某車型前端模塊設計和平臺化構想

茍金遠 劉燁 周文斌

摘 要：在目前的汽車行業情況下，輕量化和平臺化是汽車整車設計與生產的重要內容和趨勢，前端模塊結合了新材料應用和模塊集成兩個概念，具體有整車輕量化和平臺化的先天優勢。

關鍵詞：前端模塊;設計開發;輕量化;平臺化

1 引言

輕量化主要是基于環保和節能的考慮，在保證汽車各項性能的前提下，盡可能的降低汽車的重量，汽車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;平臺化主要是基于可靠性、開發成本和周期的考慮，通過模塊化、系列化、通用化設計，不同尺寸、類型車輛可采用相同的結構或者相同零件。可以有效降低開發風險提升可靠性，縮短開發周期，有效降低開發成本和零件成本。前端模塊總成結合了輕量化和平臺化優勢，是整車前端零件結構設計趨勢。

本文以某SUV車型介紹此前端模塊總成的設計過程及平臺化構想。

2 前端模塊設計開發

本車型前端模塊主要集成有前端框架、前防撞梁、散熱器、中冷器、冷凝器、發罩鎖、喇叭、線束等零件。同時提供前端各系統安裝點要求，如前蒙皮系統、前照明系統、冷卻管路等。以下從五個方面闡述前端模塊的設計開發過程。

2.1 材料和工藝設計

傳統車型前端框架采用鈑金結構，由水箱上/下立柱、上彎梁、下彎梁等多個鈑金件通過焊接和螺接形成連接，合計10～20個沖壓件，重量約有7千克。前端區域相關總裝件在廠內總裝線上逐個裝配。

新設計前端框架通過多車型對標及新材料試驗研究，設計上材料采用PP-LGF30，制作工藝為整體一體注塑，安裝點位置采用鉚接螺母。同時調整前端的部分總裝件到前端框架上裝配形成前端模塊總成，如散熱器、中冷器、冷凝器、發罩鎖、喇叭、前防撞梁等零件。

2.2 設計輸入和要求

接口要求：提供各系統零件安裝要求，相關零件如圖1系統框圖。

性能要求：滿足整體剛度模態要求，前端模態

滿足各系統安裝強度和剛度，主要發罩鎖剛度和強度

滿足關鍵安裝點動剛度要求，如散熱器安裝點、碰撞傳感器安裝點

工藝要求：設計面向制造，在前端模塊設計開發過程主要考慮前端框架注塑件的注塑工藝要求、相關總裝件安裝方式和裝配空間要求、同時考慮裝配后前端模塊具有良好的尺寸精度。

2.3 框架整體設計

常見塑料前端框架主要有如下兩種模型結構，其各自結構和優缺點如下：

a、八字梁結構：如圖2，八字梁結構撐連接前端框架與防撞梁固定點和發罩鎖安裝位置，加強前端框架整體剛度和發罩鎖位置剛度和強度，此結構前端框架整體剛度和模態更高，結構穩定，注塑尺寸容易控制，零件數量少;

b、中立柱結構：使用中立柱連接防撞梁和發罩鎖安裝點。發罩鎖剛度和強度更容易滿足要求，但由于框架整體為矩形，前端框架相對剛度模態偏低，同時注塑后收縮不穩定，需要前期多次分析和調整。

本車型前端框架設計選用中立柱結構。前端框架整體為矩形，由上/下橫梁和左右立柱構成，發罩鎖安裝區域通過鈑金中立柱連接發罩鎖和前防撞梁，有效滿足發罩鎖安裝各項剛度和強度要求。設計上對橫梁與立柱連接接頭位置通過設計三角筋加強連接剛度。布置上將對剛度和動剛度要求高的零件布置在立柱上并靠近前端框架與放撞梁連接部位。

