汽车扰流板的优化设计

摘要：在现代汽车的设计过程中，扰流板是一个不得不考虑的因素。汽车扰流板具有装饰、减少汽车行驶时的上浮力以及节省燃料的作用。通过扰流板设计可以改善车体流场的尾流结构，在车辆高速行驶时可以明显降低油耗，减少二氧化碳排放。通过分析扰流板的作用，进行产品效果图的造型设计，在正向曲面建模的同时进行相关的结构分析，完成了扰流板正向设计的开发。

关键字：扰流板 正向曲面建模 模具开发

中图分类号：S611文献标识码： A

汽车扰流板是汽车尾部安装的一个与水平方向呈一定角度的附加板。汽车高速行驶过程中，利用其倾斜度，可使风力直接产生向下的压力，减少车辆尾部的气动升力，提高汽车的行驶稳定性。同时扰流板还可增强汽车的动感和美观，体现个性化设计及降低汽车油耗等。目前，按照空气动力学原理设计的汽车扰流板在欧美等发达国家已得到广泛应用。在中国，随着汽车工业的快速发展，人们对于汽车轻量化、节能、美观、快速、安全和舒适等要求越来越高，大量轿车装配了扰流板。

一、扰流板的原理和作用

因为车体一般是一个不规则流线体，车辆将空气分开，空气从车辆四周流过，而当流过车顶后，这部分空气会开始向下流动，而这里气流的流动速度会根据车尾的形状决定，比如车尾为了更加漂亮，所以很多车尾造型都比较陡峭，所以气流速度也会越快，也就会形成如机翼一样的效果得到向上的升力，而后扰流板的作用就是在不增加车体重量的前提下降低车辆行驶中所受到的上升力。 如果车尾的升力比车头的升力大，就易导致车子转向过多、后轮抓地力减小、高速稳定性差。所以利用后扰流板的倾斜度，使风力直接产生向下的压力，如F1赛车尾部的扰流板一般倾斜15°，高速行驶时可达1000公斤以上的压力。但是，后扰流板同时也增加了风阻，如Fl的风阻系数接近1.0(一般轿车为0.3～0.5)。所以后扰流板在设计时必须"恰到好处"，使后扰流板对增加的风阻与改善的性能之间达到最合理的度。

通常所说的“尾翼”比较专业的叫法为扰流板，多见于运动型轿车和跑车上。现在市面上也有一些普通车加装了这个“尾翼”扰流板。其实扰流板的作用主要是为了减少车辆尾部的升力，如果车尾的升力比车头的升力大，就容易导致车辆过度转向，后轮抓地力减小以及高速稳定性变差。

二、扰流板材料的选择

材料的物性决定了零件的特性与制造工艺，所以设计开发先期应当尽早评价所用材料的技术成熟度，材料成型方法的匹配性以及整体的性价比。扰流板材料的总体设计要求质轻、强度可靠、经济成本符合绿色设计。

1.聚碳酸酯PC系合金

聚碳酸酯PC系合金具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性。PC 的突出性能是优异的冲击性和透明性，优良的力学性能和电绝缘性，使用温度范围广，尺寸稳定性高，耐蠕变性高，是一种集刚、硬、韧于一体的塑料品种。PC的主要缺点为吸湿性能大，加工易产生气泡及银丝，制品易产生残余内应力，并对缺口敏感性大，耐疲劳性低，磨擦性及耐磨性不好。PC虽有很好的机械特性，但流动特性较差，因此注塑过程较困难PC制品一般不宜携带金属嵌件，如须加入，应将嵌件预热到200摄氏度或更高在选用PC系合金材料时，要首先考虑产品的设计要求，如果零件要求有较高的抗冲击性，那么就选用低流动率的PC材料；反之，可以采用高流动率的PC材料。

2.聚丙烯55

聚丙烯55具有极好的流动性能和宽范围的流速以及其独特的聚合物特性相结合，使得具有优异的加工性能，良好的耐热性，稳定的化学性，对水稳定性，制品表面光泽好，并易于着色。55 原材料极具价格优势，而且55可回收再利用，符合绿色设计原则，但55的材料缺点是未增强材料偏软，增强后表面质量差，而且耐候性差，对于一般车身外饰件，聚丙烯采用注塑工艺为多。

