摘 要：

【目的】汽车扰流板具有装饰、减少汽车行驶时上浮力以及节省燃料的作用，可以提高汽车高速行驶的安全性，因此提高汽车扰流板结构设计的合理性非常重要。【方法】通过分析汽车扰流板在设计开发过程中的设计要点，从扰流板材料选择、安装方式以及成型工艺等方面总结相关研发经验，扰流板的壁厚一般在2.5 mm~3 mm范围内，尽量使其各部壁厚均匀，避免太薄，扰流板与后挡风玻璃之间的间隙为3 mm，中间粘贴4 mm吸能块，考虑制造公差及装配公差，扰流板安装后与车身钣金的间隙一般为2 mm，与钣金的面差为0+0/-0.5 mm；由于汽车车顶刚度对汽车行驶安全至关重要，所以采用有限元分析软件HyperMesh对扰流板进行网格划分，建立有限元网格模型，再将该模型导入ABAQUS软件中施加载荷和约束，约束扰流板与车身钣金所有固定点的6个自由度，并结合江西五十铃汽车有限公司标准规定，验证扰流板设计的合理性。【结果】扰流板在用70 mm的球沿垂直扰流板表面施加110 N的力、变形量不允许大于5 mm的工况下，实际变形量为4.743 mm，可以满足公司扰流板最大变形量不大于5 mm的规范要求。【结论】本研究可为后续类似零件的设计提供相应参考。

 

关键词：扰流板；成型工艺；结构设计；刚度

 

汽车扰流板是汽车外饰系统的重要零件，扰流板除了起装饰作用外，还能够重新引导车辆周围的气流，使车辆牢牢地保持在地面上，从而使车辆即使在高速下也能获得牵引力和稳定性，提高了汽车高速行驶的安全性，改善了汽车行驶的燃油经济性[1]。本研究分别从材料、安装方式、成型工艺、结构设计以及与周边件匹配关系等方面介绍扰流板在正向设计开发过程中相关参数的定义，同时概述了扰流板需符合的实验要求，包括法规项及一般物理实验项目，最后利用有限元分析方法对扰流板的刚度进行分析，验证扰流板设计的合理性。

 

1、 扰流板安装方式、材料选择和成型工艺

 

汽车扰流板是指安装在汽车后箱盖上的类似倒装的飞机尾翼的部件，如图1 所示，汽车扰流板增添了汽车的外形动感，可有效地减少车辆在高速行驶时产生的空气阻力，既节省了燃料，又提高了车辆行驶的稳定性[2-7]。扰流板一般经过注塑成型或吹塑成型后安装在车身后背门或顶盖上，其安装方式一般是通过中间位置的定位销定位，然后用自攻螺钉或卡扣与钣金内部螺接或卡接。目前扰流板的固定方式主要有两种，一种是在扰流板本体上预埋螺母，在背面打螺，再配合卡扣进行固定，如图2 所示；另一种是先预埋螺母座，再在正面打螺钉，缺点是需要拆件，外观不太美观，如图3 所示；一般尽量选用螺栓安装方式，既有利于安装操作，又有利于外表美观。

 

图1 汽车扰流板

 

图2 安装方式1

 

图3 安装方式2

 

1）扰流板材料选择。扰流板表面一般需要喷漆，因此扰流板材料一般为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚（ABS）、聚碳酸酯（PC）、玻璃钢（SMC）等。材料的选择不仅要保证塑料制品的功能，还要考虑加工生产、成本和供应。ABS 材料由于价格相对便宜，所以应用相对广泛。扰流板需要包含吸能块，当出模方向和扰流板的外观面数据都确定后，可以开始吸能块的设计[8]。吸能块具有吸收能量、减少震动、防水、减少局部面的变形等作用。扰流板的壁厚一般在2.5 mm~3 mm 范围内，应尽量使其各部壁厚均匀，避免太薄，否则会因收缩不均匀而引起塑料件变形或产生气泡、凹陷等成型工艺问题，从而影响其整体强度或导致外观缺陷。

 

2）扰流板成型工艺。扰流板的成型方式主要有两种，一种是吹塑成型，另一种是双层板注塑+焊接成型，如图4 所示。吹塑成型是将热塑性树脂经挤出或注射成型得到的管状塑料型坯，趁热（或加热到软化状态）置于对开模中，闭模后立即在型坯内通入压缩空气，使塑料型坯吹胀而紧贴在模具内壁上，经冷却脱模，即得到中空制品。双层板注塑+焊接成型是指在分别注塑扰流板内、外板后，通过焊接工装焊接在一起的成型工艺，可采用振动摩擦焊或穿刺焊。与吹塑扰流板相比较，双层注塑+焊接成型的扰流板外观感知质量更好[9]，一次性合格率高，但是所投的工装费用较高。

图4 双层板注塑+焊接成型扰流板

 

2、扰流板结构设计要求

 

