茍金遠(yuǎn) 劉燁 周文斌

摘 要：在目前的汽車行業(yè)情況下，輕量化和平臺化是汽車整車設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的重要內(nèi)容和趨勢，前端模塊結(jié)合了新材料應(yīng)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(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：前端模塊;設(shè)計(jì)開發(fā);輕量化;平臺化

1 引言

輕量化主要是基于環(huán)保和節(jié)能的考慮，在保證汽車各項(xiàng)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(fā)成本和周期的考慮，通過模塊化、系列化、通用化設(shè)計(jì)，不同尺寸、類型車輛可采用相同的結(jié)構(gòu)或者相同零件?？梢杂行Ы档烷_發(fā)風(fēng)險提升可靠性，縮短開發(fā)周期，有效降低開發(fā)成本和零件成本。前端模塊總成結(jié)合了輕量化和平臺化優(yōu)勢，是整車前端零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢。

本文以某SUV車型介紹此前端模塊總成的設(shè)計(jì)過程及平臺化構(gòu)想。

2 前端模塊設(shè)計(jì)開發(fā)

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(fā)罩鎖、喇叭、線束等零件。同時提供前端各系統(tǒng)安裝點(diǎn)要求，如前蒙皮系統(tǒng)、前照明系統(tǒng)、冷卻管路等。以下從五個方面闡述前端模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。

2.1 材料和工藝設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)車型前端框架采用鈑金結(jié)構(gòu)，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(jì)10～20個沖壓件，重量約有7千克。前端區(qū)域相關(guān)總裝件在廠內(nèi)總裝線上逐個裝配。

新設(shè)計(jì)前端框架通過多車型對標(biāo)及新材料試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)上材料采用PP-LGF30，制作工藝為整體一體注塑，安裝點(diǎn)位置采用鉚接螺母。同時調(diào)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(fā)罩鎖、喇叭、前防撞梁等零件。

2.2 設(shè)計(jì)輸入和要求

接口要求：提供各系統(tǒng)零件安裝要求，相關(guān)零件如圖1系統(tǒng)框圖。

性能要求：滿足整體剛度模態(tài)要求，前端模態(tài)

滿足各系統(tǒng)安裝強(qiáng)度和剛度，主要發(fā)罩鎖剛度和強(qiáng)度

滿足關(guān)鍵安裝點(diǎn)動剛度要求，如散熱器安裝點(diǎn)、碰撞傳感器安裝點(diǎn)

工藝要求：設(shè)計(jì)面向制造，在前端模塊設(shè)計(jì)開發(fā)過程主要考慮前端框架注塑件的注塑工藝要求、相關(guān)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(shè)計(jì)

常見塑料前端框架主要有如下兩種模型結(jié)構(gòu)，其各自結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)如下：

a、八字梁結(jié)構(gòu)：如圖2，八字梁結(jié)構(gòu)撐連接前端框架與防撞梁固定點(diǎn)和發(fā)罩鎖安裝位置，加強(qiáng)前端框架整體剛度和發(fā)罩鎖位置剛度和強(qiáng)度，此結(jié)構(gòu)前端框架整體剛度和模態(tài)更高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，注塑尺寸容易控制，零件數(shù)量少;

b、中立柱結(jié)構(gòu)：使用中立柱連接防撞梁和發(fā)罩鎖安裝點(diǎn)。發(fā)罩鎖剛度和強(qiáng)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(tài)偏低，同時注塑后收縮不穩(wěn)定，需要前期多次分析和調(diào)整。

本車型前端框架設(shè)計(jì)選用中立柱結(jié)構(gòu)。前端框架整體為矩形，由上/下橫梁和左右立柱構(gòu)成，發(fā)罩鎖安裝區(qū)域通過鈑金中立柱連接發(fā)罩鎖和前防撞梁，有效滿足發(fā)罩鎖安裝各項(xiàng)剛度和強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)上對橫梁與立柱連接接頭位置通過設(shè)計(jì)三角筋加強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

