某SUV車型塑料前端框架的研究

宋劉洋，劉小杰，吳方武，王鎮(zhèn)斌，許鈺龍

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北武漢 430058)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車銷量連年持續(xù)走高，尤其是SUV市場，增速持續(xù)高于行業(yè)水平，在乘用車市場份額越來越大。但SUV質(zhì)量大、油耗高等問題隨著油價(jià)的連續(xù)上漲也越來越引起消費(fèi)者的關(guān)注。相關(guān)研究表明，汽車每減少10%的質(zhì)量，其排放可以減少6%～7%[1]。鑒于SUV質(zhì)量大、油耗高的特點(diǎn)，SUV車型的輕量化工作在減少環(huán)境污染和提高用戶對(duì)產(chǎn)品滿意度方面顯得尤為重要。塑料前端框架作為使用輕量化復(fù)合材料替代鈑金材料的輕量化技術(shù)[2]，能有效減輕車身前端質(zhì)量，有很好的輕量化效果。此外，塑料前端框架在成本上相對(duì)鈑金結(jié)構(gòu)也有優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，又能降低車身成本，進(jìn)一步提升產(chǎn)品競爭力。

1 塑料前端框架的介紹

傳統(tǒng)汽車前端結(jié)構(gòu)一般為鈑金結(jié)構(gòu)，由水箱上、下橫梁，左、右立柱構(gòu)成框架型結(jié)構(gòu)，由多個(gè)鈑金零部件焊接、裝配組成，如圖1所示。鈑金結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是零件數(shù)量多，工藝復(fù)雜，質(zhì)量大，且占用工廠較多生產(chǎn)空間，生產(chǎn)效率不高。塑料前端框架是一種使用復(fù)合工程材料通過注塑成型生產(chǎn)的一體化框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它是一種新型的“以塑代鋼”輕量化技術(shù)，該塑料前端框架可以為車身前端散熱器、中冷器、散熱風(fēng)扇、空調(diào)冷凝器、機(jī)罩鎖等多個(gè)零件裝配提供固定安裝，起到固定和支撐這些零件的作用，并保證在用戶使用過程中不出現(xiàn)問題。由于塑料前端框架為一體注塑工藝，可以有效降低車身前端零件數(shù)量，減少工裝模具的投入，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，對(duì)成本進(jìn)行有效地控制。

圖1 鈑金框架結(jié)構(gòu)

圖2 塑料前端框架結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計(jì)研究

“以塑代鋼”的塑料前端框架使用工程復(fù)合材料替代原鈑金材料，由于其強(qiáng)度只有普通鈑金強(qiáng)度的1/3～1/2，且耐溫性能遠(yuǎn)不如鋼材，使用其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，需要從零件功能、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真等多方面進(jìn)行研究。

2.1 功能分析

塑料前端框架通常集成的零件包括散熱器、中冷器、散熱風(fēng)扇、空調(diào)冷凝器、機(jī)罩鎖、防撞梁、小腿支撐骨架、喇叭、密封擋板等，形成塑料前端模塊。同時(shí)，塑料前端框架是前保險(xiǎn)杠、前大燈、機(jī)罩等重要外觀DTS關(guān)重件的安裝定位基礎(chǔ)。

塑料前端框架相關(guān)的功能主要包括以下三大部分：

(1)前端安裝平臺(tái)：為車身前部零部件提供掛載點(diǎn)；

(2)前端支撐平臺(tái)：掛載各零部件后，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下變形滿足設(shè)計(jì)要求；

(3)使用工況無破壞：上橫梁鎖扣位置防止拉破損壞。

塑料前端框架功能分析如表1所示。

2.2 材料選擇

塑料前端框架考慮其對(duì)耐溫性及強(qiáng)度等性能的要求，目前較為常用的主要有PP-LGF類、PA6-GF類和PA66-GF類。以30%玻纖含量為例，各材料特點(diǎn)及性能對(duì)比如表2所示。

表2 塑料前端框架常用材料性能對(duì)比

可以看出，同等玻纖含量的PP-LGF、PA6-GF、PA66-GF的熱變形溫度、拉伸模量、彎曲模量依次提升，更有利于目標(biāo)性能的達(dá)成，但同時(shí)，材料的成本也依次提高，選擇材料時(shí)需對(duì)性能和成本綜合考慮。

