發(fā)動機罩高速工況翹起失效研究及驗證

前言

發(fā)動機罩是車身顯眼部件之一，購車時受重點關注。其核心要求包括優(yōu)異的隔熱、隔音性能，輕量化與高強度設計[。同時，設計需與翼子板、前燈、保險杠等周邊部件在間隙和表面平整度上協(xié)調統(tǒng)一，確保整車外觀美觀與視覺一致性。

一、背景

在A車型驗證階段，多車路試（高原高寒、耐久、高速工況）中發(fā)現(xiàn)高速測試下發(fā)動機罩前部變形翹起，引發(fā)與翼子板間隙不均、表面平整度不達標、局部凹陷及涂膠開裂，存在安全隱患。結合行業(yè)經驗剖析問題根源，優(yōu)化設計與結構，為新車型研發(fā)提供參考。

二、失效現(xiàn)象調查

經實車調查確認，對環(huán)境及失效現(xiàn)象進行分析。12號車在高速環(huán)道上以 180km/h 的速度行駛了14km之后，觀察到發(fā)動機罩前端兩側區(qū)域向上翹起了 10mm-15mm 。60號車以160km/h 的速度連續(xù)行駛了 300km 之后，在高速環(huán)道上觀察到了機罩出現(xiàn)了異常翹起現(xiàn)象，發(fā)動機罩外板出現(xiàn)了明顯的凹陷情況。車輛停駛后，發(fā)動機罩外板的凹陷現(xiàn)象消失，翹起變形未恢復到初始狀態(tài)，內外板間的減震膨脹膠開膠，如（圖1）所示。

三、翹起變形失效機理研究

車輛靜止時正常，但高速行駛時發(fā)動機罩翹起。為此，從靜態(tài)與動態(tài)差異入手，分析影響發(fā)動機罩受力的因素。高速行

駛時，空氣快速流經發(fā)動機罩，氣動力使其受力情況與靜止時顯著不同。

（一）氣動升力分析

根據空氣動力學原理，氣流運動時總壓一定，動壓和靜壓與速度和空氣密度有關，具體可用伯努利方程表示[2]：

式中C為常數(shù)，P為靜壓壓強，p為空氣密度，V為速度。

從式中可得，靜壓壓強與氣流運動的速度負相關，即速度越快，靜壓越低。

發(fā)動機罩前低后高，上部光滑平整與空氣接觸，下部連接前杠、前燈和中網。高速行駛時，上表面氣流為層流，隨機罩升高流速加快，動壓增大、靜壓減小，形成低壓區(qū)；下部因結構阻礙，氣流混亂甚至湍流，流速降低，動壓減小、靜壓增大，形成高壓區(qū)。上下表面壓力差對發(fā)動機罩前端產生向上的升力，且因下彎結構，進風量越大升力越大，類似機翼升力原理。

對A車型前部空氣流場進行仿真分析，如（圖2）所示。結果顯示機罩前端形成負壓區(qū)。車速 120km/h 時，外部壓力為 -483Pa ，內部壓力為 42.8Pa ，壓力差達 525Pa ，導致機罩前部受向上力。風洞測試顯示機罩前端處于負壓狀態(tài)并受向上力，理論與實際一致。

（二）發(fā)動機罩受力變形失效機理

發(fā)動機罩的前端通過鎖扣與車身的水箱框架相連接，而后端則通過鉸鏈固定在車身的上邊梁上[3]。將發(fā)動機罩組件投影到Y0平面時，呈現(xiàn)外伸梁結構特征。基于此，對其受力分析，揭示前端翹起、中部凹陷及減重膨脹膠失效的力學機理。

根據簡化后的外伸梁結構畫出受力模型，計算各部位的受力情況。前伸梁處于靜止狀態(tài)，外力F與支座反力平衡，根據靜力學原理計算支座反力：

，方向與F相同； ，方向與F相反。

分段列出剪力與彎矩方程：

（1）兩支座之間區(qū)域， 01lt;1 ：

（2）外伸梁區(qū)域， 12lt;1+m ：

F₈₂=-F_A+F_B=F

根據計算結果，繪制剪力圖及彎矩圖[4]，如（圖2）所示。

高速行駛時，氣動升力使機罩前端受向上力，導致前沿區(qū)域上翹變形，且變形隨力增大和剛度降低而加劇。中間區(qū)域因向下內應力出現(xiàn)彎曲變形。機罩結構復雜、剛度不均，低剛度區(qū)易凹陷。外板凸起設計抗下變形能力強，而內板更易變形，拉扯減震膨脹膠，當膠體受力超撕裂強度時會斷裂。

