优化城际巴士外部造型以改善气动特性外文翻译资料

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优化城际巴士外部造型以改善气动特性

摘要

在本研究中，对城际巴士进行了全新的设计，重塑了造型、降低了气动阻力、提高了乘客乘坐舒适性。相关研究人员在产品的深入分析和广泛调研中找到了新巴士的设计思路，并对现有巴士进行了性能测试，并对造型、空气动力学性能和舒适性进行了分析，作为优化的基准。本研究基于商业CFD软件FLUENT，以此来分析巴士的气动性能，以产品设计准则作为造型设计和舒适性分析的基础。为了降低空气阻力，为原始的高地板巴士重新设计了一套低地板底盘，并重塑造型，重点在于提高气动性能和美学价值。同时对内饰进行了更新，更好地满足了乘客的要求。

对全新设计的巴士进行气动分析，结果显示，由于Cd值和迎风面积的减小，总的Cd值从0.53降至0.29，整体气动阻力减少了近60％。全心换代的内饰也受到了乘客的欢迎。

引言

尽管拥有着世界上最长的铁路干线，但乘坐巴士仍然是印度大众出行的主要方式。无论是国有公司还是民营企业，都向市场投放价格较为合理的城际巴士，以方便公众的出行。过去10年以来，印度的道路状况得到了显著的改善，城际巴士能以更高的速度行驶，单程行驶时间得以缩短。但在燃料价格上涨和政府的严格规定下，汽车制造商和运营商不得不生产和经营更为节能的巴士。

发动机所产生的动力主要用于克服滚动阻力、空气阻力和爬坡阻力。三种阻力之中，由于空气阻力以速度的平方增加，所以在高速行驶时，发动机有超过四分之三的功率都被用于克服空气阻力。因此，在竞争性的市场中，减少空气阻力对于降低油耗至关重要。从另一方面讲，卧铺巴士的外观造型和乘客的乘客舒适性也间接影响着旅行社的利润，很多时候，空气动力学的设计都会因造型设计而被迫妥协，为了用更为靓丽的外观来吸引更多的乘客。

造型与气动特性

汽车驱动力由下式给出：

（1）

从（1）式可以看出，作用在车辆上的阻力也取决于投影面积和空气阻力系数，降低这些数值将直接减少车辆所受到的阻力。城际巴士的正面投影面积取决于巴士的内部造型，而空气阻力系数则由车辆的形状所决定。这两个因素同时也会影响到车辆的外部造型。在汽车设计中，车辆的造型十分重要，因为作为消费品的汽车必须要能够吸引顾客。同时，汽车应该能通过其造型的设计来展示其性能及舒适性。汽车外部造型的设计，应力求车辆气动特性和以客户为导向之间的和谐，以此来降低汽车油耗。

本研究主要目的是改进城际巴士的气动特性、重塑其外观造型以更贴合大众审美、改善其内部舒适性，同时对以上特性进行评估。本项目中应用了其他文献中所记录的改善车辆空气动力学的措施，重新设计了汽车的外部尺寸及造型，并将原始巴士和新巴士模型分别用FLUENT软件进行计算流体动力学分析，比较了二者的气动特性。该设计在考虑造型美观和乘坐舒适性的同时，对重新设计的外观和内饰也进行了用户调研。

文献综述

关于汽车空气动力学方面的研究已经有了很多的相关文献，然而与乘用车的空气动力学研究相比，关于重型车辆的空气动力学研究却十分有限。Saltzman和Meyer 在关于减少货车和客车气动阻力的实验研究中表明，通过调整车辆外部的圆角和垂角，平滑车身和车尾的造型，便可将阻力系数降低到0.242。

依维柯货车公司的Ludovico Consano和Davide Lucarelli设计过一款气动特性优良的货车。他们将DAM完全集成到了前保险杠之中，设计出了更高、更平滑的车顶；从侧面降低了侧裙并覆以蒙皮。为了防止空气分流，许多暴露的表面被改为圆形，例如屋顶窗，侧视镜，遮阳板等。测试结果显示燃油消耗率降低了8％。Callen等人在他们的实验中发现，单独拆除后视镜会使车辆的空气阻力降低4.5％。这项研究再次说明，车体的间隙会导致空气分流以及内部循环。Gilhaus的研究主要是在微调车辆前端的前缘半径，本研究显示，最佳的前缘半径为150 mm，而且随着半径的进一步增加，总线阻力系数的变化量最小。

