基于CAE的重卡發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板沖壓件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

湯 敏

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

從重卡駕駛室儀表臺(tái)區(qū)域強(qiáng)度和駕駛室整體強(qiáng)度考慮，目前有一種重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板設(shè)計(jì)為沖壓鈑金件，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)此處結(jié)構(gòu)一般為注塑件。這種用鈑金件代替注塑件的設(shè)計(jì)，會(huì)給制造工藝帶來以下問題：首先此件需要做到所有搭接縫隙密封；用沖壓工藝代替注塑工藝，多處位置沖壓開裂、起皺需要重新設(shè)計(jì)；重新設(shè)計(jì)的沖壓件需要避讓發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)飾部件，其空間造型受到多處約束。在產(chǎn)品內(nèi)造型設(shè)計(jì)階段對(duì)沖壓件實(shí)現(xiàn)的可行性以及沖壓加工的經(jīng)濟(jì)性等方面需要系統(tǒng)考慮。

在產(chǎn)品初始討論階段就能從沖壓工藝優(yōu)化的角度，提出此件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理化建議。從源頭上解決此件以鋼代塑產(chǎn)生的質(zhì)量問題，同時(shí)還可以確保作為沖壓件帶來的重卡駕駛室儀表臺(tái)區(qū)域剛度的提高和駕駛室整體力學(xué)性能的提高。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

本文所述結(jié)構(gòu)，為了解決以上問題，從源頭上約束重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板的產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)。降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板結(jié)構(gòu)不合理所帶來的成本、周期風(fēng)險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)通過沖壓CAE分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板可能發(fā)生的成形質(zhì)量問題反向推導(dǎo)，并采用沖壓、焊接兩專業(yè)聯(lián)動(dòng)的思路，開發(fā)出一種綜合的、合理的結(jié)構(gòu)約束參數(shù)。將傳統(tǒng)工藝條件下重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)盡可能降到最低，同時(shí)避免由此引發(fā)的項(xiàng)目開發(fā)瓶頸。

本文所述重卡發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板沖壓件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于，包括分件方式、二級(jí)臺(tái)階尺寸、拔模角度、吸皺筋等要素的設(shè)計(jì)，包括分件后的焊接密封性校核，包括空間避讓的校核。

本文設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于此結(jié)構(gòu)充分考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板以鋼代塑質(zhì)量問題的解決；同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板密封功能的實(shí)現(xiàn)；最后，該結(jié)構(gòu)必須同時(shí)兼顧沖壓的模具強(qiáng)度、模具受力均衡、沖壓成本等。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要結(jié)構(gòu)名稱

如圖1所示為該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)視圖。

2.2 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合圖1結(jié)構(gòu)示意圖，本文所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與普通發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板相比，主要有以下特點(diǎn)：①材質(zhì)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板以鋼代塑，保證了此駕駛室和儀表臺(tái)的力學(xué)性能；②發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板改為沖壓件，首先根據(jù)寬高比分析必須分件；③發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板分件以后仍需做出多處工藝優(yōu)化以解決開裂、起皺等質(zhì)量問題；④解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板以上問題的同時(shí)，必須充分考慮車身密封性、模具壽命和模具成本等因素。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合如圖2所示沖壓件成形FLD圖，介紹本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中所運(yùn)用的原理。發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板材料以鋼代塑，在沖壓工藝設(shè)計(jì)中識(shí)別出三大難點(diǎn)：①零件寬高比很小，且多處存在復(fù)雜造型，現(xiàn)有鋼材庫(kù)里找不到一種材質(zhì)可以達(dá)到如此高成形性；②此件原先按照注塑件工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，多處無法滿足沖壓工藝造型要求；③此件為分割發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛室的關(guān)鍵部件，因此對(duì)于密封的要求特別高，這就要求在方案設(shè)計(jì)時(shí)將密封作為關(guān)鍵要素考慮。

圖2 沖壓件成形FLD圖

為此，必須從發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板分件方案優(yōu)化、沖壓工藝造型優(yōu)化、典型特征尺寸優(yōu)化等方面來考慮。首先，必須保證分縫密封性、沖壓可行性和沖壓后的制件質(zhì)量；其次，要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板內(nèi)外兩側(cè)安裝件的空間避讓；最后，要考慮模具受力均衡和模具成本可控。

