某輕客鋼塑一體式前端模塊的開發(fā)

陳桂均, 袁劉凱, 戚海玲, 呂傳志, 陶天濤

(南京依維柯汽車有限公司, 南京 211806)

汽車輕量化問題越來越受到關(guān)注,隨著塑料材料性能的提升,汽車零部件塑料化是汽車輕量化的主要手段之一[1],鋼塑一體化輕量化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計成為當前熱點。鋼與塑料是目前市場上應(yīng)用最廣泛的車身結(jié)構(gòu)材料。鋼的強度和剛性好,能夠滿足車身在受力條件下的強度要求;而塑料輕質(zhì)耐腐蝕、塑性好,可在制造過程中滿足復雜造型要求并降低噪聲振動。鋼塑一體輕量化車身結(jié)構(gòu)則可以在保證車身強度和安全的前提下,實現(xiàn)輕量化,這也符合現(xiàn)今社會輕量化、節(jié)能環(huán)保的趨勢[2]。目前汽車上用的前端模塊骨架的方案總結(jié)起來有4個大類:全鋼、鋼為主加塑料、塑料為主加鋼、全塑料[3]。

1 某款車前端模塊開發(fā)背景

1.1 某款車型的造型變更

某款輕型客車上市已有30多年,其間經(jīng)歷了數(shù)次改型設(shè)計,前臉造型都沒有大的改變,舊款造型如圖1所示。此次改款,在前臉造型方面做了較大變動,體現(xiàn)出了時尚現(xiàn)代感,改款造型如圖2所示。

圖1 舊款造型

圖2 改款造型

1.2 前端模塊的布置空間

從此改款車造型可以看出,前端模塊位于車輛前端,是白車身的重要組成部分,也是整車前圍各類附件安裝的基礎(chǔ),大燈、格柵、引擎蓋罩鎖、引擎蓋罩拉絲、引擎蓋罩撐桿等都固定在上面。該前端模塊屬于中集成度的前端模塊,其相關(guān)件如圖3所示。

圖3 前端模塊相關(guān)件

因為大燈、前格柵的位置相較于舊款車型均已向上抬高,如仍采用原有的前端模塊骨架,空間布置上已無法滿足要求,所以必須重新設(shè)計。而且新款車型動力總成重新設(shè)計了水箱、大燈、空氣濾清器等,對前端模塊結(jié)構(gòu)的空間布置提出了很高的要求[4]。

該改款車型屬于非承載式車身,由于有獨立車架,且車身前端需要足夠的空間布置發(fā)動機、水箱等,所以前端模塊只能固定在白車身前部的左右兩端,相對來說,前端模塊尺寸較大且中間沒有可以連接到車架上的固定點支撐。因此對前端模塊本身的結(jié)構(gòu)強度要求較高,設(shè)計難度也大大增加[5]。

2 前端模塊方案設(shè)計

2.1 總體方案及指標要求

該款車由于有獨立車架,其剛性防撞梁一般集成在車架前端,這就要求車身本體前端既要具有一定的強度,又要能吸收碰撞能量。前端模塊如果全部采用鈑金沖壓件結(jié)構(gòu),要滿足強度和吸能要求,鈑金截面會比較寬,這樣會侵占較多的前圍部件安裝空間。因此,初步設(shè)想是將沖壓鈑金結(jié)構(gòu)預(yù)埋在塑料本體內(nèi)以增強塑料剛性,從而滿足掛載件的安裝強度及碰撞吸能需求。

由于白車身前端的開口跨度達1 700 mm,引擎蓋鎖布置在前端模塊中部, 一般情況下,引擎蓋與周邊件設(shè)計間隙為6 mm。整車狀態(tài)下,引擎蓋以10g的垂直加速度進行過關(guān),前端模塊最大變形部位即中部鎖體安裝區(qū)域。所以初步定義設(shè)計性能目標:在鎖扣安裝點施加垂直鎖扣安裝面向外的載荷1 500 N,鎖體安裝部位變形量不能超過6 mm。

2.2 第一輪改進方案

選用冷沖壓成型板材和尼龍6(其中玻纖含量50%)做成鋼塑一體的結(jié)構(gòu),理論質(zhì)量7.7 kg(如圖4所示)。經(jīng)過CAE模擬計算,鎖扣區(qū)域的抗拉強度僅625 N(即失效),中部變形量大于6 mm,不滿足性能要求(如圖5所示)。

