陈魁 丁瑞阳 刘小杰

摘要：本文根据汽车发动机下护板的功能需求，剖析了其主要的性能要求。通过对比常用工程塑料与金属材料的物理特性，并选择合适材料建立搭载在实际工况下的发动机下护板实例分析模型，对关键性能进行CAE分析，最终验证了采用塑料材料来代替金属材料的可行性。该研究为整车轻量化和成本优化提供了参考方向。

关键词：汽车;发动机下护板;工程塑料;轻量化

中图分类号：U465

文献标识码：A

文章编号：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

陈魁

毕业于武汉理工大学机械工程专业，硕士学位。现工作于东风汽车公司技术中心2015年取得工程师职称，主要研究方向为汽车外饰件设计。

1引言

汽车发动机和变速箱壳体一般采用铝合金材料制作，这种材料强度不是很高，而很多车型的发动机和变速箱底部又处于车辆比较低的位置，在汽车“托底”时，这些部位会首先受到冲击，轻则造成零件损坏需要花费高额费用来维修，重则造成车辆当场故障无法行驶。因此，增加发动机下护板来保护发动机及变速箱显得很有必要性。

发动机下护板位于汽车发动机的底部，一般通过螺栓螺母固定于发动机托架上，不仅可以在一定程度上减少汽车发生“托底”时动力总成部件受到冲击的可能，同时抵挡飞起的泥水、石子等杂物侵入发动机舱，用以保护机舱零件不受损害。

为了起到防护作用，常见的发动机下护板一般采用金属材料，金属材料的有点事具有较高的强度和刚度，但缺点是重量较大，成本也较高。

随着节能减排思想的深人，汽车轻量化的研究已是当今汽车行业的热门课题，而汽车轻量化的实质则是零件的轻量化，实现零件轻量化的主要因素就是零件材料的轻量化。

本文论述的就是对汽车发动机下护板材料“以塑代钢”的研究，来实现发动机下护板的轻量化设计。

2发动机下护板的性能要求

针对发动机下护板所处特殊环境及其需要满足的功能，一般对其性能具有如下要求：

2.1良好的耐冲击性能：

发动机下护板通常处于整车最低点，而且又属于大平板件，在上下坡以及颠簸路面行驶时极易与地面产生磕碰，所以发动机下护板必须具有良好的抗冲击性能，如果太容易破损，则起不到对发动机的保护作用。

2.2良好的耐热性能

發动机下护板离发动机、排气管等热源较近，间隙通常不超过30mm，而机舱热源温度可以达到900C，辐射到发动机护板表面后温度也会高于120C，普通的PP材料在此温度条件下会发生热变形及性能退化，故需要选用耐热性较好的改性PP材料。

2.3良好的变形恢复性能

由于发动机下护板离发动机本体间隙较小，如果发动机护板刚性不足产生较大变形量则会造成其余发动机本体的干涉，产生磨损、异响等故障，这里的刚度主要有两种;

a）抗空气阻力刚度：汽车在行驶时，空气高速流经发动机下护板表面，会对其产生一个Z向的持续压力，在这个压力情况下，发动机下护板不.应该产生较大的变形，以免造成对发动机本体的干涉;

b）变形后的恢复性能：护板在受到外力变形后应具有良好的恢复性能，否则将导致下护板与周边环境件的间隙恶化。由于发动机运行时会产生抖动，间隙过小则会导致发动机与护板之间的摩擦和异响。

2.4塑料与金属材料性能对比

以金属护板常用的Q235钢板为例，对比普通PP、长玻纤增强PP三种材料的密度、拉伸强度等关键材料特性，见表1：

通过表1可知，在拉伸强度和冲击强度等关键性能参数降低不大的情况下，可考虑用低密度材料PP-LGF30来代替钢板。该材料具有力学性能佳，缺口冲击强度高，优良的耐热性，有较好耐磨性及耐弯曲变形性能，尺寸稳定性高等优势。非常适合于在下护板产品上使用。

