發(fā)動(dòng)機(jī)罩高速工況翹起失效研究及驗(yàn)證

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)罩是車身顯眼部件之一，購車時(shí)受重點(diǎn)關(guān)注。其核心要求包括優(yōu)異的隔熱、隔音性能，輕量化與高強(qiáng)度設(shè)計(jì)[。同時(shí)，設(shè)計(jì)需與翼子板、前燈、保險(xiǎn)杠等周邊部件在間隙和表面平整度上協(xié)調(diào)統(tǒng)一，確保整車外觀美觀與視覺一致性。

一、背景

在A車型驗(yàn)證階段，多車路試（高原高寒、耐久、高速工況）中發(fā)現(xiàn)高速測(cè)試下發(fā)動(dòng)機(jī)罩前部變形翹起，引發(fā)與翼子板間隙不均、表面平整度不達(dá)標(biāo)、局部凹陷及涂膠開裂，存在安全隱患。結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)剖析問題根源，優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，為新車型研發(fā)提供參考。

二、失效現(xiàn)象調(diào)查

經(jīng)實(shí)車調(diào)查確認(rèn)，對(duì)環(huán)境及失效現(xiàn)象進(jìn)行分析。12號(hào)車在高速環(huán)道上以 180km/h 的速度行駛了14km之后，觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端兩側(cè)區(qū)域向上翹起了 10mm-15mm 。60號(hào)車以160km/h 的速度連續(xù)行駛了 300km 之后，在高速環(huán)道上觀察到了機(jī)罩出現(xiàn)了異常翹起現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板出現(xiàn)了明顯的凹陷情況。車輛停駛后，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的凹陷現(xiàn)象消失，翹起變形未恢復(fù)到初始狀態(tài)，內(nèi)外板間的減震膨脹膠開膠，如（圖1）所示。

三、翹起變形失效機(jī)理研究

車輛靜止時(shí)正常，但高速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩翹起。為此，從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)差異入手，分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)罩受力的因素。高速行

駛時(shí)，空氣快速流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，氣動(dòng)力使其受力情況與靜止時(shí)顯著不同。

（一）氣動(dòng)升力分析

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)總壓一定，動(dòng)壓和靜壓與速度和空氣密度有關(guān)，具體可用伯努利方程表示[2]：

式中C為常數(shù)，P為靜壓壓強(qiáng)，p為空氣密度，V為速度。

從式中可得，靜壓壓強(qiáng)與氣流運(yùn)動(dòng)的速度負(fù)相關(guān)，即速度越快，靜壓越低。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩前低后高，上部光滑平整與空氣接觸，下部連接前杠、前燈和中網(wǎng)。高速行駛時(shí)，上表面氣流為層流，隨機(jī)罩升高流速加快，動(dòng)壓增大、靜壓減小，形成低壓區(qū)；下部因結(jié)構(gòu)阻礙，氣流混亂甚至湍流，流速降低，動(dòng)壓減小、靜壓增大，形成高壓區(qū)。上下表面壓力差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端產(chǎn)生向上的升力，且因下彎結(jié)構(gòu)，進(jìn)風(fēng)量越大升力越大，類似機(jī)翼升力原理。

對(duì)A車型前部空氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，如（圖2）所示。結(jié)果顯示機(jī)罩前端形成負(fù)壓區(qū)。車速 120km/h 時(shí)，外部壓力為 -483Pa ，內(nèi)部壓力為 42.8Pa ，壓力差達(dá) 525Pa ，導(dǎo)致機(jī)罩前部受向上力。風(fēng)洞測(cè)試顯示機(jī)罩前端處于負(fù)壓狀態(tài)并受向上力，理論與實(shí)際一致。

（二）發(fā)動(dòng)機(jī)罩受力變形失效機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)罩的前端通過鎖扣與車身的水箱框架相連接，而后端則通過鉸鏈固定在車身的上邊梁上[3]。將發(fā)動(dòng)機(jī)罩組件投影到Y(jié)0平面時(shí)，呈現(xiàn)外伸梁結(jié)構(gòu)特征。基于此，對(duì)其受力分析，揭示前端翹起、中部凹陷及減重膨脹膠失效的力學(xué)機(jī)理。

根據(jù)簡(jiǎn)化后的外伸梁結(jié)構(gòu)畫出受力模型，計(jì)算各部位的受力情況。前伸梁處于靜止?fàn)顟B(tài)，外力F與支座反力平衡，根據(jù)靜力學(xué)原理計(jì)算支座反力：

，方向與F相同； ，方向與F相反。

分段列出剪力與彎矩方程：

（1）兩支座之間區(qū)域， 01lt;1 ：

（2）外伸梁區(qū)域， 12lt;1+m ：

F₈₂=-F_A+F_B=F

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制剪力圖及彎矩圖[4]，如（圖2）所示。

高速行駛時(shí)，氣動(dòng)升力使機(jī)罩前端受向上力，導(dǎo)致前沿區(qū)域上翹變形，且變形隨力增大和剛度降低而加劇。中間區(qū)域因向下內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)彎曲變形。機(jī)罩結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度不均，低剛度區(qū)易凹陷。外板凸起設(shè)計(jì)抗下變形能力強(qiáng)，而內(nèi)板更易變形，拉扯減震膨脹膠，當(dāng)膠體受力超撕裂強(qiáng)度時(shí)會(huì)斷裂。

