重卡導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

張輝，李春梅，鄭麗珠

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710220）

重卡導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

張輝，李春梅，鄭麗珠

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710220）

系統(tǒng)研究重卡導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)導(dǎo)流罩系統(tǒng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到批產(chǎn)的開發(fā)流程進(jìn)行了梳理；介紹導(dǎo)流罩常見結(jié)構(gòu)、材料和工藝方法，同時(shí)對(duì)導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循的法規(guī)要求和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了匯總。文章也探究了集成化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，注重過程經(jīng)驗(yàn)的積累，避免批產(chǎn)后問題，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的目的。

重卡；導(dǎo)流罩；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-85-04

前言

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，汽車風(fēng)阻系數(shù)Cd值每下降0.03，百公里油耗可下降2%1。陜汽某車型不帶導(dǎo)流罩風(fēng)阻系數(shù)Cd值為0.758，加裝導(dǎo)流罩后風(fēng)阻系數(shù)Cd值為0.654，Cd值下降0.104。按每輛車每年運(yùn)營(yíng)10萬公里，百公里油耗36L/Km計(jì)算，加裝導(dǎo)流罩后每年可節(jié)省36×2%×(100000/100) × 3.5=2520L燃油，油價(jià)按7.5元/升計(jì)算，每輛車可節(jié)省18900 元/年。巨大的經(jīng)濟(jì)效益促使車企對(duì)車輛的風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化越來越重視，因此對(duì)導(dǎo)流罩方面的研究也顯得越來越重要。本文著重從導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探討和學(xué)習(xí)。

1、導(dǎo)流罩系統(tǒng)構(gòu)成

導(dǎo)流罩系統(tǒng)主要由頂導(dǎo)流罩、側(cè)導(dǎo)流罩和導(dǎo)流罩支架三部分組成。

1.1 頂導(dǎo)流罩

安裝在駕駛室頂部用于頂部導(dǎo)流的裝置；

1.2 側(cè)導(dǎo)流罩

安裝在駕駛室后圍用于側(cè)部導(dǎo)流的裝置；

1.3 導(dǎo)流罩支架

用于連接導(dǎo)流罩和駕駛室，起固定和調(diào)節(jié)導(dǎo)流罩作用的裝置。

2、設(shè)計(jì)法規(guī)及輸入條件

2.1 中國(guó)法規(guī)要求

① GB/T1589-2004《道路車輛外廓尺寸》：半掛牽引車、貨車車寬2500mm，車高4000mm；

② JT/T789-2010《道路甩掛運(yùn)輸車輛技術(shù)條件》：牽引車的牽引銷孔中心至駕駛室后端固定物的距離L不小于2120mm；前回轉(zhuǎn)半徑R1不超過2040mm；

③ GB/T20182-2006 《商用車駕駛室外部突出物》。

2.2 歐盟、歐共體法規(guī)要求

① ECE R26-02《關(guān)于就外部突出物方面批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》。

3、設(shè)計(jì)開發(fā)流程

以下為新車型開發(fā)項(xiàng)目為例：

4、導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)策略

4.1 導(dǎo)流罩材料選擇

導(dǎo)流罩本體材料一般采用玻璃鋼，圖紙標(biāo)注簡(jiǎn)寫為UP+GF（UP為不飽和聚酯的國(guó)際通用縮寫，GF為玻璃纖維的國(guó)際通用所寫），一般密度在1.5-1.9g/cm 3之間。

材料選用趨勢(shì)：隨著合成塑料性能的提升及車體輕量化的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外部分廠家已經(jīng)開始采用塑料（如HDPE）作為導(dǎo)流罩本體材料，以降低車輛自重。

4.2 導(dǎo)流罩本體工藝選擇

導(dǎo)流罩的常見工藝方法分兩種：

4.2.1 手糊成型工藝

手糊成型看起來方法簡(jiǎn)單，不需要過多的設(shè)備和工具，但手糊成型恰恰是工藝要求嚴(yán)格，需要熟練的操作技術(shù)，并非簡(jiǎn)單的工藝方法。

