基于輕量化、綠色化和模塊化汽車前端框架開發(fā)探析

摘 要：本文介紹前端框架輕量化和綠色化內(nèi)涵，從材料、工藝、模塊化三個(gè)方面采用針對(duì)汽車前端框架輕量化，綠色化和模塊化三個(gè)維度開發(fā)進(jìn)行討論和論證，得出集成化前端框架在輕量化和全生命周期環(huán)境環(huán)境影響明顯優(yōu)于普通鋼鐵前端框架，應(yīng)廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車前端框架 輕量化開發(fā) 綠色設(shè)計(jì)

Based on the Development of Lightweight， Green and Modular Automotive Front-end Framework

Fan Junfeng

Abstract：This paper introduces the connotation of lightweight and greening of front-end frame， discusses and demonstrates the development of lightweight front-end frame of automobile front-end frame from the three aspects of material， process and modularization， and concludes that the integrated front-end frame is significantly better than ordinary steel front-end frame in lightweight and full life cycle environmental impact， and should be widely popularized and applied.

Key words：automotive front-end frame， lightweight development， green design

1 引言

汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化推動(dòng)汽車行業(yè)高速發(fā)展，第三生活空間概念提出，促進(jìn)更多智能硬件搭載在電動(dòng)汽車上，推動(dòng)電動(dòng)汽車整車重量不斷攀升，給續(xù)航里程和整車重量管理帶來了挑戰(zhàn)，因此將輕量化設(shè)計(jì)開發(fā)理念需要貫穿于每一個(gè)汽車零部件的開發(fā)至關(guān)重要。汽車零部件模塊化開發(fā)，能極大降低主機(jī)廠成本及減輕整車重量，而且能大幅減少能源消耗，促進(jìn)全生命周期的環(huán)境友好。全生命周期汽車開發(fā)理念推進(jìn)新能源汽車環(huán)境友好型，應(yīng)貫穿于每個(gè)汽車零部件開發(fā)。本文將介紹一種輕量化、綠色化和模塊化的外飾前端框架設(shè)計(jì)方法。

2 前端框架輕量化及綠色化內(nèi)涵

2.1 前端框架輕量化內(nèi)涵

前端框架輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是：在概念階段，選擇輕量化、綠色化、平臺(tái)化和集成化方案；在開發(fā)階段，結(jié)合項(xiàng)目需求，定義最優(yōu)材料和工藝，運(yùn)用CAD和CAE對(duì)前端框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；在前端模塊制造階段，選擇能源消耗最少和工藝路線最短方案，在量產(chǎn)階段，實(shí)現(xiàn)前端框架模塊化裝配，大幅減少工序，最終達(dá)到減重、節(jié)能減排、安全、環(huán)保等綜合指標(biāo)。在使用階段，可維修性好。在汽車報(bào)廢階段，易于回收利用。

2.2 前端框架環(huán)境友好內(nèi)涵

前端框架環(huán)境友好的技術(shù)內(nèi)涵是：在成本控制和性能前提下，盡量選擇在全生命周期環(huán)境友好性好的材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量方便制造，制造工藝鏈條盡量短，總裝方便工序少，且適應(yīng)模塊化裝配。

2.3 前端框架介紹

汽車前端框架位于汽車前部，可以把大燈，冷卻系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋開啟系統(tǒng)，喇叭，前端導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)，保險(xiǎn)杠防撞梁，傳感器，洗滌系統(tǒng)等集成起來，并對(duì)前保進(jìn)行支撐。前端模塊最初使用金屬件沖壓焊接，隨著技術(shù)進(jìn)步，出現(xiàn)全塑的PP，LFT前端框架和混合前端框架，目前模塊化已成為主流研發(fā)方向。

3 前端框架輕量化和綠色化開發(fā)研究

根據(jù)“生命周期評(píng)價(jià)及生命周期成本分析集成方法研究[1]”中全生命周期環(huán)境評(píng)估，結(jié)合“生命周期評(píng)價(jià)在塑料研究中的應(yīng)用進(jìn)展[2]”，“工程材料LCA中環(huán)境效益的分析與研究[3]”和“基于LCA的汽車前端模塊輕量化方案對(duì)比研究[4]”可以看出，基于全生命周期，環(huán)境友好性熱塑性材料優(yōu)于鋼鐵，鋼鐵優(yōu)于鋁合金零部件。從論文“Flows and waste reduction strategies of PE， PP and PET plastics under plastics limit order in china[5]”，基于全生命周期，PP環(huán)境友好性優(yōu)于PET。

3.1 前端模塊方案選擇

首先對(duì)主流車型前端框架進(jìn)行研究，見下表1。

通過對(duì)標(biāo)，結(jié)合環(huán)境友好性評(píng)估，輕量化要求，模塊化及HC7車型需要將碰撞傳感器集成在前端框架上，且必須裝配在金屬嵌件上，綜合成本、功能、輕量化、環(huán)境友好性、共用工裝等約束要求，HC7項(xiàng)目選擇了包塑的技術(shù)方案，鋼鐵部分選擇上海寶鋼DC01型號(hào)，塑料選擇PP+LGF40。

