摘要：

减少空气阻力对于减少汽车的二氧化碳排放是必不可少的。然而，由于空气阻力取决于车身的形状，因此在产品开发中平衡设计和空气动力学是一个命题。专注于轮胎周围的风流，这是SUV设计的重点之一，对Cd值的贡献很大，以实现高水平的空气动力学性能和设计，以及计算流体动力学(CFD)))致力于技术和风流控制技术的开发。首先，着眼于轮胎形状和车轮旋转方式的再现性，构建了可以再现轮胎周围风流现象的CFD技术。然后，使用CFD分析了导致Cd值的风流动能损失的因素，建立了一种新的风流控制技术，与传统技术相比，该技术可以降低Cd值约3%。通过将新技术应用于CX-30的产品开发，能够实现设计理念和同类领先的Cd值。

关键词：空气动力学,设计,CFD

1.首先

马自达旨在通过减少汽车的二氧化碳排放量，同时为客户提供驾驶乐趣，与全球环境持久共存。汽车的二氧化碳排放量不仅取决于发动机性能，还取决于行驶阻力。正在努力减少空气阻力，这是运行阻力之一。运行阻力主要分为空气阻力和滚动阻力。空气阻力的贡献随着车速的增加而增加，在公里/小时行驶时约占80%。空气阻力的大小取决于空气阻力系数（Cd值），空气阻力值与Cd值成正比增加。Cd值由车辆周围的风流状态决定。认为，当车辆周围的风流中产生涡流时，风的动能就会损失，空气阻力也随之增加。

因此，为了降低空气阻力，应控制车辆周围的风，抑制涡流。然而，车辆周围的风流是一种看不见的复杂现象，与涡流的产生和发展有关的现象仍在阐明过程中。有几种方法，例如使用现有技术平滑车辆形状以减少涡流，但仅依赖现有技术的控制对车辆包装和设计施加了限制。因此，产品开发中的一个重要问题是导出与设计等其他功能兼容的形状。在本文中，开发了轮胎周围的CFD技术和风流控制技术，致力于在高水平上实现精神运动设计和降低空气阻力，以及与设计师共同创造的CX-30的空气动力学开发这些技术。将描述一个例子。

2.新一代SUV的空气动力学发展挑战

2.1风流控制概念

根据迄今为止的研究，认为减少风流的动能损失对于降低Cd值很重要，产生这种涡流的涡流大致可以分为三种类型。第一个是从物体上剥离产生的“剥离涡流”，第二个是不同流合并产生的“混合涡流”，第三个是物体后面的上、下、左、右流合并。是发生的“回流漩涡”。通过减少出现在车辆周围各个部分的涡流（图1），可以减少风流的动能损失。

图1车辆各部分的动能损失

2.2CX-30平衡空气动力学和设计的挑战

在这项研究中，专注于轮胎周围产生的剥离涡流和混合涡流并开发了该技术。原因是轮胎周围涡流造成的动能损失对整车的贡献较大。一般说来，车辆周围产生的空气阻力有20%～30%是由轮胎引起的，而在SUV等高高度车辆中，轮胎外露量增加，影响会更大。此外，为了在CX-30中实现想要表现出大胆SUV力量的设计理念，需要将轮胎的暴露面积扩大到车身外部的造型。这种暴露区域的扩大增加了撞击轮胎的空气量，并进一步加强了轮胎周围的涡流。综上所述，CX-30实现空气动力学和设计兼顾的最大挑战是建立一种新的控制技术，可以减少轮胎周围的涡流，并在开发初期以较高的速度实现空气动力学和设计的兼顾。设计自由度。它是共同创建模型。

在本文中，通过构建阐明轮胎周围现象所需的CFD技术（第2章）、建立使用它的控制技术（第3章）以及与CX-30的共同创造活动（第3章）来解决这个问题。第4章的报告）。

