汽車發(fā)動機(jī)下護(hù)板輕量化研究

陳魁 丁瑞陽 劉小杰

摘要：本文根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)下護(hù)板的功能需求，剖析了其主要的性能要求。通過對比常用工程塑料與金屬材料的物理特性，并選擇合適材料建立搭載在實際工況下的發(fā)動機(jī)下護(hù)板實例分析模型，對關(guān)鍵性能進(jìn)行CAE分析，最終驗證了采用塑料材料來代替金屬材料的可行性。該研究為整車輕量化和成本優(yōu)化提供了參考方向。

關(guān)鍵詞：汽車;發(fā)動機(jī)下護(hù)板;工程塑料;輕量化

中圖分類號：U465

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0027-04

The Research on the lightweight of the lower guard plate

CHEN kui， DING Rui-yang， LIU Xiao-jie

（ Dongfeng Motor Company Technical Center， Wuhan430058， China ）

Abstract： In this paper， the main performance requirements are analyzed according tothe functional requirements of automobile engine lower guard plate. By comparing the?physical characteristics of common engineering plastics and metal materials， and selecting suitable?materials to build an analysis model of engine under board?under actual working conditions， CAE analysis was carried out on the key performance， and the feasibility of replacing?metal materials with plastic materials was finally verified. The research provides a reference?direction for vehicle lightweight and cost optimization.

Key Words： Vehicle; Lower guard plate; Engineering plastics; Lightweight

陳魁

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，碩士學(xué)位。現(xiàn)工作于東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心2015年取得工程師職稱，主要研究方向為汽車外飾件設(shè)計。

1引言

汽車發(fā)動機(jī)和變速箱殼體一般采用鋁合金材料制作，這種材料強(qiáng)度不是很高，而很多車型的發(fā)動機(jī)和變速箱底部又處于車輛比較低的位置，在汽車“托底”時，這些部位會首先受到?jīng)_擊，輕則造成零件損壞需要花費高額費用來維修，重則造成車輛當(dāng)場故障無法行駛。因此，增加發(fā)動機(jī)下護(hù)板來保護(hù)發(fā)動機(jī)及變速箱顯得很有必要性。

發(fā)動機(jī)下護(hù)板位于汽車發(fā)動機(jī)的底部，一般通過螺栓螺母固定于發(fā)動機(jī)托架上，不僅可以在一定程度上減少汽車發(fā)生“托底”時動力總成部件受到?jīng)_擊的可能，同時抵擋飛起的泥水、石子等雜物侵入發(fā)動機(jī)艙，用以保護(hù)機(jī)艙零件不受損害。

為了起到防護(hù)作用，常見的發(fā)動機(jī)下護(hù)板一般采用金屬材料，金屬材料的有點事具有較高的強(qiáng)度和剛度，但缺點是重量較大，成本也較高。

隨著節(jié)能減排思想的深人，汽車輕量化的研究已是當(dāng)今汽車行業(yè)的熱門課題，而汽車輕量化的實質(zhì)則是零件的輕量化，實現(xiàn)零件輕量化的主要因素就是零件材料的輕量化。

本文論述的就是對汽車發(fā)動機(jī)下護(hù)板材料“以塑代鋼”的研究，來實現(xiàn)發(fā)動機(jī)下護(hù)板的輕量化設(shè)計。

2發(fā)動機(jī)下護(hù)板的性能要求

針對發(fā)動機(jī)下護(hù)板所處特殊環(huán)境及其需要滿足的功能，一般對其性能具有如下要求：

2.1良好的耐沖擊性能：

發(fā)動機(jī)下護(hù)板通常處于整車最低點，而且又屬于大平板件，在上下坡以及顛簸路面行駛時極易與地面產(chǎn)生磕碰，所以發(fā)動機(jī)下護(hù)板必須具有良好的抗沖擊性能，如果太容易破損，則起不到對發(fā)動機(jī)的保護(hù)作用。