具體設(shè)計(jì)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板分為左右兩件，其分縫位置如圖1b所示，其約束條件就是使左右件分開后可以拉開距離沖壓以及旋轉(zhuǎn)單獨(dú)零件的沖壓角度，根據(jù)需要增加寬高比和適當(dāng)調(diào)整拔模角度，同時(shí)以此路徑分縫可以保證焊接工藝性和焊后密封性；在完成左右件分開后，再設(shè)計(jì)二級(jí)臺(tái)階和吸皺筋，再配合沖壓壓邊圈的隨形設(shè)計(jì)[1]，可以有效解決沖壓成形中導(dǎo)致的起皺、開裂問題，如圖2所示；在設(shè)計(jì)特征6、7、8、9、10、11 時(shí)，需要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)艙安裝件的空間，也要考慮駕駛室內(nèi)飾件的安裝空間，具體參數(shù)為結(jié)合沖壓CAE分析和產(chǎn)品干涉校核得出，通過本文的具體分析得出二級(jí)臺(tái)階和吸皺筋的推薦參數(shù)。按照以上方案設(shè)計(jì)，對(duì)于改善重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板沖壓件設(shè)計(jì)材質(zhì)以鋼代塑產(chǎn)生的質(zhì)量問題較為有效，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板沖壓件密封性、模具壽命和模具成本均達(dá)到目標(biāo)。

以上就是本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容，且以上分析效果在實(shí)物調(diào)試過程中均得到很好的體現(xiàn)，基本符合設(shè)計(jì)預(yù)期值。

3 結(jié)果分析

根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板是用于隔絕發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛室空間的重要零件，由于形狀復(fù)雜，一般按照注塑工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。而這種設(shè)計(jì)在當(dāng)前技術(shù)條件下存在駕駛室整體力學(xué)性能不過關(guān)和駕駛室儀表臺(tái)區(qū)域模態(tài)不過關(guān)的問題，而以鋼代塑新工藝可提高其自身強(qiáng)度。但由于該件承擔(dān)著隔離發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛?cè)顺俗臻g的作用，因此NVH必須達(dá)標(biāo)。同時(shí)此件內(nèi)外兩側(cè)分別是發(fā)動(dòng)機(jī)總成和內(nèi)飾相關(guān)裝配件，存在裝配干涉風(fēng)險(xiǎn)，需要綜合考慮。

對(duì)于重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板，由于承擔(dān)著密封的重要功能，因此形狀復(fù)雜，沖壓工藝性較差。由于安裝空間的需要導(dǎo)致此件相對(duì)深度超過了現(xiàn)有板材的拉伸極限，復(fù)雜的形狀給沖壓工藝造成進(jìn)一步風(fēng)險(xiǎn)。單純從現(xiàn)有沖壓工藝學(xué)的角度來優(yōu)化，空間非常有限，除非發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)飾件做出很大讓步，而且整體力學(xué)性能也很難達(dá)標(biāo)。

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使重卡的駕駛室整體力學(xué)性能和儀表臺(tái)剛度得到有效提高；可使重卡駕駛室NVH性能效果得到先期保證；對(duì)于重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板在保證品質(zhì)不降低的前提下，可以順利實(shí)現(xiàn)以鋼代塑，實(shí)現(xiàn)材質(zhì)應(yīng)用的突破；重點(diǎn)針對(duì)重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板沖壓件，為重卡產(chǎn)品內(nèi)造型評(píng)審階段和典型斷面階段提供了重要的工程約束條件，大大降低了實(shí)物調(diào)試階段變更導(dǎo)致的一系列關(guān)聯(lián)件的重大變更，對(duì)整車項(xiàng)目QCD風(fēng)險(xiǎn)管控意義重大。

4 結(jié)論

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于成功實(shí)現(xiàn)了以鋼代塑所帶來的駕駛室和儀表臺(tái)力學(xué)性能的提高，并非通過實(shí)物調(diào)試的各種變更來解決，而是通過沖壓工藝與焊接工藝聯(lián)合分析，充分利用兩個(gè)工藝的特點(diǎn)，巧妙組合來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。另外本文在解決以鋼代塑常見質(zhì)量問題時(shí)，通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板的沖壓成形質(zhì)量問題的解決辦法，首先識(shí)別出此問題的相關(guān)制約因素，找到主因和次因，然后將主次因轉(zhuǎn)化為對(duì)成形極限、典型斷面進(jìn)行分析。

利用沖焊聯(lián)動(dòng)的方式分析，同時(shí)借助沖壓CAE不斷優(yōu)化的典型斷面來控制各個(gè)問題的發(fā)生程度，最終調(diào)整到一個(gè)最優(yōu)的沖焊聯(lián)接方式和最優(yōu)的典型斷面組合，使各方面問題得以成功解決。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易利用本文思路和參考數(shù)據(jù)指導(dǎo)類似重卡的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)重卡駕駛室力學(xué)性能和規(guī)避重卡發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板沖壓件質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

多專業(yè)交叉聯(lián)合分析的方法在合資品牌汽車廠的應(yīng)用較多。隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨白熱化，主機(jī)廠受到來自產(chǎn)品性能、成本的各方面壓力越來越明顯，本文先進(jìn)技術(shù)的導(dǎo)入和應(yīng)用將為解決汽車制造疑難問題提供又一手段。