常原，賀斌，陳麗華，赫連青軍

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

?

整車前地板位置底部護(hù)板設(shè)計

常原，賀斌，陳麗華，赫連青軍

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

綜合考慮了底護(hù)板設(shè)計對整車性能以及車輛底部其他零件布置的影響，從類型、材料、結(jié)構(gòu)三方面展開，提出了前地板底護(hù)板的設(shè)計方案。通過風(fēng)洞實驗考察了底護(hù)板的安裝高度對于風(fēng)阻收益的影響。利用ANSYS有限元軟件對前地板底護(hù)板進(jìn)行熱力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了改進(jìn)方案。

前地板底部護(hù)板；空氣阻力；燃油經(jīng)濟(jì)性；ANSYS有限元分析；LWRT材料

0 引言

隨著汽車市場的發(fā)展，用戶對汽車產(chǎn)品的要求不斷提升，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性逐漸成為購買者選車時關(guān)注的焦點。各大主機(jī)廠也相繼將改善燃油經(jīng)濟(jì)性作為研發(fā)創(chuàng)新的主要目標(biāo)。改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，會為使用者帶來經(jīng)濟(jì)利益，也會為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會做出貢獻(xiàn)[1]。相關(guān)專家通過大量的試驗與分析，總結(jié)出影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的4個因素：汽車在行駛過程中受到的阻力、汽車駕駛員的駕駛習(xí)慣、汽車動力總成的能量轉(zhuǎn)化效率以及汽車的整車重量?？諝庾枇κ瞧囆旭傋枇Φ闹匾M成部分。大量研究表明：諸如驅(qū)動軸、懸架導(dǎo)向桿、后視鏡、門把等車身表面凸起零件，在汽車行駛過程中會與氣流作用，產(chǎn)生干擾阻力[2]。文中在車輛前地板位置加裝汽車底護(hù)板，遮蓋底盤零件。前地板底護(hù)板的應(yīng)用能夠平整整車底部形貌特征，極大地降低車輛在高速行駛過程中受到的氣流干擾作用，降低空氣阻力，對提高燃油效率、燃油經(jīng)濟(jì)性意義重大。

1 底護(hù)板的類型選擇

相關(guān)主機(jī)廠已在部分車型產(chǎn)品中使用底護(hù)板。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的底護(hù)板類型主要有兩類：全覆蓋式底護(hù)板與局部擾流板[3]。

文中提到的前地板底護(hù)板類型為全覆蓋式底護(hù)板，圖1為某車型應(yīng)用的全覆蓋式底護(hù)板。全覆蓋式底護(hù)板主要以汽車下護(hù)板的形式存在，依照下護(hù)板的不同位置細(xì)分為發(fā)動機(jī)底護(hù)板、地板底護(hù)板及備胎盤底護(hù)板。安裝底護(hù)板可以使汽車的下車體外圍呈現(xiàn)較為平順的外觀。全覆蓋式底護(hù)板作為改進(jìn)后的外觀結(jié)構(gòu)，能夠從空氣動力學(xué)的角度降低風(fēng)阻。

圖1 汽車全覆蓋式底護(hù)板

全覆蓋式底護(hù)板相比于局部擾流板，影響空氣流動的區(qū)域較大，能夠較好地改變汽車行進(jìn)過程中下車體的氣流流動，增大改進(jìn)的影響面積，并能夠?qū)ζ嚨南萝圀w起到保護(hù)作用。

2 前地板底護(hù)板的材料選取

底護(hù)板的常用材料主要有以下4種，分別為長纖維增強(qiáng)熱塑性材料(D-LFT)、輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材(LWRT)、玻璃纖維增強(qiáng)型熱塑性塑料(GMT)及聚丙烯(PP)。根據(jù)相關(guān)研究，歸納出4種底護(hù)板常用材料的相關(guān)信息，如表1所示。在汽車上采用全覆蓋式底護(hù)板，選用材料時要綜合考慮材料的機(jī)械性能、質(zhì)量、成型成本等方面。

表1 4種材料的對比分析

根據(jù)表1，分析如下：

(1)為實現(xiàn)整車輕量化，需要考慮零件的材料密度。與其他3種材料相比，LWRT的材料密度最小，具有明顯優(yōu)勢。

(2)為降低單車成本，需要相對較低的零件價格。從價格角度分析，D-LFT與PP價格相對便宜，LWRT與GMT相對稍高。但與材料的價格相比，若使用LWRT與GMT材料能夠起到減小風(fēng)阻、改善燃油經(jīng)濟(jì)性的目的，會為消費者帶來長期的實惠。

