前端模塊的研究

郭長青

摘 ? 要：當前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已成為世界汽車發(fā)展的潮流，也是一個汽車廠商和國家技術(shù)先進程度的重要標志。為了應對節(jié)能減排，各國都制定了相應的法規(guī)，如GB 19578-2004《乘用車燃料消耗量限值》規(guī)定了我國乘用車燃油經(jīng)濟型指標。前端模塊正是基于上述背景，才能夠在汽車業(yè)得到快速的發(fā)展。

關鍵詞：前端模塊 ?輕量化 ?設計原則、簡化模型

中圖分類號：U462 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0104-02

由于它位于汽車發(fā)動機艙前端，并且是一個模塊化、集成化的零件，人們習慣上稱其為前端模塊，英文名稱是Front-End Module，簡寫FEM。本篇文章就對FEM產(chǎn)品的特點、材料及其制造技術(shù)進行了分析和研究，其主要研究內(nèi)容如下：FEM特點、材料、制造技術(shù);為了便于分析研究對FEM設計式樣進行了分類，簡化為四種分析模型，并對FEM梁的主斷面如何選擇進行了闡述，同時也闡述了加強筋布置對梁剛性的影響，為FEM的設計以及工程制造提供了參考。

1 ?FEM的特點

前端支架是其他零部件的安裝平臺，需要滿足一系列力學、尺寸、安裝、環(huán)境等方面的要求，需要具備以下特點：

（1）良好的結(jié)構(gòu)強度和剛度;（2）良好的尺寸穩(wěn)定性和低的尺寸誤差;（3）便于其他部件快速、精確安裝;（4）方便緊固件的集成;（5）有限空間內(nèi)盡可能高的剛度;（6）影響汽車外觀的面差、間隙，如前大燈和前保、前大燈和翼子板等;（7）好的耐熱和耐化學性能;（8）前端支架維修費用比較低;（9）輕質(zhì)價優(yōu)。

2 ?FEM的材料及其制造技術(shù)

采用金屬材質(zhì)的FEM，實現(xiàn)的工藝主要有板材焊接和澆注;采用塑料（熱塑性）和金屬復合的FEM，實現(xiàn)的工藝主要有模壓和注塑，多采用模內(nèi)嵌件注塑和模塑后組裝，其中模內(nèi)嵌件注塑代表技術(shù)有：拜耳專利技術(shù)、貝洱海拉專利技術(shù)和通用專利技術(shù);模塑后組裝主要包含：塑料鉚釘熱壓、凸緣沖壓連接和鉚接、粘結(jié)等。常用的熱塑性塑料：聚丙烯（長纖維、 短纖維、玻纖氈）、尼龍（長纖維、短纖維、玻纖氈）。無論是采用金屬、塑料還是材料的混合結(jié)構(gòu)，都是為了以下目的：滿足各項性能要求的低成本輕質(zhì)支架，較少的組裝費，較高的集成度。

3 ?FEM的設計原則

（1）輕量化和低成本;

（2）根據(jù)車身結(jié)構(gòu)的不同，選擇適當?shù)陌惭b手法和承載結(jié)構(gòu);

（3）根據(jù)前端支架性能要求的不同，選擇適當?shù)牟牧?

（4）前端支架的結(jié)構(gòu)主要取決于前艙的可用空間及其所集成部件的結(jié)構(gòu).特別是前艙蓋鎖、空調(diào)冷卻系統(tǒng)和前燈等部件;所集成的零部件內(nèi)容和數(shù)量，也取決于汽車廠商的要求

