汽車輕量化之前端模塊

劉立濤 曹金鵬 公海星

摘 要：本文主要針對汽車前端模塊化問題，提出了在模塊化中使用塑料前端框架（Carrier），降低車身重量的方案。文中重點以某車型前端框架設(shè)計為例，介紹前端框架的設(shè)計及 CAE分析成果。以期能夠起到降低車身前端

重量，達到平臺化應(yīng)用的目的。關(guān)鍵詞：輕量化；前端框架；CAE分析

1 概述

1.1 開發(fā)背景

汽車的電動化，輕量化以及智能化是當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)面臨的三個重要方向，節(jié)能、安全、環(huán)保是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展永恒的三大主題。據(jù)預(yù)測，到 2020年我國汽車將突破 1.5億輛，年耗油量將突破 2.5億 t [1]。工信部乘用車百公里 6.9升的第三階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)于 2014年 1月 1日起全面實施，到 2020年乘用車企平均油耗將降至每百公里 5升，油耗標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)苛 [2]。因此，輕量化是未來技術(shù)發(fā)展走向之一，市場影響舉足輕重。

汽車輕量化的指導(dǎo)思想是在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化車型譜，其主要途徑有 3個方面 [5]，分別是：

（1）汽車主流規(guī)格車型持續(xù)優(yōu)化，降低耗材用量。

（2）采用先進輕質(zhì)材料。

（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

以汽車前端模塊（ Front End Module， FEM）為例，其由多個部件的總成 [4]構(gòu)成，包括前向照明系統(tǒng)、散熱器和冷卻風(fēng)扇、空調(diào)冷凝器、格柵口加固板、吸撞緩沖區(qū)、帶有裝飾面板的保險杠、車前蓋鎖閉系統(tǒng)、雨刷噴水瓶，以及各種電子組件和線路布置等，具有組件多、重量重的缺點 [6]。對此，在前端中引入輕質(zhì)材料如塑料進行減重效果明顯。然而直接采用以塑代鋼的思路和方法在實際實施過程中卻困難重重，因為塑料結(jié)構(gòu)很難達到與金屬前端相同級別的剛度、強度和抗沖擊性能，難以保證前端模塊的可靠性和耐久性能。以塑代鋼必須以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝定位方案的應(yīng)用作為支撐。近年來，興起的模塊化的設(shè)計和組裝帶來了汽車前端設(shè)計新的契機，也為汽車輕量化進一步發(fā)展帶來革命性的變化 [3]。

經(jīng)調(diào)研，自主品牌現(xiàn)有車型尚未采用前端模塊。本文擬在未來開發(fā)車型中推薦使用塑料前端框架，以達到車身輕量化，供貨模塊化，生產(chǎn)平臺化的目標(biāo)。

1.2 開發(fā)目標(biāo)

本文以某車型前端模塊中前端框架的預(yù)研成果為基礎(chǔ)，以 PP+LGF30代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，依托設(shè)計、 CAE分析等手段探討在前端框架輕量化技術(shù)。本文所述項目的實施目標(biāo)為：在某車型上使用前端模塊，利用塑料前端框架，達到車身前端輕量化及平臺化的目標(biāo)，其中，前端框架減重目標(biāo) 3kg-5kg，減重率約 35%，平臺化目標(biāo)為在不大規(guī)模變動前端框架的基礎(chǔ)上，能夠在某及后續(xù)車型上共用一款前端框架。

如表 1所示，使用前端模塊，有望從重量、工藝、成本、供貨模式等方面對車身前端進行改善。其中前端框架能夠減少零件數(shù)量約 21個，減少鈑金件數(shù)量，減重約 35%，減少總裝線工位約 11個，同時減少總裝工序數(shù)量、零件數(shù)量、模具數(shù)量等，改善物流供貨模式，減少物流運輸費用。

1.3 項目實施方法描述

在某項目預(yù)研中，涉及前端框架的調(diào)研及設(shè)計工作，在此工作的基礎(chǔ)上，對調(diào)研和設(shè)計

2 前端框架設(shè)計

2.1 邊界輸入及材料選擇

由于前端框架是前端模塊總成的主要支撐部件，其具有環(huán)境件多、變形量大、力學(xué)性能要求高的特點，因此在設(shè)計前期，需要整車廠輸入設(shè)計所需的邊界數(shù)據(jù)，如表 2所示。

依據(jù)具體項目不同，所需邊界數(shù)據(jù)可能會有所變化。

為達到輕量化目標(biāo)，本項目采用以塑代鋼的方法降低前端框架的重量，同時，為保證其力學(xué)性能不受影響，采用 PP+LGF30為塑件材質(zhì)進行設(shè)計。

2.2 前端框架造型設(shè)計

前端模塊的整體定位對于框架的設(shè)計至關(guān)重要，包括集成部件、在整車組裝工序中的序列等。

3.2 最大下墜量及應(yīng)力分析建模

對于裝配在車輛上的 Carrier確認(rèn)模態(tài)形狀下的自然共振頻率，進行 CAE分析。建模： Carrier 及 Hang-on Parts 有限元建模（彈性系數(shù)，泊松比，密度采用相應(yīng)的規(guī)格，密度可為了實際重量進行調(diào)整）。整體重量：已建

3 CAE分析

3.1 最大下墜量及應(yīng)力分析建模

為確認(rèn)裝配在車輛上的 FEM的 Carrier的最大下墜量及應(yīng)力，進行 CAE分析。建模： Carrier 及 Hang-on Parts 有限元建模（彈性系數(shù)，泊松比，密度采用相應(yīng)的規(guī)格，密度可成的有限元模型滿足實際重量，同時也反映 Coolant等部品的重量。界限條件：拘束裝配在 BIW的 123456部位（如圖 6）。荷重條件：

4 項目總結(jié)

4.1 項目成果

采用 PP+GF30為塑件材料的情況下，此前端框架理論重量為 3.75 kg，外形尺寸為 154×1155×541 mm，主壁厚 3 mm，采用嵌件注塑成型。相比原始前端框架，減重 4.47kg，減重約 54%，達到預(yù)期目標(biāo)。 CAE分析，達到整車應(yīng)用要求。

4.2 展望

參考文獻：

[1]汽車輕量化進展 .汽車輕量化在線 . http： //www.autolightweight.com/article-1474-1. html.

[2] 邵蕊， 趙宇龍 . 2020年百公里 5L油耗能實現(xiàn)嗎. 汽車工藝師 . 2014.

[3] 王琛 . 汽車模塊化之前端模塊概述 . “廣汽部件杯”廣東省汽車行業(yè)第六期學(xué)術(shù)論文集 . 2011.

[4]邱晨曦，胡琦 .材料創(chuàng)新對前端模塊降本減重的可行性分析. 汽車零部件 . 2015.

[5]王俊峰，馬祥林，張興龍 .碳纖維在汽車輕量化中的應(yīng)用. 新材料產(chǎn)業(yè) . 2015.

[6]丁素芳，庹海鋒 .汽車全塑前端模塊支架剛度的研究. 汽車制造技術(shù) . 2012.