工藝特點(diǎn)是：投入小，不需要正式模具，僅凹模且用木質(zhì)制作，安裝點(diǎn)無出模方向要求。缺點(diǎn)是外觀面差，安裝點(diǎn)尺寸精度差，同時(shí)生產(chǎn)效率低下，不適合作為批產(chǎn)產(chǎn)品使用。

4.2.2 SMC模壓成型

將一副陰陽模安裝在壓力機(jī)上，將SMC片材在模腔中經(jīng)過加熱加壓，使之固化定型。模壓法可分為熱壓法、冷壓法。

工藝特點(diǎn)是：投入較大，需要鋼模和壓力機(jī)，數(shù)模需要進(jìn)行出模檢查。優(yōu)點(diǎn)是適合批產(chǎn)產(chǎn)品，尺寸精度高，外觀美觀。

4.2.3 工藝選擇原則

考慮到導(dǎo)流罩是外觀件，且其降油耗特性越來越受重視。從目前國(guó)內(nèi)外趨勢(shì)來講，主流車型基本沒有使用手糊件生產(chǎn)，J6、天龍、GTL、A7均采用了模壓件的導(dǎo)流罩，因此在產(chǎn)品開發(fā)中只有初期產(chǎn)品小批量驗(yàn)證或者量比較少的車型才建議使用手糊工藝生產(chǎn)。

4.3 導(dǎo)流罩本體設(shè)計(jì)

導(dǎo)流罩本體一般厚度設(shè)計(jì)為3-5mm，設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要側(cè)重于安裝點(diǎn)的預(yù)埋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以下分手糊工藝和SMC模壓工藝兩種結(jié)構(gòu)分別討論。

手糊件安裝點(diǎn)預(yù)埋結(jié)構(gòu)見圖5，采用“幾”字形支架預(yù)埋在本體內(nèi)。支架需提前做電泳噴漆處理。

模具件預(yù)埋件見圖6，圖7，設(shè)計(jì)需考慮防拔拖及防轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，預(yù)埋六角螺母一端做成實(shí)心，防止料浸入。為降低SMC模具成本，安裝點(diǎn)法向最好與出模方向一致。

4.4 導(dǎo)流罩支架設(shè)計(jì)

導(dǎo)流罩支架主要起固定和調(diào)節(jié)導(dǎo)流罩作用。導(dǎo)流罩支架失效的常見形式是支架開裂、導(dǎo)流罩抖動(dòng)和駕駛室撕裂，設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意安裝孔距的布置及駕駛室本體內(nèi)部加強(qiáng)板的布置是否能滿足導(dǎo)流罩模態(tài)的要求。以下以支架的位置分類進(jìn)行介紹：

4.4.1 頂導(dǎo)流罩支架

①前支架：

設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)：（1）旋轉(zhuǎn)中心布置；（2）與導(dǎo)流罩連接方式；（3）現(xiàn)場(chǎng)安裝可行性；（4）與頂蓋連接強(qiáng)度。

注：若導(dǎo)流罩為可調(diào)節(jié)式，此處旋轉(zhuǎn)中心確定上，需要考慮導(dǎo)流罩旋轉(zhuǎn)時(shí)不要和頂蓋發(fā)生干涉。

②后支架：

設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)：（1）與頂蓋連接強(qiáng)度；（2）支架調(diào)節(jié)形式。

4.4.2 側(cè)導(dǎo)流罩支架

側(cè)導(dǎo)流罩支架形式上一般有兩種：獨(dú)立支架和集成管式支架。

①獨(dú)立支架：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)是對(duì)后圍安裝面精度要求高。工藝上一般采用沖壓或拼焊工藝，也有采用鑄造工藝生產(chǎn)。

側(cè)導(dǎo)流罩支架和駕駛室本體連接孔位，考慮到強(qiáng)度需要特別注意的是孔距不宜過小，建議值在100-150mm之間。在駕駛室本體上選擇安裝位置時(shí)需要在加強(qiáng)梁上或有特征加強(qiáng)的地方布置。