4 ?FEM的功能

（1）輕量化、節(jié)能減排。減少燃料消耗，降低排氣污染。

（2）模塊化。減少整車廠因零部件物流所需的面積;降低整車廠生產(chǎn)和管理的復雜程度;通過專業(yè)化達到優(yōu)化集成并減少重量和尺寸誤差的目的。

（3）集成化：前艙諸多零部件的安裝與定位平臺。如：散熱器、風扇、大燈、散熱器格柵等。

（4）發(fā)動機的安全擋塊，吸收一部分碰撞能量。

（5）安裝簡單，拆除和更換方便，便于維護。

5 ?FEM的簡化模型

為了便于分析FEM的造型結(jié)構(gòu)特點，可以把FEM簡化成不同類型的設計式樣，主要以下4種模型：

（1）簡化模型1，見圖1。

不集成前大燈，僅集成冷卻系統(tǒng)和前艙蓋鎖。小腿保護支架不安裝在支架上。散熱器安裝點1和點2可以根據(jù)客戶需求，分別在斜梁上、橫梁上進行協(xié)調(diào)布點。

（2）簡化模型2，見圖2。

集成前大燈、冷卻系統(tǒng)和前艙蓋鎖。小腿保護支架不安裝在支架上。散熱器安裝點一般安裝在上下橫梁上，位置可以根據(jù)汽車廠商要求進行協(xié)調(diào)布點。

（3）簡化模型3，見圖3。

集成前大燈、冷卻系統(tǒng)和前艙蓋鎖。小腿保護支架安裝在支架上。左、右橫梁和車身固定點，一般固定在車身前縱梁上。散熱器安裝點一般安裝在上下橫梁上，位置可以根據(jù)汽車廠商要求進行協(xié)調(diào)布點。

（4）簡化模型4。

集成前大燈、冷卻系統(tǒng)和前艙蓋鎖。小腿保護支架安裝在支架上。斜梁改為直梁，為保證鎖體固定可靠，直梁一般采用金屬沖壓成型，連接在前防撞梁上。此種類型是類型3的另外一種表達形式。

6 ?梁的主斷面

選擇梁的橫截面形狀，主要考慮以下幾點：

（1）考慮支架需要滿足哪些具體性能（物理性能、環(huán)境性能）;

（2）考慮強度或者剛性需求（力學要求）;

（3）考慮零部件安裝結(jié)構(gòu)布局（安裝空間要求）等。

7 ?加強筋布置對梁剛性的影響

加強筋應該連續(xù)分布，以獲得較高的剛性。加強筋之間夾角在30°～60°之間進行選擇，最好是45°。選擇加強筋布置時，要考慮重量增加百分比，即：剛性和重量要綜合考慮。

8 ?CAE模擬分析

（1）剛性分析，應對FEM前艙蓋鎖體部位，前大燈安裝部位，冷凝器系統(tǒng)的支撐部位，前艙蓋沖擊部位進行模擬分析。

（2）壁厚優(yōu)化分析，為保證FEM在滿足性能及功能的前提下，產(chǎn)品自身的重量應該進行輕量化考慮，產(chǎn)品壁厚拓撲優(yōu)化。

（3）行人保護碰撞分析，為了降低行人腿部所受的傷害通常在車輛前端增加防護結(jié)構(gòu)吸收行人腿部的碰撞能量，來減輕行人腿部所受傷害，F(xiàn)EM可以吸收能量的一部分，應該對其進行CAE模擬分析。

9 ?結(jié)語

通過對FEM產(chǎn)品進行分析和研究，本文主要得出了如下結(jié)論：

（1）通過對汽車前端模塊的功能、簡化模型、梁斷面及加強筋等的研究分析，旨在為設計工程師設計提供參考依據(jù)，以期減少設計缺陷，縮短設計周期，降低開發(fā)成本，提升設計人員的設計能力。

（2）通過對上述結(jié)構(gòu)進行研究，目前可以獨立的進行同步設計，能夠承接FEM的開發(fā)制造，彌補了公司此類產(chǎn)品的空白，提升了公司在此行業(yè)內(nèi)的競爭力。

（3）FEM產(chǎn)品目前國內(nèi)市場前景廣大，迫于國家節(jié)能減排的要求應大力推廣。

參考文獻

[1] 蔣鼎豐.GMT汽車前端模塊框架制造技術(shù)[J].汽車與配件，2006（49）：30-31.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 趙高明.前端支架的模塊化發(fā)展[J].汽車與配件，2010（ZI）.