圖4 第一輪方案

圖5 第一輪CAE分析

2.3 第二輪改進方案

在第一輪改進方案的基礎(chǔ)上,調(diào)整模型結(jié)構(gòu),將板材改為1.2 mm圓管梁,通過塑料尼龍6(含玻纖50%)注塑連接,質(zhì)量8.3 kg(如圖6所示)。經(jīng)CAE分析,鎖扣區(qū)抗拉強度有所增加,將鎖扣中部受力分散到兩端,單邊抗拉強度可達1 500 N,鎖扣區(qū)變形量為5.8 mm,可滿足變形量小于6 mm的性能需求(如圖7所示)。第二輪改進方案總體上滿足性能指標要求,但由于重量增加且鎖體分散到兩端,鎖體結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜,結(jié)構(gòu)仍需進一步優(yōu)化。

圖6 第二輪結(jié)構(gòu)

圖7 第二輪CAE分析

另外,對第二輪改進結(jié)構(gòu)進行受力分析,發(fā)現(xiàn)封閉式管梁結(jié)構(gòu)相比板材,前端模塊的抗拉強度大大增加。由于管材應(yīng)用廣泛,彎管成型容易,投資小,還可以大大優(yōu)化空間結(jié)構(gòu),進一步明確了優(yōu)化方向。

2.4 第三輪改進方案

第三輪改進主要是根據(jù)受力狀態(tài)對管梁和注塑結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化:通過管梁與高強度塑料本體形成桁架結(jié)構(gòu),優(yōu)化管梁布局,塑料中增加玻纖含量(尼龍6,含玻纖60%)[5],加強剛性同時降低塑料用量,從而模塊總體質(zhì)量控制在6.6 kg[6]。

經(jīng)過第三輪優(yōu)化,各方面性能已經(jīng)滿足設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上同時進行前格柵、前大燈、引擎蓋開啟和鎖止機構(gòu)的固定點設(shè)計。通過在塑料件預(yù)埋螺母嵌件,滿足掛載需求,嵌件的最大拉脫力>240 N,最大抗扭轉(zhuǎn)力矩M6 螺母>11 N·m,M8螺母>22 N·m。第三輪優(yōu)化的前端模塊如圖8所示。

圖8 第三輪優(yōu)化的前端模塊

2.5 方案補充說明

經(jīng)分析,若前端模塊采用鋼板沖壓件結(jié)構(gòu),整體質(zhì)量將達到10 kg。通過采用鋼塑一體結(jié)構(gòu),質(zhì)量減輕了3.4 kg,輕量化比例達到34%。工藝上,采用金屬管與PA6-GF60復合注塑,一方面高玻纖含量塑料流動性差,通過調(diào)整材料的流動性,定制合金加硬螺桿以適應(yīng)高玻纖含量材料生產(chǎn);另一方面,在包塑區(qū)域焊接防扭轉(zhuǎn)小鐵片,加強了塑料與圓管梁的結(jié)合強度[7]。

3 前端模塊方案驗證

3.1 軟模件驗證

鋼塑一體前端模塊投資大,精度要求高,為保證設(shè)計的準確性,在正式開模具前進行了三輪軟模件的裝車驗證。前兩次驗證過程中均出現(xiàn)前端模塊與車身孔位有偏差,與大燈配合孔位有偏差,與大燈間隙小等問題。經(jīng)過整改,第三輪驗證合格了。然后將軟模件搭載整車進行道路試驗。供應(yīng)商同步進行前端模塊臺架和性能驗證[4]。

3.2 總成型零件試驗驗證

1) 鎖扣區(qū)剛度。X方向和Y方向:23 ℃條件下,隨機抽3個樣件,在引擎蓋鎖扣處沿鎖扣受力方向施加300 N的作用力;Z方向:23 ℃條件下,隨機抽3個樣件,在引擎蓋鎖扣處沿鎖扣受力方向施加600 N的作用力。鎖扣區(qū)域最大變形量應(yīng)<1 mm,無開裂、無永久變形現(xiàn)象。

2) 鎖扣區(qū)抗拉強度:溫度23 ℃條件下,在引擎蓋鎖扣處沿鎖扣受力方向施加2 500 N拉力,保持10 min,塑料前端模塊框架無破裂、無永久變形及失效現(xiàn)象。鎖扣區(qū)極限拉力:溫度23 ℃條件下,在引擎蓋鎖扣處沿鎖扣受力方向瞬間施加5 000 N拉力,塑料前端模塊框架無破裂(允許有細小局部裂紋)。鎖扣區(qū)抗壓強度:溫度23 ℃條件下,在引擎蓋鎖扣處沿鎖扣受力方向施加2 500 N壓力,保持10 min,塑料前端模塊框架無破裂。

3) 引擎蓋緩沖塊區(qū)剛度。23 ℃條件下,在引擎蓋緩沖塊處,沿垂直受力方向施加400 N的作用力,緩沖塊區(qū)域最大變形量應(yīng)<1 mm,無開裂、無永久變形現(xiàn)象。

