保險杠側角風道空氣動力學優化設計

孫金興 原紹鵬 朱少洪 陳鈺娟 孫圖鵬 范曾雁

上汽集團創新研究開發總院 上海市 201804

1 前言

空氣動力學，主要研究物體在空氣或其它氣體中運動時產生的各種力。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等因素造成[1]?，F代汽車的造型設計基本都是遵循空氣動力學，因此它決定汽車造型的大方向。不論是在民用汽車領域還是在賽車領域，空氣動力學設計對于降低風阻、提升車速、節約油耗、減少噪音和增強行駛穩定性等方面都非常重要。而汽車風道的設計也是汽車空氣動力學設計中不可或缺的一部分，對于車輛降低風阻有顯著的作用。

傳統的保險杠設計，考慮到成本和造型一致性，一般都不設計風道結構。隨著傳統能源消耗，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。而風阻在汽車能量消耗量中，占據很重要的地位。當車輛以80km/h的速度行駛的時候，它有60%-70%的消耗是用來克服風阻，隨著速度的提升，這個比例也會繼續提升，當速度攀升至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，風阻才是能量消耗的主要影響因素。

2 風道設計與空氣動力學的相關性

基于上述內容，減少高速工況下的行駛阻力，是提升經濟性的重中之重。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為風阻系數[1]。

當車速為定值的時候，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和風阻系數Cd，因此改善車輛的風阻系數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為無風道時車輛側邊空氣動力學模擬，圖2為有風道時車輛側邊空氣動力學模擬，兩個狀態風阻系數分別為0.369和0.35。在圖1上側邊有紅色阻力集中區域，這也是無風道車型風阻系數相對較高的原因。圖3為此區域的放大圖，風道的設計同時減小了汽車的橫截面積。因此保險杠風道的設計能高效、經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邊風道來改善車輛由于側邊造型設計導致的空氣阻力問題[2]。

圖1 無風道時車輛側邊空氣動力學模擬

圖2 有風道時車輛側邊空氣動力學模擬

圖3 無風道處空氣動力學分析

3 風道結構設計現狀

風道在現階段保險杠設計中是十分必要的，目前中高端車輛的保險杠基本也會配備風道。不過其結構設計、安裝固定及成本還存在優化空間。

如下圖4所示，為一種前保險杠的風道前部示意圖，風道位于車輛保險杠側邊區域。此區域的造型常存在棱角來提升車輛的前臉質感，所以會存在兜風問題，也是空氣阻力系數高的原因之一。圖5所示風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 風道前部示意圖

圖5 風道固定示意圖

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

而固定結構采用了螺釘固定，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域。

成本上，我們可以看到單純固定風道一共使用了5個螺釘加4個簧片螺母，緊固件成本較高。其次在側邊和保險杠背面區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，并且對現場操作空間也有要求?？梢钥吹狡涑杀静⒉坏?，這對整車成本的控制不利。

4 風道布局及固定方案優化

基于上述內容，現有的前保險杠風道設計，存在經濟性低，降風阻效果差的特點。經研究，筆者提出了一種基于空氣動力學的優化設計方法，該方案既可以降低風阻，減少能量消耗，也可增加保險杠側邊的強度，提升前保險杠的穩定性，降低成本。

首先，在原風道基礎上設計2個或多個排風口，可以考慮避讓輪罩固定點、停車輔助雷達支架、輪眉卡扣等結構，不會存在背部結構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安裝方式。后部采用BOSS柱，替代簧片螺母。

與現有風道相比，本風道具有如下顯而易見的實質性特點和優點：風道背部2個或多個排風口，可以在不影響風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、輪眉卡扣等結構。風道前部卡扣，在模具上直接成型，不僅成本低而且后期也方便調整。需要注意在設計固定形式時需要考慮風道內部的壓力分布情況，防止風道出現固定不牢或者晃動情況，如圖6所示[2]。風道后部采用BOSS柱,不僅成本低，而且這里將風道蒙皮及輪罩固定在一起，能增加保險杠側邊的強度，提升前保險杠的穩定性。

圖6 風道內部壓力分布情況

在圖7風道Z向主斷面中，可以看到各零件的相互關系。如圖8所示，風道采用Y向安裝，前部3個卡扣，后部1個卡扣與蒙皮預安裝，3個BOSS柱螺釘固定。風道后部設計2個排風口，避讓輪罩固定點、輪眉卡扣等結構。風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，同時降低了對現場工人的操作要求。風道后部采用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。并且風道后部設計一個雙邊卡扣與蒙皮預安裝，防止保險杠總成供貨時風道掉落。

圖7 風道Z向主斷面

圖8 風道固定及排風口布置

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，不需要現場工人目視對準裝配。同時定位筋匹配也方便后期調整。圖10為前部卡扣Z向斷面。此斷面顯示由內外風道兩部分組成，也可只有內部風道組成，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為與蒙皮預安裝雙邊卡扣斷面。此卡扣只是輔助固定作用，風道預安裝在保險杠蒙皮上，可以在供貨過程中防止風道掉落。其主要固定點為一穿三BOSS柱結構。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。拆卸次數要求沒有簧片螺母高，可以通過換大直徑的螺釘來實現。此區域安裝時，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 結論

綜上所述，前保險杠側角風道作為汽車空氣動力學不可或缺的一部分，其結構設計會對整車燃油經濟型和整車成本都有很大影響。而本文提出的前保險杠側角風道空氣動力學優化設計方案主要從結構設計、安裝固定及成本幾個方面來探討其優化效果。

設計方案亮點總結如下：

1.風道背部設2個或多個排風口，可以在不影響降風阻的同時充分考慮避讓輪罩固定點、停車輔助雷達支架、輪眉卡扣等結構。

2.優化風道前部為卡扣固定，在模具上直接成型，不僅成本低而且后期也方便調整。

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