2.2良好的耐熱性能

發(fā)動機(jī)下護(hù)板離發(fā)動機(jī)、排氣管等熱源較近，間隙通常不超過30mm，而機(jī)艙熱源溫度可以達(dá)到900C，輻射到發(fā)動機(jī)護(hù)板表面后溫度也會高于120C，普通的PP材料在此溫度條件下會發(fā)生熱變形及性能退化，故需要選用耐熱性較好的改性PP材料。

2.3良好的變形恢復(fù)性能

由于發(fā)動機(jī)下護(hù)板離發(fā)動機(jī)本體間隙較小，如果發(fā)動機(jī)護(hù)板剛性不足產(chǎn)生較大變形量則會造成其余發(fā)動機(jī)本體的干涉，產(chǎn)生磨損、異響等故障，這里的剛度主要有兩種;

a）抗空氣阻力剛度：汽車在行駛時，空氣高速流經(jīng)發(fā)動機(jī)下護(hù)板表面，會對其產(chǎn)生一個Z向的持續(xù)壓力，在這個壓力情況下，發(fā)動機(jī)下護(hù)板不.應(yīng)該產(chǎn)生較大的變形，以免造成對發(fā)動機(jī)本體的干涉;

b）變形后的恢復(fù)性能：護(hù)板在受到外力變形后應(yīng)具有良好的恢復(fù)性能，否則將導(dǎo)致下護(hù)板與周邊環(huán)境件的間隙惡化。由于發(fā)動機(jī)運行時會產(chǎn)生抖動，間隙過小則會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)與護(hù)板之間的摩擦和異響。

2.4塑料與金屬材料性能對比

以金屬護(hù)板常用的Q235鋼板為例，對比普通PP、長玻纖增強(qiáng)PP三種材料的密度、拉伸強(qiáng)度等關(guān)鍵材料特性，見表1：

通過表1可知，在拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等關(guān)鍵性能參數(shù)降低不大的情況下，可考慮用低密度材料PP-LGF30來代替鋼板。該材料具有力學(xué)性能佳，缺口沖擊強(qiáng)度高，優(yōu)良的耐熱性，有較好耐磨性及耐彎曲變形性能，尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。非常適合于在下護(hù)板產(chǎn)品上使用。

塑料下護(hù)板一般設(shè)計厚度為2.5mm，重量一般在1.5kg左右，相比金屬下護(hù)板的重量一般為6kg，可以減少重量約4.5kg，減重比例達(dá)到75%，減重效果十分可觀。

3分析驗證

現(xiàn)通過catia建立某車型塑料發(fā)動機(jī)下護(hù)板的模型，然后通過CAE分析來驗證是否能夠滿足以上的各項關(guān)鍵性能要求。

3.1約束模態(tài)分析

對護(hù)板模型進(jìn)行模態(tài)加載，約束方式如圖1所示，中間軟連接點約束12456，其余連接點全約束。

分析結(jié)果見圖2，表明：護(hù)板在約束狀態(tài)下的階模態(tài)為33HZ，二階模態(tài)為36HZ，3階模態(tài)為45HZ，符合搭載整車條件。

3.2安裝點強(qiáng)度分析

同3.1約束條件的情況下，以3g重力加速度對護(hù)板進(jìn)行加載分析，分析結(jié)果如圖3，表明：下護(hù)板在安裝在整車上行駛的工況下，安裝點處最大應(yīng)力為5.9Mpa，因此安裝點強(qiáng)度符合要求。

3.3點機(jī)械性能強(qiáng)度分析

此項分析模擬發(fā)動機(jī)下護(hù)板在受到地面凸起沖擊時所受到的應(yīng)力及變形量。

如圖4所示，取下護(hù)板模型上離地間隙較小的兩點進(jìn)行分析，對加載點周圍進(jìn)行約束，并施加加載力350N。

加載點l處的受力及變形如圖5所示，所受最大應(yīng)力分別為52.4Mpa和107.7Mppa，所受應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度115Mpa，零件未發(fā)生破壞。

