關(guān)于汽車前端支架的設(shè)計(jì)

徐超，劉永星，王耘，鄭明敏，范瓊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

關(guān)于汽車前端支架的設(shè)計(jì)

徐超，劉永星，王耘，鄭明敏，范瓊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先論述了前端支架設(shè)計(jì)的一般要求，并分析了塑料前端支架常用材料及材料的性能要求。闡述了汽車前端支架的功用，對(duì)汽車前端支架的開發(fā)過程做了詳盡的描述。文章重點(diǎn)討論了前端支架的一般研發(fā)流程，及在開發(fā)過程中所需關(guān)注的法規(guī)要求及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。并結(jié)合一款汽車前端支架的研發(fā)過程，對(duì)前端支架研發(fā)的一般規(guī)律做了深入的論述。

前端支架；復(fù)合材料；應(yīng)用

CLC NO.:U463.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-78-04

引言

前端支架是前端模塊集成供貨的載體。前端支架主要起承載冷卻模塊及引擎蓋鎖的作用，包括散熱器、冷凝器、引擎蓋鎖。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的零件集成在前端模塊上，比如前大燈、引擎蓋緩沖塊、前防撞梁、小腿保護(hù)梁，大腿保護(hù)梁、正碰傳感器、喇叭等。寶馬MINI系列甚至將保險(xiǎn)杠也作為集成模塊，整體在裝配線上裝配，大大減少了裝配線的工位數(shù)量。前端支架系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 前端模塊的構(gòu)成示意圖

1、前端支架設(shè)計(jì)

1.1 前端支架材料選取

依據(jù)車型總布置要求，根據(jù)前端支架搭載部件分布情況以及搭載部件重量尺寸特點(diǎn)，綜合成本因素，選用不同材料的前端支架。不同的前端支架用材料性能參見表1。

汽車前端支架是一種框架類薄壁大型結(jié)構(gòu)部件，也有命名為前端水箱支架。對(duì)前端支架材料而言，不僅要求具有優(yōu)異的高、低溫沖擊韌性、剛性、耐老化性、耐熱性、耐寒性，還應(yīng)具有耐汽油、潤(rùn)滑油、油漆等性能。前端支架用材料的性能要求：

a）在較寬的溫度范圍內(nèi)剛性高、抗沖擊性能好；

b）尺寸穩(wěn)定性好；

c）耐溶劑性好；

d）大型件成型方便。

表1 前端支架材料性能對(duì)比表

1.2 零部件裝配設(shè)計(jì)

材料選取完成后，接下來就要進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，以下內(nèi)容應(yīng)該在前端支架裝配設(shè)計(jì)中被充分考慮：裝配順序，工具可達(dá)性，維修方便，緊固點(diǎn)可靠，緊固力矩合理。

1）散熱器固定，一般采用一個(gè)塑料支架，支架自帶安裝螺釘孔，通過螺釘自攻安裝到前端模塊上。

2）引擎蓋鎖等安裝結(jié)構(gòu)，前端模塊上注塑成型孔位后，在孔位中拉鉚螺母，后用螺栓安裝各集成件。

3）前端模塊與車身連接結(jié)構(gòu)，一般通過M8的螺栓把前端左/右豎梁與車身前縱梁安裝板上的凸焊螺母連接，左/右側(cè)支撐梁通過M8的螺栓與車身前部側(cè)壁上的凸焊螺母連接。

1.3 前端支架環(huán)境條件

表2 環(huán)境要求

因前端支架安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙里，與發(fā)動(dòng)機(jī)距離較近，同時(shí)承載的散熱器、冷凝器等部件都有大量熱量散發(fā)。因此前端支架應(yīng)耐得住嚴(yán)苛的環(huán)境條件要求。一般環(huán)境要求如表所示。

1.4 前端支架安裝剛度要求

引擎蓋鎖、散熱器等安全部件都安裝在前端模塊上，此件屬于安全類關(guān)鍵部件。尤其是目前新汽車三包法規(guī)的發(fā)布，引擎蓋鎖故障導(dǎo)致引擎蓋掀開的屬于重大安全事故可以無條件退車，所以對(duì)該安裝點(diǎn)有非常嚴(yán)格的剛度要求。因此在前期的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)苛的要求。

