìn)氣格柵能夠使CO2的排放降低0.5～3g/km，風(fēng)阻系數(shù)降低0.03[2]。

2 主動(dòng)進(jìn)氣格柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在主動(dòng)進(jìn)氣格柵（簡(jiǎn)稱(chēng)AGS）前期設(shè)計(jì)階段，在沒(méi)有CAE分析輔助的階段，所有的技術(shù)方案必須要建立在理論分析可行的基礎(chǔ)之上，再通過(guò)一系列的理論驗(yàn)證方可實(shí)施，AGS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就是建立在這一系的理論驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，達(dá)到精準(zhǔn)控制葉片的開(kāi)啟角度及停留位置;

下面是理論分析的方法：

A、風(fēng)壓計(jì)算公式：

F=.ρ.V2.S.Cd （1）

式中：F為葉片所受風(fēng)載壓力;ρ為空氣密度;V為車(chē)速;S為單片葉片的受力面積;Cd為空氣阻力系數(shù);

B、單片葉片的受力分析，見(jiàn)圖1。

根據(jù)加載狀況，將模型簡(jiǎn)化如上圖所示，即可算出單個(gè)葉片的受力;

C、單片葉片的受力變形分析，見(jiàn)圖2。

將單個(gè)葉片實(shí)際受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，受到風(fēng)的垂直載荷，如上圖所示。

根據(jù)材料力學(xué)模型得到葉片彎曲的撓曲線方程：

（2）

其中x為距離一段支點(diǎn)的距離，E為材料的剛度（塑料的模量），I為材料的慣性矩（與材料橫截面的形狀有關(guān)），q為受到的均勻載荷的系數(shù)。

根據(jù)彎曲撓度計(jì)算，當(dāng)x=I/2時(shí)，得到最大變形量。此時(shí)撓度ω（彎曲變形量）為：

，代入?yún)?shù)得： （3）

其中慣性矩為 （4）

把相應(yīng)的設(shè)計(jì)尺寸代入上述公式當(dāng)中，即可算出葉片的變形;

D、平衡的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

為了使AGS在實(shí)車(chē)上平穩(wěn)運(yùn)行，且能滿(mǎn)足各種工況下的運(yùn)動(dòng)，各零件之間必須要能平衡聯(lián)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的有效連接、相互之間的有效驅(qū)動(dòng)至關(guān)重。

3 主動(dòng)進(jìn)氣格柵的電機(jī)扭矩的選型

電機(jī)扭矩大小的選擇至關(guān)重要，若選擇過(guò)小，則無(wú)法帶動(dòng)葉片的開(kāi)啟;若選擇過(guò)大，則電機(jī)體積過(guò)大，不利結(jié)構(gòu)布置，而且會(huì)造成成本過(guò)高;所以所選電機(jī)的扭矩必須滿(mǎn)足車(chē)型在高速行駛狀態(tài)下，克服風(fēng)阻的壓力，能正常帶動(dòng)葉片的開(kāi)啟;所以電機(jī)的扭矩與葉片的受力面積，風(fēng)速等因素息息相關(guān);

A、葉片受力扭矩的計(jì)算公式：

T=FL

式中：T為扭矩，F(xiàn)為葉片所受風(fēng)載壓力;L為力臂;

B、葉片受力扭矩分析，見(jiàn)圖3：

根據(jù)加載狀況，將模型簡(jiǎn)化如上圖，由于轉(zhuǎn)軸的位置不對(duì)稱(chēng)，總寬度L=L1+L2，L1、L2分別為長(zhǎng)邊和短邊。

單片葉片的扭矩計(jì)算：T=T1-T2=F1L1-F2L2

其中：F=.ρ.V2.S.Cd，S=L0L，令K=.ρ.V2.S.Cd;T=KL0（L21-L22）

驅(qū)動(dòng)單片葉片所需的扭矩為：T=3KL0（L21-L21）

C、葉片最大扭矩位置分析，見(jiàn)圖4：

當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到一定角度（θ）時(shí)，如上圖所示（單個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)之后的受力分析）：根據(jù)上面葉片的受力分析計(jì)算過(guò)程，同樣得到單個(gè)葉片的扭矩為：

T=KL0（L21-L22）sin2θ

即當(dāng)角度為90度是，葉片的扭矩最大，此時(shí)電機(jī)輸出的扭矩也是最大;

D、轉(zhuǎn)軸摩擦力產(chǎn)生的扭矩分析：

f摩擦力=F風(fēng)μ摩擦系數(shù);

T摩擦力=f摩擦力R軸承半徑

電機(jī)輸出的扭矩：T電機(jī)=T葉片T摩擦+T其它

把相應(yīng)的參數(shù)代入，即可估算出電機(jī)理論上所需輸出的扭矩;

