汽車前端模塊集成度及輕量化發(fā)展研究

張勝強(qiáng)，朱盼，芮曉麗，王偉，曾祥義

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.上汽通用汽車有限公司，上海 201201；3.天津市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，天津 300202)

0 引言

汽車模塊化和汽車輕量化的設(shè)計(jì)理念被不斷地成功應(yīng)用和驗(yàn)證，汽車各種分總成中運(yùn)用該種方式的案例越來越多。為了滿足輕量化零部件的設(shè)計(jì)、安裝及模塊化要求，汽車前端模塊總成理念被提出[1-3]。1992年，德國HELLA公司為大眾高爾夫A3首次配備了汽車前端模塊。

前端模塊指集成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙前部的零部件組成的系統(tǒng)零件，其在汽車所處的位置，如圖1所示。前端模塊是一個(gè)專門的骨架，集成注入了機(jī)艙鎖、散熱器、冷凝器、中冷器、防撞梁、緩沖塊、傳感器、前大燈、保險(xiǎn)杠甚至翼子板等兩個(gè)或兩個(gè)以上的零件[4]。機(jī)艙鎖、散熱器和冷凝器及一些小的部件，也會(huì)被集成到前端模塊上。

1 汽車前端模塊的集成度

自前端模塊概念被提出以來，前端模塊在集成方式、應(yīng)用規(guī)模、材料使用及成型工藝等方面都進(jìn)行了優(yōu)化。前端模塊集成零件的數(shù)量是從少到多，模塊幾何從簡單到復(fù)雜。隨著集成的零件數(shù)量越來越多，其模塊化的優(yōu)勢也愈發(fā)突出，零件與零件之間連接的數(shù)目明顯減少，為主機(jī)廠總裝工藝的簡化提供了有力的支持條件。

前端模塊需要集成的具體零件，需要根據(jù)具體車型的造型、布置、安全、工藝、制造等因素進(jìn)行綜合性的考慮。根據(jù)前端模塊的集成度發(fā)展的劃分，主要包括4個(gè)階段[5-7]。

1.1 單一前端模塊支架

單一支架也被稱為前端支架，用于代替散熱器周邊的鈑金支架，作為一個(gè)單獨(dú)的支架，來固定附近的其他零部件。通過這種固定方式，將白車身機(jī)艙前端的十多個(gè)金屬零件進(jìn)行了集成，但集成的規(guī)模較小，模塊化程度較低。

目前采用單一前端模塊支架方式的代表車型，主要有奔騰50、長安福特?？怂沟取我恢Ъ芫唧w式樣如圖2所示。

圖2 單一支架應(yīng)用式樣

1.2 小集成前端模塊

小集成前端模塊是指除前端支架外，還集成了底盤的散熱器和冷卻器系統(tǒng)，以及周邊的一些較小的附件，如機(jī)艙鎖、傳感器、部分管路和渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷器等。

小集成前端模塊的優(yōu)點(diǎn)在于較為靈活，受造型的約束較小，易于設(shè)計(jì)、制造和安裝。由于零件尺寸相對較小，更有利于使用更小噸位的注塑機(jī)進(jìn)行成型制造，形狀相對簡單，有利于控制零件的變形及尺寸。其主要的代表車型有：途觀、標(biāo)志407。小集成前端模塊的具體式樣如圖3所示。

圖3 小集成前端模塊式樣

1.3 中度集成前端模塊

中等集成方式集成了防撞零件和部分外觀零件(如前大燈)，因此在設(shè)計(jì)過程中需要考慮碰撞的工況，校核其力學(xué)性能，并對生產(chǎn)裝配的定位方式、安裝精度及互換性提出了更高的要求。中度集成前端模塊的代表車型主要有：大眾邁騰、雷諾Laguna等，其具體式樣如圖4所示。

圖4 中度集成前端模塊式樣

1.4 高度集成前端模塊

高度集成前端模塊包括在之前的基礎(chǔ)上集成了前端外管零件，實(shí)現(xiàn)了前端外管零件、保險(xiǎn)杠、各種安裝支架的一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)使得大燈、保險(xiǎn)杠、翼子板以及格柵之間的裝配更容易實(shí)現(xiàn)。整車廠可以將整個(gè)前端模塊進(jìn)行外包處理，簡化裝配流程，提高生產(chǎn)效率。前端模塊的集成度的增高，將導(dǎo)致前端模塊設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的要求提高，前端模塊集成的零部件的設(shè)計(jì)、布置及裝配要求都會(huì)有不同程度的提高。其主要的代表車型有：高爾夫V、寶馬X5，其具體式樣如圖5所示。

