汽車前端模塊總成模塊化設(shè)計及應(yīng)用

胡軍 林卉

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

汽車模塊化設(shè)計就是將汽車產(chǎn)品的某些零部件組合在一起，構(gòu)成一個具有特定功能的子系統(tǒng)或總成，將這個子系統(tǒng)或總成作為通用性的模塊與其他汽車產(chǎn)品零部件進(jìn)行組合，構(gòu)成新的更大的系統(tǒng)或總成。在汽車研發(fā)過程中，這些相對獨(dú)立的汽車產(chǎn)品模塊被直接選用，能夠快速生產(chǎn)出多種汽車系列產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品研發(fā)與制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，快速滿足用戶需求[1]?；谀K化設(shè)計理念，文章提出一種汽車用前端模塊總成的模塊化設(shè)計思路和應(yīng)用方法，經(jīng)過驗(yàn)證，該模塊可以同時用于同一車型臺車或架構(gòu)的轎車、MPV及SUV等車型。

1 前端模塊總成模塊化設(shè)計要求

基礎(chǔ)車型平臺采用動力總成為前置，驅(qū)動形式為前驅(qū)兩驅(qū)/四驅(qū)的SUV車型?；A(chǔ)車型以搭載1.3T/1.5T汽油發(fā)動機(jī)和AT/MT/DCT變速箱為動力總成。由于基礎(chǔ)車型為前置前驅(qū)的兩驅(qū)/四驅(qū)車型，需要拓展至轎車、MPV等車型，前端模塊總成必須滿足多車型通用。

前端模塊總成的技術(shù)方案需要滿足如下條件：

1）明確需要在同一個車型平臺上開發(fā)的不同車型種類，包含轎車、MPV及SUV；

2）車型平臺上開發(fā)車型種類確定后，后續(xù)車型種類的關(guān)鍵系統(tǒng)及零件總成（如：動力總成、輪胎型號及懸架形式等）和各個車型的主要技術(shù)參數(shù)（如：整車質(zhì)量、主要尺寸、動力性、經(jīng)濟(jì)性及空調(diào)性能等）需要明確，不能有大的變更，否則會影響前端模塊總成的通用性；

3）前期明確搭載的關(guān)鍵系統(tǒng)及零部件，如發(fā)動機(jī)、變速箱及驅(qū)動形式等，需要對同一平臺的轎車、MPV及SUV等車型做有規(guī)劃的前瞻性布置，不同的車型均可以合理分配使用有限的布置空間，使用相同的模塊化方案；

4）除了合理的布置方案，各關(guān)鍵系統(tǒng)及零部件在進(jìn)行總體設(shè)計時首先需要考慮的是盡可能同時兼容轎車、MPV及SUV等車型，因?yàn)殛P(guān)鍵技術(shù)參數(shù)差別大而確實(shí)無法共用的，也要盡可能在對外接口上通用[2]。

根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)需要，該前端模塊總成是由冷凝器、中冷器、散熱器及風(fēng)扇分總成、前端模塊骨架總成等主要零部件組成。其中，冷凝器通過螺栓固定至中冷器，中冷器與散熱器通過螺栓固定，散熱器通過軟墊固定在前端模塊骨架總成上。前端模塊總成主要部件及發(fā)動機(jī)艙總布置簡圖，如圖1所示。

圖1 前端模塊總成主要部件及發(fā)動機(jī)艙總布置簡圖

2 性能仿真分析

該前端模塊總成結(jié)構(gòu)集成度高，安裝點(diǎn)少，需要進(jìn)行大量的CAE分析，并不斷優(yōu)化，直到滿足設(shè)計目標(biāo)。

2.1 強(qiáng)度與模態(tài)分析

該前端模塊總成對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，且對結(jié)構(gòu)模態(tài)有較大影響。

經(jīng)過仿真分析，前端模塊總成在5 g向上沖擊工況下，冷卻系統(tǒng)最大應(yīng)力為41.6 MPa，出現(xiàn)在散熱器水室根部，該應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料拉伸強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求；5 g向下沖擊工況下，冷卻系統(tǒng)最大應(yīng)力為26.3 MPa，出現(xiàn)在散熱器水室根部，該應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料拉伸強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求；1 g緊急制動工況下，冷卻系統(tǒng)最大應(yīng)力為8.4 MPa，遠(yuǎn)小于材料拉伸強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求；1 g右轉(zhuǎn)工況下，冷卻系統(tǒng)最大應(yīng)力為9.3 MPa，遠(yuǎn)小于材料拉伸強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，散熱系統(tǒng)沒有明顯局部模態(tài)，振型和振動頻率與前端模塊保持一致，結(jié)構(gòu)的1階模態(tài)為24 Hz，滿足結(jié)構(gòu)要求。其中，前端模塊總成應(yīng)力分布，如圖2所示，散熱系統(tǒng)的1階模態(tài)振型，如圖3所示。

