一種乘用車(chē)“無(wú)金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的設(shè)計(jì)方法

趙奕皓　趙奕博　宋楊菲　藍(lán)榮波

摘 要：隨著中國(guó)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，特別是國(guó)家對(duì)與新能源汽車(chē)賽道的進(jìn)一步推進(jìn)與開(kāi)發(fā)，整車(chē)搭載的功能及賦予的性能也愈發(fā)多樣化，信息化和高科技化。高度集成的系統(tǒng)總成也成為了開(kāi)發(fā)的主要方向之一。而在高度集成化的需求背景下，亦導(dǎo)致部分整車(chē)指標(biāo)和功能搭載被得到更多的關(guān)注，例如：重量、行人保護(hù)、前機(jī)艙內(nèi)空間，前機(jī)艙水管理等性能；PM2.5探測(cè)、溫濕度探測(cè)及其他空氣質(zhì)量探測(cè)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(kāi)發(fā)思路也應(yīng)運(yùn)而生。為了能夠開(kāi)發(fā)出符合現(xiàn)代化新式汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的多樣性需求的零部件，并進(jìn)一步響應(yīng)國(guó)家關(guān)于科技創(chuàng)新的進(jìn)步號(hào)召，文章將從整車(chē)減重需求、行人保護(hù)優(yōu)化需求、水管理優(yōu)化等需求方向，進(jìn)一步剖析此零件的關(guān)鍵作用與影響，從根源出發(fā)，深入研究新式雨刮裝飾蓋板的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法及執(zhí)行思路，還原整車(chē)零部件完整的開(kāi)發(fā)過(guò)程，改進(jìn)底層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。使其設(shè)計(jì)能夠在眾多的整車(chē)指標(biāo)能夠找到一個(gè)完美的平衡點(diǎn)，為整車(chē)競(jìng)爭(zhēng)力提供部分技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：上安裝板 雨刮裝飾蓋板 無(wú)鈑金流水槽 集成式 減重

當(dāng)下中國(guó)處于前所未有之大變局之中，若想從全球競(jìng)爭(zhēng)中突破，另辟蹊徑是更好的彎道超車(chē)辦法。結(jié)合當(dāng)下聯(lián)合國(guó)對(duì)于碳達(dá)峰與碳中和的要求與目標(biāo)，中國(guó)車(chē)企朝向新能源汽車(chē)發(fā)展方向的道路也更加明確。雨刮裝飾蓋板作為除前后保險(xiǎn)杠以外，最重要的外飾塑料件，其重要性將在整車(chē)電動(dòng)化和智能化的進(jìn)程中越來(lái)越顯著，被關(guān)注度也會(huì)越來(lái)越明顯。特別是在行人保護(hù)性能優(yōu)化、水管理新能優(yōu)化、機(jī)艙內(nèi)空間優(yōu)化、智能功能集成和減重降本等方面上。本文將對(duì)一種“去鈑金化”的集成式雨刮裝飾蓋板的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行說(shuō)明，并從完整的開(kāi)發(fā)過(guò)程中介紹此零件對(duì)各個(gè)整車(chē)技術(shù)屬性的影響及作用。

1 乘用車(chē)雨刮裝飾蓋板現(xiàn)狀

當(dāng)前乘用車(chē)領(lǐng)域，大多數(shù)車(chē)企對(duì)與雨刮裝飾蓋板（后文簡(jiǎn)述為蓋板）的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)仍處于裝飾蓋+鈑金流水槽的形式[1]。這種設(shè)計(jì)方式最大的一個(gè)好處是，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較為成熟，不需要過(guò)多考慮新的需求。而其設(shè)計(jì)缺點(diǎn)也同樣明顯，因?yàn)樯w板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?yàn)殁k金的結(jié)構(gòu)適配性較差，又無(wú)法完美配接。甚至因?yàn)殚_(kāi)孔過(guò)多，導(dǎo)致機(jī)艙漏水的風(fēng)險(xiǎn)增加。

除此之外，因?yàn)殁k金流水槽屬于集成焊接總成，需要將流入的外部液體導(dǎo)入安全的排水溝，大多數(shù)鈑金流水槽會(huì)跨越整個(gè)車(chē)身寬度，如圖1箭頭指示部件。為保證飾蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、排水流量及HVAC系統(tǒng)（空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)）進(jìn)氣需求，其寬度通常需要保證一定的x向?qū)挾龋S車(chē)型和造型不同而變化）[2]。

跨越車(chē)寬的空間占用也進(jìn)一步讓本就捉襟見(jiàn)肘的前機(jī)艙空間更加雪上加霜，特別是在電動(dòng)化和智能化的新能源汽車(chē)上，純電新能源車(chē)普遍在布置機(jī)艙時(shí)，還需要增加額外的高壓系統(tǒng)部件和其它智能化部件，這些都會(huì)使機(jī)艙空間被進(jìn)一步壓縮，甚至?xí)銮皺C(jī)艙可承受的空間尺寸。