1.4.1 引擎蓋鎖區(qū)域剛度

首先在引擎蓋鎖固定區(qū)域滿足Z方向加載5300N極限拉力后（圖5)，前端支架總成不得出現(xiàn)塑性變形。其次，引擎蓋鎖固定區(qū)域滿足室溫下（圖6），Z方向剛度＞600 N/mm。

圖5 鎖安裝點(diǎn)極限加載

圖6 鎖安裝點(diǎn)常規(guī)加載

1.4.2 引擎蓋緩沖區(qū)域剛度

前端模塊上端面與引擎蓋通過緩沖塊接觸。所以對(duì)引擎蓋緩沖塊的接觸區(qū)域有相應(yīng)的剛度要求?；谝嫔w的自重加上過關(guān)的系數(shù)，我們規(guī)定模擬驗(yàn)證引擎蓋緩沖塊下落區(qū)域滿足剛度＞600 N/mm（圖7）

圖7 引擎蓋緩沖塊區(qū)域受力圖示

圖8 散熱器安裝點(diǎn)受力圖示

1.4.3 散熱器的安裝點(diǎn)剛度

散熱器屬于底盤件，起到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的關(guān)鍵作用，一旦散熱器固定發(fā)生松動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，故對(duì)散熱器安裝在前端模塊的安裝點(diǎn)剛度也有嚴(yán)格要求。我們規(guī)定模擬驗(yàn)證散熱器上下端的安裝點(diǎn)滿足-Z向剛度＞350 N/mm，+/-X向剛度＞150 N/mm(圖8)。

1.4.4 冷凝器的安裝點(diǎn)剛度

冷凝器作為汽車空調(diào)的一部分，也安裝在前端模塊上。參考散熱器的安裝點(diǎn)，我們規(guī)定模擬驗(yàn)證冷凝器上下端安裝點(diǎn)滿足-Z向剛度＞350 N/mm，+/-X向剛度＞150 N/mm(圖9)。

圖9 冷凝器的安裝點(diǎn)受力圖示

1.5 前端支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)前述零部件設(shè)計(jì)要求對(duì)各搭載件安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。包括散熱器、冷凝器、引擎蓋鎖、喇叭等安裝固定方式，及相應(yīng)緊固扭力要求。

前端支架材料為PA6+GF40和沖壓成型鈑金復(fù)合而成，前端支架兩側(cè)安裝板為冷沖壓薄鋼板，中部填充塑料。結(jié)構(gòu)數(shù)模如下圖10所示。

圖10 前端支架數(shù)模（基于CATIA創(chuàng)建)

1.6 前端支架設(shè)計(jì)分析

根據(jù)設(shè)定的相關(guān)參數(shù)要求，對(duì)前端模塊的模型進(jìn)行了初步結(jié)構(gòu)數(shù)模設(shè)計(jì)，定義了基本料厚及加強(qiáng)筋。接下來需對(duì)其剛度進(jìn)行CAE模擬的計(jì)算分析。下面主要針對(duì)引擎蓋鎖、引擎蓋緩沖塊、散熱器等安裝區(qū)域強(qiáng)度進(jìn)行了CAE強(qiáng)度分析舉例，其他不再贅述。

1.6.1 引擎蓋安裝鎖剛度

圖11 鎖安裝點(diǎn)極限加載結(jié)果

1）固定區(qū)域滿足Z方向加載5300N極限拉力后，前端支架總成不得出現(xiàn)塑性變形。測(cè)試分析如圖，從圖可以看出，施加5300N后，產(chǎn)品無塑性變形，局部應(yīng)力未超過材料抗拉強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）引擎蓋鎖固定區(qū)域滿足室溫下，Z方向剛度＞600 N/mm。初步測(cè)試分析施加600N后，位移值及鎖扣安裝點(diǎn)處的產(chǎn)品剛度不滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)上橫梁兩側(cè)拐角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)品變形較大，同時(shí)產(chǎn)品在Z向高度偏大，對(duì)受力不利。針對(duì)上述情況，需修改上橫梁兩側(cè)加強(qiáng)筋厚度和高度，并通過在兩側(cè)豎梁上在受力方向增加兩道斜向加強(qiáng)筋，重新進(jìn)行CAE分析，加強(qiáng)后產(chǎn)品位移值及產(chǎn)品剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 鎖安裝點(diǎn)常規(guī)加載結(jié)果

