整车前地板位置底部护板设计

常原，贺斌，陈丽华，赫连青军

(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201)



整车前地板位置底部护板设计

常原，贺斌，陈丽华，赫连青军

(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201)

综合考虑了底护板设计对整车性能以及车辆底部其他零件布置的影响，从类型、材料、结构三方面展开，提出了前地板底护板的设计方案。通过风洞实验考察了底护板的安装高度对于风阻收益的影响。利用ANSYS有限元软件对前地板底护板进行热力学分析，根据分析结果提出了改进方案。

前地板底部护板；空气阻力；燃油经济性；ANSYS有限元分析；LWRT材料

0 引言

随着汽车市场的发展，用户对汽车产品的要求不断提升，汽车的燃油经济性逐渐成为购买者选车时关注的焦点。各大主机厂也相继将改善燃油经济性作为研发创新的主要目标。改善汽车的燃油经济性，会为使用者带来经济利益，也会为建设资源节约型、环境友好型社会做出贡献[1]。相关专家通过大量的试验与分析，总结出影响汽车燃油经济性的4个因素：汽车在行驶过程中受到的阻力、汽车驾驶员的驾驶习惯、汽车动力总成的能量转化效率以及汽车的整车重量。空气阻力是汽车行驶阻力的重要组成部分。大量研究表明：诸如驱动轴、悬架导向杆、后视镜、门把等车身表面凸起零件，在汽车行驶过程中会与气流作用，产生干扰阻力[2]。文中在车辆前地板位置加装汽车底护板，遮盖底盘零件。前地板底护板的应用能够平整整车底部形貌特征，极大地降低车辆在高速行驶过程中受到的气流干扰作用，降低空气阻力，对提高燃油效率、燃油经济性意义重大。

1 底护板的类型选择

相关主机厂已在部分车型产品中使用底护板。不难发现，现有的底护板类型主要有两类：全覆盖式底护板与局部扰流板[3]。

文中提到的前地板底护板类型为全覆盖式底护板，图1为某车型应用的全覆盖式底护板。全覆盖式底护板主要以汽车下护板的形式存在，依照下护板的不同位置细分为发动机底护板、地板底护板及备胎盘底护板。安装底护板可以使汽车的下车体外围呈现较为平顺的外观。全覆盖式底护板作为改进后的外观结构，能够从空气动力学的角度降低风阻。

图1 汽车全覆盖式底护板

全覆盖式底护板相比于局部扰流板，影响空气流动的区域较大，能够较好地改变汽车行进过程中下车体的气流流动，增大改进的影响面积，并能够对汽车的下车体起到保护作用。

2 前地板底护板的材料选取

底护板的常用材料主要有以下4种，分别为长纤维增强热塑性材料(D-LFT)、轻质热塑性复合片材(LWRT)、玻璃纤维增强型热塑性塑料(GMT)及聚丙烯(PP)。根据相关研究，归纳出4种底护板常用材料的相关信息，如表1所示。在汽车上采用全覆盖式底护板，选用材料时要综合考虑材料的机械性能、质量、成型成本等方面。

表1 4种材料的对比分析

根据表1，分析如下：

(1)为实现整车轻量化，需要考虑零件的材料密度。与其他3种材料相比，LWRT的材料密度最小，具有明显优势。

(2)为降低单车成本，需要相对较低的零件价格。从价格角度分析，D-LFT与PP价格相对便宜，LWRT与GMT相对稍高。但与材料的价格相比，若使用LWRT与GMT材料能够起到减小风阻、改善燃油经济性的目的，会为消费者带来长期的实惠。

(3)为使零件易于加工，需要相对简化的成型工艺。LWRT与GMT的成型工艺为热压成型，相比于D-LFT的挤出+热压成型，PP的注塑成型更容易实现。

(4)为保证零件的优异性能，需要选择的材料具有优异的特性。LWRT具有较好的弯曲强度和抗冲击强度，与GMT相比更有良好的吸音性能，D-LFT零件强度不够稳定，PP的抗冲击性能较低。

对比以上4种材料，各个材料的运用各有利弊，可根据整车开发的具体目标适当选用。

3 前地板底护板的结构设计

3.1 底护板布置方式的选取

(1)底护板的布置与单车零件的布置。前地板底护板的布置需综合考虑大多数车型前地板下车体的零件布置，针对重要的管道与零件做出适当的避让。根据大多数车型前地板的零件布置特点，需要避开副车架、空调管路及排气管路等相关零件，如图2所示。对于不涉及热辐射的零件，间隙需保留25 mm以上；若零件涉及热辐射，则需要留有约大于70 mm的间隙。

