汽車前端模塊總成模塊化設計及應用

胡軍 林卉

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

汽車模塊化設計就是將汽車產品的某些零部件組合在一起，構成一個具有特定功能的子系統或總成，將這個子系統或總成作為通用性的模塊與其他汽車產品零部件進行組合，構成新的更大的系統或總成。在汽車研發過程中，這些相對獨立的汽車產品模塊被直接選用，能夠快速生產出多種汽車系列產品，縮短產品研發與制造周期，提高產品質量，快速滿足用戶需求[1]?；谀K化設計理念，文章提出一種汽車用前端模塊總成的模塊化設計思路和應用方法，經過驗證，該模塊可以同時用于同一車型臺車或架構的轎車、MPV及SUV等車型。

1 前端模塊總成模塊化設計要求

基礎車型平臺采用動力總成為前置，驅動形式為前驅兩驅/四驅的SUV車型?；A車型以搭載1.3T/1.5T汽油發動機和AT/MT/DCT變速箱為動力總成。由于基礎車型為前置前驅的兩驅/四驅車型，需要拓展至轎車、MPV等車型，前端模塊總成必須滿足多車型通用。

前端模塊總成的技術方案需要滿足如下條件：

1）明確需要在同一個車型平臺上開發的不同車型種類，包含轎車、MPV及SUV；

2）車型平臺上開發車型種類確定后，后續車型種類的關鍵系統及零件總成（如：動力總成、輪胎型號及懸架形式等）和各個車型的主要技術參數（如：整車質量、主要尺寸、動力性、經濟性及空調性能等）需要明確，不能有大的變更，否則會影響前端模塊總成的通用性；

3）前期明確搭載的關鍵系統及零部件，如發動機、變速箱及驅動形式等，需要對同一平臺的轎車、MPV及SUV等車型做有規劃的前瞻性布置，不同的車型均可以合理分配使用有限的布置空間，使用相同的模塊化方案；

4）除了合理的布置方案，各關鍵系統及零部件在進行總體設計時首先需要考慮的是盡可能同時兼容轎車、MPV及SUV等車型，因為關鍵技術參數差別大而確實無法共用的，也要盡可能在對外接口上通用[2]。

根據項目開發需要，該前端模塊總成是由冷凝器、中冷器、散熱器及風扇分總成、前端模塊骨架總成等主要零部件組成。其中，冷凝器通過螺栓固定至中冷器，中冷器與散熱器通過螺栓固定，散熱器通過軟墊固定在前端模塊骨架總成上。前端模塊總成主要部件及發動機艙總布置簡圖，如圖1所示。

圖1 前端模塊總成主要部件及發動機艙總布置簡圖

2 性能仿真分析

該前端模塊總成結構集成度高，安裝點少，需要進行大量的CAE分析，并不斷優化，直到滿足設計目標。

2.1 強度與模態分析

該前端模塊總成對結構強度要求較高，且對結構模態有較大影響。

經過仿真分析，前端模塊總成在5 g向上沖擊工況下，冷卻系統最大應力為41.6 MPa，出現在散熱器水室根部，該應力值遠小于材料拉伸強度，滿足強度要求；5 g向下沖擊工況下，冷卻系統最大應力為26.3 MPa，出現在散熱器水室根部，該應力值遠小于材料拉伸強度，滿足強度要求；1 g緊急制動工況下，冷卻系統最大應力為8.4 MPa，遠小于材料拉伸強度，滿足強度要求；1 g右轉工況下，冷卻系統最大應力為9.3 MPa，遠小于材料拉伸強度，滿足強度要求。模態分析結果發現，散熱系統沒有明顯局部模態，振型和振動頻率與前端模塊保持一致，結構的1階模態為24 Hz，滿足結構要求。其中，前端模塊總成應力分布，如圖2所示，散熱系統的1階模態振型，如圖3所示。

