保險杠側(cè)角風(fēng)道空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計

孫金興 原紹鵬 朱少洪 陳鈺娟 孫圖鵬 范曾雁

上汽集團創(chuàng)新研究開發(fā)總院 上海市 201804

1 前言

空氣動力學(xué)，主要研究物體在空氣或其它氣體中運動時產(chǎn)生的各種力。其中阻礙物體的運動的力也就是我們通常說的“空氣阻力”，是由于空氣密度和它自身的黏性特質(zhì)等因素造成[1]。現(xiàn)代汽車的造型設(shè)計基本都是遵循空氣動力學(xué)，因此它決定汽車造型的大方向。不論是在民用汽車領(lǐng)域還是在賽車領(lǐng)域，空氣動力學(xué)設(shè)計對于降低風(fēng)阻、提升車速、節(jié)約油耗、減少噪音和增強行駛穩(wěn)定性等方面都非常重要。而汽車風(fēng)道的設(shè)計也是汽車空氣動力學(xué)設(shè)計中不可或缺的一部分，對于車輛降低風(fēng)阻有顯著的作用。

傳統(tǒng)的保險杠設(shè)計，考慮到成本和造型一致性，一般都不設(shè)計風(fēng)道結(jié)構(gòu)。隨著傳統(tǒng)能源消耗，特別是石油資源的越來越匱乏，汽車的能量消耗量越來越受到人們的重視。而風(fēng)阻在汽車能量消耗量中，占據(jù)很重要的地位。當(dāng)車輛以80km/h的速度行駛的時候，它有60%-70%的消耗是用來克服風(fēng)阻，隨著速度的提升，這個比例也會繼續(xù)提升，當(dāng)速度攀升至200km/h，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%[1]。也就是說，在高速行駛之下，風(fēng)阻才是能量消耗的主要影響因素。

2 風(fēng)道設(shè)計與空氣動力學(xué)的相關(guān)性

基于上述內(nèi)容，減少高速工況下的行駛阻力，是提升經(jīng)濟性的重中之重。汽車空氣阻力Fd的計算公式所示：

Fd=1/16·A·Cd·v2

其中：v為行車速度；A為汽車橫截面面積；Cd為風(fēng)阻系數(shù)[1]。

當(dāng)車速為定值的時候，還有兩個因素與汽車空氣阻力成正比。那就是汽車橫截面面積A和風(fēng)阻系數(shù)Cd，因此改善車輛的風(fēng)阻系數(shù)和汽車橫截面面積能夠有效地降低車輛的能量消耗。在相同造型情況下通過CAE模擬，圖1為無風(fēng)道時車輛側(cè)邊空氣動力學(xué)模擬，圖2為有風(fēng)道時車輛側(cè)邊空氣動力學(xué)模擬，兩個狀態(tài)風(fēng)阻系數(shù)分別為0.369和0.35。在圖1上側(cè)邊有紅色阻力集中區(qū)域，這也是無風(fēng)道車型風(fēng)阻系數(shù)相對較高的原因。圖3為此區(qū)域的放大圖，風(fēng)道的設(shè)計同時減小了汽車的橫截面積。因此保險杠風(fēng)道的設(shè)計能高效、經(jīng)濟地降低汽車的空氣阻力，這也是目前越來越多的車輛會配備側(cè)邊風(fēng)道來改善車輛由于側(cè)邊造型設(shè)計導(dǎo)致的空氣阻力問題[2]。

圖1 無風(fēng)道時車輛側(cè)邊空氣動力學(xué)模擬

圖2 有風(fēng)道時車輛側(cè)邊空氣動力學(xué)模擬

圖3 無風(fēng)道處空氣動力學(xué)分析

3 風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

風(fēng)道在現(xiàn)階段保險杠設(shè)計中是十分必要的，目前中高端車輛的保險杠基本也會配備風(fēng)道。不過其結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝固定及成本還存在優(yōu)化空間。