图2 底护板与排气管间隙

(2)底护板的布置与生产线工装的布置。前地板底护板的安装车间为总装车间，布置时需要考虑车间的实际工作环境。总装车间的生产线存在吊具、雪橇及工具支撑点等。前地板底护板的设计需要保证底护板安装后不与车间的工装产生干涉，以防在护板安装过后在生产线中遭到外力损坏，如图3所示。对于底护板与工装的间隙，经验值为25 mm以上。

图3 底护板与工装间隙

3.2 底护板安装方式的选取

前地板上的相应区域需要为底护板提供合适的安装点。

(1)安装点固定方式的选取。根据底护板材料的特性，优先选用螺接的方式，将其固定在下车体上，个别区域的固定点可以适当使用卡扣连接。具体焊接螺柱的安装点可借用地板下的横梁或纵梁(如图4)所示，针对不适合直接提供安装点的区域，在相关性能不受影响的前提下，适当增加小支架以提供合适的安装点。

图4 借助地板结构安装底护板示意图

(2)安装点位置的相关尺寸要求。图5为底护板安装点的相关参数示意，根据经验及相关模拟，为使底护板零件各区域得到有效的固定与支撑，底护板的安装点需要保证如表2所示的尺寸范围：安装孔的外边缘与零件的外边缘需要留有一定的材料用于固定；为保证零件材料的有效支撑，需要将零件的安装点安放在较靠近边缘的位置；各安装点的距离不宜过大，尽量使各安装点受力均匀。

图5 底护板安装点相关距离示意图

尺寸要求安装点距离零件边缘及边线的距离安装点间的距离d尺寸数值5～20mm≤400mm

3.3 底护板底面高度的选取

底护板的底面高度设计是底护板结构设计的重要环节。汽车在行进过程中，底护板的底面直接与空气接触，底护板的底面高度影响着气流对下车体的作用。

前地板底护板底面高度的确定需考虑以下3个方面：

(1)车辆的纵向通过线。车辆的纵向通过线是判断整车的通过性是否达标的重要依据。为防止增加底护板后汽车行进过程中产生托底，底护板的最低位置应不低于车辆的纵向通过线；

(2)前舱底护板及油箱下表面。汽车底部的不平顺，会导致汽车在行进过程中车身底部的空气产生紊流，从而增大空气对车身结构的干扰阻力。在前地板位置采用底护板结构，需考虑到前舱底护板的最低位置及油箱下表面。从空气动力学的角度分析，若前地板底护板的Z向位置高于前舱底护板，并且低于油箱的下表面位置，则会减小汽车在行进过程中所受的空气阻力，较为合理[4]；

(3)底护板与地面的间隙。理论上讲，底护板与地面间的间隙越小，风阻系数越小。相关研究显示，在50～200 mm的离地间隙范围内，阻力系数随着离地间隙的增大单调递增。在满足高度要求的前提下，尽可能降低底护板的高度有利于减小汽车在行进过程中的阻力[5]。

基于以上3个方面，图6中阴影部分区域为前地板底护板底面高度的合理区域。

图6 前地板底护板底面高度的选择

3.4 底护板细节特征的选取

在底护板的设计过程中要考虑一些细节的特征：

(1)底护板前端不宜设置开口区域。如底护板前端存在开口区域，在汽车行驶过程中，灰尘、碎石与路面积水容易通过开口区域进入护板内部，长期的外力作用会导致护板的撕裂与脱落。在设计前地板底护板时，前端可考虑隐藏在地板横梁后或在前舱底护板内，如图7所示。

图7 底护板前端设计

(2)底护板可适当设置漏液孔。在底护板表面适当设置漏液孔，可引导底护板内部的积水顺利排出。漏液孔推荐设置在底护板最低的表面上，如图8所示。

图8 底护板漏液孔

(3)底护板的设计要尽量隐藏紧固件。突出于底护板平面的紧固件，会干扰空气的流动，加大风阻。在护板的固定点位置设置凹坑结构，将紧固件隐藏在底护板平面以下可以使空气顺利流通，如图9所示。凹坑的深度需要根据材料的属性来决定，不超过材料的成型极限。

