鋼質汽車發動機罩局部剛度提升研究

文／劉尚，閆佳奇·第一汽車股份有限公司

本文以某汽車品牌發動機罩內板為研究對象，通過試驗和仿真分析不同結構下發動機罩內板整體剛度的狀態。對比分析單件和總成的數據狀態，得出發動機罩內板結構對發動機罩總成尺寸影響，為汽車發動機罩內板結構設計提供參考。

汽車外觀設計和造型不斷升級，各種品牌乘用車不斷改變汽車的外觀結構，其中便出現了很“寬大”的發動機罩，這樣的造型給人厚重大氣的感覺，但是在制造過程卻存在諸多難題，比如發動機罩結構強化以及行人保護。在保證行人安全的前提下，提升發動機罩的剛度，通常是直接提高材料的強度和整體提升結構的強度，但在本案例中都是不可取的。僅在外觀和設計中最需要的位置，局部提升發動機罩的剛度，這對產品結構設計和工藝的實現提出了挑戰。

與SUV 的寬大且相對較厚重的發動機罩相比，轎車寬大扁平的設計，更具設計和工藝實現的難度。所以本文也將重點針對此種情況下的結構設計進行分析研討，目的就是要通過產品結構優化，極大程度地改善其制造工藝性，讓美觀的造型變得容易得到。

技術研究現狀

發罩外板設計現狀

當前的發動機罩總體Y 向(本文坐標系均為面向車頭方向的右手坐標系)尺寸可以達到1700mm 甚至更寬，豎直方向的深度也在35 ～75mm 不等。一般SUV 的發動機罩相對深度較大，更接近75mm 的尺寸，通過自身的形狀梯度變化，基本上可以解決剛度不足的問題，再經過噴涂烘烤強化，基本可以呈現產品的設計狀態。而轎車發動機罩豎直方向的距離相對較小，更接近35mm 的尺寸(圖1)，在這種尺寸范圍內控制寬度尺寸接近1700mm 的發動機罩的剛度就非常的困難。

圖1 轎車發動機罩豎直方向更接近35mm 的尺寸

問題產生及影響

首先直接將產品最初的設計方案進行分析，零件的定位方式如圖2 所示“▲”標注。

圖2 零件的定位方式

通過分析數據可以看出，在檢測狀態下發動機罩中部靠近前風擋的位置，相比理論尺寸下沉1.19mm。

發動機罩內外板的包邊結構對發罩的結構有一定的強化作用。而發動機罩內板結構是影響抗凹剛度的重要因素，剛度越小，殘余變形越大。單獨分析發罩內板檢測狀態的剛度，相對理論狀態下沉達到3mm，如圖3 所示。此狀態下如果直接裝配并經過噴涂和烘干，中部的尺寸下沉將會超過3mm。常規解決此種問題的方法是再加裝一個置具，控制發動機罩在噴涂烘干之前及過程中的零件形狀，發動機罩結構在烘干后會得到強化，從而總體尺寸可以滿足裝車尺寸要求。但是，帶來的問題是：涂裝需要單獨設計相關的工裝置具，影響涂裝的裝配工時。

圖3 發罩內板相比理論狀態下沉3mm

技術研究實施

發動機罩內板中部通過減重設計基本可以滿足裝配要求，最主要的變形區域在封窗中部，所以對前風窗搭接的中部位置進行剛度提升。接下來從發動機罩的材料、結構及尺寸的詳細設計進行分析。

發動機罩內板常用材料及性能

鋼板材質的發動機罩在各車企選用的材料性能都相對接近，但是不同廠家的材料牌號有所差異，成形性分析及CAE 模擬過程可借鑒參考表1 ～表3 中常見牌號和性能參數。

表1 常用材質牌號對比

表2 常用材質機械性能對比

表3 常用材質表面鍍層對比表格

保持原結構的優化方案

首先，繼續保持原產品設計，在保證涂膠面和密封面不動的情況下，進行常規方案強化。

在密封面后側采用兩段圓筋，并在Z 向的型面對稱增加三角形的強化筋，型面形狀和裝配后的總成CAE 分析結果如圖4 所示。

圖4 型面形狀和裝配后的總成CAE 分析結果

從分析結果可以看出，中部下沉問題基本沒有變化，下沉量為1.29mm。

考慮可能是兩段筋的中部強化效果不佳，將Y向的兩條對稱圓筋貫通，其余位置結構保持不變，再進行CAE 模擬分析，分析結果如圖5 所示。

圖5 再改進后的CAE 分析結果

根據分析結構顯示，此狀態下中部下沉幾乎無變化，下沉量1.34mm。所以，僅在該產品的原有密封和涂膠結構下，該問題無法解決。接下來按照沖壓常用的補強形式，對發罩內板在結構上組合使用測試，并輸出分析其自重狀態下的CAE 分析結果。

針對剛度提升的結構優化方案

對此發罩內板強化課題，通過改變材料牌號、材料厚度以及局部強化，共計組合并分析20 余種方案，部分相似結構的效果會進行簡要對比說明，受篇幅限制，不在這里贅述，僅對典型的兩種方案進行對比詳述。

⑴方案一：Y 向貫穿筋加X 向短筋強化。

Y 向采用R15mm 的貫穿圓筋，同時對稱布置X向的R8mm 的短筋進行強化。結構圖示及分析結果見圖6。

通過與原結構的回彈狀態對比分析，中部下沉量減少2.2mm，問題狀態得到明顯改善。通過改變Y向筋的大小可以改變剛度強化的效果，R15mm 的Y向筋對比R10mm 的Y 向筋，下沉量減少1.5mm。通過改變X 向的強化筋的R 角大小以及筋的X 向延伸長度，對剛度的提升有不同的效果，在允許的情況下，X 向筋延伸到前后的Z 向斜面上，強化效果較為明顯。單獨的Y 向貫穿筋和單獨的X 向加強筋的強化效果均不理想。

⑵方案二：Y 向+X 向的凸臺結構強化。

Y 向采用高度為5mm 的凸臺，轉角R 為3mm，拔模角度為40°，此狀態下可以保證成形性，具體強化結構及分析結果見圖7。

圖7 方案二強化結構及分析結果

通過與原結構對比分析，中部下沉量減少1.5mm，問題狀態得到改善。通過改變Y 向凸起結構的高度可以改變剛度強化的效果。在改變凸臺結構高度的同時，需要調整R 角、拔模角以保證零件的工藝性，避免零件在成形過程開裂。單獨的Y 向凸臺和單獨的X 向凸臺的強化效果均不理想。

結束語

綜上所述，在滿足產品造型設計要求的前提下，單從剛度提升方面分析，盡量保證發動機罩的整體設計厚度尺寸，垂直梯度方向尺寸的變化在工藝上是最容易實現的強化方式。對于造型和產品結構將零件尺寸限制的情況，僅通過局部強化實現剛度提升的情況，

可參考以上的結構形式。

呼延贊是北宋時的名將，征討西川，身當前鋒，中數創，依然勇猛無比，手持雙鞭，勇猛難當。