基于CAE的重卡發動機艙蓋板沖壓件產品結構設計淺析

湯 敏

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

從重卡駕駛室儀表臺區域強度和駕駛室整體強度考慮，目前有一種重卡的發動機艙蓋板設計為沖壓鈑金件，而傳統設計此處結構一般為注塑件。這種用鈑金件代替注塑件的設計，會給制造工藝帶來以下問題：首先此件需要做到所有搭接縫隙密封；用沖壓工藝代替注塑工藝，多處位置沖壓開裂、起皺需要重新設計；重新設計的沖壓件需要避讓發動機和內飾部件，其空間造型受到多處約束。在產品內造型設計階段對沖壓件實現的可行性以及沖壓加工的經濟性等方面需要系統考慮。

在產品初始討論階段就能從沖壓工藝優化的角度，提出此件產品結構的合理化建議。從源頭上解決此件以鋼代塑產生的質量問題，同時還可以確保作為沖壓件帶來的重卡駕駛室儀表臺區域剛度的提高和駕駛室整體力學性能的提高。

1 結構設計簡介

本文所述結構，為了解決以上問題，從源頭上約束重卡的發動機艙蓋板的產品工藝結構。降低發動機艙蓋板結構不合理所帶來的成本、周期風險。本設計通過沖壓CAE分析發動機艙蓋板可能發生的成形質量問題反向推導，并采用沖壓、焊接兩專業聯動的思路，開發出一種綜合的、合理的結構約束參數。將傳統工藝條件下重卡的發動機艙蓋板產品結構不合理而導致的風險盡可能降到最低，同時避免由此引發的項目開發瓶頸。

本文所述重卡發動機艙蓋板沖壓件產品結構設計關鍵在于，包括分件方式、二級臺階尺寸、拔模角度、吸皺筋等要素的設計，包括分件后的焊接密封性校核，包括空間避讓的校核。

本文設計難點在于此結構充分考慮了發動機艙蓋板以鋼代塑質量問題的解決；同時考慮到發動機艙蓋板密封功能的實現；最后，該結構必須同時兼顧沖壓的模具強度、模具受力均衡、沖壓成本等。

2 結構設計

2.1 主要結構名稱

如圖1所示為該產品結構相關視圖。

2.2 詳細結構設計

結合圖1結構示意圖，本文所設計結構與普通發動機艙蓋板相比，主要有以下特點：①材質設計發動機艙蓋板以鋼代塑，保證了此駕駛室和儀表臺的力學性能；②發動機艙蓋板改為沖壓件，首先根據寬高比分析必須分件；③發動機艙蓋板分件以后仍需做出多處工藝優化以解決開裂、起皺等質量問題；④解決發動機艙蓋板以上問題的同時，必須充分考慮車身密封性、模具壽命和模具成本等因素。

圖1 產品結構示意圖

結合如圖2所示沖壓件成形FLD圖，介紹本產品結構在設計過程中所運用的原理。發動機艙蓋板材料以鋼代塑，在沖壓工藝設計中識別出三大難點：①零件寬高比很小，且多處存在復雜造型，現有鋼材庫里找不到一種材質可以達到如此高成形性；②此件原先按照注塑件工藝進行設計，多處無法滿足沖壓工藝造型要求；③此件為分割發動機艙和駕駛室的關鍵部件，因此對于密封的要求特別高，這就要求在方案設計時將密封作為關鍵要素考慮。

圖2 沖壓件成形FLD圖

為此，必須從發動機艙蓋板分件方案優化、沖壓工藝造型優化、典型特征尺寸優化等方面來考慮。首先，必須保證分縫密封性、沖壓可行性和沖壓后的制件質量；其次，要考慮發動機艙蓋板內外兩側安裝件的空間避讓；最后，要考慮模具受力均衡和模具成本可控。