1）散熱器安裝結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)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(diǎn)剛度和動剛度要求高，由于塑料前端框架下點(diǎn)距離框架固定點(diǎn)遠(yuǎn)，框架橫梁截面高度尺寸?。ㄊ苘囕v接近角影響），前期設(shè)計(jì)通過多輪優(yōu)化均不能滿足散熱器動剛度要求。為提高動剛度，設(shè)計(jì)將散熱器主要承載點(diǎn)調(diào)整到前端框架立柱上，并靠近框架固定點(diǎn)，同時下點(diǎn)調(diào)整為輔助限位點(diǎn)，僅限制器前后和左右方向。按此結(jié)構(gòu)優(yōu)化后動剛度值提升明顯。

2）發(fā)罩鎖安裝結(jié)構(gòu)：本車型采用了鈑金中立柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為發(fā)罩鎖安裝螺栓依次穿過鈑金中立柱和發(fā)罩鎖然后固定到前端框架上，有效提供發(fā)罩鎖安裝Z向剛度和強(qiáng)度。

3）其他安裝結(jié)構(gòu)：大部分采用螺栓連接結(jié)構(gòu)，前端框架上使用M6/M8的六角拉鉚螺母，增對受力要求相當(dāng)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(tǒng)安裝的可靠性。

2.5 分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)前期運(yùn)用CAE模擬，將前端框架劃分為片體網(wǎng)格。分析整體剛度模態(tài)、強(qiáng)度、整車碰撞性能、各安裝點(diǎn)相關(guān)性能等。通過多方案優(yōu)化最終鎖定前端框架截面，然后開始局部筋條優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析最終鎖定開模數(shù)據(jù)。

樣車制造階段，在實(shí)車上對前端模塊各項(xiàng)性能要求，一一對應(yīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，例如發(fā)罩鎖剛度測試、發(fā)罩開關(guān)耐久測試、碰撞傳感器測試、搭載整車進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久等等。

3 前端模塊平臺化構(gòu)想

前端模塊已實(shí)現(xiàn)了前端結(jié)構(gòu)模塊化集成，具有先天平臺化基礎(chǔ)。初步構(gòu)想從如下三方向提供零件共用率，減少零件種類，實(shí)現(xiàn)前端模塊平臺化。

1）結(jié)構(gòu)和布置統(tǒng)一化：結(jié)構(gòu)和布置的統(tǒng)一是平臺化的基礎(chǔ)。在前期設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，將安裝結(jié)構(gòu)和布置位置的統(tǒng)一。有效保證設(shè)計(jì)可靠性和延續(xù)性，同時可以降低開發(fā)風(fēng)險。例如散熱器采用統(tǒng)一的水箱結(jié)構(gòu)，與車身安裝點(diǎn)和方式也統(tǒng)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(fā)罩鎖與散熱器相對位置（限制造型發(fā)罩分縫特征和位置）。

2）設(shè)計(jì)尺寸序列化：每個主機(jī)廠對應(yīng)有多個尺寸車型，多種動力配置，綜合考慮相關(guān)因素，分析組合情況，分析前端框架尺寸帶寬。設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)預(yù)留調(diào)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(shù)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(fā)罩分縫位置等等。前期設(shè)計(jì)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(diào)整盡量壓縮組合數(shù)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(yù)留兩組，Z向預(yù)留兩種或者三種位置。設(shè)計(jì)上在前端框架和前防撞梁上預(yù)留出多組孔位，通過調(diào)整前端模塊與防撞梁的裝配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)3種同結(jié)構(gòu)形式前端模塊總成滿足各種大小、類型車型需求。同時內(nèi)部子零件可以共用或者系列化，最大限度實(shí)現(xiàn)前端相關(guān)零件的平臺化?？梢杂行Ы档烷_發(fā)風(fēng)險提升可靠性，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本和零件成本。

4 結(jié)論

本車型通過使用前端模塊化設(shè)計(jì)，材料選擇以塑代鋼，實(shí)現(xiàn)減重45%，零件是從13個減少到2個。前端模塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前端零件的集成裝配，減少總裝主線上的零件數(shù)量。前期設(shè)計(jì)開發(fā)過程中充分考慮平臺化，采用相同的結(jié)構(gòu)和布置，設(shè)計(jì)序列化尺寸前端模塊，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上預(yù)留前端模塊調(diào)整空間，實(shí)現(xiàn)不同類型不同大小車型前端模塊的平臺化設(shè)計(jì)。有效降低開發(fā)風(fēng)險，提升可靠性，縮短開發(fā)周期，同時可有效降低開發(fā)成本和零件成本。