圖2 前端模塊總成應力分布

圖3 散熱系統的1階模態振型

2.2 機艙熱管理分析

整車需要搭載2款不同的發動機，因此整車冷卻系統需要同時兼顧2款發動機的冷卻及同平臺各種車型的冷卻需求。

文章進行了怠速、中低速、高速工況機艙流體各項仿真分析，各工況下經過冷卻模塊的冷卻液流量和風速，如表1所示。

表1 多工況冷卻模塊流量及風速分析

仿真分析發現，中低速、高速工況（高速工況機艙流場分析，如圖4所示）各項性能要求均可滿足設計目標要求，但怠速工況下仍存在回流問題，需要優化。怠速工況下，機艙內氣流從冷凝器下方回流至冷凝器前方，回流攜帶機艙熱量，會造成冷凝器進氣溫度升高，減弱冷卻效果。通過在冷凝器兩側與格柵之間增加導流板，在下格柵與冷凝器底部之間增加導流板，并多次仿真分析優化，最終解決了該問題[3]。

圖5 前端模塊總成模塊化拓展

3 樣車裝車驗證及試驗驗證

3.1 樣車裝車驗證

達到仿真分析目標要求和零部件及總成的DMU檢查以后，進入樣車制造環節，對該模塊化方案進行系統的樣車試制驗證。

樣車試制過程中充分驗證前端模塊總成內部各個零部件間及與周邊零件的間隙，直至達到各開發控制要素的要求。同時驗證前端模塊總成的裝配工藝可行性，確保滿足前端模塊總成的所有裝配工藝要求[4]。

3.2 試驗驗證

樣車制造完成后，需要對模塊化方案進行系統的試驗驗證，包括整車環境模擬試驗、碰撞試驗、強度試驗、剛度及模態試驗、整車耐久試驗等試驗項目。經過充分驗證，基礎車型的試驗結果完全滿足前期設定的目標要求。

4 模塊化拓展

根據轎車、MPV及SUV等車型布置和性能的不同需求，選擇相同的前端模塊總成結構。經機艙總布置分析、DMU檢查、樣車裝車驗證及試驗驗證，該前端模塊總成在同一平臺不同車型（轎車、MPV及SUV）上可以通用。該前端模塊總成的模塊化拓展，如圖5所示。

5 結論

文章以汽車前端模塊總成為研究對象，設計了一種由冷凝器、中冷器、散熱器及風扇分總成、前端模塊骨架總成等主要零部件高度集成的前端模塊總成結構，其具備集成度高、質量輕、安裝點少及多車型通用等優點。通過仿真分析的方法，論證了該模塊在同一平臺不同車型之間應用的可行性，通過整車試驗驗證充分證明了所提出的模塊化方案滿足了整車各項性能要求，達到了開發目的。但由于此方案的中冷器夾在冷凝器和散熱器及風扇分總成中間，存在中冷器散熱不足的風險。該前端模塊總成及其散熱系統僅適用于中小型車型平臺，對于散熱要求高的大排量渦輪增壓發動機，就需要另外選擇合適的前端模塊總成及其散熱系統。

2018年1—6月汽車工業產銷情況

1—6月，汽車產銷1 405.77萬輛和1 406.65萬輛，同比增長4.15%和5.57%，與上年同期相比，產量增速回落0.49百分點，銷量增速提升0.83百分點。其中乘用車產銷1 185.37萬輛和1 177.53萬輛，同比增長3.23%和4.64%；與上年同期相比，增速均有所提升；商用車產銷220.40萬輛和229.11萬輛，同比增長9.41%和10.58%，與上年同期相比，產銷增速呈一定回落。

1—6月，基本型乘用車（轎車）產銷566.09萬輛和569.40萬輛，同比增長3.02%和5.46%；運動型多用途乘用車（SUV）產銷511.94萬輛和496.47萬輛，同比增長9.62%和9.68%；多功能乘用車（MPV）產銷85.79萬輛和88.19萬輛，同比下降17.10%和12.72%；交叉型乘用車產銷21.54萬輛和23.47萬輛，同比下降23.78%和25.88%。