图9 底护板紧固件与凹坑结构

4 底护板的风洞实验与改进

汽车的燃油经济性与汽车风阻性能息息相关。根据相关研究，汽车每百公里油耗与风阻系数存在如下关系：

其中：Ql为汽车每百公里油耗；Fd为气动阻力；ge为发动机相应工况的有效耗油率；γ为燃油的重度；Cd为汽车风阻系数；ωT为转化效率；v为汽车行驶速度。

由公式可知，改善风阻有助于提升汽车燃油经济性[6]。

风洞实验是考察汽车风阻性能的常用方式，车辆行驶的多种工况均可在风洞实验中予以模拟。针对前地板底护板进行风洞实验，可考察不同方案下的风阻收益，为改进底护板的设计提供依据。

底护板的底面高度对风阻收益的影响较大。为考察其影响，某项目在底护板合理底面高度的基础上，选用高、中、低3种不同高度的底护板，展开风洞实验，相关条件及方案分别如图10、图11所示。表3为风阻测试结果，在底护板高度提升后，风阻的降低效果有所减弱。因此，在满足底护板底面高度要求的前提下，降低底护板的高度，即减小底护板平面的离地间隙，有助于降低风阻。

图10 底护板底面的高度选择

图11 不同高度底护板底面示意图

底面高度低中高Cd收益-0.005-0.004-0.001

5 底护板的热力学分析与改进

5.1 前地板底护板的热力学分析

热力学分析的目的是考察排气管的热辐射对底护板的影响。目前大部分家用车采用前置发动机的布置方式。前置发动机车辆的共同点是其排气系统贯穿于整个下车体。由于汽车行驶时排气系统会产生高温，较大的热辐射会影响排气系统周围的零部件[7-8]。

利用ANSYS有限元软件对某项目前地板位置底盘的热力学分布进行分析，结果如图12所示。根据热力学分析结果，越靠近排气管，温度越高，最高可达120 ℃以上，温度随着零件与排气管距离的增大而减小，因此底护板应与排气系统保持一定距离，此距离的经验值为大于或等于75 mm。但考虑到底护板的底面覆盖位置的有效区域需达到风阻系数的改善目标，底护板与排气系统的距离也不宜过大，所以在进行底护板设计时可考虑适当留出排气系统避让区域，如图13所示。

图12 整车底盘热分布图

图13 留有排气系统避让区域的前地板底护板设计图

5.2 前地板底护板局部过热的改进

通过ANSYS有限元软件进行分析，对排气系统做出了适当的避让后，发现仍有部分区域受到排气系统热辐射的影响较大。如图14所示，某项目在排气管热辐射影响下，护板的部分区域的面积温度能够达到200 ℃以上。超出常用的底部护板的材料能够承受的温度(通常为150 ℃以下)。

图14 排气系统对护板零件的影响

为保证底部护板的遮盖区域，推荐选用如下改进方案：在局部高温位置增加铝箔用于隔绝排气系统产生的热辐射。铝箔与底部护板之间可以采用结构胶或铆钉的方式连接。此种方案既满足了底护板的覆盖区域，也保证了底护板不受热辐射的损害。

6 结论

(1)提出了前地板底护板的设计方案。在前地板底护板的材料选用上，分析了底护板4种常用材料的优势与不足；在底护板的结构设计上，考虑了布置方式、安装方式、安装高度及细节特征4个因素，提出了适宜的方案。

(2)利用风洞实验考察了在前地板底护板底面高度发生变化时的风阻收益，总结了底护板底面高度与风阻收益的关系。

(3)利用ANSYS有限元软件对前地板底护板进行热力学分析，针对较高温区域提出了用铝箔覆盖的改进方案，具有一定的实用性。

【1】庄仲达,白二朋.影响汽车油耗的因素及降低油耗的对策[J].科协论坛,2012(3):61-62.

【2】丁岩,陈永光,李宁.空气阻力与车身造型研究[J].公路与汽运,2008(2):5-8.

【3】赵国迁,原大勇.汽车车身造型与节油关系的探讨[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版),2005,19(2):54-56.

【4】袁志群,谷正气.汽车底部结构对气动特性影响的数值仿真与实验研究[J]．系统仿真学报,2010(8):1832-1841．

【5】郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春:吉林科技出版社,1991.

【6】韩飞听.汽车车身造型与外围流场CFD相关性研究[D].南京:东南大学,2008.

【7】张小玉,丁志胜,戴亚文.发动机下护板热防护设计[J].武汉理工大学学报,2008,30(8):91-93．

【8】王浩, 张宏阁.加装发动机底护板的实用性探讨[J].汽车维修,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，硕士，工程师，从事车身零件的设计与发布工作。E-mail：Yuan1_Chang@patac.com.cn。

U462.1

A

1674-1986(2016)02-020-05