(3)為使零件易于加工，需要相對簡化的成型工藝。LWRT與GMT的成型工藝為熱壓成型，相比于D-LFT的擠出+熱壓成型，PP的注塑成型更容易實現(xiàn)。

(4)為保證零件的優(yōu)異性能，需要選擇的材料具有優(yōu)異的特性。LWRT具有較好的彎曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，與GMT相比更有良好的吸音性能，D-LFT零件強(qiáng)度不夠穩(wěn)定，PP的抗沖擊性能較低。

對比以上4種材料，各個材料的運用各有利弊，可根據(jù)整車開發(fā)的具體目標(biāo)適當(dāng)選用。

3 前地板底護(hù)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 底護(hù)板布置方式的選取

(1)底護(hù)板的布置與單車零件的布置。前地板底護(hù)板的布置需綜合考慮大多數(shù)車型前地板下車體的零件布置，針對重要的管道與零件做出適當(dāng)?shù)谋茏?。根?jù)大多數(shù)車型前地板的零件布置特點，需要避開副車架、空調(diào)管路及排氣管路等相關(guān)零件，如圖2所示。對于不涉及熱輻射的零件，間隙需保留25 mm以上；若零件涉及熱輻射，則需要留有約大于70 mm的間隙。

圖2 底護(hù)板與排氣管間隙

(2)底護(hù)板的布置與生產(chǎn)線工裝的布置。前地板底護(hù)板的安裝車間為總裝車間，布置時需要考慮車間的實際工作環(huán)境?？傃b車間的生產(chǎn)線存在吊具、雪橇及工具支撐點等。前地板底護(hù)板的設(shè)計需要保證底護(hù)板安裝后不與車間的工裝產(chǎn)生干涉，以防在護(hù)板安裝過后在生產(chǎn)線中遭到外力損壞，如圖3所示。對于底護(hù)板與工裝的間隙，經(jīng)驗值為25 mm以上。

圖3 底護(hù)板與工裝間隙

3.2 底護(hù)板安裝方式的選取

前地板上的相應(yīng)區(qū)域需要為底護(hù)板提供合適的安裝點。

(1)安裝點固定方式的選取。根據(jù)底護(hù)板材料的特性，優(yōu)先選用螺接的方式，將其固定在下車體上，個別區(qū)域的固定點可以適當(dāng)使用卡扣連接。具體焊接螺柱的安裝點可借用地板下的橫梁或縱梁(如圖4)所示，針對不適合直接提供安裝點的區(qū)域，在相關(guān)性能不受影響的前提下，適當(dāng)增加小支架以提供合適的安裝點。

圖4 借助地板結(jié)構(gòu)安裝底護(hù)板示意圖

(2)安裝點位置的相關(guān)尺寸要求。圖5為底護(hù)板安裝點的相關(guān)參數(shù)示意，根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)模擬，為使底護(hù)板零件各區(qū)域得到有效的固定與支撐，底護(hù)板的安裝點需要保證如表2所示的尺寸范圍：安裝孔的外邊緣與零件的外邊緣需要留有一定的材料用于固定；為保證零件材料的有效支撐，需要將零件的安裝點安放在較靠近邊緣的位置；各安裝點的距離不宜過大，盡量使各安裝點受力均勻。

圖5 底護(hù)板安裝點相關(guān)距離示意圖

尺寸要求安裝點距離零件邊緣及邊線的距離安裝點間的距離d尺寸數(shù)值5～20mm≤400mm

3.3 底護(hù)板底面高度的選取

底護(hù)板的底面高度設(shè)計是底護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。汽車在行進(jìn)過程中，底護(hù)板的底面直接與空氣接觸，底護(hù)板的底面高度影響著氣流對下車體的作用。

前地板底護(hù)板底面高度的確定需考慮以下3個方面：

(1)車輛的縱向通過線。車輛的縱向通過線是判斷整車的通過性是否達(dá)標(biāo)的重要依據(jù)。為防止增加底護(hù)板后汽車行進(jìn)過程中產(chǎn)生托底，底護(hù)板的最低位置應(yīng)不低于車輛的縱向通過線；

(2)前艙底護(hù)板及油箱下表面。汽車底部的不平順，會導(dǎo)致汽車在行進(jìn)過程中車身底部的空氣產(chǎn)生紊流，從而增大空氣對車身結(jié)構(gòu)的干擾阻力。在前地板位置采用底護(hù)板結(jié)構(gòu)，需考慮到前艙底護(hù)板的最低位置及油箱下表面。從空氣動力學(xué)的角度分析，若前地板底護(hù)板的Z向位置高于前艙底護(hù)板，并且低于油箱的下表面位置，則會減小汽車在行進(jìn)過程中所受的空氣阻力，較為合理[4]；