3.支持阐明轮胎周围现象的CFD技术

3.1CFD技术发展研究方法

近年来，对再现轮胎周围伴随旋转现象的CFD技术进行了积极的研究，对轮胎周围风流总压力和Cd值的预测精度进行了讨论。尽管CFD技术逐年变得更加成熟，但伴随旋转的轮胎周围流场仍然存在误差，研究仍在进行中。为了进一步提高CFD的准确性并将其应用于现象阐明和产品开发，详细了解导致CFD与测量值之间存在误差的因素非常重要。这是因为如果知道误差的原因，就可以明确提高CFD精度的问题，并可以根据误差因素及其程度来确定实际车辆的性能和规格。因此，在本研究中，除了验证Cd值和风动能损失量的准确性外，还通过定义对动能损失量有贡献的风流的中间特征值并验证准确性,CFD和实际现象的区别可以看出来，详细了解一下。

先前的研究表明，轮胎周围的顶部和底部存在特征涡流（图2）。通过分析其产生和发展过程，将这些涡流分析为“由于轮胎前部压力升高，风在轮罩和轮胎侧面弯曲的现象”和“车轮打开”。和轮拱间隙”。人们认为它是由风的流入和流出两种现象形成的（图3）。然后，将“轮胎前部压力”和“轮胎侧开口的流入/流出”定义为有助于动能损失量的中间特征值。

图2轮胎周围的流线

图3轮胎周围产生涡流的过程

3.2CFD分析条件

本研究的CFD使用通用流体分析软件STARCCM+?，并对湍流模型应用DetachedEddySimulation(DES)进行非定常分析。特别是这次检查轮胎形状（横截面形状和花纹形状）的再现性（被认为对耳朵前部的压力有很大影响）与车轮旋转方法之间的差异，该方法被认为具有对胎侧开口的流入流出影响大...分析了以下四个条件以确认每个条件的影响（表1）。

表1CFD设置

图4轮胎形状

轮胎尺寸为/55R18，准备了3种形状数据（图4）。案例1是基于轮胎总宽度和外径信息创建的简单形状。在创建形状时，对于胎肩R等详细形状，不考虑实际形状的再现性。另一方面，案例2和案例3是通过3D扫描风洞测试中使用的轮胎获得的形状。在案例2和案例3中，都再现了风洞试验期间由地面接触引起的挤压。案例2和案例3的区别在于有无轮胎花纹的再现。此外，研究了两种再现车轮旋转的方法。一种方法是在不实际旋转轮辐（旋转壁边界）（rotationwallboundary）的情况下，给轮壁面赋予旋转速度，另一种方法是旋转轮子轮辐部分的网格。这是一种滑动网格技术（slidingmeshtechnique），可再现刚体的旋转运动。

3.3风洞试验流场测量

风洞试验在斯图加德理工学院FKFS风洞进行，再现了轮胎旋转和路面运动。使用4孔皮托管测量轮胎周围的流场，并在前轮胎的前面和侧面的所有四个横截面上测量速度和压力（图5）。然后，使用以下等式（1）至（5）从测得的速度和压力计算每个特征值。

图5测量部分

3.4结果与讨论

(1)轮胎形状的影响

检查了轮胎形状再现性的差异对从方程（1）获得的轮胎前方压力系数的影响（图6）。红色部分表示压力高，图中数值为压力系数测量截面的平均值。当轮胎接地的压碎部分和凹槽的形状再现时，可以看到轮胎前面的压力下降并接近测量值。案例2的轮胎前压低于案例1。这是因为通过再现压碎的轮胎，减少了接地部分的面积并增加了肩部的曲率，这使得流动更容易传递到侧面（图6和图7））。此外，案例3的轮胎前压低于案例2。这是因为风使轮胎凹槽和地面之间的间隙通风（图6和7）。两者都是通过增加轮胎形状的再现性来接近测量值，并且为了提高作为中间特性之一的轮胎前压的再现精度，轮胎接地部分的横截面形状，轮胎和地面的垂直凹槽可以说，再现缝隙中的通风很重要。

