一種乘用車“無金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的設計方法

趙奕皓　趙奕博　宋楊菲　藍榮波

摘 要：隨著中國汽車行業的發展與進步，特別是國家對與新能源汽車賽道的進一步推進與開發，整車搭載的功能及賦予的性能也愈發多樣化，信息化和高科技化。高度集成的系統總成也成為了開發的主要方向之一。而在高度集成化的需求背景下，亦導致部分整車指標和功能搭載被得到更多的關注，例如：重量、行人保護、前機艙內空間，前機艙水管理等性能；PM2.5探測、溫濕度探測及其他空氣質量探測等功能。在此背景下，“去金屬流水槽式”的集成式雨刮裝飾蓋板（上安裝板裝飾板）的開發思路也應運而生。為了能夠開發出符合現代化新式汽車工業發展的多樣性需求的零部件，并進一步響應國家關于科技創新的進步號召，文章將從整車減重需求、行人保護優化需求、水管理優化等需求方向，進一步剖析此零件的關鍵作用與影響，從根源出發，深入研究新式雨刮裝飾蓋板的產品設計方法及執行思路，還原整車零部件完整的開發過程，改進底層設計結構。使其設計能夠在眾多的整車指標能夠找到一個完美的平衡點，為整車競爭力提供部分技術支撐。

關鍵詞：上安裝板 雨刮裝飾蓋板 無鈑金流水槽 集成式 減重

當下中國處于前所未有之大變局之中，若想從全球競爭中突破，另辟蹊徑是更好的彎道超車辦法。結合當下聯合國對于碳達峰與碳中和的要求與目標，中國車企朝向新能源汽車發展方向的道路也更加明確。雨刮裝飾蓋板作為除前后保險杠以外，最重要的外飾塑料件，其重要性將在整車電動化和智能化的進程中越來越顯著，被關注度也會越來越明顯。特別是在行人保護性能優化、水管理新能優化、機艙內空間優化、智能功能集成和減重降本等方面上。本文將對一種“去鈑金化”的集成式雨刮裝飾蓋板的設計方法進行說明，并從完整的開發過程中介紹此零件對各個整車技術屬性的影響及作用。

1 乘用車雨刮裝飾蓋板現狀

當前乘用車領域，大多數車企對與雨刮裝飾蓋板（后文簡述為蓋板）的設計開發仍處于裝飾蓋+鈑金流水槽的形式[1]。這種設計方式最大的一個好處是，結構相對簡單，結構較為成熟，不需要過多考慮新的需求。而其設計缺點也同樣明顯，因為蓋板結構簡單，很多功能難以直接集成裝配，如果集成安裝在鈑金流水槽上，因為鈑金的結構適配性較差，又無法完美配接。甚至因為開孔過多，導致機艙漏水的風險增加。

除此之外，因為鈑金流水槽屬于集成焊接總成，需要將流入的外部液體導入安全的排水溝，大多數鈑金流水槽會跨越整個車身寬度，如圖1箭頭指示部件。為保證飾蓋的結構強度、排水流量及HVAC系統（空調通風系統）進氣需求，其寬度通常需要保證一定的x向寬度（隨車型和造型不同而變化）[2]。

跨越車寬的空間占用也進一步讓本就捉襟見肘的前機艙空間更加雪上加霜，特別是在電動化和智能化的新能源汽車上，純電新能源車普遍在布置機艙時，還需要增加額外的高壓系統部件和其它智能化部件，這些都會使機艙空間被進一步壓縮，甚至會超出前機艙可承受的空間尺寸。

2 “無金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的需求背景

基于上述傳統蓋板的設計痛點以及對未來新能源車的發展趨勢，我們構思了全塑料流水槽+塑料雨刮蓋板的設計思路。如圖2為全塑料式雨刮蓋板參考，圖中標記1為塑料流水槽，標記2為蓋板本體。所設計的蓋板具有質量更輕，行人保護性能更優，水管理效果更好的特點，下面簡單從減重、行人保護等方面進行闡述。

2.1 減重需求

雨刮蓋板使用全塑料的設計使得流水槽不需要直接與左右車架直接相連（僅通過軟管或吹塑管連接排水），使得原來跨越車身的流水槽僅需要做到原設計的2/3，布置優化后甚至可以做到原金屬流水槽的1/2寬度。

下面以兩種材料進行同樣的設計進行比較。材料參數參考：PP改性材料按照1.05 g/cm?，壁厚2.5 mm；鈑金按照7.85 g/cm?，壁厚0.8 mm。同樣的流水槽設計，每100 mm?面積，鈑金的設計質量是塑料設計質量的約2.39倍（見表1）。如果塑料流水槽寬度設計為鈑金流水槽的1/2，塑料流水槽甚至可以減重至鈑金設計的約0.209倍，由此可見減重效果極其明顯。本案設計即采用此結構，對于本車型，減重并未影響其他性能。

2.2 行人保護需求

采用全塑料設計后，原鈑金流水槽的部分支架將會取消。對于前端區域的行人保護要求來說，該區域主要是頭部碰撞的要求（即行人在遭遇機動車事故時，頭部與前機蓋區域碰撞造成的傷害值要求），該要求遵循GB/T 24550的規定，而此項要求最大的設計需求為內部潰縮空間及潰縮能力。

潰縮空間上兩者設計需求相近，此處不做贅述。而在潰縮能力上，材料及結構是最大的影響因素。同樣結構，蓋板選用改性PP的強度將弱于使用金屬材料，表2所示為常規塑料及鋼材的強度對比（數據來源于廠家公布）。