②采用管式集成支架連接：特點(diǎn)是可先進(jìn)行分裝，安裝簡(jiǎn)單，強(qiáng)度好于獨(dú)立式支架。管支架一般選擇直徑20-25mm 的Q235管材，采用折彎工藝，其上面支架采用焊接或裝配形式與管子相連，見圖11和圖12所示。

5、工藝檢查

主要檢查內(nèi)容：①出模方向與脫模斜度；②產(chǎn)品大小與模具工作臺(tái)大小尺寸；③預(yù)埋件結(jié)構(gòu)形式。

6、分析驗(yàn)證

為提高產(chǎn)品的可靠性，導(dǎo)流罩需要CAE分析部門進(jìn)行以下方面的分析并出具分析報(bào)告：

6.1 整車外流場(chǎng)分析

在給定的工況條件下下，CAE分析人員利用軟件對(duì)導(dǎo)流罩進(jìn)行外流場(chǎng)分析，同時(shí)根據(jù)分析的結(jié)果，提出合理化建議并出具分析報(bào)告。由造型人員對(duì)外形進(jìn)行修改后再進(jìn)行分析，以滿足流場(chǎng)分析設(shè)定目標(biāo)值為準(zhǔn)。圖13為表面風(fēng)壓參數(shù)的分析，圖14為造型優(yōu)化后風(fēng)壓參數(shù)情況。

對(duì)比兩圖可見，導(dǎo)流罩后端造型需盡量與大箱前端面保證一致，才能起到真正擾流的作用。作為造型設(shè)計(jì)部門需要在考慮造型美觀的同時(shí)兼顧其良好的擾流作用。

鑒于本文主要側(cè)重研究導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)流場(chǎng)優(yōu)化環(huán)節(jié)不再贅述。

6.2 導(dǎo)流罩強(qiáng)度、模態(tài)分析

由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供數(shù)模、零部件BOM及材料定義和工況，CAE分析人員進(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)分析：

①工況條件：約束模態(tài)、靜載荷Z軸1G力、50km/h，70km/h，,90km/h，110km/h；

②X方向：P= ρv^2（式中P是壓強(qiáng)，ρ是空氣密度1.185kg/m^3，v是風(fēng)速）；

③強(qiáng)度分析：計(jì)算各工況下導(dǎo)流罩及支架強(qiáng)度;導(dǎo)流罩及頂蓋、后圍連接部位強(qiáng)度；

④模態(tài)分析：計(jì)算各工況下導(dǎo)流罩及支架模型頻率和安全系數(shù)；

⑤出具分析報(bào)告及更改建議。

7、工藝可行性分析

（1）由設(shè)計(jì)人員提供數(shù)模、BOM清單及安裝圖，由工藝部門分析可行性并出具工藝流程方案，應(yīng)包含以下內(nèi)容：

①通過性分析；

②工藝流程；

③裝配性分析。

（2）工藝部門組織由設(shè)計(jì)、工藝、開發(fā)部、總裝參與的評(píng)審會(huì)議，對(duì)工藝流程方案進(jìn)行討論。

8、結(jié)論

以上為筆者在多年設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中的一些總結(jié)和積累，希望能給行業(yè)內(nèi)從業(yè)人員一些參考和幫助。

[1] 張英朝.汽車動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù).北京.北京大學(xué)出版社，2011.

[2] 谷正氣.汽車空氣動(dòng)力學(xué).北京.人民交通出版社，2005.

Study On Design Method Of Heavy Truck Wind Defelctor Structure

Zhang Hui, Li Chunmei, Zheng Lizhu
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

This paper firstly study the design methods of heavy truck wind deflector structure，carding the development process of wind deflector system from design to production；Then introduce the structure，material and craft method of wind deflector，and collects the laws and regulations which relates to wind deflector. For shortening the develop period of production, paper makes a thorough study on integrated design and reliability.

wind deflector; design of structure; heavy truck

U463.8

A

1671-7988(2015)01-85-04

張輝，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。