图6WTTest和CFD测得的轮胎前方压力

图7轮胎底部流动结构及流动流线图

接下来，检查了从方程（3）获得的车轮开口处对流入和流出流量的影响，这是另一个中间特性（图8）。红色部分表示轮口流出量大，蓝色部分表示流入量大。以车轮开口的上部为中心，在风洞实测情况下，流向车轮的流动占主导地位，但从CFD得到的结果，在所有情况下，流出方向的流动占主导地位情况1～3，与实际测量相反。由此，认为仅通过提高轮胎形状的再现精度难以提高伴随旋转的车轮开口的再现精度。

图8车轮开口处Y方向的速度大小（蓝色：向内，红色：向外）

(2)车轮转动方式的影响

经证实，车轮转动方式的差异影响了前胎压力和车轮开口处的流入和流出。在考虑车轮刚体旋转运动的Case4中，轮胎前方的压力高于Case3（图9），与实测值的偏差较大。另一方面，进入车轮开口上部和轮拱间隙的流入量接近测量值（图10、11）。为了了解这些变化的因素，分析了CFD的流场（图12）。可以看出，车轮辐条的风向随车轮有无刚体转动而发生显着变化。这是因为主流被轮的旋转运动剪切，并且被认为是剪切流的一部分流入开口。也由流入引起来自轮拱后端的流入量也增加了。据推测，这种流入会增加轮胎室内的压力并导致上述预胎压力的增加。由上可知，为了提高再现轮胎侧开口流入量的精度，再现车轮旋转运动是重要的，这是另一个中间特性。但是，车轮开口下部的测量值与CFD结果存在较大差异，提高精度是未来的问题。

图9WTTest和CFD测得的轮胎前方压力

图10车轮开口处Y方向的速度大小（蓝色：向内，红色：向外）

图11轮拱开口Y方向速度大小（蓝色：向内，红色：向外）

图12前轮周围的流路线（蓝色：向内，红色：向外）

(3)动能损失和Cd值预测精度

在检查轮胎周围的动能损失量时，可以看出，在前一节中描述的中间特性的再现精度高的案例4显示了最接近测量值的值（图13）。

基于此结果，我们在Case1和Case4的分析条件下对轮胎周围不同形状的多个规格进行了分析，验证了Cd值的预测精度。Case4比Case1具有更高的相关性，并且具有更高的绝对值预测精度。由上可知，通过提高中间特性的再现精度，可以提高最终演奏的再现精度。进一步提高CFD精度的技术开发将在未来继续进行，但是通过该技术开发可以验证精度的分析条件将被用于阐明轮胎周围的现象并确定车辆模型开发的规格纠正错误效应。

图13轮胎旁的动能

图14CFD与风洞试验Cd值相关图

4、轮胎周围风流控制技术的发展

4.1控制技术演进途径

轮胎周围的流场不仅受轮胎和车轮形状的影响，还受前保险杠等车身形状以及轮胎和车轮在实际行驶过程中的旋转运动等多重因素的影响。因此，很难从整车的流场中单独把握各个因素的影响，找到一种通用的思维方式和控制因素，可以适用于不同的车型。因此，我们首先用一个简单的模型来单独了解每个因素对轮胎周围涡流的影响以及由此产生的能量损失，然后采取一种方法来获得控制的思路。具体来说，创建并检查了一个简单的模型，该模型只能单独评估轮胎旋转的影响和车身的存在，这是赋予汽车的条件。