塑料下护板一般设计厚度为2.5mm，重量一般在1.5kg左右，相比金属下护板的重量一般为6kg，可以减少重量约4.5kg，减重比例达到75%，减重效果十分可观。

3分析验证

现通过catia建立某车型塑料发动机下护板的模型，然后通过CAE分析来验证是否能够满足以上的各项关键性能要求。

3.1约束模态分析

对护板模型进行模态加载，约束方式如图1所示，中间软连接点约束12456，其余连接点全约束。

分析结果见图2，表明：护板在约束状态下的阶模态为33HZ，二阶模态为36HZ，3阶模态为45HZ，符合搭载整车条件。

3.2安装点强度分析

同3.1约束条件的情况下，以3g重力加速度对护板进行加载分析，分析结果如图3，表明：下护板在安装在整车上行驶的工况下，安装点处最大应力为5.9Mpa，因此安装点强度符合要求。

3.3点机械性能强度分析

此项分析模拟发动机下护板在受到地面凸起冲击时所受到的应力及变形量。

如图4所示，取下护板模型上离地间隙较小的两点进行分析，对加载点周围进行约束，并施加加载力350N。

加载点l处的受力及变形如图5所示，所受最大应力分别为52.4Mpa和107.7Mppa，所受应力小于材料的屈服强度115Mpa，零件未发生破坏。

最大变形量的分析如图6所示，加载点1和加载点2的最大变形量分别为1.5mm和9.5mm，满足动力总成与环境件的一般间隙要求（>20mm）。

3.4空气阻力刚度分析

根据公式（1）计算下护板所受压力大小

在下护板工作环境温度为135C情况下，以计算所得压强值为加载载荷，分析结果如图7所示，下护板的Z向最大变形量为3.lmm，满足其与环境件的间隙值要求。说明发动机下护板满足空气阻力刚度。

3.5熱辐射分析

此分析模拟发动机下护板在工作状态下受热的情况，判断材料能否满足热辐射要求。

发动机下护板温度受外部热源的热辐射、热对流以及内部热传导影响，其中外部热辐射和热对流是主要的影响因素。取排气管热源温度900°C，下护板内侧温度为135C、下护板外侧温度为55°C为输人条件，分析结果如图8所示，下护板表面最高温度为128°C，小于零件材料热变形温度1559C，满足设计要求。

若分析结果显示温度高于发动机护板材料的热变形温度，亦可采用粘贴铝箔的方式来降低零件表面温度，铝箔的反射率高，热吸收率低，是广泛使用的热防护材料。

4塑料下护板的其它优点

塑料下护板除了具有重量轻、成本低的优点外，还具有以下特点：

1、安全性更好：汽车在进行设计时，出于安全性考虑，在汽车碰撞后会让发动机尽快下沉以减少其对乘员舱的侵入。相比金属护板，塑料护板强度较低，对发动机的下沉速度影响较小;

2、成型性更好：发动机下护板除了保护发动机外，随着人们对汽车要求的提升，发动机下护板在提高整车NVH性能，动力经济性能方面也起到重要作用。金属护板通常采用冲压成型，只能做成简单的平板，而塑料采用注塑成型，可以设计成出形状更复杂的零件，从而更好的满足整车NVH，空气动力性等性能。

3、耐腐蚀性更好：机舱底部环境复杂，经常会沾上水、机油、润滑液等介质，塑料零件在这些介质环境中不易产生腐蚀现象。

5结论

轻量化设计是目前汽车行业的一大趋势，而塑料复合材料工艺以及CAE分析功能的高速发展为这一趋势提供了有力的支撑。对于发动机下护板而言，选择合适的塑料材料能够在满足零件基本性能要求的前提下，具有重量轻、成本低的优点，可以实现汽车的轻量化设计要求。

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[5]王兰兰，张铎.改性塑料在汽车行业中的发展状.况[J].化学推进剂与高分子材料，2012，10（5）：41-45.

专家推荐

罗成：

文章以发动机下护板轻量化材料为研究对象，对关键性能进行CAE分析，探讨了采用塑料材料来代替金属材料的可行性，研究结果有一定的实用价值。但文中对发动机下护板性能要求的描述过泛，CAE分析部分过少，没有对CAE分析结果进行验证，影响了结果的可靠性。同时，对安全性、成型性、耐腐蚀性、成本等方面的分析缺乏数据支撑。