發動機艙前端模塊優化設計分析

趙翔

摘 要：針對目前在汽車工業領域得到廣泛應用的發動機艙前端模塊，在簡述前端模塊性質和特點的基礎上，對其設計、結構分析與優化進行深入分析，為這一模塊的實際應用，并發揮出應有作用效果奠定良好基礎。

關鍵詞：發動機艙；前端模塊；模塊優化設計；結構分析

汽車工業不斷發展對整車設計提出了很高的要求，在這種情況下，模塊化設計成為整車設計與生產的重要內容和趨勢，通過對模塊化設計的應用，能在保證設計便利性和合理性的基礎上，減少成本。然而，在設計過程中，為保證模塊化設計發揮應有作用效果，需要進行必要的結構分析，使設計達到最優化。

1 概述

當前針對模塊化這一概念還未形成公認且統一的定義，不同文獻資料對其的定義都不相同。從較多文獻資料看，對于模塊化設計，主要指的是在設計過程中將整車按照不同的功能分為若干相互獨立的不同模塊，各模塊上集成不同的零件及其總成，且模塊間聯接采用固定模式，能防止由于零件及其總成的改變而發生變化，裝配過程中可將模塊為基礎進行裝配。對汽車行業而言，為有效降低成本，不斷增強競爭力，基于模塊化的設計與生產是當前主要趨勢，然而由于受到技術等方面的制約，使汽車行業中的模塊化僅實現了前端模塊，也就是散熱器框架，正廣泛用于實車的生產過程中，很多車型都采用這一模塊，如MINI、cerato、POLO、All New Passat、GOLF、Seat Ibiza、Audi A4、Mercedes-Benz Vito/Viano、HYUNDAI ix35、Audi Q7、Renault S.A.koleos、Porsche Panamera等[1]。

現有文獻資料對前端模塊開發給出了一定說明，比如采用前端模塊對汽車進行組裝具有的優勢特點和未來發展前景；提出一種全新材料，即GMT，即玻璃纖維增強熱塑性塑料（glass mat reinforced thermoplastics），及其在前端模塊當中的實際應用和優勢特點。無論是從研究還是實踐上看，前端模塊是一個必然趨勢，尤其是改款車型，利用這一模塊能充分體現出設計和成本方面的優勢。對于散熱器框架，將其按照整體模塊進行設計和車身實施組裝，以不同的類型及改制方案為依據，可設計出不同的模塊。如此一來，在改制過程中，僅需對模塊進行更換，就能解決散熱器框架在剛度上無法滿足要求的問題，實現降低改制成本的目標。

2 模塊設計

2.1 邊界條件

對于前端模塊，它主要涉及到車身結構件，另外還包括內外飾、動力與電器系統：

（1）車身系統：①機艙縱梁，和模塊之間相連，為模塊的安裝提供點位，起到保證安裝強度的作用；②前橫梁，確定與模塊或其縱梁之間的連接方式；③下前橫梁，模塊應提供可對前橫梁進行安裝的點位；④發動機罩，提供配合間隙與緩沖塊的可靠支撐點[2]。

（2）內外飾：①前保險杠，模塊應提供可保證保險杠順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求；②前格柵，模塊應提供可保證前格柵順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求；③發動機罩鎖，模塊應提供可保證發動機罩鎖順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求；④機底護板，模塊應提供可保證機底護板順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求；⑤導風板，模塊應提供可保證導風板順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求；⑥裝飾板，模塊應提供可保證裝飾板順利安裝的點位。

（3）動力系統，主要為水箱和風扇，模塊應提供可保證水箱與風扇順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求。

（4）電器系統：①前組合燈，模塊應提供可保證前組合燈順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求；②電喇叭，模塊應提供可保證電喇叭順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求；③冷凝器，模塊應提供可保證冷凝器順利安裝的點位，以此滿足安裝強度方面的要求。

冷卻系統中，三個方向上的尺寸為800mm、750mm和500mm，和模塊之間由四個安裝孔相連。模塊上安裝孔處在金屬安裝支架，而下安裝孔則和鈑金結構相同。對于安裝支架，它由螺栓螺母結構和模塊本體相連，這一結果的作用在于符合系統的裝卸要求。因大燈支架和車型造型與大燈配置之間有密切關系，所以模塊不涉及大燈支架，需要為大燈支架預留足夠的安裝孔，為滿足各類車型要求提供便利。模塊和縱梁之間的安裝結果和鈑金件一致。對于行人保護裝置，其具體節后應以造型設計為依據，按不同車型形狀進行不同設計。為切實滿足實際需要，在下橫梁處為行人保護裝置留設足夠的安裝孔[3]。

