摘要：空氣動(dòng)力學(xué)性能是汽車整車性能的重要指標(biāo)之一，其中風(fēng)阻系數(shù)直接影響汽車動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，因此在車型研發(fā)階段，通過汽車油泥模型的風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)車輛的風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，提高整車的空氣動(dòng)力學(xué)性能，從而給造型提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：油泥模型；風(fēng)洞；制作技術(shù)；骨架

中圖分類號(hào)：U467 收稿日期：2023-06-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.029

1 前言

汽車油泥模型按照用途來分類，可以分為造型油泥模型和風(fēng)洞油泥模型。造型油泥模型主要服務(wù)于造型設(shè)計(jì)，可供設(shè)計(jì)師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整優(yōu)化和造型評(píng)審，主要是用于靜態(tài)外觀的展示。風(fēng)洞油泥模型主要是用于汽車風(fēng)洞試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，風(fēng)洞油泥模型在結(jié)構(gòu)上是要體現(xiàn)出完整的機(jī)艙內(nèi)部空間、底盤懸架、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電池包、底護(hù)板等細(xì)節(jié)特征，同時(shí)車輪需要做高速旋轉(zhuǎn)，速度要求可以達(dá)到160 km/h。

2 風(fēng)洞油泥模型設(shè)計(jì)與制作

2.1 風(fēng)洞油泥模型的組成

風(fēng)洞油泥模型由內(nèi)部的主體骨架、中間層的木板和泡沫、外層的油泥、BASE樣件（機(jī)艙件、底盤懸架、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池包、輪包等）以及替換方案件組成。

2.2 骨架的設(shè)計(jì)與制作

骨架是油泥模型最重要的部件，承載了整個(gè)模型的重量，同時(shí)也起到了零部件安裝、空間預(yù)留，以及模型精度控制的作用。骨架設(shè)計(jì)如圖1所示。

全尺寸的油泥模型重量一般為1～2 t，骨架的主體為方鋼焊接成形，材料為A3鋼，骨架整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性要滿足至少160 km/h的風(fēng)洞試驗(yàn)要求以及在試驗(yàn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等情況下不發(fā)生變形。

骨架不可與造型面干涉，骨架與造型面之間的設(shè)計(jì)距離要預(yù)留出木板、泡沫和油泥的厚度。骨架上的安裝平面設(shè)計(jì)分布要合理，要保證防火墻、地板、懸架、電池包等零部件安裝的尺寸精度滿足要求。前部機(jī)艙部分要采用空心設(shè)計(jì)，為機(jī)艙內(nèi)的零部件留出空間，盡可能接近實(shí)車機(jī)艙的狀態(tài)。

骨架與風(fēng)洞天平的RPRS夾具要進(jìn)行匹配，要保證在X向正視時(shí)RPRS支撐桿藏于車輪之后，這樣一方面不會(huì)影響正投影面積，另一方面也盡可能小地影響附近的流場(chǎng)，對(duì)風(fēng)阻測(cè)試不會(huì)造成干擾。

車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用實(shí)車哈巴頭連接法蘭盤和骨架，設(shè)計(jì)車輪轉(zhuǎn)速要能到達(dá)160 km/h，車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整體要能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向位置調(diào)節(jié)，這樣可以實(shí)現(xiàn)整車輪距、軸距以及車身姿態(tài)可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

通常汽車油泥模型的風(fēng)洞試驗(yàn)要有多個(gè)輪次，每輪次的試驗(yàn)之后要對(duì)造型面進(jìn)行優(yōu)化修改，為了滿足多輪次油泥面的加工精度要求，主骨架上要設(shè)計(jì)復(fù)位基準(zhǔn)，復(fù)位基準(zhǔn)的加工誤差要求小于±0.1 mm。

