某乘用車(chē)復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板變形問(wèn)題優(yōu)化

張艾良，劉 寧

（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，燃油經(jīng)濟(jì)性已成為評(píng)價(jià)汽車(chē)的重要性能指標(biāo)，也成為消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛考慮的一個(gè)重要因素。風(fēng)阻系數(shù)是影響燃油經(jīng)濟(jì)的重要方面，而發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板是降低風(fēng)阻系數(shù)的重要零部件。發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板一般布置于機(jī)艙下部，為了滿(mǎn)足空氣動(dòng)力學(xué)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板覆蓋面積較大，同時(shí)為了滿(mǎn)足輕量化要求，底護(hù)板材料通常采用PP材料。張明遠(yuǎn)等介紹了乘用車(chē)底護(hù)板的材料及生產(chǎn)工藝,對(duì)長(zhǎng)玻纖、玻纖氈增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料等幾種材質(zhì)底護(hù)板的制造工藝、產(chǎn)品性能和資源情況等進(jìn)行了綜合的對(duì)比分析[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板阻擋了路面上的沙石對(duì)油底殼和變速器殼體的碰撞損壞[2]，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的理論，可以計(jì)算出加裝底護(hù)板一般能夠降低0.004~0.005 的風(fēng)阻系數(shù)[3]。武亞嬌等對(duì)底護(hù)板進(jìn)行開(kāi)口優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙和底盤(pán)對(duì)流換熱能力增強(qiáng)，滿(mǎn)足底盤(pán)零件的熱性能要求[4]。一般情況汽車(chē)機(jī)艙內(nèi)溫度較高，如果結(jié)構(gòu)及間隙不合理，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致底護(hù)板塌陷，影響整車(chē)性能[5-6]。本文就某乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板路試變形問(wèn)題為切入點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板的結(jié)構(gòu)、剛度、耐熱性能，以理論結(jié)合實(shí)際的方式，最終完善了發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板的設(shè)計(jì)規(guī)范,并通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案可行性。

1 問(wèn)題描述

某乘用車(chē)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，進(jìn)行4 000 km強(qiáng)化壞路試驗(yàn)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板存在嚴(yán)重變形問(wèn)題，整體膨脹突出，影響整車(chē)性能及行駛安全，為保證強(qiáng)化壞路試驗(yàn)的完成周期，需盡快查找出問(wèn)題的原因，實(shí)施整改方案[7]。正常狀態(tài)如圖1所示，故障狀態(tài)如圖2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板正常狀態(tài)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板變形故障狀態(tài)

2原因分析

2.1 原因分析過(guò)程

從設(shè)計(jì)輸入項(xiàng)、車(chē)型對(duì)標(biāo)、環(huán)境因素、裝配角度等維度展開(kāi)原因分析，逐項(xiàng)排查如圖3所示，最終明確問(wèn)題有以下兩方面：1)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板剛度不足；2)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板受熱變形。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板剛度不足

發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板設(shè)計(jì)規(guī)范要求發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板剛度目標(biāo)值 ，問(wèn)題車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板的剛度值僅僅達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范的臨界值，對(duì)比正常車(chē)型發(fā)現(xiàn)問(wèn)題車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板中間部位剛度偏弱，導(dǎo)致車(chē)輛行駛在壞路工況時(shí)，底護(hù)板產(chǎn)生下沉現(xiàn)象是問(wèn)題產(chǎn)生的原因之一，測(cè)量點(diǎn)位置如圖4所示，測(cè)量值如表1所示[8-9]。

表1 剛度測(cè)量值

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板受熱變形

發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板設(shè)計(jì)規(guī)范要求發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板需滿(mǎn)足80℃短期耐熱性要求[10]，經(jīng)復(fù)驗(yàn)問(wèn)題車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板車(chē)型發(fā)現(xiàn)結(jié)果不合格，需要滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板80 ℃溫度下Z向最大變形量為4.5 mm，面輪廓度Z向最大變形量為4.5/300 mm,試驗(yàn)后（標(biāo)準(zhǔn)溫度下）測(cè)量點(diǎn)間隙變化量最大變形量為6.5 mm,測(cè)量點(diǎn)斷差最大變形量為5.0 mm，面輪廓度變化量最大變形量為4.5/300 mm，仿真結(jié)果說(shuō)明在Z向最大變形量為5.8 mm，滿(mǎn)足耐熱要求。經(jīng)與正常車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板熱損害CAE結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板高溫區(qū)分布面積大，高溫區(qū)域面積大以及發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板耐高溫性能不合格，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板高溫時(shí)下沉量大，是問(wèn)題產(chǎn)生的另一個(gè)真因，溫度區(qū)域分布對(duì)比如圖5所示，高溫面積對(duì)比如表2所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板表面溫度區(qū)域分布對(duì)比

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板表面溫度區(qū)域面積對(duì)比

3 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板優(yōu)化方案

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板剛度優(yōu)化方案

基于上述原因分析，發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板中間位置剛度弱，需進(jìn)行剛度提升[11-12]。根據(jù)底護(hù)板設(shè)計(jì)規(guī)范手冊(cè)的規(guī)定，主要從增加加強(qiáng)筋及翻邊結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化方案如下。