如下圖4所示，為一種前保險杠的風(fēng)道前部示意圖，風(fēng)道位于車輛保險杠側(cè)邊區(qū)域。此區(qū)域的造型常存在棱角來提升車輛的前臉質(zhì)感，所以會存在兜風(fēng)問題，也是空氣阻力系數(shù)高的原因之一。圖5所示風(fēng)道在保險杠背部的固定示意圖，3個與輪罩固定的簧片螺母，3個與保險杠固定的螺釘，后部與保險杠固定的2個螺釘和1個簧片螺母。

圖4 風(fēng)道前部示意圖

圖5 風(fēng)道固定示意圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，首先可以看到風(fēng)道只設(shè)計一個排風(fēng)口。這樣的設(shè)計受后部的布局影響，需要避讓安裝點和其他結(jié)構(gòu)，所以風(fēng)道后補上下的開口尺寸不可能太大。風(fēng)道前部的開口尺寸大于背部的尺寸，會導(dǎo)致空氣在風(fēng)道內(nèi)堆積，對風(fēng)阻系數(shù)的降低效果不明顯。其次風(fēng)道作為保險杠的散件，沒有預(yù)安裝結(jié)構(gòu)，在裝配固定過程中，對操作工人的要求較高。

而固定結(jié)構(gòu)采用了螺釘固定，雖然固定牢固但是操作繁瑣，其固定一共用到了5個螺釘和4個簧片，并沒有合理利用固定點。前部的固定也是使用三個螺釘，同樣也沒有充分利用背部不可見區(qū)域。

成本上，我們可以看到單純固定風(fēng)道一共使用了5個螺釘加4個簧片螺母，緊固件成本較高。其次在側(cè)邊和保險杠背面區(qū)域使用膠帶連接或者焊接，需要工裝工具和焊機、底涂、膠帶等，并且對現(xiàn)場操作空間也有要求。可以看到其成本并不低，這對整車成本的控制不利。

4 風(fēng)道布局及固定方案優(yōu)化

基于上述內(nèi)容，現(xiàn)有的前保險杠風(fēng)道設(shè)計，存在經(jīng)濟性低，降風(fēng)阻效果差的特點。經(jīng)研究，筆者提出了一種基于空氣動力學(xué)的優(yōu)化設(shè)計方法，該方案既可以降低風(fēng)阻，減少能量消耗，也可增加保險杠側(cè)邊的強度，提升前保險杠的穩(wěn)定性，降低成本。

首先，在原風(fēng)道基礎(chǔ)上設(shè)計2個或多個排風(fēng)口，可以考慮避讓輪罩固定點、停車輔助雷達支架、輪眉卡扣等結(jié)構(gòu)，不會存在背部結(jié)構(gòu)及緊固件的可見問題。前部固定點通過卡扣來定位固定，并且與蒙皮采用卡扣預(yù)安裝方式。后部采用BOSS柱，替代簧片螺母。

與現(xiàn)有風(fēng)道相比，本風(fēng)道具有如下顯而易見的實質(zhì)性特點和優(yōu)點：風(fēng)道背部2個或多個排風(fēng)口，可以在不影響風(fēng)阻降低的同時充分考慮避讓輪罩固定點、停車輔助雷達支架、輪眉卡扣等結(jié)構(gòu)。風(fēng)道前部卡扣，在模具上直接成型，不僅成本低而且后期也方便調(diào)整。需要注意在設(shè)計固定形式時需要考慮風(fēng)道內(nèi)部的壓力分布情況，防止風(fēng)道出現(xiàn)固定不牢或者晃動情況，如圖6所示[2]。風(fēng)道后部采用BOSS柱,不僅成本低，而且這里將風(fēng)道蒙皮及輪罩固定在一起，能增加保險杠側(cè)邊的強度，提升前保險杠的穩(wěn)定性。