4.2轮胎换位对风能损失的影响

首先，使用单个轮胎的模型，研究了轮胎和车轮的旋转运动对风动能的影响（图15）。蓝色部分表示能量较低，当再现轮胎的旋转时，可以看到能量在轮胎上部减小，相反在轮胎下部增加。可以从图中所示的每个横截面中保持的能量来确认这种趋势。这是因为轮胎的旋转和输入风的方向在轮胎底部匹配，所以靠近壁面的速度增加，可以抑制分离涡的产生。另一方面，轮胎的上部是相反的（图16）。因此，认为可以通过控制轮胎前方的垂直输入风向，将风引导至不易产生分离涡的轮胎下部，减少风的能量损失。

图15轮胎旁的流线和动能

图16旋转时轮胎周围流动结构图

4.3体存在对风能损失的影响

接下来，使用一个简单的车辆模型，研究了身体的存在对风动能的影响。可以看出，与轮胎单独的状态相比，由于车身的存在，轮胎侧面的能量减少了（图17）。其原因是当车身安装时，轮胎前方的输入风向相对于主流向轮胎外侧弯曲（图18）。随着输入风的弯曲变大，风在轮胎外侧向远离胎肩的方向流动，导致剥离，在轮胎内侧，风流动以被夹在轮胎的后部。结果，轮胎内侧和外侧的风向差异在轮胎后部增大，加强了轮胎后部的混合涡流（图19）。因此，认为如果能够控制轮胎前方左右方向的风向，并且风相对于轮胎的弯曲，则可以减少轮胎侧面和背面的风能量损失。主流可以减少。

图17轮胎旁的动能

图18带体轮胎周围的流动结构

图19带体轮胎周围流动结构图

4.4降低轮胎底部涡流的控制理念和具体结构

通过上一节，展示了通过控制轮胎前方的输入风向来减少轮胎周围能量损失量的想法。具体地，可以将风引导到轮胎的下部，其中轮胎的旋转方向和输入风向匹配，同时使左右方向上的风的弯曲最小化。本节提到了实现这一点的具体结构。如果对设计或车辆布局没有限制，则可以使用保险杠的外边缘位置和曲率作为控制因素将风引导到所需的方向。然而，通过这种方法很难实现将轮胎从保险杠中暴露出来的设计理念。因此，通过在保险杠底部安装小而不起眼的安装部件（导流板）来努力控制风向并增加设计的自由度。

上一代SUV车型采用平板式导流板结构，减少撞击轮胎的风，抑制风进入轮罩，减少轮胎顶部的涡流。然而，采用这种结构，由于导流板表面的压力急剧上升，并且正好在轮胎之前向左和向右弯曲，因此很难控制轮胎前方的风向。因此，我们构思了一个三维斜坡结构，并通过从保险杠下端逐渐弯曲风来实现所需的风向控制的形状（图20）。为了进一步缩小零件尺寸，我们不仅检查了导流板的基本形状，还检查了使用风的风向控制。具体而言，通过将风引入导流板一次并沿目标方向从背面排出风，即使基本形状被小型化，也可以保持风向控制功能（图21）。有了这些结构，轮胎的输入风向（有助于动能损失量）可以减少约6°（图22）。由于上述演变，在兼容设计的同时可以提高空气动力学性能，与上一代相比，Cd值可以降低约3%（图23）。

图20导流板周围流动的图像

图21带吹气结构的导流板

图22轮胎前方的流线

图23新型导流板减阻性能

5.CX-30空气动力学与设计共创活动

5.1通过“与人共创”的共创过程缩短开发时间

为了在设计和空气动力学之间取得突破的想法，双方有必要从早期就进行兼容性的讨论。因此，除了力求理解前一阶段的设计理念外，我们还利用CFD，便于理解现象，介绍空气动力学的原理和原理，以及第4章中描述的新控制概念和必要功能。设计师和设计师，我们搭建了一个让人们了解的地方，开展了共创活动。这是值得的，我们能够相互提出突破，因此我们能够在早期融合产品开发的同时，将新的风流控制技术体现在我们的产品中。

5.2平衡风流控制功能的结构与设计

空气动力学和设计共同创造的目标有多个部分（图24），但我们