某車(chē)型前端模塊設(shè)計(jì)和平臺(tái)化構(gòu)想

茍金遠(yuǎn) 劉燁 周文斌

摘 要：在目前的汽車(chē)行業(yè)情況下，輕量化和平臺(tái)化是汽車(chē)整車(chē)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的重要內(nèi)容和趨勢(shì)，前端模塊結(jié)合了新材料應(yīng)用和模塊集成兩個(gè)概念，具體有整車(chē)輕量化和平臺(tái)化的先天優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：前端模塊;設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā);輕量化;平臺(tái)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(chē)各項(xiàng)性能的前提下，盡可能的降低汽車(chē)的重量，汽車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;平臺(tái)化主要是基于可靠性、開(kāi)發(fā)成本和周期的考慮，通過(guò)模塊化、系列化、通用化設(shè)計(jì)，不同尺寸、類(lèi)型車(chē)輛可采用相同的結(jié)構(gòu)或者相同零件?？梢杂行Ы档烷_(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)提升可靠性，縮短開(kāi)發(fā)周期，有效降低開(kāi)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(tái)化優(yōu)勢(shì)，是整車(chē)前端零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

本文以某SUV車(chē)型介紹此前端模塊總成的設(shè)計(jì)過(guò)程及平臺(tái)化構(gòu)想。

2 前端模塊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

本車(chē)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(xiàn)束等零件。同時(shí)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(gè)方面闡述前端模塊的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。

2.1 材料和工藝設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)車(chē)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(gè)鈑金件通過(guò)焊接和螺接形成連接，合計(jì)10～20個(gè)沖壓件，重量約有7千克。前端區(qū)域相關(guān)總裝件在廠(chǎng)內(nèi)總裝線(xiàn)上逐個(gè)裝配。

新設(shè)計(jì)前端框架通過(guò)多車(chē)型對(duì)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(shí)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(mǎn)足整體剛度模態(tài)要求，前端模態(tài)

滿(mǎn)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(mǎn)足關(guān)鍵安裝點(diǎn)動(dòng)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(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)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(jiàn)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(mǎn)足要求，但由于框架整體為矩形，前端框架相對(duì)剛度模態(tài)偏低，同時(shí)注塑后收縮不穩(wěn)定，需要前期多次分析和調(diào)整。

本車(chē)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(guò)鈑金中立柱連接發(fā)罩鎖和前防撞梁，有效滿(mǎn)足發(fā)罩鎖安裝各項(xiàng)剛度和強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)上對(duì)橫梁與立柱連接接頭位置通過(guò)設(shè)計(jì)三角筋加強(qiáng)連接剛度。布置上將對(duì)剛度和動(dòng)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(chē)型散熱器主要通過(guò)前端下橫梁承載散熱器，對(duì)散熱器下橫梁上安裝點(diǎn)剛度和動(dòng)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?chē)輛接近角影響），前期設(shè)計(jì)通過(guò)多輪優(yōu)化均不能滿(mǎn)足散熱器動(dòng)剛度要求。為提高動(dòng)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(shí)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(dòng)剛度值提升明顯。

2）發(fā)罩鎖安裝結(jié)構(gòu)：本車(chē)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(guò)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(duì)受力要求相當(dāng)高的地方前端框架局部加厚，同時(shí)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(chē)碰撞性能、各安裝點(diǎn)相關(guān)性能等。通過(guò)多方案優(yōu)化最終鎖定前端框架截面，然后開(kāi)始局部筋條優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析最終鎖定開(kāi)模數(shù)據(jù)。

樣車(chē)制造階段，在實(shí)車(chē)上對(duì)前端模塊各項(xiàng)性能要求，一一對(duì)應(yīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，例如發(fā)罩鎖剛度測(cè)試、發(fā)罩開(kāi)關(guān)耐久測(cè)試、碰撞傳感器測(cè)試、搭載整車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久等等。

3 前端模塊平臺(tái)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(tái)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(lèi)，實(shí)現(xiàn)前端模塊平臺(tái)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(tái)化的基礎(chǔ)。在前期設(shè)計(jì)中需要盡量考慮各種車(chē)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(shí)可以降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。例如散熱器采用統(tǒng)一的水箱結(jié)構(gòu)，與車(chē)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(guò)4顆螺栓前后方向連接，發(fā)罩鎖與散熱器相對(duì)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(gè)主機(jī)廠(chǎng)對(duì)應(yīng)有多個(gè)尺寸車(chē)型，多種動(dòng)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(mǎn)足各車(chē)型尺寸和動(dòng)力配置要求。

3）結(jié)構(gòu)預(yù)留調(diào)整空間：針對(duì)同尺寸車(chē)型，不同形式的車(chē)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(zhǎng)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(tái)車(chē)型X、Z方向的尺寸序列，通過(guò)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(chē)型前端模塊相對(duì)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(guò)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(gè)位置組合。

通過(guò)如上三個(gè)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(mǎn)足各種大小、類(lèi)型車(chē)型需求。同時(shí)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(tái)化。可以有效降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)提升可靠性，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本和零件成本。

4 結(jié)論

本車(chē)型通過(guò)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(gè)減少到2個(gè)。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(xiàn)上的零件數(shù)量。前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分考慮平臺(tái)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(shí)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(lèi)型不同大小車(chē)型前端模塊的平臺(tái)化設(shè)計(jì)。有效降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提升可靠性，縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)可有效降低開(kāi)發(fā)成本和零件成本。