材料選材的優(yōu)先級(jí)按以下原則進(jìn)行：

優(yōu)先級(jí)一(機(jī)艙溫場T)：T≤120 ℃，優(yōu)選PP-LGF類；120 ℃

優(yōu)先級(jí)二(玻纖含量)：優(yōu)先低玻纖含量材料，進(jìn)行成本優(yōu)選。同種材料隨著玻纖含量的增強(qiáng)，性能會(huì)逐步提高，但成本也會(huì)有所增加，根據(jù)成本情況擇優(yōu)選擇，作為優(yōu)先級(jí)二。

優(yōu)先級(jí)三(性能達(dá)成)：通過鈑金加強(qiáng)的形式滿足性能。當(dāng)純塑料結(jié)構(gòu)無法滿足性能要求時(shí)，選擇鈑金增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用于提高性能。但該種方式成本和質(zhì)量都會(huì)明顯增加，作為優(yōu)先級(jí)三。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 前端框架與外部環(huán)境件接口形式設(shè)計(jì)

圖3是前端模塊示意。

圖3 前端模塊

塑料前端框架與內(nèi)部搭載的散熱器、冷凝器、中冷器、機(jī)罩鎖、喇叭等進(jìn)行總成裝配設(shè)計(jì)，形成塑料前端模塊，以模塊的方式固定在車身上，由于環(huán)境件的質(zhì)量及框架本體的質(zhì)量均通過前端框架在車身上的固定點(diǎn)進(jìn)行支撐，為防止耐久后塑料件由于氣候老化出現(xiàn)的力矩衰減，需在固定點(diǎn)增加金屬墊片，增加的方法可以是注塑后裝配或者模內(nèi)嵌件注塑的形式。

2.3.2 塑料框架與內(nèi)部固定件接口形式設(shè)計(jì)

塑料前端框架與冷卻系統(tǒng)、機(jī)罩鎖、大燈、保險(xiǎn)杠等多個(gè)零件為環(huán)境件。其中，冷卻系統(tǒng)由于靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，振動(dòng)較大，一般采用具有一定減振效果的軟連接結(jié)構(gòu)，通常使用軟墊和塑料結(jié)合的方式進(jìn)行連接。軟連接分上、下兩部分，下部采用橡膠墊與前端框架配合的方式[見圖4(b)]，上部采用橡膠墊與散熱器安裝支架配合的方式[見圖4(c)]，固定后，整體起到對(duì)冷卻系統(tǒng)減振的作用。

在無減振要求的固定需求下，與環(huán)境件的接口多采用塑料件專用鉚接螺母配合螺栓進(jìn)行固定的形式或者模內(nèi)嵌件注塑的形式。為保證安裝位置的精度，鉚接螺母或嵌件螺母的法蘭面通常低于固定平面0.5 mm左右[見圖4(d)]。

圖4 前端框架與內(nèi)部固定件接口

前端框架與環(huán)境件的匹配，在保證環(huán)境件固定安全的情況下，還要考慮密封性能，避免機(jī)艙內(nèi)熱風(fēng)回流至冷凝器前端，重新吹到冷凝器上，導(dǎo)致空調(diào)性能下降。

2.3.3 塑料框架本體加強(qiáng)筋布置

塑料前端框架通常采用加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)，布置的結(jié)構(gòu)和形式根據(jù)其局部結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。圖5為框架本體加強(qiáng)筋布置示意圖。

按受力特點(diǎn)分為以下幾種常見類型：

(1)若局部受彎曲力，可采用背面平行的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提高彎曲強(qiáng)度；

(2)若局部受扭轉(zhuǎn)力，可采用對(duì)角線的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提升扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度；

(3)若局部在高負(fù)載下受撓曲力，可采用垂直的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提高高負(fù)載下?lián)锨鷱?qiáng)度；

(4)若局部關(guān)鍵安裝點(diǎn)受高負(fù)載力，可采用斜角加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，提高局部受力點(diǎn)的強(qiáng)度。

