汽車全塑前端模塊試驗概述

方文輝 黎民 張大威 季剛

（觀致汽車有限公司研究院）

汽車前端模塊是重要的結構件，任何車型的前端模塊結構設計，從選材到布置，再到CAE 分析，必須滿足對應的設計要求和產品驗證要求。如果設計要求和產品驗證要求不明確，不僅會出現(xiàn)NVH 問題，還會嚴重影響到使用壽命和安全等功能。目前，對全塑前端模塊的設計性能分析及材料應用的研討內容較多，但對全塑前端模塊開發(fā)后期的產品實物性能及功能分析較少。文章不僅從全塑前端模塊的產品性能角度，而且從其功能角度闡述了對應的試驗要求和方法，為全塑前端模塊的開發(fā)提供了檢測依據。

1 試驗要求及準備

1.1 試驗要求

汽車前端模塊的試驗要求如下。

1）前端模塊和所有附加零件需要安裝在標準工裝上進行。

2）必須使用量產材料和量產工藝生產的產品進行所有的試驗。

3）試驗工裝需要根據系統(tǒng)接口和邊界進行設計并確保已得到認可。

4）使用的測量設備的精度必須比測量值公差高10 倍。

5）除非另有說明，所有零部件都需要按照裝配指導或圖紙中標注的相應扭矩安裝并擰緊。

6）在任何試驗開始之前，必須有正式的零部件尺寸測量報告，以確保使用合格的零部件進行試驗。

7）按照前端模塊系統(tǒng)的裝配和拆卸指導，組裝和拆卸前端模塊系統(tǒng)的所有部件（特殊情況不可拆卸的除外），執(zhí)行5 個完整循環(huán)后，不得出現(xiàn)破裂或裂縫等缺陷。所有安裝點在執(zhí)行完拆裝循環(huán)后，必須能承受緊固扭矩。

8）所有試驗項目必須滿足國家標準、法律、環(huán)境保護法規(guī)和工業(yè)安全的要求。

1.2 試驗準備

試驗應在認可的試驗室進行。所有的試驗樣品需要在試驗之前在室溫條件下放置24 h。試驗之前，測量前端模塊的間隙和面差。試驗之后，將前端模塊取出，放置直到室溫達到（23±2）℃，測量間隙和面差。在試驗開始之前，相應的試驗計劃包括試驗順序、日期、位置和責任。

1.3 試驗報告

試驗報告包括的資料有：

1）零件號（及版本）、圖紙?zhí)枺鞍姹荆?、材料信息?/p>

2）參考使用的標準、試驗方法及試驗設備說明。

3）零部件說明文件或圖片、制造商、生產日期及地點、樣件接收日期、批準狀態(tài)、樣件數(shù)量、試驗開始及結束日期。

4）提供試驗之前、試驗期間和試驗之后的照片文檔。如果結果通過圖表體現(xiàn)，也須包含在報告中。試驗報告中必須提供所有試驗零件的材料特性。

5）提供評價結果，任何不符合要求的內容須包含在報告中。

2 試驗方法

2.1 性能試驗

2.1.1 耐低溫性能

該試驗通過檢查低溫下產品的尺寸變化情況，確保滿足前端模塊系統(tǒng)的功能。在空氣循環(huán)烘箱中根據以下參數(shù)進行試驗，試驗過程持續(xù)52 h：

1）在溫度為23 ℃、相對濕度為50%的條件下，保持2 h；

2）溫度循環(huán)：在-30 ℃溫度下保持24 h；

3）在溫度為23 ℃、相對濕度為50%的條件下，保持24 h；

4）溫度變化速率：溫度變化速率為1 ℃/min 時，耗時2 h。

試驗后，樣件表面沒有損壞、翹曲、凹陷、裂縫、發(fā)泡、剝落或其它缺陷。零部件無明顯變形，沒有任何部分分離、斷裂或彈出。檢查無明顯異常噪聲，緊固件沒有扭矩損失，沒有零部件功能失效，滿足檢測標準的間隙和面差要求。

2.1.2 氣候循環(huán)試驗

檢測前端模塊在交替的氣候周期下的尺寸變化，確保在其整個生命周期內的耐用性和功能性。該試驗模擬了溫度和相對濕度對前端模塊的影響。試驗持續(xù)226 h：

1）在溫度為23 ℃和相對濕度為50%的條件下，保持2 h。

2）氣候周期：相對濕度為85%、溫度為40 ℃條件下保持5 h，相對濕度為95%、溫度為60 ℃條件下，保持5 h。

3）溫度循環(huán)：在Tmax1條件下保持8 h，溫度為-30 ℃條件下，保持8 h。

4）在溫度為23 ℃和相對濕度為50%的條件下24 h 調節(jié)。

溫度和相對濕度的氣候循環(huán)變化過程必須在0.5 h內完成。溫度循環(huán)過程中的溫度變化必須在2 h 內完成。循環(huán)周期，如圖1 所示。