除此之外，塑料件還可以設計出更為復雜且有效的潰縮結構，進一步拿到更高的頭碰試驗得分。例如：局部平面薄壁化設計、V字形根部薄壁化設計。此類型設計都能保證產品既能能達到設計剛度，又能在沖擊下更易于潰縮。而此類結構設計，如果用鈑金來進行生產制作，不僅加大了制造的難度，而且會造成制造成本的大幅度提升。

3 “無金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的改良設計過程

整車開發過程實際涉及多個階段，每個階段還會有很多細分環節，而項目開發的關鍵路徑也藏匿其中，在此從大家熟知的幾個一級計劃（主計劃）節點進行說明。

3.1 造型階段

在車型設計初期，雨刮裝飾蓋板的造型會根據總布置輸出的斷面來設計，此階段需提前考量整體的空間需求，對于蓋板設計稍加注意即可。

3.2 結構開發

初版CAS面從造型輸出后，便會開始初步的結構布置和設計，不論是整體定位設計或者密封設計均為常規結構設計流程，而整車開發過程中T1數據和T2數據設計階段（T1、T2為整車開發過程節點名稱，即為非正式工裝樣車數據階段和正式數據階段）最核心的部分在于過程中的CAE仿真驗證和輸入。

3.3 CAE仿真

CAE仿真是整個改良設計過程最重要的環節，通過對3D數模的模擬來得到設計的參考值，并通過非正式工裝樣件來進行實物驗證，以此來修正仿真的偏差，進一步指導和改進結構設計，此方法的合理運用可以有效的降低開發成本（相比于與后期出現問題，發起工程變更的費用），基于作者實際車型的開發，下面將從行人保護、空調進氣以及水管理等幾個方面的仿真分析做簡單敘述。

3.3.1 行人保護

行人保護在整車開發過程中，是一個從始至終的需求，特別是對于有五星碰撞（C-NCAP/NCAP）需求的車型。而雨刮蓋板的主要試驗項為為頭部碰撞。

頭部碰撞試驗會覆蓋整個前風擋及機艙蓋區域。部分區域因為較硬且潰縮空間較小，通常都為失分區域。剩下可以頭碰得分的兩個主要區域為：雨刮蓋板安裝區域和引擎蓋中部區域。

實際開發過程中的結構優化點輸出，將作為CAE仿真的輸入及改進點說明。支持CAE團隊對更改點進行多次，分步的仿真分析，如圖3，分步分析后，以此得出每一個變化點的實際得分貢獻情況，由此可以初步得到一個改進的推薦方向。

最終在數據階段可得到一個滿足項目需求的行人保護得分。此時便可啟動軟模件制備，使用軟模車來進行實車碰撞，以此來修正模擬與實際情況的偏差。完成這一步后，就可以繼續數據的修正開發了。此時重新做的CAE仿真分析結果都開始加上實車碰撞對比出的偏差值。使得數據仿真盡可能與實車碰撞接近。

在此方法下設計的蓋板結結構，才能夠最大限度的貼近實際，才能更順利通過量產件的碰撞實驗。這是對自己要求。也是對消費者的負責。

3.3.2 空調進氣

空調進氣作為雨刮蓋板另一個重要的性能要求，其實經常會存在相違背的需求。例如：空調區塊希望更大的進氣面積，但是卻不希望更多的進水量；結構設計需要對周邊進行結構避讓，空調區域卻希望所有通道都是直通的無彎折或阻擋。這是一個在博弈中平衡的需求。通常情況下，開孔面積不可能大于HVAC的開孔面積。甚至在空調功率小的情況下，蓋板的開孔面積可以比HVAC開孔更小。而氣流的流動順暢性及壓力損失則需要其他技術手段來支持了。這就是CFD（流體力學計算分析）。

下面以實例說明，圖4為實車設計階段的某一次針對蓋板內吸入HVAC氣流的CFD分析，從圖中不難看出，某些區域空氣流動極慢，幾乎沒有貢獻，沒能提高吸入的空氣流量，某些區域因為設計的空氣通道較深，開口較窄，使得壓力損失進一步增加。

基于此CAE分結論，在當初設計時，我們進一步調整了設計細節，并最終達成空調區塊的需求。如果沒有這一部分子支持，實車才發現進氣不良，為保證空調的使用體驗，將可能需要花費數十萬的改模費用去優化設計，有時候甚至要重新開模，如更改零件較多，花費可能達到近百萬。這會造成公司的資源浪費。

4 結語

以上就是“無金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的改良設計說明。綜上我們可看到，同樣尺寸設計的塑料流水槽可減重至原設計的約0.418倍；因塑料的屈服強度弱于鋼材（約1/9倍），在行人保護的頭碰實驗中更易得分；在空調進氣和水管理需求中，因塑料件可以設計更多樣復雜結構，使得全塑料設計更易于實現這些整車性能指標，并可以基于實際情況做更多的擴展結構。

最后我們得出結論：此優化設計能明顯減重、提高頭碰得分、更易實現空調進氣和水管理的復雜需求。

參考文獻：

[1]曹渡，蘇忠.汽車內外飾設計與實戰手冊[M].第2版.北京：機械工業出版社，2017：455-460

[2]黃金陵.汽車車身設計第二版[M].第2版.北京：機械工業出版社，2020.

[3]錢途.汽車水管理相關的設計與分析[J]. 北京汽車，2021，01：40-44.

[4]劉輝暉，周楓，熊俊.淺談白車身密封設計[J].汽車與配件，2020，01：65-67.