圖5 高度集成前端模塊式樣

前端模塊集成度的高低，取決于車型的具體造型、布置、安全性能、制造工藝以及成本等因素。一般來說，高度集成前端模塊適用于工藝、布置較為復(fù)雜和成本較高的中高檔車型上；單一支架與小集成度前端模塊則適用于造型較為簡單、布置方便、工藝簡單且成本不高的中低檔車型上。

2 汽車前端模塊材料及成型工藝

輕量化成為當(dāng)前汽車行業(yè)的一個(gè)重要方向，汽車前端模塊將多個(gè)鈑金零件集成為一個(gè)零件。目前，前端支架的主要工藝，根據(jù)使用材料的不同，主要分為以下幾種方式[4]，如圖6所示。

圖6 不同材料的前端模塊的成型工藝

2.1 金屬支架

金屬材料是前端模塊最早應(yīng)用的材料方案，主要采用沖壓和焊接工藝，將原車身的發(fā)動(dòng)機(jī)艙前部獨(dú)立的鈑金件作為前端模塊的骨架，來實(shí)現(xiàn)前端零件的模塊化，質(zhì)量基本保持不變，成本略有降低。

金屬支架具有較高的可靠性和便利的裝配性，可以保持原區(qū)域零部件間的裝配關(guān)系不變，當(dāng)溫度、濕度發(fā)生較大變化時(shí)，仍能保持高強(qiáng)度和高剛度。但金屬支架也具有明顯的缺點(diǎn)，如制造工程中受到?jīng)_壓和焊接工藝的約束；對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高；對零件安裝點(diǎn)無法集成簡化。

2.2 金屬-塑料混合和組合支架

為實(shí)現(xiàn)汽車進(jìn)一步的輕量化，“金屬-塑料”混合結(jié)構(gòu)的前端模塊應(yīng)運(yùn)而生。該前端模塊在一定程度上解決了金屬支架結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的困難。按不同的連接方式，金屬-塑料前端支架可分為組合支架與混合支架。

組合支架的成型工藝為模塑組裝，將金屬和塑料件各自成型，再通過鉚接、粘接方式實(shí)現(xiàn)金屬與塑料的連接。從零件生產(chǎn)角度分析，兩種不同材質(zhì)的零件可以在生產(chǎn)過程中控制生產(chǎn)工藝，達(dá)到不同產(chǎn)品的質(zhì)量要求，如控制主體框架的表面質(zhì)量；從成本角度分析，各自成型的方式減小了每個(gè)零件的模具尺寸，模具成本將顯著降低，但組裝成本稍有增加；從售后修理的角度分析，模后組裝工藝有利于產(chǎn)品的拆解與替換。

混合支架成型工藝采用的是嵌入式注塑工藝：德國Bayer公司對金屬?zèng)_壓件進(jìn)行鉆孔，通過澆注塑料來固定連接金屬和塑料。部分混合支架采用局部區(qū)域增加金屬嵌件的方式，使得總質(zhì)量較金屬骨架更輕，且可以設(shè)計(jì)為較為復(fù)雜的形狀，同時(shí)將卡扣和安裝點(diǎn)集成到支架上，從而節(jié)省裝配時(shí)間。相對于模后組裝工藝來說，嵌件注塑的整體性好、剛度高、生產(chǎn)節(jié)拍短、組裝工藝減少，但模具體積大、模具成本較高。

2.3 純塑料和復(fù)合材料支架

純塑料支架的輕量化效果最為明顯，但塑料的性能存在較大的局限性，前端模塊支架的力學(xué)性能比較難以滿足要求。為彌補(bǔ)這一缺陷，需通過對材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇性能較好的塑料并增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)(如加強(qiáng)筋等)，來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。與組合支架相同，純塑料支架需要增加后續(xù)的工序，來添加響應(yīng)的安裝點(diǎn)。