圖1 汽車前端模塊的氣候循環(huán)圖

試驗后，樣件表面沒有損壞、翹曲、凹陷、裂縫、發(fā)泡、剝落或其它缺陷。零部件無明顯變形，沒有任何部分分離，無斷裂或彈出，檢查無異常噪聲，沒有扭矩損失，沒有零部件功能失效，滿足間隙和面差的要求。

2.1.3 耐高溫性能

該試驗通過檢查高溫下零部件的尺寸變化來確保前端模塊系統(tǒng)的功能。試驗過程持續(xù)52 h：

1）在溫度為23 ℃、相對濕度為50%的條件下，保持2 h；

2）溫度循環(huán)：在105 ℃溫度下保持24 h；

3）在溫度為23 ℃，相對濕度為50%的條件下，保持24 h；

4）溫度變化速率：溫度變化率為1 ℃/min，耗時2 h。

試驗后，樣件表面沒有損壞、翹曲、凹陷、裂縫、發(fā)泡、剝落或其它缺陷。零部件無明顯變形，沒有任何部分分離、斷裂或彈出。拆卸檢查無異常噪聲，緊固件沒有扭矩損失，滿足檢測標準的間隙和面差要求。

2.1.4 耐熱老化性能

檢測在高溫條件下，材料隨著使用時間的推移，產品性能的變化狀況，以確保產品使用的耐用性和可靠性。在空氣循環(huán)烘箱中，溫度為90 ℃，持續(xù)時間為500 h。要求試驗后，產品形狀、尺寸、外觀、顏色和表面狀態(tài)無明顯變化，即目測表面沒有斷裂、剝落、龜裂、發(fā)泡、翹曲、凹陷、軟化、硬化、斑點、變色等其它缺陷。

2.1.5 耐沖擊性能

模擬車輛在冬季溫度較低或夏季溫度較高的情況下，受到石子等物體沖擊后，驗證前端模塊系統(tǒng)的狀態(tài)。在-30 ℃＜T＜80 ℃條件下，用直徑為（50±1）mm、質量為（510±1）g 的鋼球，從距離被沖擊面400 mm 的高處進行自由落體，沖擊前端模塊總成的左、中、右三部位。

要求試驗后，產品沒有出現(xiàn)開裂、折斷、剝離和永久變形等現(xiàn)象。沒有任何部分分離、斷裂或彈出，沒有零部件功能損壞，沒有扭矩損失。

2.1.6 耐化學試劑

模擬車輛整車前端在接觸化學試劑后，驗證前端模塊系統(tǒng)相關零部件所受到的影響，確保前端模塊系統(tǒng)的功能。

第1 類試驗試劑:玻璃清潔劑、拋光蠟、異丙醇、除蟲劑、柏油清潔劑、漆面清潔劑、工業(yè)去污劑。

按照點滴法進行試驗：試驗溫度為40 ℃。將1 滴（或0.2 g）試驗介質滴落在樣件表面，防止受測表面發(fā)生偏轉。玻璃清潔劑試驗時間為1 h，其它試劑試驗時間為10 min。之后用無絨毛布擦干表面，并干燥樣品。

第2 類試驗試劑：制動液、防凍液、變速箱油、發(fā)動機油。

按照浸泡法進行試驗：試驗溫度為40 ℃。用試驗試劑填充試驗容器，將試驗樣件的一半浸泡在試驗試劑中，試驗時間為10 min。從試劑中取出樣件，用水沖洗干凈，之后用無絨毛布擦干表面，并干燥樣品。

用測試布擦拭試驗樣件對應的試驗部位，不允許有顏色痕跡，產品表面不允許出現(xiàn)任何可視變化，不允許有軟化龜裂、剝離、發(fā)白、斑點、顏色顯著變化等缺陷，允許輕微失光。

