汽車輕量化之前端模塊

劉立濤 曹金鵬 公海星

摘 要：本文主要針對汽車前端模塊化問題，提出了在模塊化中使用塑料前端框架（Carrier），降低車身重量的方案。文中重點以某車型前端框架設計為例，介紹前端框架的設計及 CAE分析成果。以期能夠起到降低車身前端

重量，達到平臺化應用的目的。關鍵詞：輕量化；前端框架；CAE分析

1 概述

1.1 開發背景

汽車的電動化，輕量化以及智能化是當前汽車產業面臨的三個重要方向，節能、安全、環保是汽車產業發展永恒的三大主題。據預測，到 2020年我國汽車將突破 1.5億輛，年耗油量將突破 2.5億 t [1]。工信部乘用車百公里 6.9升的第三階段油耗限值標準于 2014年 1月 1日起全面實施，到 2020年乘用車企平均油耗將降至每百公里 5升，油耗標準日趨嚴苛 [2]。因此，輕量化是未來技術發展走向之一，市場影響舉足輕重。

汽車輕量化的指導思想是在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各總成零部件，持續優化車型譜，其主要途徑有 3個方面 [5]，分別是：

（1）汽車主流規格車型持續優化，降低耗材用量。

（2）采用先進輕質材料。

（3）優化結構設計。

以汽車前端模塊（ Front End Module， FEM）為例，其由多個部件的總成 [4]構成，包括前向照明系統、散熱器和冷卻風扇、空調冷凝器、格柵口加固板、吸撞緩沖區、帶有裝飾面板的保險杠、車前蓋鎖閉系統、雨刷噴水瓶，以及各種電子組件和線路布置等，具有組件多、重量重的缺點 [6]。對此，在前端中引入輕質材料如塑料進行減重效果明顯。然而直接采用以塑代鋼的思路和方法在實際實施過程中卻困難重重，因為塑料結構很難達到與金屬前端相同級別的剛度、強度和抗沖擊性能，難以保證前端模塊的可靠性和耐久性能。以塑代鋼必須以合理的結構設計、安裝定位方案的應用作為支撐。近年來，興起的模塊化的設計和組裝帶來了汽車前端設計新的契機，也為汽車輕量化進一步發展帶來革命性的變化 [3]。

經調研，自主品牌現有車型尚未采用前端模塊。本文擬在未來開發車型中推薦使用塑料前端框架，以達到車身輕量化，供貨模塊化，生產平臺化的目標。

1.2 開發目標

本文以某車型前端模塊中前端框架的預研成果為基礎，以 PP+LGF30代替傳統材料，依托設計、 CAE分析等手段探討在前端框架輕量化技術。本文所述項目的實施目標為：在某車型上使用前端模塊，利用塑料前端框架，達到車身前端輕量化及平臺化的目標，其中，前端框架減重目標 3kg-5kg，減重率約 35%，平臺化目標為在不大規模變動前端框架的基礎上，能夠在某及后續車型上共用一款前端框架。

如表 1所示，使用前端模塊，有望從重量、工藝、成本、供貨模式等方面對車身前端進行改善。其中前端框架能夠減少零件數量約 21個，減少鈑金件數量，減重約 35%，減少總裝線工位約 11個，同時減少總裝工序數量、零件數量、模具數量等，改善物流供貨模式，減少物流運輸費用。

1.3 項目實施方法描述

在某項目預研中，涉及前端框架的調研及設計工作，在此工作的基礎上，對調研和設計

2 前端框架設計

2.1 邊界輸入及材料選擇

由于前端框架是前端模塊總成的主要支撐部件，其具有環境件多、變形量大、力學性能要求高的特點，因此在設計前期，需要整車廠輸入設計所需的邊界數據，如表 2所示。

依據具體項目不同，所需邊界數據可能會有所變化。

為達到輕量化目標，本項目采用以塑代鋼的方法降低前端框架的重量，同時，為保證其力學性能不受影響，采用 PP+LGF30為塑件材質進行設計。

2.2 前端框架造型設計

前端模塊的整體定位對于框架的設計至關重要，包括集成部件、在整車組裝工序中的序列等。

3.2 最大下墜量及應力分析建模

對于裝配在車輛上的 Carrier確認模態形狀下的自然共振頻率，進行 CAE分析。建模： Carrier 及 Hang-on Parts 有限元建模（彈性系數，泊松比，密度采用相應的規格，密度可為了實際重量進行調整）。整體重量：已建

3 CAE分析

3.1 最大下墜量及應力分析建模

為確認裝配在車輛上的 FEM的 Carrier的最大下墜量及應力，進行 CAE分析。建模： Carrier 及 Hang-on Parts 有限元建模（彈性系數，泊松比，密度采用相應的規格，密度可成的有限元模型滿足實際重量，同時也反映 Coolant等部品的重量。界限條件：拘束裝配在 BIW的 123456部位（如圖 6）。荷重條件：

4 項目總結

4.1 項目成果

采用 PP+GF30為塑件材料的情況下，此前端框架理論重量為 3.75 kg，外形尺寸為 154×1155×541 mm，主壁厚 3 mm，采用嵌件注塑成型。相比原始前端框架，減重 4.47kg，減重約 54%，達到預期目標。 CAE分析，達到整車應用要求。

4.2 展望

參考文獻：

[1]汽車輕量化進展 .汽車輕量化在線 . http： //www.autolightweight.com/article-1474-1. html.

[2] 邵蕊， 趙宇龍 . 2020年百公里 5L油耗能實現嗎. 汽車工藝師 . 2014.

[3] 王琛 . 汽車模塊化之前端模塊概述 . “廣汽部件杯”廣東省汽車行業第六期學術論文集 . 2011.

[4]邱晨曦，胡琦 .材料創新對前端模塊降本減重的可行性分析. 汽車零部件 . 2015.

[5]王俊峰，馬祥林，張興龍 .碳纖維在汽車輕量化中的應用. 新材料產業 . 2015.

[6]丁素芳，庹海鋒 .汽車全塑前端模塊支架剛度的研究. 汽車制造技術 . 2012.