材料創(chuàng)新對前端模塊降本減重的可行性分析

邱晨曦, 胡琦

(觀致汽車有限公司，上海 200120)

材料創(chuàng)新對前端模塊降本減重的可行性分析

邱晨曦, 胡琦

(觀致汽車有限公司，上海 200120)

對整體注塑成型前端模塊的材料創(chuàng)新進行了介紹，重點論證采用一種新的短玻纖增強的復(fù)合材料替代傳統(tǒng)前端模塊材料的可行性。與傳統(tǒng)的前端模塊材料相比，新材料不僅能滿足零件的性能要求，而且能使車身前端質(zhì)量減輕，成本降低。

材料；汽車前端模塊；降本；減重

0 前言

汽車輕量化是汽車材料技術(shù)發(fā)展上的一個重要方向，尤其是在當前面臨全球氣候變暖以及能源危機的大形勢下,汽車輕量化是降低汽車排放、提高燃油效率的最有效措施之一。研究顯示：汽車的自身質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6% ～8%[1-2]。

隨著全球汽車制造技術(shù)向模塊化、集成化、輕量化方向發(fā)展，對汽車實現(xiàn)模塊化的主要趨勢之一就是在汽車的前端上。這種汽車前端模塊支架的主要優(yōu)點是能較為方便地集成前端的各項功能，從而很大程度上減少汽車總裝生產(chǎn)線上繁雜的組裝過程，并減少操作人員和場地使用面積。但由于采用非輕質(zhì)材料，其質(zhì)量及成本上還有待進一步改善[3]。

近年來，全塑的輕質(zhì)復(fù)合材料開始用于制造前端模塊支架。通過整體注塑成型來制造，其強度高、耐沖擊性能和耐高低溫性能優(yōu)異，同時成本也比較低[4]。

對一種新型的輕質(zhì)復(fù)合材料進行研究，對其在整車前端模塊上的各項應(yīng)用性能逐項進行分析，可實現(xiàn)對原有材料的垂直切換，從而實現(xiàn)客觀質(zhì)量減輕和成本降低，為今后全塑前端模塊支架的應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 全塑前端模塊材料應(yīng)用的現(xiàn)狀

隨著汽車前端集成化程度的提高，前端模塊上所需集成的部件越來越多，綜合低成本、輕量化等多方面因素，全塑料注塑前端模塊已成為前端模塊未來發(fā)展的主要趨勢，目前在前端模塊上用量比較多的傳統(tǒng)塑料材料是尼龍加玻纖或PP加長玻纖的復(fù)合材料[5-6]。文中介紹了一種新型輕質(zhì)復(fù)合材料用于替代傳統(tǒng)的復(fù)合材料，該材料是由短玻纖和PP混合而成的復(fù)合材料，目前已經(jīng)在部分主機廠進行逐步替代驗證。

該復(fù)合材料基于優(yōu)化的PP基材，使其能良好地包覆玻纖，并對短玻纖長度進行控制，確保長短均一，且在造粒過程中綜合考慮材料粒子大小和玻纖長度，盡量避免玻纖被切斷。這使得該材料既具有尼龍及長玻纖PP材料的強度和剛度，又具有良好的耐沖擊性能。更為重要的是，其玻纖長度短，且分布均勻，可確保前端模塊零件性能更為均一，且密度和成本比上述兩種塑料材料低，能有效降低車輛質(zhì)量和減少零件成本。

以某現(xiàn)有車型前端模塊產(chǎn)品為例，目前采用尼龍材料，如采用短玻纖PP材料進行替代，則可以實現(xiàn)零件減重約16%，成本節(jié)省超過30%。

2 某車型前端模塊應(yīng)用的邊界條件

以某車型現(xiàn)有的前端模塊為例討論新材料應(yīng)用的可行性。由于前端模塊主要為引擎蓋鎖、散熱器風扇和大燈支架提供安裝固定點，故需要考慮采用新材料后前端模塊是否滿足上述周邊零件邊界條件要求。

表1所示為現(xiàn)有前端模塊產(chǎn)品應(yīng)用的關(guān)鍵邊界條件。

前端模塊與車身連接點如圖1中圓點所示，在后續(xù)性能分析中，將如下連接點進行全約束以模擬實車狀態(tài)。

表1 邊界條件要求

3 基于變形量的剛度分析理論基礎(chǔ)

從上文可以看出，前端模塊材料的替換首先需要關(guān)注產(chǎn)品的剛度特性是否滿足邊界條件要求。一般采用有限元分析工具計算產(chǎn)品在施加特定載荷情況下所產(chǎn)生的變形量，進而通過公式計算得出產(chǎn)品相應(yīng)的剛度。

有限元分析一般首先需要將求解域離散為有限單元。以三結(jié)點三角單元為例，每個結(jié)點有兩個位移分量ui、vi，則三角單元的結(jié)點位移分量δ可表示為

δ=[u1v1u2v2u3v3]T

(1)

與之對應(yīng)的結(jié)點力F可表示為

F=[U1V1U2V2U3V3]T

(2)

在每個單元上，都可以把結(jié)點力用結(jié)點位移來表示，即建立如下關(guān)系式

F=k×δ

(3)

式中：k為單元剛度矩陣。而δ則可通過變形體虛功方程得出

δT×F=?εTσtdxdy

(4)[7]

式中：ε為單元應(yīng)變，σ為單元應(yīng)力，t為零件壁厚。由于εT和σ均為常量矩陣，上式轉(zhuǎn)化后可得

(5)