最大變形量的分析如圖6所示，加載點1和加載點2的最大變形量分別為1.5mm和9.5mm，滿足動力總成與環(huán)境件的一般間隙要求（>20mm）。

3.4空氣阻力剛度分析

根據(jù)公式（1）計算下護(hù)板所受壓力大小

在下護(hù)板工作環(huán)境溫度為135C情況下，以計算所得壓強(qiáng)值為加載載荷，分析結(jié)果如圖7所示，下護(hù)板的Z向最大變形量為3.lmm，滿足其與環(huán)境件的間隙值要求。說明發(fā)動機(jī)下護(hù)板滿足空氣阻力剛度。

3.5熱輻射分析

此分析模擬發(fā)動機(jī)下護(hù)板在工作狀態(tài)下受熱的情況，判斷材料能否滿足熱輻射要求。

發(fā)動機(jī)下護(hù)板溫度受外部熱源的熱輻射、熱對流以及內(nèi)部熱傳導(dǎo)影響，其中外部熱輻射和熱對流是主要的影響因素。取排氣管熱源溫度900°C，下護(hù)板內(nèi)側(cè)溫度為135C、下護(hù)板外側(cè)溫度為55°C為輸人條件，分析結(jié)果如圖8所示，下護(hù)板表面最高溫度為128°C，小于零件材料熱變形溫度1559C，滿足設(shè)計要求。

若分析結(jié)果顯示溫度高于發(fā)動機(jī)護(hù)板材料的熱變形溫度，亦可采用粘貼鋁箔的方式來降低零件表面溫度，鋁箔的反射率高，熱吸收率低，是廣泛使用的熱防護(hù)材料。

4塑料下護(hù)板的其它優(yōu)點

塑料下護(hù)板除了具有重量輕、成本低的優(yōu)點外，還具有以下特點：

1、安全性更好：汽車在進(jìn)行設(shè)計時，出于安全性考慮，在汽車碰撞后會讓發(fā)動機(jī)盡快下沉以減少其對乘員艙的侵入。相比金屬護(hù)板，塑料護(hù)板強(qiáng)度較低，對發(fā)動機(jī)的下沉速度影響較小;

2、成型性更好：發(fā)動機(jī)下護(hù)板除了保護(hù)發(fā)動機(jī)外，隨著人們對汽車要求的提升，發(fā)動機(jī)下護(hù)板在提高整車NVH性能，動力經(jīng)濟(jì)性能方面也起到重要作用。金屬護(hù)板通常采用沖壓成型，只能做成簡單的平板，而塑料采用注塑成型，可以設(shè)計成出形狀更復(fù)雜的零件，從而更好的滿足整車NVH，空氣動力性等性能。

3、耐腐蝕性更好：機(jī)艙底部環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常會沾上水、機(jī)油、潤滑液等介質(zhì)，塑料零件在這些介質(zhì)環(huán)境中不易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

5結(jié)論

輕量化設(shè)計是目前汽車行業(yè)的一大趨勢，而塑料復(fù)合材料工藝以及CAE分析功能的高速發(fā)展為這一趨勢提供了有力的支撐。對于發(fā)動機(jī)下護(hù)板而言，選擇合適的塑料材料能夠在滿足零件基本性能要求的前提下，具有重量輕、成本低的優(yōu)點，可以實現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計要求。

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專家推薦

羅成：

文章以發(fā)動機(jī)下護(hù)板輕量化材料為研究對象，對關(guān)鍵性能進(jìn)行CAE分析，探討了采用塑料材料來代替金屬材料的可行性，研究結(jié)果有一定的實用價值。但文中對發(fā)動機(jī)下護(hù)板性能要求的描述過泛，CAE分析部分過少，沒有對CAE分析結(jié)果進(jìn)行驗證，影響了結(jié)果的可靠性。同時，對安全性、成型性、耐腐蝕性、成本等方面的分析缺乏數(shù)據(jù)支撐。