4) 引擎蓋自然跌落試驗。在-40、23、100 ℃溫度下,引擎蓋5次自然跌落(跌落高度300 mm),前端模塊框架無永久變形、裂紋及失效現(xiàn)象。

5) 引擎蓋開關(guān)耐久試驗。開關(guān)5 000次:以每分鐘5次開關(guān)循環(huán)的速率對引擎蓋總成進行5 000次循環(huán)試驗。鎖的安裝點完好,前端模塊框架無破裂、失效,無永久性變形和扭曲[8]。

3.3 前端模塊方案性能分析

3.3.1 模態(tài)性能

模態(tài)性能是結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),模態(tài)性能的優(yōu)劣與結(jié)構(gòu)的剛度和強度密切相關(guān),模態(tài)性能低,會導致面罩框系統(tǒng)剛度差、行駛抖動、疲勞強度降低、引擎蓋和大燈周邊部件間隙不易控制等缺陷[9]。

為了制定合理的目標,首先對競品進行相關(guān)分析,要求新設(shè)計的前端模態(tài)性能不低于競品。為了便于對標,模態(tài)性能在不帶附件的前提下進行。競品車型模態(tài)分析結(jié)果為,第一階模態(tài)頻率值競品A為31 Hz,競品B為33.2 Hz,競品C為31.4 Hz。

可以看出,競品的最小值為31 Hz,競品在路試和性能試驗中沒有出現(xiàn)過問題,所以將最小值作為設(shè)定目標。即在白車身狀態(tài)下,設(shè)定前端模態(tài)的性能目標值的第一階模態(tài)頻率值不小于31 Hz。同時面罩框為聯(lián)合開發(fā)件,基于競品的對標情況以及供應(yīng)商對其他主機廠的開發(fā)經(jīng)驗,規(guī)定面罩框在不帶白車身的狀態(tài)下,第一階模態(tài)頻率值不小于45 Hz。在單獨面罩框的模態(tài)滿足要求的前提下,再進行帶白車身狀態(tài)的模態(tài)分析。

鋼塑一體結(jié)構(gòu)有別于商用車傳統(tǒng)的前端結(jié)構(gòu),塑料件通過工藝附著在圓管上,建模時,塑料件采用體單元模擬。為了提升計算精度,有限元模型中體單元采用二階四面體單元,圓管結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬,體單元和殼單元之間采用綁定接觸對模擬圓管和塑料件之間的粘合。其余部分建模方式和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致。整個模型單元數(shù)量為42.3萬個,節(jié)點數(shù)為65.4萬個。模態(tài)計算結(jié)果見表1,模態(tài)振型如圖9所示。

表1 鋼塑一體前端結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果 Hz

圖9 鋼塑一體前端結(jié)構(gòu)模態(tài)振型

模態(tài)性能除了校核白車身和單獨面罩框的狀態(tài),同時也要校核裝完全部附件的模態(tài)性能,附件包括引擎蓋、前大燈、引擎蓋密封條、引擎蓋限位塊、翼子板、格柵等相關(guān)部件,經(jīng)對競品進行相關(guān)的分析,要求新設(shè)計的前端模態(tài)性能不低于競品,在完整結(jié)構(gòu)狀態(tài)下前端結(jié)構(gòu)的模態(tài)性能目標要求不小于22.0 Hz。

綜合三種狀態(tài)下前端模塊的第一階模態(tài)結(jié)果,模態(tài)性能滿足設(shè)定目標。

3.3.2 剛強度性能

剛強度的性能目標制定方法同模態(tài)性能要求,具體過程不再細述。剛強度的性能目標要求如下,在白車身狀態(tài)下,在1 500 N載荷作用下,鎖扣加載點的變形量目標值≤7.0 mm,計算結(jié)果為6.95 mm;卸載后的變形量目標值≤1.0 mm,計算結(jié)果為0.011 mm。面罩框剛強度性能滿足設(shè)定目標。

3.3.3 其他性能驗證

前端結(jié)構(gòu)性能除了校核模態(tài)、剛強度性能,還校核了前端結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能、限位塊安裝點的剛度性能、引擎蓋猛關(guān)分析等。受限于篇幅,不再進行詳細敘述[10]。

3.3.4 前端模塊的路試驗證

將鋼塑一體式前端模塊的工裝件搭載整車,在試驗場按照道路試驗規(guī)范要求完成了三輪道路試驗,每輪12 000 km,其中高速環(huán)道3 000 km、山路3 000 km、壞路6 000 km。前端模塊功能一切正常。

4 結(jié)束語

基于非承載式車身的特點,以及新造型空間和強度的需求,開發(fā)了鋼塑一體式前端模塊。該模塊滿足整車空間布置要求,同時降低了34%的重量。通過軟模件裝車驗證、性能試驗、CAE分析以及道路試驗等,證明新結(jié)構(gòu)符合要求。