主骨架下方要設(shè)計(jì)叉車骨架，方便模型運(yùn)輸，叉車骨架用螺栓安裝在主骨架的下方。

骨架加工首先是對(duì)方鋼以及基準(zhǔn)塊和安裝塊進(jìn)行焊接，焊接完成以后，要進(jìn)行退火處理，以消除焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力，主骨架基準(zhǔn)面和安裝面采用龍門銑床一體化加工，避免多次加工導(dǎo)致誤差累積影響加工精度。骨架要做防銹處理，表面噴涂一遍底漆，兩遍面漆。

骨架制作完成后要進(jìn)行精度檢測(cè)，使用三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備對(duì)骨架進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)包括加工的復(fù)位基準(zhǔn)面和安裝面。

2.3 機(jī)艙玻璃鋼內(nèi)襯的設(shè)計(jì)與制作

機(jī)艙玻璃鋼內(nèi)襯包括機(jī)艙蓋玻璃鋼、前保玻璃鋼、翼子板玻璃鋼，玻璃鋼具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)度、耐熱性等優(yōu)點(diǎn)，玻璃鋼設(shè)計(jì)厚度一般為4～5 mm，要把造型面向里偏移20 mm作為玻璃鋼的外表面，預(yù)留出油泥層的厚度，玻璃鋼內(nèi)襯直接安裝在骨架上，前保玻璃鋼內(nèi)襯設(shè)計(jì)時(shí)要注意做好與前格柵和兩側(cè)氣簾拆件的匹配，由于機(jī)艙是空心設(shè)計(jì)，機(jī)艙蓋玻璃鋼內(nèi)襯中間沒有辦法設(shè)計(jì)固定安裝，需要在機(jī)艙玻璃鋼內(nèi)側(cè)埋入鋼管，保證其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

玻璃鋼制作工藝流程如圖2所示。

2.4 封木板，粘泡沫，泡沫過切，敷油泥

在泡沫和骨架之間，制作木板，木板采用厚度為15～20 mm的高密度板，用自攻螺釘固定在骨架上，把泡沫用泡沫膠粘到木板上。

油泥是要直接手工敷在泡沫上，因此泡沫需要使用硬度較高的高密度泡沫，加工后的耐久性要高，保證油泥敷上去以后牢固可靠。泡沫過切加工（圖3）時(shí)相比造型面需要向內(nèi)偏移20 mm，用于預(yù)留油泥層的厚度，加工完成后要對(duì)泡沫表面的顆粒進(jìn)行清除，同時(shí)要用熱風(fēng)槍對(duì)泡沫表面進(jìn)行烘烤加熱硬化。

手敷油泥的厚度一般為30～50 mm，敷油泥的第一步是打底，打底的第一層油泥要薄一點(diǎn)，用力要均勻，油泥敷制要壓緊實(shí)，油泥層與層之間不要有氣泡或空隙，防止形成剝離層[1]。

2.5 油泥銑削加工，刮油泥

油泥加工分五個(gè)階段：a.檢查性加工，主要目的是檢查油泥敷的是否到位，是否有大面積缺泥的地方，加工余量和刀路步距可以設(shè)置大一些；b.粗加工，選用R10球頭刀，設(shè)置刀路步距為10 mm左右，加工余量3 mm，粗加工后也會(huì)發(fā)現(xiàn)有局部敷泥不到位的地方，可以查漏補(bǔ)缺；c.精加工，選用R10的球頭刀，設(shè)置刀路步距為3 mm，加工余量為0；d.清角加工，主要加工曲面曲率半徑較小的區(qū)域和分縫線，如車窗、機(jī)蓋、后備箱蓋等一些邊角周圍，清角加工選用R2的球頭刀[2]；e.整車中心線的加工，在車頭與車尾分別加工深度1 mm長(zhǎng)度20 mm左右的線，以便在風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)與風(fēng)洞天平中線進(jìn)行對(duì)齊。