3.铝合金

铝相对与钢材而言重量轻，而且铝材几乎可以全部回收再利用，符合绿色设计的原则，有利于环境保护"全铝合金制扰流板一般用于赛车与豪华车；在乘用车扰流板上，由于铝合金外观设计自由度差，因此铝合金常用为扰流板塑制件中的内部加强件，铝合金尾翼一般可以采用挤塑、锻压成型以及浇注等成型方法。

扰流板材料选择遵循材料设计与认可流程，通过加权定性的方法来评价各款材料的综合性能，其中以10分定义最佳，以此排序铝合金与碳纤维具有较明显的优势，但铝合金的设计自由度却大大约束了铝合金在乘用车扰流板中的应用，同样碳纤维有目前的昂贵成本限制了在乘用车中的大规模应用，ABS系,PC系以及PUR三者相对而言，在目前的扰流板中获得了广泛的应用。

三、扰流板方案设计

1.曲面建模介绍

产品的形态由产品数模直接决定， 产品数模的质量直接决定了产品的质量。在设计过程中，产品数字模型的外表面及内表面的设计侧重点有很大不同， 通常先由造型设计工程师设计外表面， 然后由结构设计工程师设计内表面。这种分工关系决定了造型设计工程师在汽车造型设计中主要采用曲面建模的工作方式。产品曲面建模分逆向建模与正向建模两 种类型。正向建模是以已知数字化边界条件为依据， 直接在计算机中建构和完成曲面构建，实现二维效果图到曲面模型的转变方式。由于逆向建模流程开发周期相对较长，投入相对较大，在后期不容易做大的修改，所以为了尽快迎合市场需求，缩短开发周期，本文采用了正向建模的方式。但正向建模需要承担不可预期的风险。

2. 外表面处理的可行性

在对最后的产品效果比较有把握后，采用Alias 与CATIA 2 种曲面建模软件进行正向设计。在保证曲线和曲面质量的前提下， 需要对扰流板的造型轮廓线与车身造型线进行各个方向的调整， 以确认最终的表现形态是否符合整体的美感。调整扰流板的外轮廓线与车身走势相互协调； 调整扰流板内轮廓线与保险杠内切面的走势一致。扰流板外轮廓线与行李箱盖弧线走势相一致。

在设计扰流板上的高位刹车灯时，要考虑到将其安排在恰当的位置，以达到与扰流板比例均衡，整体协调。同时在保证整体造型的前提下，也要考虑灯具的尺寸及结构问题。高位刹车灯根据不同需求一般可安装回光反射器或灯具。回光反射器是一种无光源的光线反射器；灯具的基本组成部分是灯光组，灯光组包括光源（LED灯）、反射镜和透光镜三部分。在布局上如安装LED灯需考虑是否有足够的空间。

3. 模具开发的可成型性

汽车扰流板一般有两 种成型方法： 一次性吹塑成型或是注塑成型上下两 片后再将上下两 部分焊接而成。由于吹塑成型效率高、模具费用低以及后加工量小，因此现行一般采用吹塑成型法。无论采用吹塑成型或是注塑成型，都需要考虑模具开发的可行性，即如何脱模。

四、结语

本文细述的仅仅是前期初步设计阶段的方案设计，并主要是通过定性决策的方法选取该车型的扰流板初步设计方案，后续还需要进行大量的开发性7898试验，确保设计方案得到性能验证与设计认可，以进一步更好地开展后续的详细设计扰流板设计需要综合考虑的材料、工艺、制造、安装等众多因素。通过扰流板等外饰件的开发可以累积设计经验知识，系统化整理设计校核清单与设计诀窍，并建立规范化的设计准则"在后续的外饰件开发过程中，应逐步地实现全过程!CAE驱动的系统设计，同时积极探寻如碳纤维、植物纤维、玻璃纤维等先进工艺在扰流板、保险杠等外饰件中的应用。汽车公应当注重设计过程的知识系统管理，建立起外饰件的材料特性库以及经典设计概念库，从而实现知识累积与繁衍，以有效增强开发设计能力。