汽车气动模型制作技术

汽车风洞作为空气动力学性能开发的重要工具，在汽车开发早期造型设计阶段，可以通过制作气动模型进行风洞试验实现较好的空气动力学性能，这对整车后期空气动力学性能的达标是非常有利的，将大大降低后期的开发工作量，从总体上节省车企的开发时间和成本。中国汽研风洞中心现已具备为车企定制汽车气动模型的能力，并已为国内多家车企提供模型制作服务。本期将介绍气动模型制作相关技术。

1. 模型定义

气动模型是指用于整车空气动力学风阻、风噪试验的等比例或缩比例模型样车。中国汽研风洞中心可为车企定制所需的气动模型，还包括相应造型方案和气动优化方案中替换件的加工制作，如车身外造型、声学舱、详细机舱、底盘、悬挂零部件及部分可替换外观件等。

气动油泥模型与造型油泥模型的区别：1、造型油泥模型在使用功能上主要用于造型开发过程中造型设计和调整，做静态展示和外观评审；2、结构设计上造型油泥模型不体现完整的内舱空间、机舱结构、动力系统、下车身结构、底盘悬挂，轮毂不可做高速旋转。

气动模型材质可分为油泥模型和硬质模型，模型由骨架、下车体、外造型、声学舱、机舱、底盘、悬挂等总成组成，等比例模型可实现轮胎高速旋转运动，旋转速度可达到160km/h。

造型方案和气动优化方案多以ABS加工和光敏树脂3D打印制作替换样件进行现场替换测试为主，部分造型方案或临时优化方案由油泥模型师现场修改造型和手工制作简易方案件实现。

根据车型开发需求，结合整车开发节点进行方案试验验证，涉及多阶段试验模型样车及相应替换件加工制作，可分多阶段实施。


以此类推，多轮验证直至达到预期效果。

2. 骨架设计和匹配

骨架是模型最重要的部件，需要承载整个模型，起到精度控制、承重、零部件安装、空间预留等多个作用，设计不合理将会直接影响试验结果。

主骨架前舱部位空心设计，主骨架上设计安装平面，通过螺接，将副车架、地板、复位基准、承重骨架、叉车骨架等安装在基础骨架上，骨架须用方形钢管或者铝管等制作且须保证足够的强度和钢度，保证模型型胚不会在运输过程中发生扭曲、变形、表面翘曲等质量缺陷。


图1 乘用车等比例模型骨架


图2 商用车（卡车）50%缩比例模型骨架

乘用车等比例模型骨架前轮安装定位采用Z、Y向可调设计，以匹配试验时模型所需要的姿态调整，前后轮均采用不可转向的量产哈巴头连接法兰盘和骨架，设计轮毂转速可达160km/h。卡车50%缩比例模型轮子为3D打印制作，不可转动。


图3 可转动车轮安装调节机构示意图

驾驶舱可做声学舱预留，将内舱空间、开门结构、声学玻璃安装结构等提前设计和制作成型。机舱内需安装附件，模型轮距、轴距、前束角及外倾角会调整至试验要求姿态，且具备快速调整整车姿态及车轮安装Y、Z方向调整功能。


图4 声学舱预留和制作

骨架需与试验天平匹配：骨架乘员舱下端需要设计4个固定夹片，试验开始前与RPR夹具进行连接固定和调整模型姿态。



图5 RPR夹具与骨架定位基准配合安装示意图

表1 中国汽研气动-声学风洞测力天平对模型具体尺寸参数及安装夹具参数的要求



图6 RPR夹具模型安装夹片尺寸区间示意图

骨架底部设计需满足下车体零部件位置和形状精度要求，气动附件基于骨架进行安装，保证气坝、下护板和扩散器等附件的位置精度。


图7 底盘气动附件安装示意图

骨架需涂装黑色防锈漆或进行更高级别防锈处理。

3. 模型外造型面

模型外造型面制作必须体现外表面细节，如保险杠、格栅、后视镜、车门把手和车身线条等，加工材料要求坚固、不容易损坏与变形。


图8 模型外造型面

模型外造型面部分关键区域需开展多种优化方案试验验证，替换件采用ABS树脂加工，替换件需安装牢固，且能够快速替换。

模型外表面油泥厚度≥20mm，加工刮光处理后与原CAS精度误差控制在±0.5mm。

4. 下车体

下车体包含详细的整车下车体细节，需按照提供的数模要求加工底盘等样件，主要包括车架、车桥、传动轴、前后悬总成、排气系统、油箱总成、刹车系统、侧护板等等，材料均采用ABS制作。下车体安装的气动附件，在试验过程中如需替换，需提前提供清单及相对应数据。

5. 机舱

机舱需按照提供的数模要求加工相应零件，其中水箱散热器芯体、中冷器芯体、冷凝器芯体由客户提供或指定车型零件进行匹配购买安装。


图9 机舱匹配制作

6. 模型外表面附件

后视镜：
后视镜与车身连接应保证足够的精度和强度，保证在50米/秒的风速下不脱落不抖动，并且能够快速替换。

可替换轮辋：
可替换轮辋由两部分组成：轮辋本体及可替换轮辋饰板。轮辋本体起支撑作用，对于轮胎旋转所产生的气流影响应做到最小，通过螺栓与制动盘/制动鼓连接。可替换轮辋饰板根据实际轮辋造型进行加工（替换件），方便验证不同轮辋造型对于整车风阻系数的影响。可替换轮辋应保证足够的强度和刚度，可以支撑模型车的重量并保证轮胎能够高速旋转。可替换轮辋应保证轮辋和轮胎整体的动平衡，动平衡可进行调节。



图10 轮毂造型替换方式

7. 中国汽研风洞中心模型制作案例
（经客户同意展示）


图11 模型试验状态


图12 模型细节1


图13 模型细节2


图14 模型细节3