四、失效影響因素分析

結(jié)合失效機(jī)理對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的氣動(dòng)變形影響因素進(jìn)行深入的調(diào)查與對(duì)比分析，確定了導(dǎo)致機(jī)罩翹起的兩個(gè)關(guān)鍵因素：機(jī)罩與前燈段差、機(jī)罩前沿約束剛度。

（一）機(jī)罩與前燈段差

對(duì)比22款標(biāo)桿車型， 78.3% 的機(jī)罩與前燈采用對(duì)接方式，21.7% 為搭接設(shè)計(jì)，主要用于德系品牌如奔馳、寶馬。搭接設(shè)計(jì)通常在前燈或機(jī)罩邊緣設(shè)置 5-10mm 段差，并配密封膠條以增強(qiáng)密封性。相比之下，A車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前燈采用搭接連接，段差達(dá) 23mm ，明顯大于標(biāo)桿車型范圍，且無密封膠條。這導(dǎo)致高速行駛時(shí)進(jìn)風(fēng)量更大，如（圖3）所示。在風(fēng)洞中進(jìn)行高速吹風(fēng)對(duì)比試驗(yàn)，用橡皮泥將機(jī)罩與前燈間隙縮小至5—10mm ，測(cè)試顯示，調(diào)整至標(biāo)桿車型段差范圍后，前端壓差平均降低 22%

（二）機(jī)罩前沿約束剛度

發(fā)動(dòng)機(jī)罩通過前端中間的機(jī)罩鎖以及后側(cè)兩端的鉸鏈固定在車身上。影響其前沿約束剛度的關(guān)鍵因素之一是機(jī)罩鎖扣嚙合點(diǎn)到機(jī)罩前沿之間的距離。

1.鎖扣嚙合點(diǎn)與機(jī)罩前沿距離

對(duì)比現(xiàn)代、本田和奔馳等標(biāo)桿車型，其機(jī)罩鎖環(huán)嚙合點(diǎn)到前端邊緣的距離均在 190mm 以內(nèi)，而A車型此距離達(dá)294mm ，明顯偏大，如（圖3）所示。這一結(jié)構(gòu)使A車型機(jī)罩前緣剛度較弱，受外力時(shí)更易變形。

2.鎖扣布置

在對(duì)比了包括奧迪、寶馬在內(nèi)的18款標(biāo)桿車型后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)罩總成寬度超過 1.6m 時(shí)，部分車型采用雙鎖設(shè)計(jì)，以此來增強(qiáng)機(jī)罩的約束剛度，如（圖3）所示。

五、對(duì)策驗(yàn)證及預(yù)防措施

針對(duì)高速行駛時(shí)機(jī)罩高速翹起的失效，基于對(duì)標(biāo)分析與失效機(jī)理的研究，從三個(gè)維度上制訂改進(jìn)及預(yù)防措施。

（一）機(jī)罩與前燈段差要求

根據(jù)對(duì)標(biāo)分析，機(jī)罩與前燈優(yōu)先采用對(duì)接配合，采用搭接配合段差 ?10mm 。在A車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣加裝密封條，封閉間隙以降低高速行駛時(shí)外部氣流進(jìn)入及上下壓力差。經(jīng)160km/h 高環(huán)路測(cè)試，機(jī)罩兩端無翹起變形，外板無凹陷。

（二）機(jī)罩鎖扣布置

根據(jù)標(biāo)桿車型數(shù)據(jù)，要求鎖環(huán)嚙合點(diǎn)至機(jī)罩前沿距離?190mm ，該要求納入發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)規(guī)范，作為后續(xù)車型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。A車型已到實(shí)車階段，修改鎖扣難度大，故未調(diào)整。

（三）新增約束剛度仿真項(xiàng)

對(duì)投影面積 gt;1.2m² 的發(fā)動(dòng)機(jī)罩，新增約束剛度仿真要求：目標(biāo)值 gt;270N/mm 若仿真未達(dá)標(biāo)，建議采用雙鎖布置。

六、在研車型橫展

根據(jù)建議，對(duì)公司在研車型進(jìn)行全面排查。 ^A+， B、C、C+ 四款車型風(fēng)險(xiǎn)較高，其中 ^A+， ，B已完成高環(huán)測(cè)試，未出現(xiàn)翹起或永久性變形，表現(xiàn)優(yōu)于A車型整改結(jié)果；C、 C+ 需通過后續(xù)樣車高環(huán)測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證。

結(jié)論

本研究通過分析A車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩高速行駛時(shí)的翹起問題，揭示其物理機(jī)制并定位原因，為改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升提供了方向，推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完善，提升產(chǎn)品性能。該成果既解決技術(shù)問題，也為行業(yè)技術(shù)進(jìn)步提供參考。

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