隨著復(fù)合材料的發(fā)展和制造工藝的完善，復(fù)合材料支架也隨之出現(xiàn)，所用材料以短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主。復(fù)合材料相較于純塑料在力學(xué)性能上具有明顯的優(yōu)勢，剛性強(qiáng)度提高明顯，因此零件的設(shè)計(jì)以及材料的選擇更為寬泛，且具有可以將安裝點(diǎn)集成到支架上的特點(diǎn)，節(jié)約工序。二者常用制造工藝為熱塑性注塑工藝與模壓工藝等。

3 汽車前端模塊的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外汽車前端模塊的應(yīng)用現(xiàn)狀

汽車前端模塊自1992年首次應(yīng)用后，在汽車上的應(yīng)用比例越來越高。針對不同定位的車型，前端模塊的組成與結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。在過去的20多年間，前端模塊的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化，其中涉及到材料、工藝、二次加工及部件集成技術(shù)的應(yīng)用水平。

2000款?yuàn)W迪A2汽車[8]采用由鋼和短玻纖增強(qiáng)PA6注塑成型的混合前端支架。該支架實(shí)現(xiàn)了將保險(xiǎn)杠的鋼結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料框架結(jié)合的案例，降低了大約30%的質(zhì)量與5%的成本。為實(shí)現(xiàn)鋼與塑料的有效結(jié)合，需要在鋼上穿孔，使樹脂流入鋼結(jié)構(gòu)中，來增強(qiáng)兩者間的機(jī)械粘接能力。

2002款寶馬Mini Cooper汽車[8]，全球首次采用LFT-PP(含30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的長玻璃纖維)注塑成型的全復(fù)合材料的前端支架，其降低了30%的質(zhì)量與25%的成本，并縮減了20個(gè)部件，同時(shí)改善了前端支架的NVH性能。

2004款起亞Cerato汽車[8]，首次使用嵌入式成型技術(shù)量產(chǎn)的金屬-塑料前端支架，采用的材料為鋼和30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的玻纖增強(qiáng)PA6，采用注塑工藝成型的方式。該支架降低了40%的質(zhì)量與30%的成本，節(jié)約了20道工序，并實(shí)現(xiàn)了前端支架的可回收設(shè)計(jì)。

2005款大眾Polo汽車[8]，首次使用鋼與LFT-PP的混合前端支架，采用結(jié)構(gòu)黏合劑進(jìn)行粘接的連接方式，最大程度地實(shí)現(xiàn)金屬與LFT-PP的連接，同時(shí)可降低應(yīng)力集中，有助于載荷的均勻分布，提高結(jié)構(gòu)的剛性與承載能力。

2007款吉普Wrangler汽車[8]，首次應(yīng)用“body-on-frame”的混合前端支架。該支架由LFT-PP注塑成型，并采用黏合劑將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)粘接到鋼結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)了連接部位處的剛性與耐久性的提升。

3.2 國內(nèi)汽車前端模塊的應(yīng)用現(xiàn)狀

華晨金杯是我國最早運(yùn)用前端模塊技術(shù)的公司，其A級平臺的首款車中華駿捷FRV中采用了前端模塊技術(shù)，并在后續(xù)的車型中陸續(xù)推行塑料前端模塊。2011年5月，首臺中國自主研發(fā)并且配備長玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料前端模塊的汽車CX30[9]在上海車展亮相。隨著國內(nèi)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料前端模塊在國內(nèi)自主品牌中也有著更廣泛的應(yīng)用，如：奇瑞艾瑞澤7、吉利、江淮等。

全復(fù)合材料前端支架是汽車前端支架設(shè)計(jì)的重要方向之一。對于復(fù)合材料前端支架的主要生產(chǎn)工藝包括注塑成型與模壓成型。模壓成型的產(chǎn)品性能優(yōu)于注塑成型，但模壓成型工藝在材料成本、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性上存在一定的缺陷，因此應(yīng)用較少。

4 結(jié)論

對汽車前端模塊的集成階段進(jìn)行了劃分，由單一前端模塊支架，過渡為小集成前端模塊、中度集成前端模塊，最終發(fā)展為高度集成前端模塊。歸納了汽車前端模塊材料及成型工藝的發(fā)展過程，在該過程中支架的材質(zhì)由金屬逐漸發(fā)展為金屬-塑料混合和組合結(jié)構(gòu)，直到應(yīng)用純塑料和復(fù)合材料。并通過不同車型標(biāo)志性的事件對以上的發(fā)展過程進(jìn)行了實(shí)例分析。