發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

趙翔

摘 要：針對(duì)目前在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端模塊，在簡(jiǎn)述前端模塊性質(zhì)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化進(jìn)行深入分析，為這一模塊的實(shí)際應(yīng)用，并發(fā)揮出應(yīng)有作用效果奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙；前端模塊；模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析

汽車(chē)工業(yè)不斷發(fā)展對(duì)整車(chē)設(shè)計(jì)提出了很高的要求，在這種情況下，模塊化設(shè)計(jì)成為整車(chē)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的重要內(nèi)容和趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，能在保證設(shè)計(jì)便利性和合理性的基礎(chǔ)上，減少成本。然而，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證模塊化設(shè)計(jì)發(fā)揮應(yīng)有作用效果，需要進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)分析，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。

1 概述

當(dāng)前針對(duì)模塊化這一概念還未形成公認(rèn)且統(tǒng)一的定義，不同文獻(xiàn)資料對(duì)其的定義都不相同。從較多文獻(xiàn)資料看，對(duì)于模塊化設(shè)計(jì)，主要指的是在設(shè)計(jì)過(guò)程中將整車(chē)按照不同的功能分為若干相互獨(dú)立的不同模塊，各模塊上集成不同的零件及其總成，且模塊間聯(lián)接采用固定模式，能防止由于零件及其總成的改變而發(fā)生變化，裝配過(guò)程中可將模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行裝配。對(duì)汽車(chē)行業(yè)而言，為有效降低成本，不斷增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，基于模塊化的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)是當(dāng)前主要趨勢(shì)，然而由于受到技術(shù)等方面的制約，使汽車(chē)行業(yè)中的模塊化僅實(shí)現(xiàn)了前端模塊，也就是散熱器框架，正廣泛用于實(shí)車(chē)的生產(chǎn)過(guò)程中，很多車(chē)型都采用這一模塊，如MINI、cerato、POLO、All New Passat、GOLF、Seat Ibiza、Audi A4、Mercedes-Benz Vito/Viano、HYUNDAI ix35、Audi Q7、Renault S.A.koleos、Porsche Panamera等[1]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)資料對(duì)前端模塊開(kāi)發(fā)給出了一定說(shuō)明，比如采用前端模塊對(duì)汽車(chē)進(jìn)行組裝具有的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展前景；提出一種全新材料，即GMT，即玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（glass mat reinforced thermoplastics），及其在前端模塊當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。無(wú)論是從研究還是實(shí)踐上看，前端模塊是一個(gè)必然趨勢(shì)，尤其是改款車(chē)型，利用這一模塊能充分體現(xiàn)出設(shè)計(jì)和成本方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于散熱器框架，將其按照整體模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和車(chē)身實(shí)施組裝，以不同的類(lèi)型及改制方案為依據(jù)，可設(shè)計(jì)出不同的模塊。如此一來(lái)，在改制過(guò)程中，僅需對(duì)模塊進(jìn)行更換，就能解決散熱器框架在剛度上無(wú)法滿(mǎn)足要求的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)降低改制成本的目標(biāo)。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 邊界條件

對(duì)于前端模塊，它主要涉及到車(chē)身結(jié)構(gòu)件，另外還包括內(nèi)外飾、動(dòng)力與電器系統(tǒng)：

（1）車(chē)身系統(tǒng)：①機(jī)艙縱梁，和模塊之間相連，為模塊的安裝提供點(diǎn)位，起到保證安裝強(qiáng)度的作用；②前橫梁，確定與模塊或其縱梁之間的連接方式；③下前橫梁，模塊應(yīng)提供可對(duì)前橫梁進(jìn)行安裝的點(diǎn)位；④發(fā)動(dòng)機(jī)罩，提供配合間隙與緩沖塊的可靠支撐點(diǎn)[2]。

（2）內(nèi)外飾：①前保險(xiǎn)杠，模塊應(yīng)提供可保證保險(xiǎn)杠順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求；②前格柵，模塊應(yīng)提供可保證前格柵順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求；③發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖，模塊應(yīng)提供可保證發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求；④機(jī)底護(hù)板，模塊應(yīng)提供可保證機(jī)底護(hù)板順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求；⑤導(dǎo)風(fēng)板，模塊應(yīng)提供可保證導(dǎo)風(fēng)板順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求；⑥裝飾板，模塊應(yīng)提供可保證裝飾板順利安裝的點(diǎn)位。

（3）動(dòng)力系統(tǒng)，主要為水箱和風(fēng)扇，模塊應(yīng)提供可保證水箱與風(fēng)扇順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求。

（4）電器系統(tǒng)：①前組合燈，模塊應(yīng)提供可保證前組合燈順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求；②電喇叭，模塊應(yīng)提供可保證電喇叭順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求；③冷凝器，模塊應(yīng)提供可保證冷凝器順利安裝的點(diǎn)位，以此滿(mǎn)足安裝強(qiáng)度方面的要求。

冷卻系統(tǒng)中，三個(gè)方向上的尺寸為800mm、750mm和500mm，和模塊之間由四個(gè)安裝孔相連。模塊上安裝孔處在金屬安裝支架，而下安裝孔則和鈑金結(jié)構(gòu)相同。對(duì)于安裝支架，它由螺栓螺母結(jié)構(gòu)和模塊本體相連，這一結(jié)果的作用在于符合系統(tǒng)的裝卸要求。因大燈支架和車(chē)型造型與大燈配置之間有密切關(guān)系，所以模塊不涉及大燈支架，需要為大燈支架預(yù)留足夠的安裝孔，為滿(mǎn)足各類(lèi)車(chē)型要求提供便利。模塊和縱梁之間的安裝結(jié)果和鈑金件一致。對(duì)于行人保護(hù)裝置，其具體節(jié)后應(yīng)以造型設(shè)計(jì)為依據(jù)，按不同車(chē)型形狀進(jìn)行不同設(shè)計(jì)。為切實(shí)滿(mǎn)足實(shí)際需要，在下橫梁處為行人保護(hù)裝置留設(shè)足夠的安裝孔[3]。