Carr研究了车头近地面简化造型的效果。实验表明，使用低前缘的前端流线造型，能使阻力系数降低到0.21；Huco和Emmelmann研究发现，对车顶、雨道、前灯等部件的形状优化也会使阻力大大降低；Mason和Beebe对在货车和公交车上添加气动套件进行了实验。 这些研究人员研究了车身后端使用分流板、靠近车体的叶片和非通风腔的效果。结果显示，分流板的设置对空气阻力没有影响，而叶片的布置则增加了阻力，增加非通风腔则可将阻力系数降低5％。

研究表明，在客车和货车车身空气动力学优化以及关于气动力学研究的文献中，提出的数值研究的方法对本研究帮助较大。本研究主要针对印度的交通危机，并且重新设计的公交车是以AIS-052公交车为蓝本的。

产品调研

城际巴士是在第3类、第4类AIS-052客车车身设计条例的规定下进行设计的。 该条例以乘客的舒适性为主要目的，对长途巴士的设计提出了规定。第4类客车是特殊用途的卧铺巴士，正在慢慢普及。

城际巴士根据承载能力的大小划分为中型巴士，里程为35公里为限，可容纳50名乘客。 城际巴士再根据舒适度可分为非豪华巴士（NDX），半豪华巴士（SDX），豪华巴士（DLX）和A / C豪华巴士（ACX）。非豪华巴士为最基本的舒适等级；半豪华巴士具有较高的舒适度，其座椅经过人体工程学设计；豪华巴士为高舒适度等级，其具有可调靠背的独立座椅，通风条件较好，内饰较高端；A / C豪华巴士是指带有空调的豪华巴士。

目前，在印度运营的城际巴士是豪华型和A/C豪华型的。定义城际巴士外部造型的主要部件是挡风玻璃，前保险杠，前大灯，指示器，刮水器，侧窗，乘客门，驾驶室门，行李箱，发动机空间，后挡风玻璃，车牌，刹车灯，后部指示器，后保险杠和散热器格栅。巴士的内部由驾驶室和乘客舱组成。驾驶室包括驾驶员座位，助手席，仪表板和转向装置。根据公共汽车类型不同，乘客舱由多排座椅或床组成。所有的城市巴士都是地面高度为1200毫米以上的高层巴士，行李空间位于地板下方，行李门分布在巴士的两侧。在目前的大部分公共汽车设计中，乘客车门均位于公共汽车的前部角落。

城际巴士的生产分为两个阶段：OEM制造商负责生产巴士的底盘系统，包括车辆的发动机，变速箱和底盘；车身则由车身公司制造。为了规范巴士的设计，印度航运部和道路运输部门于2001年9月发布了AIS-052标准。在设计城际公交车时要考虑的主要规则列于表1，如下所示。

表1：巴士设计规范AIS – 052

巴士的气动特性

正如前文所述，通过适当调整外部造型、减少正面投影面积来减小阻力系数是降低公路车辆空气阻力的两个可行方案。

在产品研发期间发现，大量的低地板巴士在城市地区用于载客。如图1所示，这些巴士的地板高度低于350毫米，而高层巴士的地板高度则为1200毫米。低地板巴士有举升机构，可进一步降低整体高度。 这些巴士内部空间的占比超过了60％，而内部高度超过了1800mm。城际巴士在设计时，结合了低地板巴士底盘，可以进一步降低巴士的高度，从而降低正面投影的面积，而较低的投影面积可以带来较小的空气阻力。与巴士制造商的沟通表明，由于下列因素，车身制造商对于采用低地板的底盘犹豫不决。如能克服以下困难，低底板巴士的设计可将整车高度从3400mm降低到2600mm。

