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        發(fā)動機艙前端模塊優(yōu)化設(shè)計分析

        2019-06-11 06:57:14趙翔
        時代汽車 2019年3期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機艙結(jié)構(gòu)分析

        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.

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