汽車前端模塊的設(shè)計(jì)

丁志勇，劉倩倩，萬朝華，王永森，丁林根,王林

(江鈴汽車股份有限公司, 江西南昌 330008)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和社會(huì)對(duì)環(huán)境問題的日益重視，提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的相關(guān)法規(guī)陸續(xù)出臺(tái)，這對(duì)汽車制造和后處理技術(shù)提出了更高的要求。汽車零部件日益向輕量化、模塊化方向發(fā)展，為整車輕量化和節(jié)能減排注入了原動(dòng)力，其中，前端模塊便是研究應(yīng)用的重要課題之一。“以塑代鋼”前端框架具有突出的減重、防腐和提高駕駛操控性能的優(yōu)勢(shì)，而且前端模塊作為一個(gè)整體在總裝主線組裝，不僅可以提高零部件組裝精度，也減少了汽車主機(jī)廠的安裝工時(shí)和對(duì)零部件的分區(qū)管理。

1 集成度分析

前端模塊所能集成的構(gòu)件內(nèi)容和數(shù)量, 會(huì)因汽車生產(chǎn)商的要求和前車身的設(shè)計(jì)而差別很大[1]。如圖1所示，現(xiàn)主流集成形式共3種：(1)集成散熱器總成、機(jī)蓋鎖(圖1(a)所示的低度集成)；(2)集成散熱器總成、機(jī)蓋鎖、大燈、防撞梁(圖1(b)所示的中度集成)；(3)集成散熱器總成、機(jī)蓋鎖、大燈、防撞梁、前保險(xiǎn)杠(圖1(c)所示的高度集成)[2]。集成度越高越能充分發(fā)揮前端模塊輕量化、裝配效果好、節(jié)約工時(shí)等諸多優(yōu)勢(shì)，但主機(jī)廠亦需提升相配套的制造工藝和安裝工裝，以保證安裝精度，一般采用從低到高循序漸進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)用的思路。現(xiàn)以某款車型的開發(fā)為例，設(shè)計(jì)低集成度的前端模塊。散熱器總成及機(jī)蓋鎖借用原基礎(chǔ)車型，重點(diǎn)對(duì)塑料主體框架設(shè)計(jì)、模塊安裝方式及剛度、強(qiáng)度等進(jìn)行分析。

圖1 不同集成度前端模塊

2 前端模塊主體框架材料選用

作為汽車前端模塊的核心部件，前端主體框架不僅要放置多個(gè)次模塊和部件[3]，也是輕量化的主體。 該車型原鈑金框架質(zhì)量約為7.5 kg，計(jì)劃采用塑料材質(zhì)達(dá)到減重30%～40%的目標(biāo)。PP是目前所有塑料中最輕的品種之一[4]，但收縮率和各項(xiàng)力學(xué)性能無法滿足前端模塊的設(shè)計(jì)要求。采用由長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的PP材料通過整體注塑成型得到的支架，其強(qiáng)度高、耐沖擊性能好、耐高低溫性能優(yōu)異，同時(shí)成本也比較低[5-6]。

現(xiàn)采用加入40%長(zhǎng)玻纖的PP材料，材料基本屬性如表1所示。

表1 前端模塊材料物性表

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)周邊環(huán)境件及自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)了如圖2所示的前端模塊。主體框架基本厚度3.0 mm，基本筋厚2.0 mm，質(zhì)量約4.5 kg，達(dá)到了預(yù)期減重目標(biāo)。

圖2 前端模塊結(jié)構(gòu)

3.2 模塊內(nèi)部安裝方式確認(rèn)

前端模塊內(nèi)部安裝和運(yùn)輸可以由供應(yīng)商負(fù)責(zé)，也可以在主機(jī)廠邊線同步進(jìn)行，從安裝效率和效果來講前者更具優(yōu)勢(shì)，為很多合資品牌所采用，但是目前大多數(shù)自主品牌主機(jī)廠為了節(jié)省安裝和運(yùn)輸費(fèi)用普遍采用后者。以目前主機(jī)廠普遍采用的自行組裝為例介紹某車型前端模塊內(nèi)部安裝方式。

步驟一，安裝機(jī)蓋鎖。

如圖3所示，將機(jī)蓋鎖通過3個(gè)M6的螺接安裝在前端模塊主體框架。

圖3 安裝機(jī)蓋鎖

步驟二，固定冷卻模塊下端。

如圖4所示，將冷卻模塊安裝支架過盈緊套于冷卻模塊，沿X方向整體傾斜向主體框架靠近。如圖5所示，使得處冷卻模塊下端緩沖墊先深入主體框架固定孔。

步驟三，固定冷卻模塊上端。

沿冷卻模塊下端Y軸為軸線翻轉(zhuǎn)冷卻模塊，使其直立，如圖6所示，打緊區(qū)域F處冷卻模塊安裝支架處螺栓，即固定散熱器總成上部4個(gè)安裝點(diǎn)。

圖4 安裝冷卻模塊支架

圖5 安裝冷卻模塊下端

圖6 固定冷卻模塊上端

4 主要力學(xué)性能分析

由于主體框架為機(jī)蓋鎖和冷卻模塊提供安裝位置，為確保整體滿足長(zhǎng)期工況使用要求，有必要對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。

如圖7所示，邊界條件：將前端框架與白車身相連接的位置全自由度約束。

4.1 機(jī)蓋鎖強(qiáng)度

如圖8所示，在主體框架機(jī)蓋鎖扣處+Z向施加3 500 N的載荷。如圖9所示，主體框架應(yīng)力分布云圖顯示斷裂強(qiáng)度為62.7 MPa,小于材料許用應(yīng)力86 MPa，故散熱器支撐區(qū)域是安全的。

圖8 機(jī)蓋鎖扣加載力

圖9 主體框架應(yīng)力分布云圖

4.2 散熱器剛度

如圖10所示，在主體框架冷卻模塊下端安裝處沿-Z向施加300 N的載荷。如圖11所示：冷卻模塊下端安裝處主體框架變形量0.51 mm，對(duì)應(yīng)剛度588 N/mm>300 N/mm，故散熱器區(qū)域剛度滿足要求。

圖10 冷卻模塊下端處施加力

圖11 主體框架變形云圖

5 總結(jié)

輕量化和模塊化是汽車工業(yè)發(fā)展的方向，前端模塊是重要研究課題之一。模塊化可以將零件集成后整體安裝于車身，省去總裝主線安裝工時(shí)，同時(shí)可以提高安裝精度，并且集成度越高、優(yōu)勢(shì)越明顯。前端主體框架承載模塊上其他部件，并且在材料和結(jié)構(gòu)上可以優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到進(jìn)一步減重的目的。仿真模擬可以提前預(yù)測(cè)模塊是否滿足各項(xiàng)使用工況。不僅如此，前端框架在未來不同車型的平臺(tái)化應(yīng)用可以減少開發(fā)資源和費(fèi)用，具有良好的發(fā)展前景和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn):

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