(3)底護(hù)板與地面的間隙。理論上講，底護(hù)板與地面間的間隙越小，風(fēng)阻系數(shù)越小。相關(guān)研究顯示，在50～200 mm的離地間隙范圍內(nèi)，阻力系數(shù)隨著離地間隙的增大單調(diào)遞增。在滿足高度要求的前提下，盡可能降低底護(hù)板的高度有利于減小汽車在行進(jìn)過程中的阻力[5]。

基于以上3個方面，圖6中陰影部分區(qū)域為前地板底護(hù)板底面高度的合理區(qū)域。

圖6 前地板底護(hù)板底面高度的選擇

3.4 底護(hù)板細(xì)節(jié)特征的選取

在底護(hù)板的設(shè)計過程中要考慮一些細(xì)節(jié)的特征：

(1)底護(hù)板前端不宜設(shè)置開口區(qū)域。如底護(hù)板前端存在開口區(qū)域，在汽車行駛過程中，灰塵、碎石與路面積水容易通過開口區(qū)域進(jìn)入護(hù)板內(nèi)部，長期的外力作用會導(dǎo)致護(hù)板的撕裂與脫落。在設(shè)計前地板底護(hù)板時，前端可考慮隱藏在地板橫梁后或在前艙底護(hù)板內(nèi)，如圖7所示。

圖7 底護(hù)板前端設(shè)計

(2)底護(hù)板可適當(dāng)設(shè)置漏液孔。在底護(hù)板表面適當(dāng)設(shè)置漏液孔，可引導(dǎo)底護(hù)板內(nèi)部的積水順利排出。漏液孔推薦設(shè)置在底護(hù)板最低的表面上，如圖8所示。

圖8 底護(hù)板漏液孔

(3)底護(hù)板的設(shè)計要盡量隱藏緊固件。突出于底護(hù)板平面的緊固件，會干擾空氣的流動，加大風(fēng)阻。在護(hù)板的固定點位置設(shè)置凹坑結(jié)構(gòu)，將緊固件隱藏在底護(hù)板平面以下可以使空氣順利流通，如圖9所示。凹坑的深度需要根據(jù)材料的屬性來決定，不超過材料的成型極限。

圖9 底護(hù)板緊固件與凹坑結(jié)構(gòu)

4 底護(hù)板的風(fēng)洞實驗與改進(jìn)

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性與汽車風(fēng)阻性能息息相關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究，汽車每百公里油耗與風(fēng)阻系數(shù)存在如下關(guān)系：

其中：Ql為汽車每百公里油耗；Fd為氣動阻力；ge為發(fā)動機(jī)相應(yīng)工況的有效耗油率；γ為燃油的重度；Cd為汽車風(fēng)阻系數(shù)；ωT為轉(zhuǎn)化效率；v為汽車行駛速度。

由公式可知，改善風(fēng)阻有助于提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)性[6]。

風(fēng)洞實驗是考察汽車風(fēng)阻性能的常用方式，車輛行駛的多種工況均可在風(fēng)洞實驗中予以模擬。針對前地板底護(hù)板進(jìn)行風(fēng)洞實驗，可考察不同方案下的風(fēng)阻收益，為改進(jìn)底護(hù)板的設(shè)計提供依據(jù)。

底護(hù)板的底面高度對風(fēng)阻收益的影響較大。為考察其影響，某項目在底護(hù)板合理底面高度的基礎(chǔ)上，選用高、中、低3種不同高度的底護(hù)板，展開風(fēng)洞實驗，相關(guān)條件及方案分別如圖10、圖11所示。表3為風(fēng)阻測試結(jié)果，在底護(hù)板高度提升后，風(fēng)阻的降低效果有所減弱。因此，在滿足底護(hù)板底面高度要求的前提下，降低底護(hù)板的高度，即減小底護(hù)板平面的離地間隙，有助于降低風(fēng)阻。

圖10 底護(hù)板底面的高度選擇

圖11 不同高度底護(hù)板底面示意圖

底面高度低中高Cd收益-0.005-0.004-0.001

5 底護(hù)板的熱力學(xué)分析與改進(jìn)

5.1 前地板底護(hù)板的熱力學(xué)分析

熱力學(xué)分析的目的是考察排氣管的熱輻射對底護(hù)板的影響。目前大部分家用車采用前置發(fā)動機(jī)的布置方式。前置發(fā)動機(jī)車輛的共同點是其排氣系統(tǒng)貫穿于整個下車體。由于汽車行駛時排氣系統(tǒng)會產(chǎn)生高溫，較大的熱輻射會影響排氣系統(tǒng)周圍的零部件[7-8]。