圖6 風(fēng)道內(nèi)部壓力分布情況

在圖7風(fēng)道Z向主斷面中，可以看到各零件的相互關(guān)系。如圖8所示，風(fēng)道采用Y向安裝，前部3個卡扣，后部1個卡扣與蒙皮預(yù)安裝，3個BOSS柱螺釘固定。風(fēng)道后部設(shè)計2個排風(fēng)口，避讓輪罩固定點、輪眉卡扣等結(jié)構(gòu)。風(fēng)道前部固定點采用三卡扣固定，分別限制XYZ，這樣保證分縫處的間隙面差，同時降低了對現(xiàn)場工人的操作要求。風(fēng)道后部采用3個BOSS柱，上下端部的BOSS柱螺釘一穿三來固定蒙皮輪罩，中間位置BOSS柱直接和輪罩固定，充分合理利用了和輪罩的固定點。并且風(fēng)道后部設(shè)計一個雙邊卡扣與蒙皮預(yù)安裝，防止保險杠總成供貨時風(fēng)道掉落。

圖7 風(fēng)道Z向主斷面

圖8 風(fēng)道固定及排風(fēng)口布置

圖9為前部卡扣局部放大圖。零件的定位可以通過卡扣的定位筋來實現(xiàn)，不需要現(xiàn)場工人目視對準(zhǔn)裝配。同時定位筋匹配也方便后期調(diào)整。圖10為前部卡扣Z向斷面。此斷面顯示由內(nèi)外風(fēng)道兩部分組成，也可只有內(nèi)部風(fēng)道組成，但是需要考慮前部卡扣安裝空間及模具可行性問題。如果卡扣方案不可行，需要考慮膠帶粘貼、焊接及螺釘連接等。但是前部使用卡扣連接，安裝方便，成本較低，間隙面差可調(diào)性強。

圖9 卡扣局部放大圖

圖10 卡扣Z向斷面

圖11為與蒙皮預(yù)安裝雙邊卡扣斷面。此卡扣只是輔助固定作用，風(fēng)道預(yù)安裝在保險杠蒙皮上，可以在供貨過程中防止風(fēng)道掉落。其主要固定點為一穿三BOSS柱結(jié)構(gòu)。圖12為一穿三BOSS柱斷面。BOSS柱在模具上成型，不要額外的簧片螺母，降低成本。拆卸次數(shù)要求沒有簧片螺母高，可以通過換大直徑的螺釘來實現(xiàn)。此區(qū)域安裝時，需要掰開保險杠翻邊，讓BOSS柱插入蒙皮孔中。需要注意BOSS柱和蒙皮孔的間隙控制，能使BOSS柱插入。以及BOSS柱面與輪罩面間隙不能貼死，防止打緊螺釘后，蒙皮壓不緊而晃動。

圖11 雙邊卡扣斷面

圖12 BOSS柱斷面

5 結(jié)論

綜上所述，前保險杠側(cè)角風(fēng)道作為汽車空氣動力學(xué)不可或缺的一部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計會對整車燃油經(jīng)濟型和整車成本都有很大影響。而本文提出的前保險杠側(cè)角風(fēng)道空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計方案主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝固定及成本幾個方面來探討其優(yōu)化效果。

設(shè)計方案亮點總結(jié)如下：

1.風(fēng)道背部設(shè)2個或多個排風(fēng)口，可以在不影響降風(fēng)阻的同時充分考慮避讓輪罩固定點、停車輔助雷達支架、輪眉卡扣等結(jié)構(gòu)。

2.優(yōu)化風(fēng)道前部為卡扣固定，在模具上直接成型，不僅成本低而且后期也方便調(diào)整。

3.風(fēng)道后部采用BOSS柱,不僅成本低而且這里將風(fēng)道蒙皮及輪罩固定在一起能增加保險杠側(cè)邊的強度，提升前保險杠的穩(wěn)定性。