2 “無(wú)金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的需求背景

基于上述傳統(tǒng)蓋板的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)以及對(duì)未來(lái)新能源車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，我們構(gòu)思了全塑料流水槽+塑料雨刮蓋板的設(shè)計(jì)思路。如圖2為全塑料式雨刮蓋板參考，圖中標(biāo)記1為塑料流水槽，標(biāo)記2為蓋板本體。所設(shè)計(jì)的蓋板具有質(zhì)量更輕，行人保護(hù)性能更優(yōu)，水管理效果更好的特點(diǎn)，下面簡(jiǎn)單從減重、行人保護(hù)等方面進(jìn)行闡述。

2.1 減重需求

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

下面以?xún)煞N材料進(jìn)行同樣的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。材料參數(shù)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(shè)計(jì)，每100 mm?面積，鈑金的設(shè)計(jì)質(zhì)量是塑料設(shè)計(jì)質(zhì)量的約2.39倍（見(jiàn)表1）。如果塑料流水槽寬度設(shè)計(jì)為鈑金流水槽的1/2，塑料流水槽甚至可以減重至鈑金設(shè)計(jì)的約0.209倍，由此可見(jiàn)減重效果極其明顯。本案設(shè)計(jì)即采用此結(jié)構(gòu)，對(duì)于本車(chē)型，減重并未影響其他性能。

2.2 行人保護(hù)需求

采用全塑料設(shè)計(jì)后，原鈑金流水槽的部分支架將會(huì)取消。對(duì)于前端區(qū)域的行人保護(hù)要求來(lái)說(shuō)，該區(qū)域主要是頭部碰撞的要求（即行人在遭遇機(jī)動(dòng)車(chē)事故時(shí)，頭部與前機(jī)蓋區(qū)域碰撞造成的傷害值要求），該要求遵循GB/T 24550的規(guī)定，而此項(xiàng)要求最大的設(shè)計(jì)需求為內(nèi)部潰縮空間及潰縮能力。

潰縮空間上兩者設(shè)計(jì)需求相近，此處不做贅述。而在潰縮能力上，材料及結(jié)構(gòu)是最大的影響因素。同樣結(jié)構(gòu)，蓋板選用改性PP的強(qiáng)度將弱于使用金屬材料，表2所示為常規(guī)塑料及鋼材的強(qiáng)度對(duì)比（數(shù)據(jù)來(lái)源于廠(chǎng)家公布）。

除此之外，塑料件還可以設(shè)計(jì)出更為復(fù)雜且有效的潰縮結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拿到更高的頭碰試驗(yàn)得分。例如：局部平面薄壁化設(shè)計(jì)、V字形根部薄壁化設(shè)計(jì)。此類(lèi)型設(shè)計(jì)都能保證產(chǎn)品既能能達(dá)到設(shè)計(jì)剛度，又能在沖擊下更易于潰縮。而此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果用鈑金來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)制作，不僅加大了制造的難度，而且會(huì)造成制造成本的大幅度提升。

3 “無(wú)金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的改良設(shè)計(jì)過(guò)程

整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程實(shí)際涉及多個(gè)階段，每個(gè)階段還會(huì)有很多細(xì)分環(huán)節(jié)，而項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵路徑也藏匿其中，在此從大家熟知的幾個(gè)一級(jí)計(jì)劃（主計(jì)劃）節(jié)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 造型階段

在車(chē)型設(shè)計(jì)初期，雨刮裝飾蓋板的造型會(huì)根據(jù)總布置輸出的斷面來(lái)設(shè)計(jì)，此階段需提前考量整體的空間需求，對(duì)于蓋板設(shè)計(jì)稍加注意即可。

3.2 結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

初版CAS面從造型輸出后，便會(huì)開(kāi)始初步的結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)，不論是整體定位設(shè)計(jì)或者密封設(shè)計(jì)均為常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，而整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中T1數(shù)據(jù)和T2數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段（T1、T2為整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)，即為非正式工裝樣車(chē)數(shù)據(jù)階段和正式數(shù)據(jù)階段）最核心的部分在于過(guò)程中的CAE仿真驗(yàn)證和輸入。

3.3 CAE仿真

CAE仿真是整個(gè)改良設(shè)計(jì)過(guò)程最重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)3D數(shù)模的模擬來(lái)得到設(shè)計(jì)的參考值，并通過(guò)非正式工裝樣件來(lái)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，以此來(lái)修正仿真的偏差，進(jìn)一步指導(dǎo)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此方法的合理運(yùn)用可以有效的降低開(kāi)發(fā)成本（相比于與后期出現(xiàn)問(wèn)題，發(fā)起工程變更的費(fèi)用），基于作者實(shí)際車(chē)型的開(kāi)發(fā)，下面將從行人保護(hù)、空調(diào)進(jìn)氣以及水管理等幾個(gè)方面的仿真分析做簡(jiǎn)單敘述。

3.3.1 行人保護(hù)

