汽車前端模塊的設計

丁志勇，劉倩倩，萬朝華，王永森，丁林根,王林

(江鈴汽車股份有限公司, 江西南昌 330008)

0 引言

隨著汽車工業的飛速發展和社會對環境問題的日益重視，提高車輛燃油經濟性和降低排放的相關法規陸續出臺，這對汽車制造和后處理技術提出了更高的要求。汽車零部件日益向輕量化、模塊化方向發展，為整車輕量化和節能減排注入了原動力，其中，前端模塊便是研究應用的重要課題之一。“以塑代鋼”前端框架具有突出的減重、防腐和提高駕駛操控性能的優勢，而且前端模塊作為一個整體在總裝主線組裝，不僅可以提高零部件組裝精度，也減少了汽車主機廠的安裝工時和對零部件的分區管理。

1 集成度分析

前端模塊所能集成的構件內容和數量, 會因汽車生產商的要求和前車身的設計而差別很大[1]。如圖1所示，現主流集成形式共3種：(1)集成散熱器總成、機蓋鎖(圖1(a)所示的低度集成)；(2)集成散熱器總成、機蓋鎖、大燈、防撞梁(圖1(b)所示的中度集成)；(3)集成散熱器總成、機蓋鎖、大燈、防撞梁、前保險杠(圖1(c)所示的高度集成)[2]。集成度越高越能充分發揮前端模塊輕量化、裝配效果好、節約工時等諸多優勢，但主機廠亦需提升相配套的制造工藝和安裝工裝，以保證安裝精度，一般采用從低到高循序漸進設計應用的思路。現以某款車型的開發為例，設計低集成度的前端模塊。散熱器總成及機蓋鎖借用原基礎車型，重點對塑料主體框架設計、模塊安裝方式及剛度、強度等進行分析。

圖1 不同集成度前端模塊

2 前端模塊主體框架材料選用

作為汽車前端模塊的核心部件，前端主體框架不僅要放置多個次模塊和部件[3]，也是輕量化的主體。 該車型原鈑金框架質量約為7.5 kg，計劃采用塑料材質達到減重30%～40%的目標。PP是目前所有塑料中最輕的品種之一[4]，但收縮率和各項力學性能無法滿足前端模塊的設計要求。采用由長玻纖增強的PP材料通過整體注塑成型得到的支架，其強度高、耐沖擊性能好、耐高低溫性能優異，同時成本也比較低[5-6]。

現采用加入40%長玻纖的PP材料，材料基本屬性如表1所示。

表1 前端模塊材料物性表

3 結構設計

3.1 主框架結構設計

依據周邊環境件及自身結構強度設計了如圖2所示的前端模塊。主體框架基本厚度3.0 mm，基本筋厚2.0 mm，質量約4.5 kg，達到了預期減重目標。

圖2 前端模塊結構

3.2 模塊內部安裝方式確認

前端模塊內部安裝和運輸可以由供應商負責，也可以在主機廠邊線同步進行，從安裝效率和效果來講前者更具優勢，為很多合資品牌所采用，但是目前大多數自主品牌主機廠為了節省安裝和運輸費用普遍采用后者。以目前主機廠普遍采用的自行組裝為例介紹某車型前端模塊內部安裝方式。

步驟一，安裝機蓋鎖。

如圖3所示，將機蓋鎖通過3個M6的螺接安裝在前端模塊主體框架。

圖3 安裝機蓋鎖

步驟二，固定冷卻模塊下端。

如圖4所示，將冷卻模塊安裝支架過盈緊套于冷卻模塊，沿X方向整體傾斜向主體框架靠近。如圖5所示，使得處冷卻模塊下端緩沖墊先深入主體框架固定孔。

步驟三，固定冷卻模塊上端。

沿冷卻模塊下端Y軸為軸線翻轉冷卻模塊，使其直立，如圖6所示，打緊區域F處冷卻模塊安裝支架處螺栓，即固定散熱器總成上部4個安裝點。

圖4 安裝冷卻模塊支架

圖5 安裝冷卻模塊下端

圖6 固定冷卻模塊上端

4 主要力學性能分析

由于主體框架為機蓋鎖和冷卻模塊提供安裝位置，為確保整體滿足長期工況使用要求，有必要對其強度和剛度進行分析。

如圖7所示，邊界條件：將前端框架與白車身相連接的位置全自由度約束。

4.1 機蓋鎖強度

如圖8所示，在主體框架機蓋鎖扣處+Z向施加3 500 N的載荷。如圖9所示，主體框架應力分布云圖顯示斷裂強度為62.7 MPa,小于材料許用應力86 MPa，故散熱器支撐區域是安全的。

圖8 機蓋鎖扣加載力

圖9 主體框架應力分布云圖

4.2 散熱器剛度

如圖10所示，在主體框架冷卻模塊下端安裝處沿-Z向施加300 N的載荷。如圖11所示：冷卻模塊下端安裝處主體框架變形量0.51 mm，對應剛度588 N/mm>300 N/mm，故散熱器區域剛度滿足要求。

圖10 冷卻模塊下端處施加力

圖11 主體框架變形云圖

5 總結

輕量化和模塊化是汽車工業發展的方向，前端模塊是重要研究課題之一。模塊化可以將零件集成后整體安裝于車身，省去總裝主線安裝工時，同時可以提高安裝精度，并且集成度越高、優勢越明顯。前端主體框架承載模塊上其他部件，并且在材料和結構上可以優化設計達到進一步減重的目的。仿真模擬可以提前預測模塊是否滿足各項使用工況。不僅如此，前端框架在未來不同車型的平臺化應用可以減少開發資源和費用，具有良好的發展前景和社會效益。

參考文獻:

[1]趙高明.前端支架的模塊化發展[J].汽車與配件,2010(Z1):35-39.

ZHAO G M.Modularization Development of Front-end Bracket[J].Automobile & Parts,2010(Z1):35-39.

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[3]蔣鼎豐.GMT汽車前端模塊框架制造技術[J].汽車與配件,2006(49):30-31.

[4]張玉龍，石磊.塑料品種與選用[M].北京：化學工業出版社,2011.

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