油泥加工完成后，需要油泥模型師進(jìn)一步的手工刮順，油泥師利用刮刀、刮片等工具將加工的刀痕去除，對(duì)油泥面進(jìn)行光順處理[3]。

2.6 零部件設(shè)計(jì)、加工與安裝

零部件包括BASE件和替換方案件，根據(jù)尺寸的大小以及形狀的不同選擇不同的材料和加工工藝，比如機(jī)艙內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池等一些殼體類的零部件，影響空氣流動(dòng)的只是其外輪廓表面，可以采用3D打印的方式進(jìn)行加工，只需對(duì)外輪廓向內(nèi)偏出一定的厚度而不需要做內(nèi)部的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)；底護(hù)板、防火墻等一些尺寸較大的薄壁類的零部件，選用工程塑料ABS，用CNC的方式進(jìn)行加工，可以滿足其強(qiáng)度要求。需要注意的是，散熱器、冷凝器、中冷器要采用實(shí)車件，與實(shí)車保持一致。

零部件的安裝面和定位設(shè)計(jì)要合理，保證安裝后的精度滿足要求，阻風(fēng)板、后視鏡、氣簾、輪輞裝飾板等替換方案要方便拆卸更換。

零部件安裝要有關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，確保安裝的精度滿足要求。

2.7 ATOS掃描，精度對(duì)比

模型制作完成后，使用ATOS測(cè)量設(shè)備對(duì)油泥模型表面進(jìn)行掃描，通過對(duì)掃描的數(shù)據(jù)和造型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可以得到整個(gè)模型的誤差圖，要求油泥加工面的誤差小于±0.5 mm，快速樣件的誤差小于±1 mm。對(duì)不符合精度要求的地方要進(jìn)行整改，直到滿足要求。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)前要對(duì)油泥模型車進(jìn)行清潔，將碎泥屑、雜物等清理干凈，將格柵、氣簾、后視鏡等與油泥面的搭接縫隙用膠帶進(jìn)行封閉，快速樣件安裝孔用膠帶封平。

油泥模型進(jìn)入風(fēng)洞試驗(yàn)段后，首先要與天平的RPRS支撐桿進(jìn)行裝夾固定，然后通過油泥模型車頭與車尾加工的中心線與天平中心進(jìn)行對(duì)齊操作，對(duì)齊完成后就可以進(jìn)行測(cè)試了。

試驗(yàn)過程中要根據(jù)CFD工程師的要求，更換阻風(fēng)板、氣簾、后視鏡、底護(hù)板、尾翼等替換方案或者對(duì)油泥表面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化修改，以達(dá)到最優(yōu)的風(fēng)阻系數(shù)。

4 結(jié)語

目前，汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能主要是通過CFD仿真分析和汽車風(fēng)洞試驗(yàn)來進(jìn)行開發(fā)，相對(duì)于CFD仿真，油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)更加直觀、真實(shí)可信，同時(shí)仿真的結(jié)果也需要通過油泥模型的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，短時(shí)間內(nèi)CFD仿真還無法完全取代油泥模型風(fēng)洞測(cè)試。

隨著模型技術(shù)的發(fā)展，汽車油泥模型可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，如可以做風(fēng)噪試驗(yàn)的帶聲學(xué)艙的油泥模型，可以做雨水管理試驗(yàn)（A柱溢流試驗(yàn)，車輪卷水試驗(yàn)）的油泥模型等。隨著更多新材料、新工藝的應(yīng)用，模型制作技術(shù)將會(huì)得到更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)虎，陳全.淺談汽車油泥模型制作的特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)[J].時(shí)代汽車，2022（5）：151-152.

[2] 寧曉東，張霓.汽車油泥模型數(shù)控加工技術(shù)分析[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2018（5）：135-136.

[3]梁新民.對(duì)汽車油泥模型制作技術(shù)的探討[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2011（8）：307-308.

作者簡(jiǎn)介：

陳向陽，男，1988年生，助理工程師，研究方向?yàn)槠囉湍嗄Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作。