張?jiān)魄? 周琴平 嚴(yán)衛(wèi)衛(wèi) 黃佳佳

摘 要：汽車(chē)前端框架的輕量化技術(shù)日益成熟，為了應(yīng)對(duì)日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，前端框架輕量化方案實(shí)施過(guò)程中的成本控制愈發(fā)成為項(xiàng)目順利實(shí)施的關(guān)鍵，由此在設(shè)計(jì)源頭引發(fā)了精益輕量化的新思路。文章通過(guò)某車(chē)型前端框架輕量化方案的實(shí)際案例，闡述了貫穿于前端框架輕量化開(kāi)發(fā)過(guò)程的精益化設(shè)計(jì)思想，基于實(shí)際減重效果和相應(yīng)零件成本的平衡，得到了最終的量產(chǎn)方案。

關(guān)鍵詞：前端框架;輕量化;精益設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.67 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-113-03

Abstract： The lightweight technology of automotive Front End Module （FEM） is becoming more and more mature. In order to cope with the increasingly fierce competition， cost control during the implementation of FEM lightweight has increasingly become the key to the project implementation smooth， which has led to new ideas of lean and lightweight from the design stage. Through the actual case of a FEM lightweight project of a certain vehicle model， this paper expounds the lean design idea that runs through the lightweight development process. Based on the actual weight reduction effect and the balance of the corresponding parts cost， the final mass production scheme is obtained.

Keywords： Front end module; Lightweight; Lean design

CLC NO.： U463.67 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-113-03

前言

作為汽車(chē)前部較早應(yīng)用輕量化技術(shù)的半結(jié)構(gòu)件，前端框架的輕量化經(jīng)歷20年的發(fā)展，已經(jīng)逐步演變?yōu)橄鄬?duì)規(guī)范化的成熟技術(shù)，迄今為止，全球絕大部分汽車(chē)主機(jī)廠的前端框架都采用了基于玻纖增強(qiáng)材料的全塑或金屬嵌件設(shè)計(jì)方案。伴隨各主機(jī)廠、相關(guān)零件制造商對(duì)前端框架服役工況、性能表現(xiàn)等積累了越來(lái)越豐富的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，前端框架輕量化進(jìn)入精益設(shè)計(jì)的新階段[1]，即意味著，一款成功的前端框架開(kāi)發(fā)，在滿足輕量化要求的同時(shí)，又要做到零件成本最優(yōu)。這需要在前端框架開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)性能和成本兼顧，體現(xiàn)為選擇性價(jià)比最優(yōu)的材料，避免過(guò)度設(shè)計(jì)。

本文以金發(fā)科技2016年參與的國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠某款車(chē)型的前端框架開(kāi)發(fā)為例，闡述了基于精益設(shè)計(jì)思想的輕量化方案優(yōu)化過(guò)程。

1 初始方案

該車(chē)型的前端框架零件性能指標(biāo)如表1所示（鑒于保密原因，表中實(shí)驗(yàn)條件列僅進(jìn)行了定性描述），基于此，零件制造商選用30%短玻纖增強(qiáng)尼龍材料（下文記為SFT-PA），完成了如圖1所示的初始方案。此版方案用料4.8kg，2D有限元模型分析顯示，方案滿足所有設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 優(yōu)化方案

盡管初始設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，但是基于精益輕量化思想進(jìn)行方案論證時(shí)，認(rèn)為存在空間以實(shí)現(xiàn)零件重量和成本的進(jìn)一步優(yōu)化。本節(jié)下文將首先從選材優(yōu)化入手，然后依次闡述兩版優(yōu)化方案嘗試。

2.1 選材優(yōu)化

概況當(dāng)前市場(chǎng)上的前端框架輕量化方案，其可以分為三大類(lèi)：長(zhǎng)-/短-玻纖增強(qiáng)聚丙烯全塑方案（以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)FT-/ SFT-PP），SFT-PA全塑方案和混合方案（金屬嵌件+玻纖增強(qiáng)熱塑性材料結(jié)構(gòu)主體）。另一方面，回歸前端框架的零件功能本質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)前端框架作為半結(jié)構(gòu)件，其主要功能[2，3]包括：為車(chē)頭各模塊提供掛載點(diǎn)（剛度），為機(jī)蓋鎖安裝點(diǎn)提供足夠的強(qiáng)度支撐等。僅從滿足這些力學(xué)性能指標(biāo)而言，各種玻纖增強(qiáng)材料都可以滿足要求，差異之處在于需要根據(jù)材料不同的基本性能，進(jìn)行基本結(jié)構(gòu)的微調(diào)而已。