前端框架集成化概念方案，需要最大化集成冷卻系統(tǒng)，碰撞傳感器，小腿防護(hù)桿，防撞梁，喇叭等。

3.2 前端模塊設(shè)計(jì)及分析

確定方案和材料后，根據(jù)材料物性表，項(xiàng)目硬點(diǎn)要求，布置約束，前端框架第一輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下，見表2。

CAE模擬要求見表3。

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)的CAE分析和CAD數(shù)據(jù)優(yōu)化，直到CAE報(bào)告顯示從性能、功能和集成化已滿足項(xiàng)目要求，此時(shí)前端框架重量為6.803kg。

但基于輕量化和環(huán)境友好性，對(duì)標(biāo)主流車型，發(fā)現(xiàn)重量還有大幅優(yōu)化空間。因此持續(xù)通過CAD結(jié)構(gòu)優(yōu)化、優(yōu)化料厚、減少鈑金使用量、CAE模擬尋找輕量化和成本解決方案。優(yōu)化后第二輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表4。

一般約束條件見圖1，其他約束條件為：集成在框架上冷凝器、散熱器和風(fēng)扇重量為12Kg。

第二輪CAE分析示意圖見表5。

第二輪CAE各項(xiàng)結(jié)果及評(píng)估見表6。

最終設(shè)計(jì)質(zhì)量鎖定項(xiàng)目為5.7KG，滿足性能要求，在重量、成本、集成化達(dá)到一個(gè)較好的平衡。

3.3 前端模塊制造工藝

在鎖定設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，對(duì)零部件進(jìn)行軟模開發(fā)和試制。首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模流分析，確定是否滿足開模要求，示意圖見圖2，滿足開模要求。前端框架生產(chǎn)由供應(yīng)商負(fù)責(zé)，鈑金部分由DC01沖壓而成型，然后將鈑金件當(dāng)做嵌件放入注塑模型進(jìn)行包塑，最后鉚接緊固件而成，實(shí)物重量為5.766kg。成型軟模件見以下圖3。

3.4 前端框架測(cè)試

由于車輛振動(dòng)因素，前端框架需要進(jìn)行要是多軸振動(dòng)試驗(yàn)（X向，Y向和Z向），以驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果見下表7，可滿足項(xiàng)目需求。

3.5 前端框架模塊化

在設(shè)計(jì)階段對(duì)前端模塊進(jìn)行了DMU裝配模擬分析，滿足裝配要求，見圖4。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證和虛擬裝配驗(yàn)證完成后，前端框架集成在工廠分裝線進(jìn)行分裝和集成，集成后見表8，分裝完成后整體裝配到整車。

3.6 前端模塊搭載試驗(yàn)

將前端模塊裝配在試驗(yàn)車上，搭載完成了冬標(biāo)、夏標(biāo)試驗(yàn)和路試，未出現(xiàn)任何測(cè)試問題，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論與展望

本項(xiàng)目基于輕量化，綠色化和集成化理念開發(fā)前端框架，重量低于鋼鐵件或者部分全塑前端框架，且和主流開發(fā)方向保持了一致，成本方向優(yōu)于鋁合金、純塑料框架和鎂合金框架，全生命周期環(huán)境影響較好，且能縮短生產(chǎn)線節(jié)拍，具有很好經(jīng)濟(jì)價(jià)值、技術(shù)價(jià)值和低能耗價(jià)值，值得推廣。

未來，可持續(xù)推進(jìn)集成化前端框架在成本，輕量化，環(huán)境友好性和性能上達(dá)到一個(gè)更好的平衡，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化。采用塑料與金屬混合方案，可持續(xù)尋找塑料和鋼鐵件最佳配比，綜合考慮金屬和塑料優(yōu)點(diǎn)，更大程度提升系統(tǒng)集成度和降低總成的重量。

參考資料：

[1]侯倩.生命周期評(píng)價(jià)及生命周期成本分析集成方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2015：17.

[2]丁邵蘭等.生命周期評(píng)價(jià)在塑料研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J].塑料科技，2010（5）：100-101.

[3]余顯芳.工程材料LCA中環(huán)境效益的分析與研究[J].環(huán)境工程，2009（5）：120.

[4]何玉松.基于LCA的汽車前端模塊輕量化方案對(duì)比研究[J].上海汽車，2017（12）：41.

[5]Jianwen chu.Flows and waste reduction strategies of PE， PP and PET plastics under plastics limit order in china[J] .Resource，conservation and recyling， 2023（1）：50.

[6]范軍鋒等. 低成本后保險(xiǎn)杠緩沖梁輕量化研究[J].汽車工藝與材料，2015（4），12-17.