2.2 模塊性能要求

模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮以下性能要求：（1）材料性能：對(duì)機(jī)械性能與抗老化性能進(jìn)行檢查；（2）剛度測(cè)試：包括冷卻模塊及機(jī)罩鎖等的安裝點(diǎn)位；（3）強(qiáng)度分析：測(cè)定機(jī)罩鎖的安裝點(diǎn)位的強(qiáng)度，并對(duì)機(jī)罩的沖擊力進(jìn)行分析，明確所有安裝點(diǎn)位的強(qiáng)度。對(duì)于機(jī)罩鎖的具體安裝點(diǎn)位，應(yīng)達(dá)到3500kN以上；（4）振動(dòng)測(cè)試：即動(dòng)剛度的測(cè)試，在環(huán)境箱中對(duì)整車(chē)的振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行模擬，并對(duì)模塊予以整體檢測(cè)。測(cè)試時(shí)，環(huán)境箱的溫度應(yīng)保持在-45℃-180℃范圍內(nèi)；（5）碰撞性能：需由主機(jī)廠進(jìn)行分析和確認(rèn)。

2.3 重量與成本分析

對(duì)于前端模塊，其一般為采用塑料材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件，所以汽車(chē)通過(guò)對(duì)這一模塊的應(yīng)用，能使汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)；此外，作為一個(gè)完整的整體，對(duì)前端模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不同系統(tǒng)之間的搭接部位應(yīng)實(shí)現(xiàn)通用化，以此減少開(kāi)發(fā)的成本。

（1）質(zhì)量：①減重比例，模塊的重量和鈑金材料框架相比，應(yīng)減少30%-50%；②零件質(zhì)量，對(duì)于采用塑料材質(zhì)的模塊，其質(zhì)量大多處在3-4kg范圍內(nèi)[4]。

（2）成本：①單件成本，因模塊的原材料價(jià)格比普通塑料高40%，所以其單件成本和鈑金框架沒(méi)有太大差別；②綜合成本，因鈑金件有很多零部件，所以必須對(duì)檢具、模具和夾具進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)發(fā)，而且還投入用于焊接、運(yùn)輸和人工的成本，使鈑金框架的綜合成本比采用塑料材質(zhì)的模塊高很多。

3 結(jié)構(gòu)分析

將前端模塊設(shè)計(jì)好以后，應(yīng)先開(kāi)展CAE分析，其內(nèi)容包括：（1）強(qiáng)度分析，可對(duì)強(qiáng)度造成影響的因素有：機(jī)罩的沖擊力、鎖扣的緊固力；（2）整體剛度分析；（3）基于安全乘員保護(hù)的碰撞吸能性能的綜合考慮與分析。其中，剛度分析結(jié)果為：X向強(qiáng)度符合600N/mm要求，Y向強(qiáng)度符合250N/mm要求，Z向強(qiáng)度符合600N/mm要求；鎖扣鎖緊力的分析結(jié)果為：當(dāng)Z向的受力保持在1500N時(shí)，鎖扣發(fā)生的最大位移在2.51mm左右，由于比8mm小，所以符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；機(jī)罩沖擊力的分析結(jié)果為：發(fā)生的最大位移比關(guān)鍵間隙的2/3小，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。通過(guò)對(duì)保護(hù)性能作出的分析可知，金屬部分能吸收總能量1.5%的能量，而采用塑料材質(zhì)的模塊，能吸收總能量1.2%的能量。對(duì)氣囊感應(yīng)器進(jìn)行觸發(fā)分析后可知，金屬與塑料兩種材質(zhì)對(duì)應(yīng)的觸發(fā)速度和加速度沒(méi)有太大差別，而且塑料不會(huì)影響正常觸發(fā)。

對(duì)于試驗(yàn)驗(yàn)證，其重點(diǎn)在于強(qiáng)度試驗(yàn)，比如對(duì)機(jī)罩的沖擊力進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)鎖扣的緊固力進(jìn)行試驗(yàn)。其中，對(duì)鎖扣鎖緊力進(jìn)行的試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)基本條件為：（1）跌落高度取450mm；（2）質(zhì)量取10kg；（3）在-40℃、23℃和100℃三種溫度下，分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)蓋五次自然跌落。試驗(yàn)結(jié)果為無(wú)明顯破裂，屬于彈性變化，且最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力2/3。同時(shí)對(duì)機(jī)罩的沖擊力進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果同樣滿(mǎn)足相關(guān)要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上對(duì)車(chē)輛前端模塊作出的深入分析，結(jié)合實(shí)車(chē)生產(chǎn)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)前端模塊而言，它主要具有下列幾個(gè)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

（1）能有效降低系統(tǒng)及人工的成本，并減少各工序和場(chǎng)地等的占地面積，使整車(chē)廠的實(shí)際生產(chǎn)與管理都得以有效簡(jiǎn)化，有效提高實(shí)際的工作效率。

（2）經(jīng)系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)，是集成達(dá)到最優(yōu)化，減少所有誤差，包括零件的數(shù)據(jù)誤差、質(zhì)量誤差及尺寸誤差；另外，還能大幅減少夾具及模具的研究和開(kāi)發(fā)成本。

（3）通過(guò)對(duì)模塊化集成的合理應(yīng)用，能使結(jié)合連接達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并使接口達(dá)到統(tǒng)一，為平臺(tái)車(chē)型實(shí)現(xiàn)互換性及通用性創(chuàng)造良好條件。

參考文獻(xiàn)：

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