2.2 模塊性能要求

模塊設計過程中，需要充分考慮以下性能要求：（1）材料性能：對機械性能與抗老化性能進行檢查；（2）剛度測試：包括冷卻模塊及機罩鎖等的安裝點位；（3）強度分析：測定機罩鎖的安裝點位的強度，并對機罩的沖擊力進行分析，明確所有安裝點位的強度。對于機罩鎖的具體安裝點位，應達到3500kN以上；（4）振動測試：即動剛度的測試，在環境箱中對整車的振動測試進行模擬，并對模塊予以整體檢測。測試時，環境箱的溫度應保持在-45℃-180℃范圍內；（5）碰撞性能：需由主機廠進行分析和確認。

2.3 重量與成本分析

對于前端模塊，其一般為采用塑料材質的結構件，所以汽車通過對這一模塊的應用，能使汽車實現輕量化的目標；此外，作為一個完整的整體，對前端模塊進行設計的過程中，不同系統之間的搭接部位應實現通用化，以此減少開發的成本。

（1）質量：①減重比例，模塊的重量和鈑金材料框架相比，應減少30%-50%；②零件質量，對于采用塑料材質的模塊，其質量大多處在3-4kg范圍內[4]。

（2）成本：①單件成本，因模塊的原材料價格比普通塑料高40%，所以其單件成本和鈑金框架沒有太大差別；②綜合成本，因鈑金件有很多零部件，所以必須對檢具、模具和夾具進行單獨開發，而且還投入用于焊接、運輸和人工的成本，使鈑金框架的綜合成本比采用塑料材質的模塊高很多。

3 結構分析

將前端模塊設計好以后，應先開展CAE分析，其內容包括：（1）強度分析，可對強度造成影響的因素有：機罩的沖擊力、鎖扣的緊固力；（2）整體剛度分析；（3）基于安全乘員保護的碰撞吸能性能的綜合考慮與分析。其中，剛度分析結果為：X向強度符合600N/mm要求，Y向強度符合250N/mm要求，Z向強度符合600N/mm要求；鎖扣鎖緊力的分析結果為：當Z向的受力保持在1500N時，鎖扣發生的最大位移在2.51mm左右，由于比8mm小，所以符合相關標準；機罩沖擊力的分析結果為：發生的最大位移比關鍵間隙的2/3小，符合相關標準[5]。通過對保護性能作出的分析可知，金屬部分能吸收總能量1.5%的能量，而采用塑料材質的模塊，能吸收總能量1.2%的能量。對氣囊感應器進行觸發分析后可知，金屬與塑料兩種材質對應的觸發速度和加速度沒有太大差別，而且塑料不會影響正常觸發。

對于試驗驗證，其重點在于強度試驗，比如對機罩的沖擊力進行試驗和對鎖扣的緊固力進行試驗。其中，對鎖扣鎖緊力進行的試驗時，其試驗基本條件為：（1）跌落高度取450mm；（2）質量取10kg；（3）在-40℃、23℃和100℃三種溫度下，分別進行發動機蓋五次自然跌落。試驗結果為無明顯破裂，屬于彈性變化，且最大應力小于許用應力2/3。同時對機罩的沖擊力進行試驗，其結果同樣滿足相關要求。

4 結論

經過以上對車輛前端模塊作出的深入分析，結合實車生產相關經驗，對前端模塊而言，它主要具有下列幾個優勢特點：

（1）能有效降低系統及人工的成本，并減少各工序和場地等的占地面積，使整車廠的實際生產與管理都得以有效簡化，有效提高實際的工作效率。

（2）經系統的專業化設計，是集成達到最優化，減少所有誤差，包括零件的數據誤差、質量誤差及尺寸誤差；另外，還能大幅減少夾具及模具的研究和開發成本。

（3）通過對模塊化集成的合理應用，能使結合連接達到標準，并使接口達到統一，為平臺車型實現互換性及通用性創造良好條件。

參考文獻：

[1]黃玉東，趙明慧，高志純.前端模塊總成裝配方案優化設計[J].汽車工藝與材料，2016（12）：20-21.

[2]闞洪貴，唐程光，李鐵柱.基于Optistruct的全塑汽車前端模塊拓撲優化設計[J].汽車實用技術，2017（16）：99-101.

[3]羅亞偉，張建操，劉彤.某發動機前端輪系優化設計[J].汽車實用技術，2017（15）：129-131.

[4]袁俠義，彭麗娟，陳林.某SUV車型前端結構對冷卻模塊風量和內流阻力的影響分析[J].汽車技術，2015（7）：4-9.

[5]馮燕燕，李義林，王麗華.汽車前端冷卻模塊降溫性能模擬試驗研究[J].汽車科技，2015（2）：18-22.