求得δ后代入式(3)即可得出剛度k。

4 基于新材料的前端模塊性能分析

4.1 大燈支架剛度分析

在圖2所示箭頭方向?qū)Υ鬅糁Ъ苁┘犹囟ǖ睦?，通過有限元計算獲取大燈支架與前端模塊連接區(qū)域在拉力方向上的變形量，從而得出該區(qū)域的剛度數(shù)值。具體變形量的分析結(jié)果如圖2所示。

通過有限元分析得出大燈支架與前端模塊連接區(qū)域的最大變形量為1.56 mm，則其剛度值為128.2 N/mm，滿足大于100 N/mm的要求。說明更換材料后前端模塊仍能為大燈及支架提供有效地支撐和固定。

4.2 鎖支架剛度分析

在圖3所示鎖支架區(qū)域，沿箭頭方向?qū)︽i支架施加特定的作用力，通過有限元計算獲取前端模塊上鎖支架區(qū)域的變形量，從而得出其剛度數(shù)值。變形量的分析結(jié)果如圖3所示。

通過有限元分析得出施力點在前端模塊上鎖支架區(qū)域的變形量為1.02 mm，故計算得出其剛度值為1 568 N/mm，滿足大于800 N/mm的要求。

4.3 鎖支架在拉力下的位移分析

在圖4所示鎖支架區(qū)域，沿箭頭方向施加特定的作用力，通過有限元計算獲取前端模塊上鎖支架區(qū)域在施力點處的變形量。具體的分析結(jié)果如圖4所示。

通過有限元分析得出施力點在前端模塊上鎖支架區(qū)域的變形量為2.46 mm，滿足小于10 mm位移的要求。說明更換材料后前端模塊仍能保證鎖支架區(qū)域的剛度和較小的變形量，能為引擎蓋鎖提供安全有效的支撐。

4.4 風扇安裝點剛度分析

4.4.1 風扇的上安裝點剛度分析

在圖5(a)所示前端模塊風扇的上安裝點處沿箭頭方向施加特定的作用力，通過有限元計算獲取前端模塊的變形量，從而得出剛度數(shù)值。具體變形量的分析結(jié)果如圖5(b)、(c)所示。

有限元分析結(jié)果顯示：風扇的上安裝點變形量為左側(cè)0.41 mm，右側(cè)0.46 mm，則其剛度值為左側(cè)488 N/mm、右側(cè)435 N/mm，均滿足大于400 N/mm的要求。

4.4.2 風扇的下安裝點剛度分析

在圖6(a)所示前端模塊風扇的下安裝點處沿箭頭方向施加一定的拉力，通過有限元計算獲取前端模塊的變形量，從而得出剛度數(shù)值。具體變形量的分析結(jié)果如圖6(b)、(c)所示。

有限元分析結(jié)果顯示：風扇的下安裝點變形量為左側(cè)0.23 mm、右側(cè)0.16 mm，則其剛度值為左側(cè)870 N/mm、右側(cè)1 250 N/mm，均滿足大于400 N/mm的要求。說明更換材料后前端模塊仍能保證風扇安裝點的剛度，確保風扇部件的有效支撐和固定。

5 結(jié)論

全塑前端模塊作為汽車輕量化設(shè)計的重要發(fā)展方向之一，已被國內(nèi)外很多汽車廠批量使用。一種由短玻纖和PP混合而成的輕質(zhì)復(fù)合材料不但能夠滿足前端模塊在整車上的各項性能要求，而且可以帶來可觀的成本降低和一定的質(zhì)量減輕。其玻纖長度短，且分布均勻，可確保前端模塊零件性能更為均一。更為重要的是，可以在原有采用尼龍加玻纖材料或長玻纖與PP復(fù)合材料的零件模具上直接進行切換，無須進行設(shè)計上的變更，從而大幅降低開發(fā)成本和縮減研發(fā)時間。

【1】馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].汽車工程，2006(28)：213-220.

【2】魯春艷.汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實施途徑[J].上海汽車，2007(6):28-31.

【3】趙高明.前端支架的模塊化發(fā)展[J].汽車與配件，2010(6):35-39.

【4】丁素芳，庹海峰.汽車全塑前端模塊支架剛度的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2012(4)：35-39.

【5】盛治華，安康.長玻纖增強型材料在汽車前端模塊中的應(yīng)用[J].上海汽車，2013(9)：55-57.

【6】李正其，龍仕彰，張鵬.長纖維增強熱塑性復(fù)合材料在汽車前端模塊中的應(yīng)用[J].汽車工程師，2012(2):52-55.

【7】高秀琴，張小紅，王歡.有限單元法原理及應(yīng)用簡明教程[M].北京：化學工業(yè)出版社,2008.

FeasibilityAnalysisofNewMaterialApplicationonFrontEndModulefor
CostSavingandWeightReduction

QIU Chenxi,HU Qi

(Qoros Automotive Co.,Ltd.，Shanghai 200120，China)

The application of new material on plastic injection front end module was introduced. The feasibility of using a new kind of short glass fiber reinforced composite material instead of traditional materials was analyzed. Comparing with the traditional front end module materials, new material not only can meet all performance requirements of the product, but also has advantages of weight reduction and cost saving.

Material；Automobile front-end module；Cost saving; Weight reduction

2015-01-26

邱晨曦，男，碩士，研究方向為汽車外飾工程。E-mail：qiuchenxi15@163.com。