2.4 局部安裝結構設計：

1）散熱器安裝結構：傳統車型散熱器主要通過前端下橫梁承載散熱器，對散熱器下橫梁上安裝點剛度和動剛度要求高，由于塑料前端框架下點距離框架固定點遠，框架橫梁截面高度尺寸小（受車輛接近角影響），前期設計通過多輪優化均不能滿足散熱器動剛度要求。為提高動剛度，設計將散熱器主要承載點調整到前端框架立柱上，并靠近框架固定點，同時下點調整為輔助限位點，僅限制器前后和左右方向。按此結構優化后動剛度值提升明顯。

2）發罩鎖安裝結構：本車型采用了鈑金中立柱結構，結構設計為發罩鎖安裝螺栓依次穿過鈑金中立柱和發罩鎖然后固定到前端框架上，有效提供發罩鎖安裝Z向剛度和強度。

3）其他安裝結構：大部分采用螺栓連接結構，前端框架上使用M6/M8的六角拉鉚螺母，增對受力要求相當高的地方前端框架局部加厚，同時合理布置筋條，保證各系統安裝的可靠性。

2.5 分析和試驗驗證

在設計前期運用CAE模擬，將前端框架劃分為片體網格。分析整體剛度模態、強度、整車碰撞性能、各安裝點相關性能等。通過多方案優化最終鎖定前端框架截面，然后開始局部筋條優化設計及分析最終鎖定開模數據。

樣車制造階段，在實車上對前端模塊各項性能要求，一一對應實際實驗，例如發罩鎖剛度測試、發罩開關耐久測試、碰撞傳感器測試、搭載整車進行結構耐久等等。

3 前端模塊平臺化構想

前端模塊已實現了前端結構模塊化集成，具有先天平臺化基礎。初步構想從如下三方向提供零件共用率，減少零件種類，實現前端模塊平臺化。

1）結構和布置統一化：結構和布置的統一是平臺化的基礎。在前期設計中需要盡量考慮各種車型需要，選擇合適的布置位置和安裝結構，將安裝結構和布置位置的統一。有效保證設計可靠性和延續性，同時可以降低開發風險。例如散熱器采用統一的水箱結構，與車身安裝點和方式也統一;中冷器均布置在防撞梁下方，與前端模塊通過4顆螺栓前后方向連接，發罩鎖與散熱器相對位置（限制造型發罩分縫特征和位置）。

2）設計尺寸序列化：每個主機廠對應有多個尺寸車型，多種動力配置，綜合考慮相關因素，分析組合情況，分析前端框架尺寸帶寬。設計選擇兩到三組尺寸的前端模塊總成滿足各車型尺寸和動力配置要求。

3）結構預留調整空間：針對同尺寸車型，不同形式的車由于定位和總布置參數不同，前端模塊零件布置可能存在多種位置，其主要影響因素有前懸長度、接近角、造型發罩分縫位置等等。前期設計上分析整理出同平臺車型X、Z方向的尺寸序列，通過討論和調整盡量壓縮組合數量，限制布置和造型。通常同尺寸大小的車型前端模塊相對于前大梁位置X方向預留兩組，Z向預留兩種或者三種位置。設計上在前端框架和前防撞梁上預留出多組孔位，通過調整前端模塊與防撞梁的裝配關系，實現前端模塊總成的各個位置組合。

通過如上三個方向，理想情況下可設計3種同結構形式前端模塊總成滿足各種大小、類型車型需求。同時內部子零件可以共用或者系列化，最大限度實現前端相關零件的平臺化。可以有效降低開發風險提升可靠性，縮短開發周期，降低開發成本和零件成本。

4 結論

本車型通過使用前端模塊化設計，材料選擇以塑代鋼，實現減重45%，零件是從13個減少到2個。前端模塊結構實現前端零件的集成裝配，減少總裝主線上的零件數量。前期設計開發過程中充分考慮平臺化，采用相同的結構和布置，設計序列化尺寸前端模塊，同時結構設計上預留前端模塊調整空間，實現不同類型不同大小車型前端模塊的平臺化設計。有效降低開發風險，提升可靠性，縮短開發周期，同時可有效降低開發成本和零件成本。