常原，賀斌，陳麗華，赫連青軍

(泛亞汽車技術中心有限公司,上海 201201)

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整車前地板位置底部護板設計

常原，賀斌，陳麗華，赫連青軍

(泛亞汽車技術中心有限公司,上海 201201)

綜合考慮了底護板設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、結構三方面展開，提出了前地板底護板的設計方案。通過風洞實驗考察了底護板的安裝高度對于風阻收益的影響。利用ANSYS有限元軟件對前地板底護板進行熱力學分析，根據分析結果提出了改進方案。

前地板底部護板；空氣阻力；燃油經濟性；ANSYS有限元分析；LWRT材料

0 引言

隨著汽車市場的發(fā)展，用戶對汽車產品的要求不斷提升，汽車的燃油經濟性逐漸成為購買者選車時關注的焦點。各大主機廠也相繼將改善燃油經濟性作為研發(fā)創(chuàng)新的主要目標。改善汽車的燃油經濟性，會為使用者帶來經濟利益，也會為建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會做出貢獻[1]。相關專家通過大量的試驗與分析，總結出影響汽車燃油經濟性的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慣、汽車動力總成的能量轉化效率以及汽車的整車重量。空氣阻力是汽車行駛阻力的重要組成部分。大量研究表明：諸如驅動軸、懸架導向桿、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，產生干擾阻力[2]。文中在車輛前地板位置加裝汽車底護板，遮蓋底盤零件。前地板底護板的應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、燃油經濟性意義重大。

1 底護板的類型選擇

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

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

圖1 汽車全覆蓋式底護板

全覆蓋式底護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過程中下車體的氣流流動，增大改進的影響面積，并能夠對汽車的下車體起到保護作用。

2 前地板底護板的材料選取

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

表1 4種材料的對比分析

根據表1，分析如下：

(1)為實現整車輕量化，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阻、改善燃油經濟性的目的，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。

(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具有較好的彎曲強度和抗沖擊強度，與GMT相比更有良好的吸音性能，D-LFT零件強度不夠穩(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，可根據整車開發(fā)的具體目標適當選用。

3 前地板底護板的結構設計

3.1 底護板布置方式的選取

(1)底護板的布置與單車零件的布置。前地板底護板的布置需綜合考慮大多數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的避讓。根據大多數車型前地板的零件布置特點，需要避開副車架、空調管路及排氣管路等相關零件，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 底護板與排氣管間隙

(2)底護板的布置與生產線工裝的布置。前地板底護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車間的生產線存在吊具、雪橇及工具支撐點等。前地板底護板的設計需要保證底護板安裝后不與車間的工裝產生干涉，以防在護板安裝過后在生產線中遭到外力損壞，如圖3所示。對于底護板與工裝的間隙，經驗值為25 mm以上。

圖3 底護板與工裝間隙

3.2 底護板安裝方式的選取

前地板上的相應區(qū)域需要為底護板提供合適的安裝點。

(1)安裝點固定方式的選取。根據底護板材料的特性，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，在相關性能不受影響的前提下，適當增加小支架以提供合適的安裝點。

圖4 借助地板結構安裝底護板示意圖

(2)安裝點位置的相關尺寸要求。圖5為底護板安裝點的相關參數示意，根據經驗及相關模擬，為使底護板零件各區(qū)域得到有效的固定與支撐，底護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 底護板安裝點相關距離示意圖

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尺寸數值5～20mm≤400mm

3.3 底護板底面高度的選取

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

前地板底護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標的重要依據。為防止增加底護板后汽車行進過程中產生托底，底護板的最低位置應不低于車輛的縱向通過線；

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

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

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

圖6 前地板底護板底面高度的選擇

3.4 底護板細節(jié)特征的選取

在底護板的設計過程中要考慮一些細節(jié)的特征：

(1)底護板前端不宜設置開口區(qū)域。如底護板前端存在開口區(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)域進入護板內部，長期的外力作用會導致護板的撕裂與脫落。在設計前地板底護板時，前端可考慮隱藏在地板橫梁后或在前艙底護板內，如圖7所示。