四、失效影響因素分析

結合失效機理對發(fā)動機罩的氣動變形影響因素進行深入的調查與對比分析，確定了導致機罩翹起的兩個關鍵因素：機罩與前燈段差、機罩前沿約束剛度。

（一）機罩與前燈段差

對比22款標桿車型， 78.3% 的機罩與前燈采用對接方式，21.7% 為搭接設計，主要用于德系品牌如奔馳、寶馬。搭接設計通常在前燈或機罩邊緣設置 5-10mm 段差，并配密封膠條以增強密封性。相比之下，A車型發(fā)動機罩與前燈采用搭接連接，段差達 23mm ，明顯大于標桿車型范圍，且無密封膠條。這導致高速行駛時進風量更大，如（圖3）所示。在風洞中進行高速吹風對比試驗，用橡皮泥將機罩與前燈間隙縮小至5—10mm ，測試顯示，調整至標桿車型段差范圍后，前端壓差平均降低 22%

（二）機罩前沿約束剛度

發(fā)動機罩通過前端中間的機罩鎖以及后側兩端的鉸鏈固定在車身上。影響其前沿約束剛度的關鍵因素之一是機罩鎖扣嚙合點到機罩前沿之間的距離。

1.鎖扣嚙合點與機罩前沿距離

對比現(xiàn)代、本田和奔馳等標桿車型，其機罩鎖環(huán)嚙合點到前端邊緣的距離均在 190mm 以內，而A車型此距離達294mm ，明顯偏大，如（圖3）所示。這一結構使A車型機罩前緣剛度較弱，受外力時更易變形。

2.鎖扣布置

在對比了包括奧迪、寶馬在內的18款標桿車型后發(fā)現(xiàn)，當機罩總成寬度超過 1.6m 時，部分車型采用雙鎖設計，以此來增強機罩的約束剛度，如（圖3）所示。

五、對策驗證及預防措施

針對高速行駛時機罩高速翹起的失效，基于對標分析與失效機理的研究，從三個維度上制訂改進及預防措施。

（一）機罩與前燈段差要求

根據對標分析，機罩與前燈優(yōu)先采用對接配合，采用搭接配合段差 ?10mm 。在A車型發(fā)動機罩前緣加裝密封條，封閉間隙以降低高速行駛時外部氣流進入及上下壓力差。經160km/h 高環(huán)路測試，機罩兩端無翹起變形，外板無凹陷。

（二）機罩鎖扣布置

根據標桿車型數(shù)據，要求鎖環(huán)嚙合點至機罩前沿距離?190mm ，該要求納入發(fā)動機罩設計規(guī)范，作為后續(xù)車型設計準則。A車型已到實車階段，修改鎖扣難度大，故未調整。

（三）新增約束剛度仿真項

對投影面積 gt;1.2m² 的發(fā)動機罩，新增約束剛度仿真要求：目標值 gt;270N/mm 若仿真未達標，建議采用雙鎖布置。

六、在研車型橫展

根據建議，對公司在研車型進行全面排查。 ^A+， B、C、C+ 四款車型風險較高，其中 ^A+， ，B已完成高環(huán)測試，未出現(xiàn)翹起或永久性變形，表現(xiàn)優(yōu)于A車型整改結果；C、 C+ 需通過后續(xù)樣車高環(huán)測試進一步驗證。

結論

本研究通過分析A車型發(fā)動機罩高速行駛時的翹起問題，揭示其物理機制并定位原因，為改進提供科學依據。研究結果為結構優(yōu)化和性能提升提供了方向，推動行業(yè)標準完善，提升產品性能。該成果既解決技術問題，也為行業(yè)技術進步提供參考。

參考文獻：

[1]楊佳璘，趙桂范，顧海明，等.轎車發(fā)動機罩拓撲結構優(yōu)化及其輕量化設計[J].機械設計與制造，2013，（05）：32-35.

[2]徐永康.汽車氣動升力的試驗與仿真研究[D].湖南大學，2014.

[3]邱貴年.淺談某微型車發(fā)動機罩鎖布置方案[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2008，（18）：87-88.

[4]鄭彬，唐克倫.基于ANSYS的外伸梁平面彎曲內力分析[J].組合機床與自動化加工技術，2010，（05）：44-46.