利用ANSYS有限元軟件對某項目前地板位置底盤的熱力學(xué)分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示。根據(jù)熱力學(xué)分析結(jié)果，越靠近排氣管，溫度越高，最高可達(dá)120 ℃以上，溫度隨著零件與排氣管距離的增大而減小，因此底護(hù)板應(yīng)與排氣系統(tǒng)保持一定距離，此距離的經(jīng)驗值為大于或等于75 mm。但考慮到底護(hù)板的底面覆蓋位置的有效區(qū)域需達(dá)到風(fēng)阻系數(shù)的改善目標(biāo)，底護(hù)板與排氣系統(tǒng)的距離也不宜過大，所以在進(jìn)行底護(hù)板設(shè)計時可考慮適當(dāng)留出排氣系統(tǒng)避讓區(qū)域，如圖13所示。

圖12 整車底盤熱分布圖

圖13 留有排氣系統(tǒng)避讓區(qū)域的前地板底護(hù)板設(shè)計圖

5.2 前地板底護(hù)板局部過熱的改進(jìn)

通過ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析，對排氣系統(tǒng)做出了適當(dāng)?shù)谋茏尯?，發(fā)現(xiàn)仍有部分區(qū)域受到排氣系統(tǒng)熱輻射的影響較大。如圖14所示，某項目在排氣管熱輻射影響下，護(hù)板的部分區(qū)域的面積溫度能夠達(dá)到200 ℃以上。超出常用的底部護(hù)板的材料能夠承受的溫度(通常為150 ℃以下)。

圖14 排氣系統(tǒng)對護(hù)板零件的影響

為保證底部護(hù)板的遮蓋區(qū)域，推薦選用如下改進(jìn)方案：在局部高溫位置增加鋁箔用于隔絕排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的熱輻射。鋁箔與底部護(hù)板之間可以采用結(jié)構(gòu)膠或鉚釘?shù)姆绞竭B接。此種方案既滿足了底護(hù)板的覆蓋區(qū)域，也保證了底護(hù)板不受熱輻射的損害。

6 結(jié)論

(1)提出了前地板底護(hù)板的設(shè)計方案。在前地板底護(hù)板的材料選用上，分析了底護(hù)板4種常用材料的優(yōu)勢與不足；在底護(hù)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮了布置方式、安裝方式、安裝高度及細(xì)節(jié)特征4個因素，提出了適宜的方案。

(2)利用風(fēng)洞實驗考察了在前地板底護(hù)板底面高度發(fā)生變化時的風(fēng)阻收益，總結(jié)了底護(hù)板底面高度與風(fēng)阻收益的關(guān)系。

(3)利用ANSYS有限元軟件對前地板底護(hù)板進(jìn)行熱力學(xué)分析，針對較高溫區(qū)域提出了用鋁箔覆蓋的改進(jìn)方案，具有一定的實用性。

【1】莊仲達(dá),白二朋.影響汽車油耗的因素及降低油耗的對策[J].科協(xié)論壇,2012(3):61-62.

【2】丁巖,陳永光,李寧.空氣阻力與車身造型研究[J].公路與汽運,2008(2):5-8.

【3】趙國遷,原大勇.汽車車身造型與節(jié)油關(guān)系的探討[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,19(2):54-56.

【4】袁志群,谷正氣.汽車底部結(jié)構(gòu)對氣動特性影響的數(shù)值仿真與實驗研究[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報,2010(8):1832-1841．

【5】郭孔輝.汽車操縱動力學(xué)[M].長春:吉林科技出版社,1991.

【6】韓飛聽.汽車車身造型與外圍流場CFD相關(guān)性研究[D].南京:東南大學(xué),2008.

【7】張小玉,丁志勝,戴亞文.發(fā)動機(jī)下護(hù)板熱防護(hù)設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2008,30(8):91-93．

【8】王浩, 張宏閣.加裝發(fā)動機(jī)底護(hù)板的實用性探討[J].汽車維修,2007(10):36-37．

Design of Underbody Panel on Front Floor of Automotive

CHANG Yuan, HE Bin, CHEN Lihua, HELIAN Qingjun

(Pan Asia Automotive Technical Center Co., Ltd., Shanghai 201201,China)

Considering the vehicle performance and the arrangement of other parts on the underbody,from the aspects of type, material and structure, the design scheme of the underbody panel on front floor of automotive was put forward.Wind tunnel experiment was used to analyze the influence of the mounting height of the underbody panel to the drag coefficient.ANSYS software was used to make thermodynamic analysis to the underbody panel on front floor.According to the analysis results, the design was improved.

Underbody panel on front floor; Aerodynamic drag; Fuel economy; ANSYS finite element analysis; LWRT material

2015-11-04

常原，男，碩士，工程師，從事車身零件的設(shè)計與發(fā)布工作。E-mail：Yuan1_Chang@patac.com.cn。

U462.1

A

1674-1986(2016)02-020-05