1.6.2 引擎蓋緩沖區(qū)域的剛度

設(shè)計(jì)參數(shù)要求，引擎蓋緩沖塊下落區(qū)域滿足Z向剛度＞600 N/mm。對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試（圖13），從圖中可以看出，施加1000N后，下落區(qū)域的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 引擎蓋緩沖區(qū)域加載結(jié)果

1.6.3 散熱器的安裝點(diǎn)剛度

設(shè)計(jì)參數(shù)要求，散熱器上下端安裝點(diǎn)滿足-Z向剛度＞350 N/mm，+/-X向剛度＞150 N/mm。對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試（圖14、圖15），從圖中可以看出，Z向施加350N，X向施加150N后，剛度值均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 散熱器Z向加載結(jié)果

圖15 散熱器X向加載結(jié)果

1.7 前端支架測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)CAE模擬的計(jì)算分析結(jié)果，需對(duì)前端模塊的數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整局部區(qū)域料厚及加強(qiáng)筋高度。模具完成加工后，需對(duì)其剛度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)固定要求，制作剛性工裝，用于前端支架產(chǎn)品實(shí)物的測(cè)量驗(yàn)證。下面主要列舉引擎蓋鎖、引擎蓋緩沖塊、散熱器等安裝區(qū)域強(qiáng)度試驗(yàn)，其他項(xiàng)目不再一一列舉。

1.7.1 引擎蓋安裝鎖剛度

1）固定區(qū)域滿足Z方向加載5300N極限拉力后，前端支架總成不得出現(xiàn)塑性變形。

2）室溫下，對(duì)引擎蓋鎖固定區(qū)域施加Z方向600 N的力，檢測(cè)產(chǎn)品實(shí)際剛度，判定是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖16 鎖安裝點(diǎn)極限加載試驗(yàn)

1.7.2 引擎蓋緩沖區(qū)域的剛度

室溫下，對(duì)引擎蓋緩沖區(qū)域施加Z方向1000 N的力，檢測(cè)產(chǎn)品變形量及產(chǎn)品實(shí)際剛度，判定是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1.7.3 散熱器的安裝點(diǎn)剛度

室溫下，對(duì)散熱器固定區(qū)域施加Z方向350 N的力，檢測(cè)產(chǎn)品變形量及產(chǎn)品實(shí)際剛度，判定是否滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)引擎蓋鎖固定區(qū)域施加X方向150 N的力，檢測(cè)產(chǎn)品變形量及產(chǎn)品實(shí)際剛度，判定是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖18 散熱器Z向加載試驗(yàn)

圖19 散熱器X向加載試驗(yàn)

2、總結(jié)

采用前端模塊化設(shè)計(jì)，可降低前端支架單件重量約30%；前端模塊化集成裝配，減少總裝生產(chǎn)線主線的工序以及場(chǎng)地面積，總裝工廠系統(tǒng)和人工成本降低；通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)及CAE結(jié)構(gòu)分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，到達(dá)減重降成本的目的。

考慮現(xiàn)有市場(chǎng)占有率、產(chǎn)品性能、制造工藝、整車目標(biāo)成本等因素，可根據(jù)整車定位不同而選定PP+LGF和PA+GF復(fù)合鈑金兩條注塑技術(shù)路線進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，CAE分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的手段確保產(chǎn)品質(zhì)量。

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[4]黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2007-9-1.

Design of automotive front end bracket

Xu Chao, Liu Yongxing, Wang Yun, Zheng Mingmin, Fan Qiong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

This paper firstly discusses the general requirements of FEM design and analysis of complex plastic & steel FEM material commonly used materials and performance requirements of the material. This paper explains the function of the automobile FEM, the FEM of the development process to do a detailed description. This paper focuses on the FEM of the general development process, and the necessary attention during the development process and design of regulatory requirements. Combined with a FEM of the development process, the general rules on the FEM research and development done in-depth discussion.

FEM; complex material; application

U463.1

A

1671-7988(2017)02-78-04

徐超，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，從事外飾非金屬設(shè)計(jì)工作，主要研究汽車保險(xiǎn)杠及前端模塊技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.026