桂小刚 徐劼 詹凤
摘 要：随着国家对环保要求的严格执行，各大主机厂必须严控各自生产的汽车的碳排放，通常的做法有：A、减重;B、降低滚阻;C、改善空气动力学性能;D、开发电动车等等;而主动进气格栅就是改善空气动力学性能的一个重要部件，且参与电动车的电池组的热管理，增加电动车的巡航里程;在目前各个车型，尤其是电动车上，使用越来越广泛;本文阐述了主动进气格栅在每个开发阶段的技术研发要点。
关键词：主动进气格栅;机构;理论分析;仿真分析;DV测试;控制逻辑
1 引言
随着全球气候变化加剧，世界各国都在严控各自的碳排放，以减少恶劣气候的发生;为此，欧洲环境署在2014年4月24号宣布了针对欧洲汽车工业的最新的二氧化碳排放法规：A、到2015年，欧洲市场上所有新车的二氧化碳平均排放量不超过130g/km（从2012年开始逐步实施）;B、到2021年，所有新车的二氧化碳平均排放量不超过95g/km（从2020年开始逐步实施）。在中国，2012年国务院发布《国家节能与新能源汽车产业发展规划》里明确要求到2015年乘用车平均油耗降至6.9L/100km，2020年达到5.0L/100km[1]。在汽车行业，为了降低汽车的碳排放，通常的做法有：A、减重;B、降低滚阻;C、改善空气动力学性能;D、开发电动车等等;而主动进气格栅是改善空气动力学性能的一个重要部件，且参与电动车的电池组的热管理，增加电动车的巡航里程;相对乘用车而言，主动进气格栅能够使CO2的排放降低0.5～3g/km，风阻系数降低0.03[2]。
2 主动进气格栅的结构设计
在主动进气格栅（简称AGS）前期设计阶段，在没有CAE分析辅助的阶段，所有的技术方案必须要建立在理論分析可行的基础之上，再通过一系列的理论验证方可实施，AGS的结构设计，就是建立在这一系的理论验证的基础上，达到精准控制叶片的开启角度及停留位置;
下面是理论分析的方法：
A、风压计算公式：
F=.ρ.V2.S.Cd （1）
式中：F为叶片所受风载压力;ρ为空气密度;V为车速;S为单片叶片的受力面积;Cd为空气阻力系数;
B、单片叶片的受力分析，见图1。
根据加载状况，将模型简化如上图所示，即可算出单个叶片的受力;
C、单片叶片的受力变形分析，见图2。
将单个叶片实际受力简化为简支梁模型，受到风的垂直载荷，如上图所示。
根据材料力学模型得到叶片弯曲的挠曲线方程：
（2）
其中x为距离一段支点的距离，E为材料的刚度（塑料的模量），I为材料的惯性矩（与材料横截面的形状有关），q为受到的均匀载荷的系数。
根据弯曲挠度计算，当x=I/2时，得到最大变形量。此时挠度ω（弯曲变形量）为：
，代入参数得： （3）
其中惯性矩为 （4）
把相应的设计尺寸代入上述公式当中，即可算出叶片的变形;
D、平衡的联动机构。
为了使AGS在实车上平稳运行，且能满足各种工况下的运动，各零件之间必须要能平衡联动，驱动机构之间的有效连接、相互之间的有效驱动至关重。
3 主动进气格栅的电机扭矩的选型
电机扭矩大小的选择至关重要，若选择过小，则无法带动叶片的开启;若选择过大，则电机体积过大，不利结构布置，而且会造成成本过高;所以所选电机的扭矩必须满足车型在高速行驶状态下，克服风阻的压力，能正常带动叶片的开启;所以电机的扭矩与叶片的受力面积，风速等因素息息相关;
A、叶片受力扭矩的计算公式：
T=FL
式中：T为扭矩，F为叶片所受风载压力;L为力臂;
B、叶片受力扭矩分析，见图3：
根据加载状况，将模型简化如上图，由于转轴的位置不对称，总宽度L=L1+L2，L1、L2分别为长边和短边。
单片叶片的扭矩计算：T=T1-T2=F1L1-F2L2
其中：F=.ρ.V2.S.Cd，S=L0L，令K=.ρ.V2.S.Cd;T=KL0（L21-L22）
驱动单片叶片所需的扭矩为：T=3KL0（L21-L21）
C、叶片最大扭矩位置分析，见图4：
当叶片转到一定角度（θ）时，如上图所示（单个叶片旋转之后的受力分析）：根据上面叶片的受力分析计算过程，同样得到单个叶片的扭矩为：
