基于精益設計的前端框架輕量化方案

張云青 周琴平 嚴衛衛 黃佳佳

摘 要：汽車前端框架的輕量化技術日益成熟，為了應對日趨激烈的競爭，前端框架輕量化方案實施過程中的成本控制愈發成為項目順利實施的關鍵，由此在設計源頭引發了精益輕量化的新思路。文章通過某車型前端框架輕量化方案的實際案例，闡述了貫穿于前端框架輕量化開發過程的精益化設計思想，基于實際減重效果和相應零件成本的平衡，得到了最終的量產方案。

關鍵詞：前端框架;輕量化;精益設計

中圖分類號：U463.67 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-113-03

Abstract： The lightweight technology of automotive Front End Module （FEM） is becoming more and more mature. In order to cope with the increasingly fierce competition， cost control during the implementation of FEM lightweight has increasingly become the key to the project implementation smooth， which has led to new ideas of lean and lightweight from the design stage. Through the actual case of a FEM lightweight project of a certain vehicle model， this paper expounds the lean design idea that runs through the lightweight development process. Based on the actual weight reduction effect and the balance of the corresponding parts cost， the final mass production scheme is obtained.

Keywords： Front end module; Lightweight; Lean design

CLC NO.： U463.67 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-113-03

前言

作為汽車前部較早應用輕量化技術的半結構件，前端框架的輕量化經歷20年的發展，已經逐步演變為相對規范化的成熟技術，迄今為止，全球絕大部分汽車主機廠的前端框架都采用了基于玻纖增強材料的全塑或金屬嵌件設計方案。伴隨各主機廠、相關零件制造商對前端框架服役工況、性能表現等積累了越來越豐富的設計制造經驗，前端框架輕量化進入精益設計的新階段[1]，即意味著，一款成功的前端框架開發，在滿足輕量化要求的同時，又要做到零件成本最優。這需要在前端框架開發的各個環節實現性能和成本兼顧，體現為選擇性價比最優的材料，避免過度設計。

本文以金發科技2016年參與的國內某主機廠某款車型的前端框架開發為例，闡述了基于精益設計思想的輕量化方案優化過程。

1 初始方案

該車型的前端框架零件性能指標如表1所示（鑒于保密原因，表中實驗條件列僅進行了定性描述），基于此，零件制造商選用30%短玻纖增強尼龍材料（下文記為SFT-PA），完成了如圖1所示的初始方案。此版方案用料4.8kg，2D有限元模型分析顯示，方案滿足所有設計指標。

2 優化方案

盡管初始設計方案滿足設計指標，但是基于精益輕量化思想進行方案論證時，認為存在空間以實現零件重量和成本的進一步優化。本節下文將首先從選材優化入手，然后依次闡述兩版優化方案嘗試。

2.1 選材優化

概況當前市場上的前端框架輕量化方案，其可以分為三大類：長-/短-玻纖增強聚丙烯全塑方案（以下簡稱為LFT-/ SFT-PP），SFT-PA全塑方案和混合方案（金屬嵌件+玻纖增強熱塑性材料結構主體）。另一方面，回歸前端框架的零件功能本質，可以發現前端框架作為半結構件，其主要功能[2，3]包括：為車頭各模塊提供掛載點（剛度），為機蓋鎖安裝點提供足夠的強度支撐等。僅從滿足這些力學性能指標而言，各種玻纖增強材料都可以滿足要求，差異之處在于需要根據材料不同的基本性能，進行基本結構的微調而已。

真正限制選材的是前端框架的服役工況溫度。鑒于SFT-PA的熱變形溫度約為200℃，高于LFT-PP的150℃，因而當前端框架的服役工況經常處于120+℃的場合，比如配置了渦輪增壓的中大型MPV（相較于其他車型，引擎蓋內空間較小，熱環境更苛刻），選擇SFT-PA是合適的。電動車的前端框架對應于另一個極端情況，作為熱源的電機發熱一般在80℃左右，此時選擇LFT-PP是明智的，因為其不僅滿足工況要求，同時具有更具競爭力的價格。將上述思想提煉，金發科技提出了“按需設計”理念，并以圖2示意。前端框架設計伊始不再確定材料類型，而是依據具體車型的發動機艙實際空間、前端框架實際使用溫度，技術指標（主要指力學性能）等設計約束，為客戶推薦性價比最優的材料，從而實現前端框架的“既滿足設計指標，又不過度設計”的精益方案。

將上述思想應用于本案例，經過實際服役工況的考察，并與30%SFT-PA（金發科技牌號為PA6-G30）基本性能比較，我們選擇性價比更優的30%LFT-PP（金發科技牌號為GFPP-L30）進行方案設計。兩種材料的基本力學性能比較如表2所示，需要說明的是，由于尼龍材料特有的吸水性值導致性能降低，在設計過程采用其平衡態（濕態）性能進行力學性能評價。有限元分析模型顯示，保持初始設計方案基本不變，選用GFPP-L30材料，用料4.3kg即可滿足所有設計指標，與初始的PA6-G30方案相比，有10%的減重，同時零件成本降低。

2.2 優化方案一

對GFPP-L30方案的有限元模型結果分析注意到，此版方案的結構強度、散熱器X向剛度、緩沖塊剛度等指標存在不同程度的過度設計，從而為結構優化提供了方向。圖3為得到的優化方案示意，除將左右側梁壁由4mm調整為3mm之外，還簡化了4個格柵支架安裝點的結構、優化了鎖扣區域的加強筋設計以及弱化了上下橫梁的局部結構。此版優化方案總體維持基本結構不變，通過局部優化的方式，在所有設計指標都滿足的條件下，將總體總量減為4.0kg。

2.3 優化方案二

對GFPP-L30設計方案的分析發現，前端框架與白車身的連接方式存在較大減重空間。當前設計方案為前端框架與白車身通過X向（車身坐標）連接，每一側有4個安裝點。若將前端框架每一側安裝點減為2個，改為Y向直接與防撞梁連接，繼而通過防撞梁與白車身“間接”連接，這種結構設計的改變可以直接獲得0.3-0.5kg的減重。圖4為大眾Golf基于此設計理念的示意。

完成了進一步論證，如圖5所示。圖中左邊為拓撲優化結果，黑色實線界定的透明輪廓勾勒了前端框架設計空間，設計空間中的連續實體部分，表明這些位置的材料將主要承受結構受力。相應的Y向安裝設計草案如圖5右邊所示。

綜合前端框架注塑成型可行性及成型效率，完成了如圖6所示的Y向安裝優化方案，結構滿足所有設計指標，重量減為3.4kg。但必須指出的是，實現這種更為顯著的減重方案是有代價的，其將導致總裝線上前端框架工裝和安裝工序的變化，這種整改投入需要主機廠的評估決策。具體到此項目，主機廠2018年最終定案，選擇了基于LFT-PP的優化方案一。

3 結論

前端框架的輕量化正逐步進入精益設計階段，相關產業鏈上識別并擁抱該變化的企業，如聚焦性價比的材料供應商、按需設計的零件制造商以及設計指標差異化管控的主機廠，將會處于更有優勢的競爭地位。

參考文獻

[1] 張云青，歐相麟，楊良波.汽車前端框架輕量化進展[J].塑料工業， 2020，48（3）：20-24.

[2] 陳杰龍，孫鳳蔚，李海連，等.發動機艙前端模塊優化設計[J].農業裝備與車輛工程，2013，51（9）：63-66.

[3] 趙高明.前端支架的模塊化發展[J].技術與市場，2016，6-7（2）：35-39.