真正限制選材的是前端框架的服役工況溫度。鑒于SFT-PA的熱變形溫度約為200℃，高于LFT-PP的150℃，因而當(dāng)前端框架的服役工況經(jīng)常處于120+℃的場(chǎng)合，比如配置了渦輪增壓的中大型MPV（相較于其他車(chē)型，引擎蓋內(nèi)空間較小，熱環(huán)境更苛刻），選擇SFT-PA是合適的。電動(dòng)車(chē)的前端框架對(duì)應(yīng)于另一個(gè)極端情況，作為熱源的電機(jī)發(fā)熱一般在80℃左右，此時(shí)選擇LFT-PP是明智的，因?yàn)槠洳粌H滿足工況要求，同時(shí)具有更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。將上述思想提煉，金發(fā)科技提出了“按需設(shè)計(jì)”理念，并以圖2示意。前端框架設(shè)計(jì)伊始不再確定材料類(lèi)型，而是依據(jù)具體車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙實(shí)際空間、前端框架實(shí)際使用溫度，技術(shù)指標(biāo)（主要指力學(xué)性能）等設(shè)計(jì)約束，為客戶推薦性價(jià)比最優(yōu)的材料，從而實(shí)現(xiàn)前端框架的“既滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，又不過(guò)度設(shè)計(jì)”的精益方案。

將上述思想應(yīng)用于本案例，經(jīng)過(guò)實(shí)際服役工況的考察，并與30%SFT-PA（金發(fā)科技牌號(hào)為PA6-G30）基本性能比較，我們選擇性價(jià)比更優(yōu)的30%LFT-PP（金發(fā)科技牌號(hào)為GFPP-L30）進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。兩種材料的基本力學(xué)性能比較如表2所示，需要說(shuō)明的是，由于尼龍材料特有的吸水性值導(dǎo)致性能降低，在設(shè)計(jì)過(guò)程采用其平衡態(tài)（濕態(tài)）性能進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)價(jià)。有限元分析模型顯示，保持初始設(shè)計(jì)方案基本不變，選用GFPP-L30材料，用料4.3kg即可滿足所有設(shè)計(jì)指標(biāo)，與初始的PA6-G30方案相比，有10%的減重，同時(shí)零件成本降低。

2.2 優(yōu)化方案一

對(duì)GFPP-L30方案的有限元模型結(jié)果分析注意到，此版方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、散熱器X向剛度、緩沖塊剛度等指標(biāo)存在不同程度的過(guò)度設(shè)計(jì)，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向。圖3為得到的優(yōu)化方案示意，除將左右側(cè)梁壁由4mm調(diào)整為3mm之外，還簡(jiǎn)化了4個(gè)格柵支架安裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化了鎖扣區(qū)域的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)以及弱化了上下橫梁的局部結(jié)構(gòu)。此版優(yōu)化方案總體維持基本結(jié)構(gòu)不變，通過(guò)局部?jī)?yōu)化的方式，在所有設(shè)計(jì)指標(biāo)都滿足的條件下，將總體總量減為4.0kg。

2.3 優(yōu)化方案二

對(duì)GFPP-L30設(shè)計(jì)方案的分析發(fā)現(xiàn)，前端框架與白車(chē)身的連接方式存在較大減重空間。當(dāng)前設(shè)計(jì)方案為前端框架與白車(chē)身通過(guò)X向（車(chē)身坐標(biāo)）連接，每一側(cè)有4個(gè)安裝點(diǎn)。若將前端框架每一側(cè)安裝點(diǎn)減為2個(gè)，改為Y向直接與防撞梁連接，繼而通過(guò)防撞梁與白車(chē)身“間接”連接，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變可以直接獲得0.3-0.5kg的減重。圖4為大眾Golf基于此設(shè)計(jì)理念的示意。

完成了進(jìn)一步論證，如圖5所示。圖中左邊為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，黑色實(shí)線界定的透明輪廓勾勒了前端框架設(shè)計(jì)空間，設(shè)計(jì)空間中的連續(xù)實(shí)體部分，表明這些位置的材料將主要承受結(jié)構(gòu)受力。相應(yīng)的Y向安裝設(shè)計(jì)草案如圖5右邊所示。

綜合前端框架注塑成型可行性及成型效率，完成了如圖6所示的Y向安裝優(yōu)化方案，結(jié)構(gòu)滿足所有設(shè)計(jì)指標(biāo)，重量減為3.4kg。但必須指出的是，實(shí)現(xiàn)這種更為顯著的減重方案是有代價(jià)的，其將導(dǎo)致總裝線上前端框架工裝和安裝工序的變化，這種整改投入需要主機(jī)廠的評(píng)估決策。具體到此項(xiàng)目，主機(jī)廠2018年最終定案，選擇了基于LFT-PP的優(yōu)化方案一。

3 結(jié)論

前端框架的輕量化正逐步進(jìn)入精益設(shè)計(jì)階段，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上識(shí)別并擁抱該變化的企業(yè)，如聚焦性價(jià)比的材料供應(yīng)商、按需設(shè)計(jì)的零件制造商以及設(shè)計(jì)指標(biāo)差異化管控的主機(jī)廠，將會(huì)處于更有優(yōu)勢(shì)的競(jìng)爭(zhēng)地位。

參考文獻(xiàn)

[1] 張?jiān)魄?，歐相麟，楊良波.汽車(chē)前端框架輕量化進(jìn)展[J].塑料工業(yè)， 2020，48（3）：20-24.

[2] 陳杰龍，孫鳳蔚，李海連，等.發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2013，51（9）：63-66.

[3] 趙高明.前端支架的模塊化發(fā)展[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2016，6-7（2）：35-39.