bull;行李空间变小

bull;座位的数量由于轮罩的凸出而变少

bull;地板面积将分为两层

bull;油箱空间较小以致容量较低

bull;难以进入发动机舱进行维修

bull;高底盘可提高乘客舒适度

bull;从心理学角度考虑，比起低地板，人们更喜欢乘坐高地板的车辆

图1 汽车底盘类型

用户调研

用户调研是以选择客户群为目标，为了了解用户的不满和期望而进行的一项调查。调查表明，用户需要一个舒适、快速的通勤车辆，同时价格合理、外型美观；其中城际巴士用户主要由在异地工作的上班族（45％）和学生（34％）所组成。以商务旅行为目的上座率为16％。93％的人喜欢夜间旅行，而7％的人则喜欢日间旅行。72％的乘客喜欢睡觉，而只有26％的人喜欢做其他的事情；如果钱不是限制，82％的人更喜欢乘坐卧铺旅行车，而其余人则喜欢乘坐AC豪华巴士；由于公共汽车的便捷性和舒适性，大多数乘客都会乘坐巴士去旅行；而站点是否安全、快速和灵活，也影响他们的决定；星期五、星期六和星期日载客率最高；与从班加罗尔出发的豪华和半豪华客车相比，卧铺客车和AC豪华客车的入住率高；人们喜欢占用前排座位而不是后排座位；超过80％的私人城际巴士在晚上运营。

研究表明，大多数城际巴士的乘客年龄在18岁至35岁之间，由上班族和学生组成；研究还发现人们更喜欢卧铺客车而非半卧铺（斜躺座椅）客车；目标客户群定为18至35岁，城际巴士被定为卧铺客车。下面列出了乘车时令用户不满的因素：

bull;由于台阶较高，老年人和残疾人难以上车。

bull;由于可用空间内的身体移动有限，可调座椅难以入睡。

bull;长时间旅行后会导致身体和颈部疼痛。

bull;路灯和路过车辆的光线通过窗户进入乘客舱经常会打扰睡眠。

bull;半豪华巴士和豪华巴士的行李空间较少。

bull;公共汽车内因缺乏厕所而导致频繁停车，会引起用户不适。

bull;由于车门的所在位置，公共汽车站的平台也无法降低乘车高度。

图2 QFD矩阵

质量功能展开（QFD）矩阵是通过将用户的不满和期望转化为具体图表的矩阵图（参见图2）。 QFD指出了能达到用户最大满意度的重要领域。如QFD矩阵所示，低地板、举升机构、卧铺、好的车门位置和气动外形被更多的人所期待。

低地板的巴士设计能解决老年人和残疾人的乘车问题，同时这也是在不减少内部空间的情况下可以减小公交车高度以改善车辆的气动特性的好办法；低地板卧铺巴士解决了睡觉的难题，而半豪华巴士则由于倾斜座椅、被动的身体运动、腿部空间狭小，会导致身体关节疼痛；巴士内床铺下方的区域可以轻松转换为行李箱或油箱；侧窗则允许用户调整窗户的不透明度，一次减少来自外部的光干扰；巴士的乘员舱内必须具有卫生间；将车门定位在前轮拱门之后，可以降

低乘车高度以适合站台高度。

建模与分析

作为研究对象的这辆城际公交车是印度市场上的最新型号，非常受欢迎。在新巴士的设计中，该模型的工程参数将保持不变，并作为优化气动特性的基准。该模型用于进行CFD分析以及空气动力学参数优化，例如气流分离和停滞的区域，车身周围的压力分布，以及各种外形部件对车辆整体阻力系数的影响。

几何和网格生成——使用Alias studio工具和CATIA创建基线模型的三维模型，如图3所示。为便于分析，忽略了车身中的细节和间隙。

图3 原始城际巴士及模型

在巴士模型周围创建了96米x 12.75米x 17米的流体域，该长度是车身长度的10倍，车身宽度和车身高度的5倍。巴士模型置于该区域内，使车辆前方留有1/3长度，而将较大的域保留在后方，以捕捉基本流动特征（图4）。在该域内创建一个较小的域，以便在巴士车体内部和周围生成较细网格。

GAMBIT预处理器是用于生成网格的软件。外部造型的网格与与流场的粗糙网格相连，用21,47,716个非结构化四面体混合元素来对整个流体域进行网格划分。

边界条件——使用Gambit预处理器将边界条件（图4）应用于网格模型。该分析是在考虑了直风的行驶状况下、仅在80,100,120公里/小时的三种不同车速下进行的。

在入口处施加恒定的风速，该风速与风洞测试时的风速相同。在工作压力下，在出口处施加标准大气压。表2列出了分析中使用的所有边界条件。

表2 边界条件

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