4 CAE分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，需要借助CAE的輔助分析，對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)及理論設(shè)置的一些參數(shù)，做進(jìn)一步的驗(yàn)證;來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的優(yōu)化。

由于AGS是整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能的一個(gè)重要組成部分，對(duì)整車(chē)的風(fēng)阻影響較大;所以空氣動(dòng)力學(xué)的仿真分析，對(duì)AGS是非常重要的一項(xiàng)分析。而在AGS的空氣動(dòng)力學(xué)分析當(dāng)中，泄漏率是AGS的一項(xiàng)非常重要的參數(shù)，而影響泄漏率的主要因素有：a、AGS整體的剛度;b、單片葉片的剛度;c、電機(jī)的保持扭矩的大小;所以為了滿(mǎn)足AGS泄漏率的要求，整體AGS的剛度和電機(jī)保持扭矩的大小至關(guān)重要;

為了驗(yàn)證葉片在風(fēng)壓下的剛度及其變形量，來(lái)指導(dǎo)葉片的設(shè)計(jì)，AGS通常需要做如下分析：

A、計(jì)算葉片的壓力分布：

主要為了進(jìn)一步分析葉片的剛度，為葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持;

B、泄漏率分析：

主要為了模擬整車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，葉片在加載的情況下，AGS總成的密封性，對(duì)整車(chē)風(fēng)阻的貢獻(xiàn);

C、仿真運(yùn)動(dòng)分析：

主要為了模擬運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性及平衡性，及時(shí)了解瞬態(tài)時(shí)的受力情況;

D、電機(jī)扭矩大小的輸出分析：

主要為了模擬葉片在加載的情況下，電機(jī)所需輸出的扭矩，為電機(jī)選型提供依據(jù);

AGS除了做上述分析之后，還會(huì)根據(jù)具體要求，做相應(yīng)的其它CAE分析;

下面是葉片的受力分析，見(jiàn)圖6。

5 DV驗(yàn)證

為了驗(yàn)證產(chǎn)品性能是否滿(mǎn)足前期設(shè)計(jì)階段定義的各種工況的性能要求，需要通過(guò)相應(yīng)的DV測(cè)試來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及準(zhǔn)確性，同時(shí)需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的DV測(cè)試設(shè)備來(lái)做相應(yīng)的測(cè)試。

根據(jù)AGS這個(gè)零件的定義及其在實(shí)車(chē)上所處的位置，需要滿(mǎn)足整車(chē)在各種工況下的性能要求，所以AGS通常需要做如下DV測(cè)試。

A、耐久循環(huán)測(cè)試：

實(shí)驗(yàn)的目的是模擬實(shí)車(chē)在各種工況下，主動(dòng)進(jìn)氣格柵總成在加載的情況下，經(jīng)受冷熱條件的多次循環(huán)的耐久實(shí)驗(yàn)后，還能滿(mǎn)足AGS所需要的功能;

B、泄漏率測(cè)試：

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)AGS的密封性，是否能滿(mǎn)足整車(chē)風(fēng)阻的要求;

C、高壓沖洗測(cè)試：

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖悄M實(shí)車(chē)在洗車(chē)的情況下，AGS是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，葉片是否會(huì)被沖斷或脫落。

D、潑賤沖擊測(cè)試：

由于AGS位于整車(chē)的前端，常常需要面臨泥水的潑濺;所以該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)AGS在泥水的潑濺之后，泥巴粘接在葉片上，AGS總成是否能開(kāi)啟正常。

為了全面模擬AGS所處的各種工況，還需要做其它各種測(cè)試。

6 電機(jī)的控制邏輯

BCM根據(jù)整車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、冷卻水的溫度、車(chē)速及其它工況，發(fā)出指令，AGS的電機(jī)根據(jù)BCM的指令，來(lái)控制AGS葉片的開(kāi)、閉;通過(guò)本身的輸出力矩，精準(zhǔn)控制葉片的停留位置。

7 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能減排是國(guó)家發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，是各主機(jī)廠必須執(zhí)行的一項(xiàng)指令，而AGS主動(dòng)進(jìn)氣格柵相對(duì)燃油車(chē)而言：對(duì)降低油耗，減少排放可以起到非常大的作用;而相對(duì)電動(dòng)車(chē)而言：參與電池組的熱管理，對(duì)增加電動(dòng)車(chē)的巡航里程起到非常大的作用;所以對(duì)主機(jī)廠而言，使用主動(dòng)進(jìn)氣格柵來(lái)減少碳排放及增加電動(dòng)車(chē)的巡航里程是一個(gè)非常好的選擇方案，也是當(dāng)前的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì);本文闡述了主動(dòng)進(jìn)氣格柵在每個(gè)開(kāi)發(fā)階段的技術(shù)研發(fā)要點(diǎn)，對(duì)AGS的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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