某SUV車型塑料前端框架的研究

宋劉洋，劉小杰，吳方武，王鎮斌，許鈺龍

(東風汽車公司技術中心，湖北武漢 430058)

0 引言

隨著汽車工業的發展，汽車銷量連年持續走高，尤其是SUV市場，增速持續高于行業水平，在乘用車市場份額越來越大。但SUV質量大、油耗高等問題隨著油價的連續上漲也越來越引起消費者的關注。相關研究表明，汽車每減少10%的質量，其排放可以減少6%～7%[1]。鑒于SUV質量大、油耗高的特點，SUV車型的輕量化工作在減少環境污染和提高用戶對產品滿意度方面顯得尤為重要。塑料前端框架作為使用輕量化復合材料替代鈑金材料的輕量化技術[2]，能有效減輕車身前端質量，有很好的輕量化效果。此外，塑料前端框架在成本上相對鈑金結構也有優勢，在實現輕量化的同時，又能降低車身成本，進一步提升產品競爭力。

1 塑料前端框架的介紹

傳統汽車前端結構一般為鈑金結構，由水箱上、下橫梁，左、右立柱構成框架型結構，由多個鈑金零部件焊接、裝配組成，如圖1所示。鈑金結構的特點是零件數量多，工藝復雜，質量大，且占用工廠較多生產空間，生產效率不高。塑料前端框架是一種使用復合工程材料通過注塑成型生產的一體化框架結構，如圖2所示，它是一種新型的“以塑代鋼”輕量化技術，該塑料前端框架可以為車身前端散熱器、中冷器、散熱風扇、空調冷凝器、機罩鎖等多個零件裝配提供固定安裝，起到固定和支撐這些零件的作用，并保證在用戶使用過程中不出現問題。由于塑料前端框架為一體注塑工藝，可以有效降低車身前端零件數量，減少工裝模具的投入，在實現輕量化的同時，對成本進行有效地控制。

圖1 鈑金框架結構

圖2 塑料前端框架結構

2 設計研究

“以塑代鋼”的塑料前端框架使用工程復合材料替代原鈑金材料，由于其強度只有普通鈑金強度的1/3～1/2，且耐溫性能遠不如鋼材，使用其進行輕量化設計，需要從零件功能、材料選擇、結構設計、仿真等多方面進行研究。

2.1 功能分析

塑料前端框架通常集成的零件包括散熱器、中冷器、散熱風扇、空調冷凝器、機罩鎖、防撞梁、小腿支撐骨架、喇叭、密封擋板等，形成塑料前端模塊。同時，塑料前端框架是前保險杠、前大燈、機罩等重要外觀DTS關重件的安裝定位基礎。

塑料前端框架相關的功能主要包括以下三大部分：

(1)前端安裝平臺：為車身前部零部件提供掛載點；

(2)前端支撐平臺：掛載各零部件后，在靜態和動態載荷下變形滿足設計要求；

(3)使用工況無破壞：上橫梁鎖扣位置防止拉破損壞。

塑料前端框架功能分析如表1所示。

2.2 材料選擇

塑料前端框架考慮其對耐溫性及強度等性能的要求，目前較為常用的主要有PP-LGF類、PA6-GF類和PA66-GF類。以30%玻纖含量為例，各材料特點及性能對比如表2所示。

表2 塑料前端框架常用材料性能對比

可以看出，同等玻纖含量的PP-LGF、PA6-GF、PA66-GF的熱變形溫度、拉伸模量、彎曲模量依次提升，更有利于目標性能的達成，但同時，材料的成本也依次提高，選擇材料時需對性能和成本綜合考慮。

材料選材的優先級按以下原則進行：

優先級一(機艙溫場T)：T≤120 ℃，優選PP-LGF類；120 ℃

優先級二(玻纖含量)：優先低玻纖含量材料，進行成本優選。同種材料隨著玻纖含量的增強，性能會逐步提高，但成本也會有所增加，根據成本情況擇優選擇，作為優先級二。

優先級三(性能達成)：通過鈑金加強的形式滿足性能。當純塑料結構無法滿足性能要求時，選擇鈑金增強結構，用于提高性能。但該種方式成本和質量都會明顯增加，作為優先級三。

2.3 結構設計

2.3.1 前端框架與外部環境件接口形式設計

圖3是前端模塊示意。

圖3 前端模塊

塑料前端框架與內部搭載的散熱器、冷凝器、中冷器、機罩鎖、喇叭等進行總成裝配設計，形成塑料前端模塊，以模塊的方式固定在車身上，由于環境件的質量及框架本體的質量均通過前端框架在車身上的固定點進行支撐，為防止耐久后塑料件由于氣候老化出現的力矩衰減，需在固定點增加金屬墊片，增加的方法可以是注塑后裝配或者模內嵌件注塑的形式。

