前端模塊的研究

郭長青

摘 ? 要：當前，由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已成為世界汽車發展的潮流，也是一個汽車廠商和國家技術先進程度的重要標志。為了應對節能減排，各國都制定了相應的法規，如GB 19578-2004《乘用車燃料消耗量限值》規定了我國乘用車燃油經濟型指標。前端模塊正是基于上述背景，才能夠在汽車業得到快速的發展。

關鍵詞：前端模塊 ?輕量化 ?設計原則、簡化模型

中圖分類號：U462 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0104-02

由于它位于汽車發動機艙前端，并且是一個模塊化、集成化的零件，人們習慣上稱其為前端模塊，英文名稱是Front-End Module，簡寫FEM。本篇文章就對FEM產品的特點、材料及其制造技術進行了分析和研究，其主要研究內容如下：FEM特點、材料、制造技術;為了便于分析研究對FEM設計式樣進行了分類，簡化為四種分析模型，并對FEM梁的主斷面如何選擇進行了闡述，同時也闡述了加強筋布置對梁剛性的影響，為FEM的設計以及工程制造提供了參考。

1 ?FEM的特點

前端支架是其他零部件的安裝平臺，需要滿足一系列力學、尺寸、安裝、環境等方面的要求，需要具備以下特點：

（1）良好的結構強度和剛度;（2）良好的尺寸穩定性和低的尺寸誤差;（3）便于其他部件快速、精確安裝;（4）方便緊固件的集成;（5）有限空間內盡可能高的剛度;（6）影響汽車外觀的面差、間隙，如前大燈和前保、前大燈和翼子板等;（7）好的耐熱和耐化學性能;（8）前端支架維修費用比較低;（9）輕質價優。

2 ?FEM的材料及其制造技術

采用金屬材質的FEM，實現的工藝主要有板材焊接和澆注;采用塑料（熱塑性）和金屬復合的FEM，實現的工藝主要有模壓和注塑，多采用模內嵌件注塑和模塑后組裝，其中模內嵌件注塑代表技術有：拜耳專利技術、貝洱海拉專利技術和通用專利技術;模塑后組裝主要包含：塑料鉚釘熱壓、凸緣沖壓連接和鉚接、粘結等。常用的熱塑性塑料：聚丙烯（長纖維、 短纖維、玻纖氈）、尼龍（長纖維、短纖維、玻纖氈）。無論是采用金屬、塑料還是材料的混合結構，都是為了以下目的：滿足各項性能要求的低成本輕質支架，較少的組裝費，較高的集成度。

3 ?FEM的設計原則

（1）輕量化和低成本;

（2）根據車身結構的不同，選擇適當的安裝手法和承載結構;

（3）根據前端支架性能要求的不同，選擇適當的材料;

（4）前端支架的結構主要取決于前艙的可用空間及其所集成部件的結構.特別是前艙蓋鎖、空調冷卻系統和前燈等部件;所集成的零部件內容和數量，也取決于汽車廠商的要求

4 ?FEM的功能

（1）輕量化、節能減排。減少燃料消耗，降低排氣污染。

（2）模塊化。減少整車廠因零部件物流所需的面積;降低整車廠生產和管理的復雜程度;通過專業化達到優化集成并減少重量和尺寸誤差的目的。

（3）集成化：前艙諸多零部件的安裝與定位平臺。如：散熱器、風扇、大燈、散熱器格柵等。

（4）發動機的安全擋塊，吸收一部分碰撞能量。

（5）安裝簡單，拆除和更換方便，便于維護。

5 ?FEM的簡化模型

為了便于分析FEM的造型結構特點，可以把FEM簡化成不同類型的設計式樣，主要以下4種模型：

（1）簡化模型1，見圖1。

不集成前大燈，僅集成冷卻系統和前艙蓋鎖。小腿保護支架不安裝在支架上。散熱器安裝點1和點2可以根據客戶需求，分別在斜梁上、橫梁上進行協調布點。

（2）簡化模型2，見圖2。

集成前大燈、冷卻系統和前艙蓋鎖。小腿保護支架不安裝在支架上。散熱器安裝點一般安裝在上下橫梁上，位置可以根據汽車廠商要求進行協調布點。

（3）簡化模型3，見圖3。

集成前大燈、冷卻系統和前艙蓋鎖。小腿保護支架安裝在支架上。左、右橫梁和車身固定點，一般固定在車身前縱梁上。散熱器安裝點一般安裝在上下橫梁上，位置可以根據汽車廠商要求進行協調布點。

（4）簡化模型4。

集成前大燈、冷卻系統和前艙蓋鎖。小腿保護支架安裝在支架上。斜梁改為直梁，為保證鎖體固定可靠，直梁一般采用金屬沖壓成型，連接在前防撞梁上。此種類型是類型3的另外一種表達形式。

6 ?梁的主斷面

選擇梁的橫截面形狀，主要考慮以下幾點：

（1）考慮支架需要滿足哪些具體性能（物理性能、環境性能）;

（2）考慮強度或者剛性需求（力學要求）;

（3）考慮零部件安裝結構布局（安裝空間要求）等。

7 ?加強筋布置對梁剛性的影響

加強筋應該連續分布，以獲得較高的剛性。加強筋之間夾角在30°～60°之間進行選擇，最好是45°。選擇加強筋布置時，要考慮重量增加百分比，即：剛性和重量要綜合考慮。

8 ?CAE模擬分析

（1）剛性分析，應對FEM前艙蓋鎖體部位，前大燈安裝部位，冷凝器系統的支撐部位，前艙蓋沖擊部位進行模擬分析。

（2）壁厚優化分析，為保證FEM在滿足性能及功能的前提下，產品自身的重量應該進行輕量化考慮，產品壁厚拓撲優化。

（3）行人保護碰撞分析，為了降低行人腿部所受的傷害通常在車輛前端增加防護結構吸收行人腿部的碰撞能量，來減輕行人腿部所受傷害，FEM可以吸收能量的一部分，應該對其進行CAE模擬分析。

9 ?結語

通過對FEM產品進行分析和研究，本文主要得出了如下結論：

（1）通過對汽車前端模塊的功能、簡化模型、梁斷面及加強筋等的研究分析，旨在為設計工程師設計提供參考依據，以期減少設計缺陷，縮短設計周期，降低開發成本，提升設計人員的設計能力。

（2）通過對上述結構進行研究，目前可以獨立的進行同步設計，能夠承接FEM的開發制造，彌補了公司此類產品的空白，提升了公司在此行業內的競爭力。

（3）FEM產品目前國內市場前景廣大，迫于國家節能減排的要求應大力推廣。

參考文獻

[1] 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.

[2] 陳家瑞.汽車構造[M].2版.北京：機械工業出版社，2005.

[3] 趙高明.前端支架的模塊化發展[J].汽車與配件，2010（ZI）.