圖7 底護板前端設計

(2)底護板可適當設置漏液孔。在底護板表面適當設置漏液孔，可引導底護板內部的積水順利排出。漏液孔推薦設置在底護板最低的表面上，如圖8所示。

圖8 底護板漏液孔

(3)底護板的設計要盡量隱藏緊固件。突出于底護板平面的緊固件，會干擾空氣的流動，加大風阻。在護板的固定點位置設置凹坑結構，將緊固件隱藏在底護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材料的屬性來決定，不超過材料的成型極限。

圖9 底護板緊固件與凹坑結構

4 底護板的風洞實驗與改進

汽車的燃油經濟性與汽車風阻性能息息相關。根據相關研究，汽車每百公里油耗與風阻系數存在如下關系：

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

由公式可知，改善風阻有助于提升汽車燃油經濟性[6]。

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

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

圖10 底護板底面的高度選擇

圖11 不同高度底護板底面示意圖

底面高度低中高Cd收益-0.005-0.004-0.001

5 底護板的熱力學分析與改進

5.1 前地板底護板的熱力學分析

熱力學分析的目的是考察排氣管的熱輻射對底護板的影響。目前大部分家用車采用前置發(fā)動機的布置方式。前置發(fā)動機車輛的共同點是其排氣系統貫穿于整個下車體。由于汽車行駛時排氣系統會產生高溫，較大的熱輻射會影響排氣系統周圍的零部件[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分布進行分析，結果如圖12所示。根據熱力學分析結果，越靠近排氣管，溫度越高，最高可達120 ℃以上，溫度隨著零件與排氣管距離的增大而減小，因此底護板應與排氣系統保持一定距離，此距離的經驗值為大于或等于75 mm。但考慮到底護板的底面覆蓋位置的有效區(qū)域需達到風阻系數的改善目標，底護板與排氣系統的距離也不宜過大，所以在進行底護板設計時可考慮適當留出排氣系統避讓區(qū)域，如圖13所示。

圖12 整車底盤熱分布圖

圖13 留有排氣系統避讓區(qū)域的前地板底護板設計圖

5.2 前地板底護板局部過熱的改進

通過ANSYS有限元軟件進行分析，對排氣系統做出了適當的避讓后，發(fā)現仍有部分區(qū)域受到排氣系統熱輻射的影響較大。如圖14所示，某項目在排氣管熱輻射影響下，護板的部分區(qū)域的面積溫度能夠達到200 ℃以上。超出常用的底部護板的材料能夠承受的溫度(通常為150 ℃以下)。

圖14 排氣系統對護板零件的影響

為保證底部護板的遮蓋區(qū)域，推薦選用如下改進方案：在局部高溫位置增加鋁箔用于隔絕排氣系統產生的熱輻射。鋁箔與底部護板之間可以采用結構膠或鉚釘的方式連接。此種方案既滿足了底護板的覆蓋區(qū)域，也保證了底護板不受熱輻射的損害。

6 結論

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

(2)利用風洞實驗考察了在前地板底護板底面高度發(fā)生變化時的風阻收益，總結了底護板底面高度與風阻收益的關系。

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

【1】莊仲達,白二朋.影響汽車油耗的因素及降低油耗的對策[J].科協論壇,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)油關系的探討[J].黑龍江工程學院學報(自然科學版),2005,19(2):54-56.

【4】袁志群,谷正氣.汽車底部結構對氣動特性影響的數值仿真與實驗研究[J]．系統仿真學報,2010(8):1832-1841．

【5】郭孔輝.汽車操縱動力學[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相關性研究[D].南京:東南大學,2008.

【7】張小玉,丁志勝,戴亞文.發(fā)動機下護板熱防護設計[J].武漢理工大學學報,2008,30(8):91-93．

【8】王浩, 張宏閣.加裝發(fā)動機底護板的實用性探討[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，從事車身零件的設計與發(fā)布工作。E-mail：Yuan1_Chang@patac.com.cn。

U462.1

A

1674-1986(2016)02-020-05