趙翔

摘 要：針對目前在汽車工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的發(fā)動機艙前端模塊，在簡述前端模塊性質(zhì)和特點的基礎(chǔ)上，對其設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化進行深入分析，為這一模塊的實際應(yīng)用，并發(fā)揮出應(yīng)有作用效果奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機艙；前端模塊；模塊優(yōu)化設(shè)計；結(jié)構(gòu)分析

汽車工業(yè)不斷發(fā)展對整車設(shè)計提出了很高的要求，在這種情況下，模塊化設(shè)計成為整車設(shè)計與生產(chǎn)的重要內(nèi)容和趨勢，通過對模塊化設(shè)計的應(yīng)用，能在保證設(shè)計便利性和合理性的基礎(chǔ)上，減少成本。然而，在設(shè)計過程中，為保證模塊化設(shè)計發(fā)揮應(yīng)有作用效果，需要進行必要的結(jié)構(gòu)分析，使設(shè)計達到最優(yōu)化。

1 概述

當(dāng)前針對模塊化這一概念還未形成公認且統(tǒng)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(shè)計，主要指的是在設(shè)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(lián)接采用固定模式，能防止由于零件及其總成的改變而發(fā)生變化，裝配過程中可將模塊為基礎(chǔ)進行裝配。對汽車行業(yè)而言，為有效降低成本，不斷增強競爭力，基于模塊化的設(shè)計與生產(chǎn)是當(dāng)前主要趨勢，然而由于受到技術(shù)等方面的制約，使汽車行業(yè)中的模塊化僅實現(xiàn)了前端模塊，也就是散熱器框架，正廣泛用于實車的生產(chǎn)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(xiàn)有文獻資料對前端模塊開發(fā)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(yōu)勢特點和未來發(fā)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(dāng)中的實際應(yīng)用和優(yōu)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(xiàn)出設(shè)計和成本方面的優(yōu)勢。對于散熱器框架，將其按照整體模塊進行設(shè)計和車身實施組裝，以不同的類型及改制方案為依據(jù)，可設(shè)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(xiàn)降低改制成本的目標。

2 模塊設(shè)計

2.1 邊界條件

對于前端模塊，它主要涉及到車身結(jié)構(gòu)件，另外還包括內(nèi)外飾、動力與電器系統(tǒng)：

（1）車身系統(tǒng)：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(yīng)提供可對前橫梁進行安裝的點位；④發(fā)動機罩，提供配合間隙與緩沖塊的可靠支撐點[2]。

（2）內(nèi)外飾：①前保險杠，模塊應(yīng)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(yīng)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(fā)動機罩鎖，模塊應(yīng)提供可保證發(fā)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(yīng)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(dǎo)風(fēng)板，模塊應(yīng)提供可保證導(dǎo)風(fēng)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(yīng)提供可保證裝飾板順利安裝的點位。

（3）動力系統(tǒng)，主要為水箱和風(fēng)扇，模塊應(yīng)提供可保證水箱與風(fēng)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(tǒng)：①前組合燈，模塊應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)相同。對于安裝支架，它由螺栓螺母結(jié)構(gòu)和模塊本體相連，這一結(jié)果的作用在于符合系統(tǒng)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(guān)系，所以模塊不涉及大燈支架，需要為大燈支架預(yù)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(jié)果和鈑金件一致。對于行人保護裝置，其具體節(jié)后應(yīng)以造型設(shè)計為依據(jù)，按不同車型形狀進行不同設(shè)計。為切實滿足實際需要，在下橫梁處為行人保護裝置留設(shè)足夠的安裝孔[3]。

2.2 模塊性能要求

模塊設(shè)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(yīng)達到3500kN以上；（4）振動測試：即動剛度的測試，在環(huán)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(huán)境箱的溫度應(yīng)保持在-45℃-180℃范圍內(nèi)；（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(zhì)的結(jié)構(gòu)件，所以汽車通過對這一模塊的應(yīng)用，能使汽車實現(xiàn)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(shè)計的過程中，不同系統(tǒng)之間的搭接部位應(yīng)實現(xiàn)通用化，以此減少開發(fā)的成本。

（1）質(zhì)量：①減重比例，模塊的重量和鈑金材料框架相比，應(yīng)減少30%-50%；②零件質(zhì)量，對于采用塑料材質(zhì)的模塊，其質(zhì)量大多處在3-4kg范圍內(nèi)[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(fā)，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(zhì)的模塊高很多。

3 結(jié)構(gòu)分析

將前端模塊設(shè)計好以后，應(yīng)先開展CAE分析，其內(nèi)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(jié)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(jié)果為：當(dāng)Z向的受力保持在1500N時，鎖扣發(fā)生的最大位移在2.51mm左右，由于比8mm小，所以符合相關(guān)標準；機罩沖擊力的分析結(jié)果為：發(fā)生的最大位移比關(guān)鍵間隙的2/3小，符合相關(guān)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(zhì)的模塊，能吸收總能量1.2%的能量。對氣囊感應(yīng)器進行觸發(fā)分析后可知，金屬與塑料兩種材質(zhì)對應(yīng)的觸發(fā)速度和加速度沒有太大差別，而且塑料不會影響正常觸發(fā)。

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(zhì)量取10kg；（3）在-40℃、23℃和100℃三種溫度下，分別進行發(fā)動機蓋五次自然跌落。試驗結(jié)果為無明顯破裂，屬于彈性變化，且最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力2/3。同時對機罩的沖擊力進行試驗，其結(jié)果同樣滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上對車輛前端模塊作出的深入分析，結(jié)合實車生產(chǎn)相關(guān)經(jīng)驗，對前端模塊而言，它主要具有下列幾個優(yōu)勢特點：

（1）能有效降低系統(tǒng)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(chǎn)與管理都得以有效簡化，有效提高實際的工作效率。

（2）經(jīng)系統(tǒng)的專業(yè)化設(shè)計，是集成達到最優(yōu)化，減少所有誤差，包括零件的數(shù)據(jù)誤差、質(zhì)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(fā)成本。

（3）通過對模塊化集成的合理應(yīng)用，能使結(jié)合連接達到標準，并使接口達到統(tǒng)一，為平臺車型實現(xiàn)互換性及通用性創(chuàng)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(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2017（16）：99-101.

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

[4]袁俠義，彭麗娟，陳林.某SUV車型前端結(jié)構(gòu)對冷卻模塊風(fēng)量和內(nèi)流阻力的影響分析[J].汽車技術(shù)，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.