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功能多元化及实用化是当前车辆工程领域的研究热点和趋势.针对家庭经济型轿车的实际应用需求,从车辆后备箱容积可变角度开展研究工作.首先,基于机构再生运动链理论对后备箱变形机构的基本结构进行设计;其次,为获得最优的机构设计方案,对车辆变形前后的气动性能进行数值模拟分析,并根据模拟分析结果对设计方案进行相应改进.研究结果表明,设计的变形机构满足设计目标要求,能够完成车辆在三厢形态与两厢形态之间的变形,且三厢形态车辆的阻力系数小于两厢形态,有一定的气动性能优势.相关研究结果为可变容积车辆设计提供了理论分析依据和实践
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第55卷第4期
2015年 7月
大连理工大学学报
Journal of Dalian University of Technology
Vol. 55, No. 4
July 2 0 1 5
文 章 编 号 :1 000 -860 8(20 15)0 4-0 345 -07
车辆后备箱变容设计及外流场数值模拟分析
解瑞雪\ 张明恒1’2 , 胡 平 n ’2 , 王 帅 \ 赵秀栋1
( 1 . 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室.辽 宁 大 连 116024;
2 .大连理工大学汽车工程学院.辽宁大连 116024 )
主商要:功能多元化及实用化是当前车辆工程领域的研究热点和趋势.针对家庭经济型轿车
的实际应用需求. 从车辆后备箱容积可变角度开展研究工作. 首先.基于机构再生运动链理论
对后备箱变形机构的基本结构进行设计;其次.为获得最优的机构设计方案.对车辆变形前后
的气动性能进行数值模拟分析.并根据模拟分析结果对设计方案进行相应改进.研究结果表
明.设计的变形机构满足设计目标要求. 能够完成车辆在三厢形态与两厢形态之间的变形.且
三厢形态车辆的阻力系数小于两厢形态. 有一定的气动性能优势.相关研究结果为可变容积
车辆设计提供了理论分析依据和实践参考.
关键词:车辆变形设计;计算流体力学;数值模拟;阻力系数
中图分类号:U463. 82 文献标识码:A doi:10. 7511/dllgxb201504002
0 引言
随着汽车技术的快速发展,人们对交通工具
提出了更高要求.对于普通消费者,购买多款不同
类型车辆实现不同的出行目的逐渐成为一种发展
趋势.与此同时,城市的交通环境状况日益严峻,
这迫使相关管理部门不得不采取类似汽车限购等
措施来应对拥堵与环境污染等问题[1:.因此,消费
者需求多元化与节能减排、低碳经济的矛盾成为
汽车行业进一步发展所面临的一大社会经济问
题.交通工具的功能多元化研究是解决该问题的
关键所在,同时也是未来行业发展的趋势与研究
热点.
目前车辆的变形技术研究主要体现在三方
面:最小离地间隙、轴距和后备箱容积.科研人员
在总结车辆变形领域已有成果基础上,从车辆设
计本身出发,提出了车辆变形的全新概念,即汽车
本身具备一定的变形功能,可以根据消费者的实
际需求进行变形,达到一车两用或一车多用的目
已有研究中,大箱扩容方案均是在不改变车
辆外形基础上,通过有效利用驾驶室后排座椅空
间或提升后备箱开口幅度和开口面积(如掀背式
方案),以此获得尽可能大的后备箱货物装载量.
本文对家庭轿车的后备箱进行改型,使车辆具备
三厢形态与两厢形态,且两种模式间可进行相互
切换,以克服现有三厢轿车后备箱容积较小、载物
受限的缺陷.
1 变形机构设计
本文的设计目标为以现有三厢轿车为设计平
台开展后备箱变形设计,使车辆具备三厢与两厢
形态间自由切换的功能.为达到上述设计目标,经
过对设计平台的详细分析,本文提出了如图1 所
示的变形设计方案.
图 1 变形设计方案
Fig. 1 Va riant design scheme
收稿曰期: 2014-12-10; 修回日期:2015-05-28.
基金项目:“十二五” 国家科技支撑计划资助项目(2013BAG05B01).
作者简介: 解瑞雪(1990-),女 ,硕 士 生 ,E-mail: ruixue070809@ 126. com ;胡 平 ’ (195 6-),男,教授,博士生导师,E-mail: pinghu®
dlut. edu. cn.
大连理工大学学报
第 55卷
图4 后窗开启角速度及电机功率
Fig. 4 Angular velocity of rear window and motor
power
1 . 3 变形机构布置
基于上述变形方案,本文设计的变形机构整
体布置如图5 所示,其中包括7 个子机构.后车窗
与后备箱上平面可经弧形滑道机构移动构成两厢
时的尾部顶面,后备箱垂直面形成两厢时后垂直
面的上半部分,该变形动作是整个变形过程的核
心.尾部两侧及尾部后垂直面下半部分未封闭处
分别由侧垂直面及后垂直面配板加以封闭. 图 6
为样车变形机构布置实图,图 7 为实车照片.
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t)K«inna
图5 机构布置图
Fig. 5 Mechanism arrangement diagram
图6 样车变形机构布置实图
Fig. 6 Real car mechanism arrangement diagram
行合理估计,本又在 A d a m s 中建立了对应的机构
模型并进行了运动仿真分析.仿真基本参数为后
车窗质量15 k g ,后 备箱质量20 k g,质心均位于
几何中心,最大开启角度80% 运动仿真结果如图
4 所示. 由图可知,后 窗的开启 角速 度 to变化平
稳 ,要求的最大电机功率为280 N m / s ,说明所设
计的后车窗自动开闭机构可以满足设计目标要
求.
1 . 1 变形机构的抽象及简化
基于上述变形方案,后备箱在绕旋转中心转
动基础上还耦合有杆件的平动,系统杆件自由度
为 2.基于机构再生运动链理论[2:,设计的机构运
动简图图谱如图2 所示.4 种方案均由七杆机构
构成,理论上均能够完成预定的变形要求.方案一
和方案二均含有二 S!j构件,方案复杂,运动不易控
制 ;方案四中机构尺寸较大.方案二的约束运动结
构 为 1、2、3、4 四杆机构,主要运动可看作1、2 、3 、
4 杆的四杆平面运动,5、6 杆主要起到死点支撑作
用,可以在两厢模式下对机构起到支撑作用.该方
案简洁稳定,因此本文选择方案二进行机构设计.
其中部件2 与 3 间的运动属于一种复合运动,因
此需要对该处进行详细的结构设计和优化.
图2 变形机构设计方案简图
Fig. 2 Variant mechanism design scheme diagram
1 . 2 主要变形机构设计及动力学仿真
根据平移旋转复合运动的要求,所设计的弧
形滑道机构如图3 所示.弧形滑道一方面在变形
过程中承受后备箱盖板的垂直力,另一方面为后
备箱变形提供导向作用,便于内插.同时,以 12 V
直流电机为动力源,结合滑块和弧形滑道的运动
关系,即可实现机构的自由变形.
图3 弧形滑道机构布置图
Fig. 3 Cambered slipway schematic diagram
为验证所设计机构的合理性及对驱动电机进
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