2.3.4 塑料框架本體工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在布置加強(qiáng)筋后仍無法滿足力學(xué)性能要求的情況下，通常會(huì)考慮增加加強(qiáng)鈑金來提升前端框架的力學(xué)性能。為保證鈑金與塑料較好地融合在一起，呈現(xiàn)出預(yù)想的增強(qiáng)效果，鈑金與加強(qiáng)筋及端部需按照一定的工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖6為常用的端部結(jié)構(gòu)處理示意圖。

圖5 框架本體加強(qiáng)筋布置

圖6 預(yù)埋鈑金與塑料融合結(jié)構(gòu)

常用端部結(jié)構(gòu)處理的具體步驟如下：

(1)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)與端部封膠結(jié)構(gòu)隔一段距離應(yīng)有連接，連接寬度應(yīng)不少于10～15 mm；

(2)為增強(qiáng)塑料與鈑金融合的效果，每隔約70 mm增加開孔，使塑料填充更為充分；

(3)鈑金端部使用塑料覆蓋，避免端部毛刺，同時(shí)提高塑料的流動(dòng)性；

(4)為增加某個(gè)區(qū)域的連接強(qiáng)度，可增加局部凸凹特征，但特征變化盡量平緩，做倒圓角過度。

2.3.5 維修性

由于前端框架與所搭載的環(huán)境件組成了前端模塊后才裝配到車身上，維修時(shí)的拆卸順序與傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)的單個(gè)零件拆卸順序有所不同，需要先將前端模塊整體從車身上拆下來，之后再分拆前端模塊，進(jìn)一步進(jìn)行零件的維修與更換。維修完成后裝配的順序與之相反，這在模塊設(shè)計(jì)及維修性校核時(shí)應(yīng)重視。

2.4 仿真分析

使用塑料前端框架替代原鈑金框架結(jié)構(gòu)，首先要以車身性能不能有大的下降，仍需滿足目標(biāo)要求為前提。從發(fā)動(dòng)機(jī)艙橫擺模態(tài)、整體一階彎曲模態(tài)、整體一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)等指標(biāo)對(duì)比，判斷其對(duì)車身性能的影響，結(jié)果如圖7所示。

表3為塑料框架與鈑金框架分析對(duì)比，該模型帶前后擋風(fēng)玻璃。

表3 塑料框架與鈑金框架模態(tài)分析對(duì)比

表3中結(jié)果顯示：塑料框架方案相比鈑金方案，其車身模態(tài)均有下降趨勢，其中發(fā)動(dòng)機(jī)艙橫擺模態(tài)變化較為明顯，變化率達(dá)-8.7%，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，確保塑料框架方案仍滿足車身模態(tài)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

零件工裝樣件生產(chǎn)后，對(duì)零件性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，包括臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和搭載整車試驗(yàn)驗(yàn)證。零部件臺(tái)架試驗(yàn)表明，前端框架各試驗(yàn)性能滿足性能要求；搭載整車試驗(yàn)完成8萬千米耐久試驗(yàn)后，零件未出現(xiàn)破損等試驗(yàn)問題，通過產(chǎn)品認(rèn)可。圖8為試驗(yàn)裝置。

圖8 試驗(yàn)裝置

4 效果

表4為塑料前端框架與金屬前端框架的效果對(duì)比。通過塑料前端框架替代鈑金框架結(jié)構(gòu)最直接的效果是輕量化，每車輕量化效果在千克左右。塑料前端框架可以有效減少零件數(shù)量，節(jié)省模具夾具等工裝的投入，同時(shí)減少工廠占地面積，提高生產(chǎn)效率，更有利于產(chǎn)能的釋放。由于零件的集成度高，塑料前端框架相對(duì)金屬前端框架有更高的模塊化能力，更有利于總裝生產(chǎn)線效率的提升。

基于以上分析，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，塑料框架的成本相對(duì)金屬框架一般會(huì)節(jié)省30%～40%。

表4 塑料前端框架與金屬前端框架的效果對(duì)比

5 結(jié)論

主要通過對(duì)某SUV車型塑料前端模塊的研究，闡述了塑料前端模塊替代傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)主要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過CAE分析驗(yàn)證了前端框架對(duì)車身性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明塑料前端模塊滿足車型的性能要求?？偨Y(jié)了前端塑料前端框架在輕量化、降成本、模塊化方面所具有的優(yōu)勢，為后續(xù)車型的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。