行人保護(hù)在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，是一個(gè)從始至終的需求，特別是對(duì)于有五星碰撞（C-NCAP/NCAP）需求的車(chē)型。而雨刮蓋板的主要試驗(yàn)項(xiàng)為為頭部碰撞。

頭部碰撞試驗(yàn)會(huì)覆蓋整個(gè)前風(fēng)擋及機(jī)艙蓋區(qū)域。部分區(qū)域因?yàn)檩^硬且潰縮空間較小，通常都為失分區(qū)域。剩下可以頭碰得分的兩個(gè)主要區(qū)域?yàn)椋河旯紊w板安裝區(qū)域和引擎蓋中部區(qū)域。

實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化點(diǎn)輸出，將作為CAE仿真的輸入及改進(jìn)點(diǎn)說(shuō)明。支持CAE團(tuán)隊(duì)對(duì)更改點(diǎn)進(jìn)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(gè)變化點(diǎn)的實(shí)際得分貢獻(xiàn)情況，由此可以初步得到一個(gè)改進(jìn)的推薦方向。

最終在數(shù)據(jù)階段可得到一個(gè)滿(mǎn)足項(xiàng)目需求的行人保護(hù)得分。此時(shí)便可啟動(dòng)軟模件制備，使用軟模車(chē)來(lái)進(jìn)行實(shí)車(chē)碰撞，以此來(lái)修正模擬與實(shí)際情況的偏差。完成這一步后，就可以繼續(xù)數(shù)據(jù)的修正開(kāi)發(fā)了。此時(shí)重新做的CAE仿真分析結(jié)果都開(kāi)始加上實(shí)車(chē)碰撞對(duì)比出的偏差值。使得數(shù)據(jù)仿真盡可能與實(shí)車(chē)碰撞接近。

在此方法下設(shè)計(jì)的蓋板結(jié)結(jié)構(gòu)，才能夠最大限度的貼近實(shí)際，才能更順利通過(guò)量產(chǎn)件的碰撞實(shí)驗(yàn)。這是對(duì)自己要求。也是對(duì)消費(fèi)者的負(fù)責(zé)。

3.3.2 空調(diào)進(jìn)氣

空調(diào)進(jìn)氣作為雨刮蓋板另一個(gè)重要的性能要求，其實(shí)經(jīng)常會(huì)存在相違背的需求。例如：空調(diào)區(qū)塊希望更大的進(jìn)氣面積，但是卻不希望更多的進(jìn)水量；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要對(duì)周邊進(jìn)行結(jié)構(gòu)避讓?zhuān)照{(diào)區(qū)域卻希望所有通道都是直通的無(wú)彎折或阻擋。這是一個(gè)在博弈中平衡的需求。通常情況下，開(kāi)孔面積不可能大于HVAC的開(kāi)孔面積。甚至在空調(diào)功率小的情況下，蓋板的開(kāi)孔面積可以比HVAC開(kāi)孔更小。而氣流的流動(dòng)順暢性及壓力損失則需要其他技術(shù)手段來(lái)支持了。這就是CFD（流體力學(xué)計(jì)算分析）。

下面以實(shí)例說(shuō)明，圖4為實(shí)車(chē)設(shè)計(jì)階段的某一次針對(duì)蓋板內(nèi)吸入HVAC氣流的CFD分析，從圖中不難看出，某些區(qū)域空氣流動(dòng)極慢，幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)，沒(méi)能提高吸入的空氣流量，某些區(qū)域因?yàn)樵O(shè)計(jì)的空氣通道較深，開(kāi)口較窄，使得壓力損失進(jìn)一步增加。

基于此CAE分結(jié)論，在當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)，我們進(jìn)一步調(diào)整了設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并最終達(dá)成空調(diào)區(qū)塊的需求。如果沒(méi)有這一部分子支持，實(shí)車(chē)才發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣不良，為保證空調(diào)的使用體驗(yàn)，將可能需要花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)的改模費(fèi)用去優(yōu)化設(shè)計(jì)，有時(shí)候甚至要重新開(kāi)模，如更改零件較多，花費(fèi)可能達(dá)到近百萬(wàn)。這會(huì)造成公司的資源浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

以上就是“無(wú)金屬流水槽式”雨刮裝飾蓋板的改良設(shè)計(jì)說(shuō)明。綜上我們可看到，同樣尺寸設(shè)計(jì)的塑料流水槽可減重至原設(shè)計(jì)的約0.418倍；因塑料的屈服強(qiáng)度弱于鋼材（約1/9倍），在行人保護(hù)的頭碰實(shí)驗(yàn)中更易得分；在空調(diào)進(jìn)氣和水管理需求中，因塑料件可以設(shè)計(jì)更多樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得全塑料設(shè)計(jì)更易于實(shí)現(xiàn)這些整車(chē)性能指標(biāo)，并可以基于實(shí)際情況做更多的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。

最后我們得出結(jié)論：此優(yōu)化設(shè)計(jì)能明顯減重、提高頭碰得分、更易實(shí)現(xiàn)空調(diào)進(jìn)氣和水管理的復(fù)雜需求。

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