圖2 前端模塊總成應(yīng)力分布

圖3 散熱系統(tǒng)的1階模態(tài)振型

2.2 機(jī)艙熱管理分析

整車需要搭載2款不同的發(fā)動機(jī)，因此整車?yán)鋮s系統(tǒng)需要同時兼顧2款發(fā)動機(jī)的冷卻及同平臺各種車型的冷卻需求。

文章進(jìn)行了怠速、中低速、高速工況機(jī)艙流體各項(xiàng)仿真分析，各工況下經(jīng)過冷卻模塊的冷卻液流量和風(fēng)速，如表1所示。

表1 多工況冷卻模塊流量及風(fēng)速分析

仿真分析發(fā)現(xiàn)，中低速、高速工況（高速工況機(jī)艙流場分析，如圖4所示）各項(xiàng)性能要求均可滿足設(shè)計目標(biāo)要求，但怠速工況下仍存在回流問題，需要優(yōu)化。怠速工況下，機(jī)艙內(nèi)氣流從冷凝器下方回流至冷凝器前方，回流攜帶機(jī)艙熱量，會造成冷凝器進(jìn)氣溫度升高，減弱冷卻效果。通過在冷凝器兩側(cè)與格柵之間增加導(dǎo)流板，在下格柵與冷凝器底部之間增加導(dǎo)流板，并多次仿真分析優(yōu)化，最終解決了該問題[3]。

圖5 前端模塊總成模塊化拓展

3 樣車裝車驗(yàn)證及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 樣車裝車驗(yàn)證

達(dá)到仿真分析目標(biāo)要求和零部件及總成的DMU檢查以后，進(jìn)入樣車制造環(huán)節(jié)，對該模塊化方案進(jìn)行系統(tǒng)的樣車試制驗(yàn)證。

樣車試制過程中充分驗(yàn)證前端模塊總成內(nèi)部各個零部件間及與周邊零件的間隙，直至達(dá)到各開發(fā)控制要素的要求。同時驗(yàn)證前端模塊總成的裝配工藝可行性，確保滿足前端模塊總成的所有裝配工藝要求[4]。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

樣車制造完成后，需要對模塊化方案進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，包括整車環(huán)境模擬試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、剛度及模態(tài)試驗(yàn)、整車耐久試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目。經(jīng)過充分驗(yàn)證，基礎(chǔ)車型的試驗(yàn)結(jié)果完全滿足前期設(shè)定的目標(biāo)要求。

4 模塊化拓展

根據(jù)轎車、MPV及SUV等車型布置和性能的不同需求，選擇相同的前端模塊總成結(jié)構(gòu)。經(jīng)機(jī)艙總布置分析、DMU檢查、樣車裝車驗(yàn)證及試驗(yàn)驗(yàn)證，該前端模塊總成在同一平臺不同車型（轎車、MPV及SUV）上可以通用。該前端模塊總成的模塊化拓展，如圖5所示。

5 結(jié)論

文章以汽車前端模塊總成為研究對象，設(shè)計了一種由冷凝器、中冷器、散熱器及風(fēng)扇分總成、前端模塊骨架總成等主要零部件高度集成的前端模塊總成結(jié)構(gòu)，其具備集成度高、質(zhì)量輕、安裝點(diǎn)少及多車型通用等優(yōu)點(diǎn)。通過仿真分析的方法，論證了該模塊在同一平臺不同車型之間應(yīng)用的可行性，通過整車試驗(yàn)驗(yàn)證充分證明了所提出的模塊化方案滿足了整車各項(xiàng)性能要求，達(dá)到了開發(fā)目的。但由于此方案的中冷器夾在冷凝器和散熱器及風(fēng)扇分總成中間，存在中冷器散熱不足的風(fēng)險。該前端模塊總成及其散熱系統(tǒng)僅適用于中小型車型平臺，對于散熱要求高的大排量渦輪增壓發(fā)動機(jī)，就需要另外選擇合適的前端模塊總成及其散熱系統(tǒng)。

2018年1—6月汽車工業(yè)產(chǎn)銷情況

1—6月，汽車產(chǎn)銷1 405.77萬輛和1 406.65萬輛，同比增長4.15%和5.57%，與上年同期相比，產(chǎn)量增速回落0.49百分點(diǎn)，銷量增速提升0.83百分點(diǎn)。其中乘用車產(chǎn)銷1 185.37萬輛和1 177.53萬輛，同比增長3.23%和4.64%；與上年同期相比，增速均有所提升；商用車產(chǎn)銷220.40萬輛和229.11萬輛，同比增長9.41%和10.58%，與上年同期相比，產(chǎn)銷增速呈一定回落。

1—6月，基本型乘用車（轎車）產(chǎn)銷566.09萬輛和569.40萬輛，同比增長3.02%和5.46%；運(yùn)動型多用途乘用車（SUV）產(chǎn)銷511.94萬輛和496.47萬輛，同比增長9.62%和9.68%；多功能乘用車（MPV）產(chǎn)銷85.79萬輛和88.19萬輛，同比下降17.10%和12.72%；交叉型乘用車產(chǎn)銷21.54萬輛和23.47萬輛，同比下降23.78%和25.88%。