T=KL0（L21-L22）sin2θ
即当角度为90度是，叶片的扭矩最大，此时电机输出的扭矩也是最大;
D、转轴摩擦力产生的扭矩分析：
f摩擦力=F风μ摩擦系数;
T摩擦力=f摩擦力R轴承半径
电机输出的扭矩：T电机=T叶片T摩擦+T其它
把相应的参数代入，即可估算出电机理论上所需输出的扭矩;
4 CAE分析
为了验证设计的合理性，需要借助CAE的辅助分析，对设计的机构及理论设置的一些参数，做进一步的验证;来指导设计做进一步的优化。
由于AGS是整车空气动力学性能的一个重要组成部分，对整车的风阻影响较大;所以空气动力学的仿真分析，对AGS是非常重要的一项分析。而在AGS的空气动力学分析当中，泄漏率是AGS的一项非常重要的参数，而影响泄漏率的主要因素有：a、AGS整体的刚度;b、单片叶片的刚度;c、电机的保持扭矩的大小;所以为了满足AGS泄漏率的要求，整体AGS的刚度和电机保持扭矩的大小至关重要;
为了验证叶片在风压下的刚度及其变形量，来指导叶片的设计，AGS通常需要做如下分析：
A、计算叶片的压力分布：
主要为了进一步分析叶片的刚度，为叶片的结构设计提供支持;
B、泄漏率分析：
主要为了模拟整车在运动过程当中，叶片在加载的情况下，AGS总成的密封性，对整车风阻的贡献;
C、仿真运动分析：
主要为了模拟运动机构的可行性及平衡性，及时了解瞬态时的受力情况;
D、电机扭矩大小的输出分析：
主要为了模拟叶片在加载的情况下，电机所需输出的扭矩，为电机选型提供依据;
AGS除了做上述分析之后，还会根据具体要求，做相应的其它CAE分析;
下面是叶片的受力分析，见图6。
5 DV验证
为了验证产品性能是否满足前期设计阶段定义的各种工况的性能要求，需要通过相应的DV测试来验证设计的合理性及准确性，同时需要开发相应的DV测试设备来做相应的测试。
根据AGS这个零件的定义及其在实车上所处的位置，需要满足整车在各种工况下的性能要求，所以AGS通常需要做如下DV测试。
A、耐久循环测试：
实验的目的是模拟实车在各种工况下，主动进气格栅总成在加载的情况下，经受冷热条件的多次循环的耐久实验后，还能满足AGS所需要的功能;
B、泄漏率测试：
实验目的是检验AGS的密封性，是否能满足整车风阻的要求;
C、高压冲洗测试：
实验目的是模拟实车在洗车的情况下，AGS是否能正常运转，叶片是否会被冲断或脱落。
D、泼贱冲击测试：
由于AGS位于整车的前端，常常需要面临泥水的泼溅;所以该项实验的目的是检验AGS在泥水的泼溅之后，泥巴粘接在叶片上，AGS总成是否能开启正常。
为了全面模拟AGS所处的各种工况，还需要做其它各种测试。
6 电机的控制逻辑
BCM根据整车的发动机温度、冷却水的温度、车速及其它工况，发出指令，AGS的电机根据BCM的指令，来控制AGS叶片的开、闭;通过本身的输出力矩，精准控制叶片的停留位置。
7 结语
节能减排是国家发展的一個趋势，是各主机厂必须执行的一项指令，而AGS主动进气格栅相对燃油车而言：对降低油耗，减少排放可以起到非常大的作用;而相对电动车而言：参与电池组的热管理，对增加电动车的巡航里程起到非常大的作用;所以对主机厂而言，使用主动进气格栅来减少碳排放及增加电动车的巡航里程是一个非常好的选择方案，也是当前的一个发展趋势;本文阐述了主动进气格栅在每个开发阶段的技术研发要点，对AGS的研发具有指导意义。
参考文献：
[1]轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）：GB18352.5-2013.
[2]方茂东.道路行驶阻力和滑行法测量及其在底盘侧功机上的设定[J]，汽车技术，1996（2）：22-27.
[3]Charnesky Scott，Fadler Gregory， Lockwood Thomas. Variable and Fixed Airflow for Vehicle Cooling [C]. SAE Paper 2011-01-1340.
[4] [5]孙训方.梁弯曲时的位移 材料力学（I）第5版.