具體設計過程中，發動機艙蓋板分為左右兩件，其分縫位置如圖1b所示，其約束條件就是使左右件分開后可以拉開距離沖壓以及旋轉單獨零件的沖壓角度，根據需要增加寬高比和適當調整拔模角度，同時以此路徑分縫可以保證焊接工藝性和焊后密封性；在完成左右件分開后，再設計二級臺階和吸皺筋，再配合沖壓壓邊圈的隨形設計[1]，可以有效解決沖壓成形中導致的起皺、開裂問題，如圖2所示；在設計特征6、7、8、9、10、11 時，需要兼顧發動機艙安裝件的空間，也要考慮駕駛室內飾件的安裝空間，具體參數為結合沖壓CAE分析和產品干涉校核得出，通過本文的具體分析得出二級臺階和吸皺筋的推薦參數。按照以上方案設計，對于改善重卡的發動機艙蓋板沖壓件設計材質以鋼代塑產生的質量問題較為有效，同時發動機艙蓋板沖壓件密封性、模具壽命和模具成本均達到目標。

以上就是本設計結構的具體內容，且以上分析效果在實物調試過程中均得到很好的體現，基本符合設計預期值。

3 結果分析

根據當前的設計趨勢，重卡的發動機艙蓋板是用于隔絕發動機艙和駕駛室空間的重要零件，由于形狀復雜，一般按照注塑工藝進行設計。而這種設計在當前技術條件下存在駕駛室整體力學性能不過關和駕駛室儀表臺區域模態不過關的問題，而以鋼代塑新工藝可提高其自身強度。但由于該件承擔著隔離發動機艙和駕駛人乘坐空間的作用，因此NVH必須達標。同時此件內外兩側分別是發動機總成和內飾相關裝配件，存在裝配干涉風險，需要綜合考慮。

對于重卡的發動機艙蓋板，由于承擔著密封的重要功能，因此形狀復雜，沖壓工藝性較差。由于安裝空間的需要導致此件相對深度超過了現有板材的拉伸極限，復雜的形狀給沖壓工藝造成進一步風險。單純從現有沖壓工藝學的角度來優化，空間非常有限，除非發動機和內飾件做出很大讓步，而且整體力學性能也很難達標。

本結構設計可使重卡的駕駛室整體力學性能和儀表臺剛度得到有效提高；可使重卡駕駛室NVH性能效果得到先期保證；對于重卡的發動機艙蓋板在保證品質不降低的前提下，可以順利實現以鋼代塑，實現材質應用的突破；重點針對重卡的發動機艙蓋板沖壓件，為重卡產品內造型評審階段和典型斷面階段提供了重要的工程約束條件，大大降低了實物調試階段變更導致的一系列關聯件的重大變更，對整車項目QCD風險管控意義重大。

4 結論

本結構設計的關鍵在于成功實現了以鋼代塑所帶來的駕駛室和儀表臺力學性能的提高，并非通過實物調試的各種變更來解決，而是通過沖壓工藝與焊接工藝聯合分析，充分利用兩個工藝的特點，巧妙組合來實現目標。另外本文在解決以鋼代塑常見質量問題時，通過分析發動機艙蓋板的沖壓成形質量問題的解決辦法，首先識別出此問題的相關制約因素，找到主因和次因，然后將主次因轉化為對成形極限、典型斷面進行分析。

利用沖焊聯動的方式分析，同時借助沖壓CAE不斷優化的典型斷面來控制各個問題的發生程度，最終調整到一個最優的沖焊聯接方式和最優的典型斷面組合，使各方面問題得以成功解決。本領域技術人員很容易利用本文思路和參考數據指導類似重卡的發動機艙蓋板沖壓件結構設計，以實現重卡駕駛室力學性能和規避重卡發動機艙蓋板沖壓件質量風險。

多專業交叉聯合分析的方法在合資品牌汽車廠的應用較多。隨著汽車行業競爭的日趨白熱化，主機廠受到來自產品性能、成本的各方面壓力越來越明顯，本文先進技術的導入和應用將為解決汽車制造疑難問題提供又一手段。