1）兩側(cè)加強(qiáng)筋由23×5.5變更為63×13；2）中部加強(qiáng)筋由15×5變更為20×10；3）中部增加6條Y向加強(qiáng)筋；4）中部?jī)蓷l加強(qiáng)筋貫通到前部；5）左右兩側(cè)與輪罩安裝點(diǎn)處增加兩條加強(qiáng)筋；6）左右后部增加翻邊結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)板方案更改前結(jié)構(gòu)如圖6所示，更改后方案如圖7所示。

圖6 剛度優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖7 剛度優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板受熱變形優(yōu)化方案

通過(guò)橫向?qū)Ρ劝l(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板的結(jié)構(gòu)（如圖8所示），以及其他歷史車(chē)型熱損害的CAE分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板局部增加排氣口能夠有效地降低其表面溫度因此變更發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板結(jié)構(gòu)，在高溫區(qū)域增加3個(gè)排氣口結(jié)構(gòu)，提高空氣流通量，提升熱量散失效率，達(dá)到降低溫度的效果，如圖9所示。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板優(yōu)化方案結(jié)果驗(yàn)證

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板剛度優(yōu)化方案結(jié)果驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板增加加強(qiáng)筋及翻邊結(jié)構(gòu)等優(yōu)化方案后，通過(guò)CAE分析驗(yàn)證，結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板各測(cè)量點(diǎn)剛度值均有所提升，剛度值最大提升13 N/mm（如表3），且保證優(yōu)化后的車(chē)型的底護(hù)板各測(cè)量點(diǎn)的剛度值均高于正常車(chē)型，發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板抗變形能力顯著提升。將底護(hù)板增加的加強(qiáng)筋位置、特征值、數(shù)量以及翻邊結(jié)構(gòu)特征加入到底護(hù)板設(shè)計(jì)規(guī)范手冊(cè)，避免后續(xù)車(chē)型的底護(hù)板設(shè)計(jì)出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題。

圖8 橫向?qū)Ρ鹊鬃o(hù)板結(jié)構(gòu)

圖9 增加排氣口后結(jié)構(gòu)

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板優(yōu)化前后剛度值對(duì)比表

4.2 優(yōu)化方案CAE分析驗(yàn)證

通過(guò)增加3個(gè)排氣口結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案后，利用CAE熱損害分析軟件驗(yàn)證其可行性。分析結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板表面溫度高于60℃的區(qū)域面積由優(yōu)化前的70%減小到了35%（如圖10所示），優(yōu)化方案有效地減少了高溫區(qū)域面積。將底護(hù)板增加的出風(fēng)口位置、數(shù)量及特征加入到底護(hù)板設(shè)計(jì)規(guī)范手冊(cè)，避免后續(xù)車(chē)型的底護(hù)板設(shè)計(jì)出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板優(yōu)化前后溫度對(duì)比

4.3 優(yōu)化方案實(shí)車(chē)驗(yàn)證

在CAE分析結(jié)果驗(yàn)證優(yōu)化方案有效的前提下，進(jìn)行二次優(yōu)化。按照在發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板中部增加3個(gè)排氣口的優(yōu)化方案制作手工樣件，并按照CAE分析結(jié)果在溫度最高的區(qū)域布置溫度傳感器，進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為原始方案發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板平均溫度為63℃，增加3個(gè)排氣口的優(yōu)化方案平均溫度為50℃，平均溫度可降低13℃（如圖11所示）。仿真結(jié)果表明，增加排氣口的優(yōu)化方案可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板的表面溫度。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板優(yōu)化前后實(shí)測(cè)最高溫度對(duì)比

5 結(jié)論

基于以上原因分析及優(yōu)化方案的實(shí)施，發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板變形問(wèn)題得到了有效解決。最終通過(guò)一輪強(qiáng)化壞路試驗(yàn)驗(yàn)證，變形問(wèn)題確認(rèn)全部消除。通過(guò)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板變形問(wèn)題的處理過(guò)程，總結(jié)結(jié)論如下。

1）完善發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板設(shè)計(jì)規(guī)范，增加發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板加強(qiáng)筋及翻邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，保證底護(hù)板的剛度要求；2）增加發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板受熱變形失效模式分析，為后續(xù)車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板開(kāi)發(fā)提供參考；3）增加發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板表面溫度分析指標(biāo)，根據(jù)熱損害CAE計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板表面最高溫度，制定發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板試驗(yàn)大綱中短期耐熱性、長(zhǎng)期耐熱性等項(xiàng)目的溫度試驗(yàn)要求；4）制定發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板與發(fā)動(dòng)機(jī)保留合理間隙的技術(shù)要求，避免底護(hù)板受到高溫變形，具體的間隙值還需要下一步進(jìn)行試驗(yàn)研究確定。5）優(yōu)化后方案的平均溫度為50℃，且較之前平均溫度降低13℃，此優(yōu)化方案可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板的表面溫度；同時(shí)，該研究方法提升了針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板變形問(wèn)題的自主研發(fā)的能力，為后續(xù)車(chē)型的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力理論支撐。