1）扰流板与后挡风玻璃的匹配关系。扰流板与后挡风玻璃的匹配关系如图5所示，两者之间的间隙为3 mm，中间粘贴4 mm 吸能块，可防止两者之间的间隙被看穿及异响，且扰流板边缘需在玻璃黑边区域，不可被看见。2）扰流板与顶盖钣金的匹配关系。考虑制造公差及装配公差，扰流板安装后与车身钣金的间隙一般为2 mm，与钣金的面差为0+0/-0.5 mm，确保扰流板与车身钣金齐平或稍低于钣金，如图6所示。

图5 扰流板与后挡风玻璃的匹配关系

图6 扰流板与钣金的匹配关系

 

3、扰流板的实验要求

 

扰流板的实验要求包括法规要求及一般的物理实验要求。《乘用车外部凸出物》《汽车禁用物质要求》以及《汽车内饰材料的燃烧特性》是必须满足的法规项[10]。由于扰流板是喷漆件，需满足相应的喷漆件物理实验要求。

 

1）漆膜膜厚。根据油漆的颜色选择，一般在20 μm~30 μm 之间。2）油漆的附着力。用小刀在喷漆件上刻网格，然后用3M 胶带去粘贴刻好的网格，不允许胶带上沾有油漆。3）油漆具有良好的防水性能。油漆件在水中浸泡72 h后再完成附着力实验，不允许有油漆脱落。4）落球实验。将直径70 mm 的橡胶球置于扰流板上500 mm 的高度并使其自由落体，扰流板表面无明显缺陷。5）长周期热暴露实验。将扰流板放置在100 ℃±5 ℃温度下7 d，不允许其外观有明显缺陷。6）耐候性实验。实验标准采用SAE J2527—2004，查看零件的变色、开裂、起泡等情况，最后实验结果色牢度等级不小于4级。

 

4、扰流板的刚度分析

 

据统计，汽车翻滚事故受伤率为55.6%，死亡率为10.9%，均高于正面、侧面、追尾等形态的交通事故，堪称众多交通事故形态中毫无争议的“第一杀手”，这对车辆的安全性提出了更高的要求。为了验证汽车车身结构力学性能的刚度，针对汽车扰流板的刚度分析是必须的。首先通过有限元分析软件HyperMesh 对扰流板进行网格划分，建立有限元网格模型，然后再将该模型导入ABAQUS 软件中施加载荷和约束，并根据江西五十铃汽车有限公司标准规定，扰流板刚度分析的工况是用70 mm 的球沿垂直扰流板表面施加110 N 的力，要求扰流板的变形量不允许大于5 mm，约束扰流板与车身钣金所有固定点的6 个自由度。扰流板材料相关参数如表1 所示，刚度分析的变形云图如图7 所示，仿真结果表明，扰流板在此工况下的变形量为4.743 mm，满足公司规范要求。

 

表1 材料参数

 

图7 扰流板刚度分析变形云图

 

5、 结论

 

本研究分别从扰流板材料选择、安装方式、成型工艺、结构设计以及与周边件匹配关系等方面介绍了扰流板相关知识，同时说明了对于喷漆后的扰流板需符合的实验要求，包括法规项及一般物理实验项目，最后使用有限元分析软件HyperMesh 和ABAQUS 对扰流板的刚度进行分析，以验证扰流板设计的合理性。仿真结果表明，扰流板的设计符合江西五十铃汽车有限公司标准规定的扰流板最大变形量不大于5 mm的要求，可为后续类似零件的开发提供参考。

 

参考文献：

 

[1] 杨杰，王亚运.汽车扰流板的结构和试验设计[J].汽车实用技术，2022，47(9)：50-54.

 

[2] 张崴.汽车后盖扰流板可制造性分析[J].汽车实用技术，2020，45(16)：239-242+245.

 

[3] 吴艺锋.汽车注塑粘接扰流板的设计及应用[J].企业科技与发展，2022(4)：41-43.

 

[4] 陆玲梅，黄瑶，石凤健.基于预变形的汽车扰流板内板翘曲变形研究[J].现代塑料加工应用，2018，30(3)：54-56.

 

[5] 曹渡.汽车内外饰设计与实战[M].北京：机械工业出版社，2017.

 

[6] 张志军.汽车内饰设计概论[M].北京：人民交通出版社，2008.

 

[7] 付宇.汽车车轮扰流板降阻效果数值模拟分析[J].汽车工程师，2018(7)：37-39.

 

[8] 陈魁，刘小杰，陈雷.汽车底部护板对风阻系数的影响研究[J].汽车科技，2016(6)：40-43.

 

[9] 李余兵.面向工艺的汽车扰流板方案设计[J].汽车工业研究，2013(10)：41-48.

 

[10] 王锡顺.三厢轿车扰流板设计分析[J].汽车工程师，2011(9)：34-36.

 

来源：期刊-《南方农机》；作者：陈明亮 ，黄 勤 ，宋 磊；单位：江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心

 

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关键词： 汽车 扰流板设计 刚度分析