2.3.2 塑料框架與內部固定件接口形式設計

塑料前端框架與冷卻系統、機罩鎖、大燈、保險杠等多個零件為環境件。其中，冷卻系統由于靠近發動機，振動較大，一般采用具有一定減振效果的軟連接結構，通常使用軟墊和塑料結合的方式進行連接。軟連接分上、下兩部分，下部采用橡膠墊與前端框架配合的方式[見圖4(b)]，上部采用橡膠墊與散熱器安裝支架配合的方式[見圖4(c)]，固定后，整體起到對冷卻系統減振的作用。

在無減振要求的固定需求下，與環境件的接口多采用塑料件專用鉚接螺母配合螺栓進行固定的形式或者模內嵌件注塑的形式。為保證安裝位置的精度，鉚接螺母或嵌件螺母的法蘭面通常低于固定平面0.5 mm左右[見圖4(d)]。

圖4 前端框架與內部固定件接口

前端框架與環境件的匹配，在保證環境件固定安全的情況下，還要考慮密封性能，避免機艙內熱風回流至冷凝器前端，重新吹到冷凝器上，導致空調性能下降。

2.3.3 塑料框架本體加強筋布置

塑料前端框架通常采用加強筋進行加強，布置的結構和形式根據其局部結構的受力特點。圖5為框架本體加強筋布置示意圖。

按受力特點分為以下幾種常見類型：

(1)若局部受彎曲力，可采用背面平行的加強筋設計，提高彎曲強度；

(2)若局部受扭轉力，可采用對角線的加強筋設計，提升扭轉強度；

(3)若局部在高負載下受撓曲力，可采用垂直的加強筋設計，提高高負載下撓曲強度；

(4)若局部關鍵安裝點受高負載力，可采用斜角加強筋設計，提高局部受力點的強度。

2.3.4 塑料框架本體工藝結構設計

在布置加強筋后仍無法滿足力學性能要求的情況下，通常會考慮增加加強鈑金來提升前端框架的力學性能。為保證鈑金與塑料較好地融合在一起，呈現出預想的增強效果，鈑金與加強筋及端部需按照一定的工藝要求進行設計，圖6為常用的端部結構處理示意圖。

圖5 框架本體加強筋布置

圖6 預埋鈑金與塑料融合結構

常用端部結構處理的具體步驟如下：

(1)加強筋結構與端部封膠結構隔一段距離應有連接，連接寬度應不少于10～15 mm；

(2)為增強塑料與鈑金融合的效果，每隔約70 mm增加開孔，使塑料填充更為充分；

(3)鈑金端部使用塑料覆蓋，避免端部毛刺，同時提高塑料的流動性；

(4)為增加某個區域的連接強度，可增加局部凸凹特征，但特征變化盡量平緩，做倒圓角過度。

2.3.5 維修性

由于前端框架與所搭載的環境件組成了前端模塊后才裝配到車身上，維修時的拆卸順序與傳統鈑金結構的單個零件拆卸順序有所不同，需要先將前端模塊整體從車身上拆下來，之后再分拆前端模塊，進一步進行零件的維修與更換。維修完成后裝配的順序與之相反，這在模塊設計及維修性校核時應重視。

2.4 仿真分析

使用塑料前端框架替代原鈑金框架結構，首先要以車身性能不能有大的下降，仍需滿足目標要求為前提。從發動機艙橫擺模態、整體一階彎曲模態、整體一階扭轉模態等指標對比，判斷其對車身性能的影響，結果如圖7所示。

表3為塑料框架與鈑金框架分析對比，該模型帶前后擋風玻璃。

表3 塑料框架與鈑金框架模態分析對比

表3中結果顯示：塑料框架方案相比鈑金方案，其車身模態均有下降趨勢，其中發動機艙橫擺模態變化較為明顯，變化率達-8.7%，在設計過程中應重點關注，確保塑料框架方案仍滿足車身模態要求。

3 試驗驗證

零件工裝樣件生產后，對零件性能進行試驗驗證，包括臺架試驗驗證和搭載整車試驗驗證。零部件臺架試驗表明，前端框架各試驗性能滿足性能要求；搭載整車試驗完成8萬千米耐久試驗后，零件未出現破損等試驗問題，通過產品認可。圖8為試驗裝置。

圖8 試驗裝置

4 效果

表4為塑料前端框架與金屬前端框架的效果對比。通過塑料前端框架替代鈑金框架結構最直接的效果是輕量化，每車輕量化效果在千克左右。塑料前端框架可以有效減少零件數量，節省模具夾具等工裝的投入，同時減少工廠占地面積，提高生產效率，更有利于產能的釋放。由于零件的集成度高，塑料前端框架相對金屬前端框架有更高的模塊化能力，更有利于總裝生產線效率的提升。

基于以上分析，在實現輕量化的同時，塑料框架的成本相對金屬框架一般會節省30%～40%。

表4 塑料前端框架與金屬前端框架的效果對比

5 結論

主要通過對某SUV車型塑料前端模塊的研究，闡述了塑料前端模塊替代傳統鈑金結構主要的設計要點，通過CAE分析驗證了前端框架對車身性能的影響，試驗結果表明塑料前端模塊滿足車型的性能要求。總結了前端塑料前端框架在輕量化、降成本、模塊化方面所具有的優勢，為后續車型的推廣應用奠定了基礎。