2.1.7 鹽霧試驗

測驗整車惡劣環(huán)境下的前端模塊系統(tǒng)抗腐蝕能力，確保前端模塊系統(tǒng)的功能。

1）金屬涂層零件。

a.干區(qū)外漏區(qū)域：按照EN ISO 9227 進行240 h NSS 鹽霧試驗；

b.濕區(qū)非外漏區(qū)域：按照EN ISO 9227 進行480 h NSS 鹽霧試驗；

c.濕區(qū)外漏區(qū)域：按照ISO 9227 進行720 h NSS 鹽霧試驗。

2）有機涂層零件。

干區(qū)外漏區(qū)域: 按照EN ISO 11997-1, cycle B(or VDA 621-415)進行3 個試驗循環(huán)。潮濕外漏區(qū)域：按照EN ISO 11997-1,cycle B(or VDA 621-415)進行6 個試驗循環(huán)。

其中1 個試驗循環(huán)周期包括：

a.24 h 鹽霧試驗，溫度為（35±2）℃；

b.8 h 置放于相對濕度為100%的濕熱氣候存放試驗，溫度為（40±2）℃；

c.16 h 標準氣候，溫度為（40±2）℃，相對濕度為（50±20）%；

d.8 h 置放于相對濕度為100%的濕熱氣候存放試驗，溫度為（40±2）℃；

e.16 h 標準氣候，溫度為（40±2）℃，相對濕度為（50±20）%；

f.8 h 置放于相對濕度為100%的濕熱氣候試驗，溫度為（40±2）℃；

g.16 h 標準氣候，溫度為（40±2）℃，相對濕度為（50±20）%；

h.8 h 置放于相對濕度為100%的濕熱氣候存放試驗，溫度為（40±2）℃；

i.16 h 標準氣候，溫度為（40±2）℃，相對濕度為（50±20）%；

j.48 h 標準氣候，溫度為（40±2）℃，相對濕度為（50±20）%；

無機涂層試驗要求：無紅銹產生。

有機涂層試驗要求：

a.起層: 起層厚度≤2 mm，按照DIN EN ISO 4628-8 章節(jié)6.2 進行評估；

b.起泡:零件表面無氣泡，按照DIN EN ISO 4628-2進行評估；

c.生銹:無金屬基體腐蝕，腐蝕等級為Ri0 級，腐蝕面積比為0，按照DIN EN ISO 4628-3 進行評估。

2.1.8 燃燒性能

測驗前端模塊處于前機艙高溫易燃環(huán)境下的阻燃性能。將試樣水平地夾持在U 形支架上，在燃燒箱中用規(guī)定高度的火焰點燃試樣的自由端15 s 后，確定試樣上火焰是否熄滅，或何時熄滅，以及試樣燃燒的距離和燃燒該距離所用的時間。試驗裝置及器具符合GB 8410—2006 中4.2 的規(guī)定。

目標要求：燃燒速率≤60 mm/min。

2.1.9 玻纖含量

測驗塑料前端模塊零部件中的玻纖含量，確保前端模塊系統(tǒng)的性能和功能的實現(xiàn)。

按照ISO 3451-1：2019 中規(guī)定的方法執(zhí)行，試樣取5～10 g 粒料，煅燒溫度為（600±25）℃，煅燒30 min，直至殘余試樣質量無變化。塑料零件玻纖含量滿足在±2%范圍內。

2.2 功能試驗

2.2.1 機艙蓋緩沖區(qū)域強度

測驗正常關閉發(fā)動機蓋及過關時，緩沖塊接觸部位的耐久強度。試驗按照如下步驟進行：

1）在23 ℃的環(huán)境下，施加100 N 的力于緩沖塊區(qū)域，進行5 000 次循環(huán)；

2）在-30 ℃的環(huán)境下，施加100 N 的力于緩沖塊區(qū)域，進行2 500 次循環(huán)；

3）在80 ℃的環(huán)境下，施加100 N 的力于緩沖塊區(qū)域，進行2 500 次循環(huán)；

4）在23 ℃的環(huán)境下，施加500 N 的力于緩沖塊區(qū)域，進行10 次循環(huán)。

試驗后，要求樣件表面正常，無裂紋和破裂發(fā)生在施力區(qū)域。

2.2.2 機罩鎖安裝點剛度

測驗常溫極限情況下，機罩鎖安裝點在X，Z 方向的抗拉強度，確保其承載功能。

在室溫為23～27 ℃，相對濕度為58%～71%的條件下，限制零件的6 個自由度，在零件對應機罩鎖安裝點位置施加1 600 N 的作用力，測量其變形量。要求剛度K＞800 N/mm[1]37，即變形量≤2 mm。試驗后，樣件表面正常，無裂紋、破裂及變形。

2.2.3 大載荷鎖扣拉力

測驗機艙蓋沖擊耐久性，以防止前端模塊功能失效。在室溫為23～27 ℃，相對濕度為58%～71%的條件下，將前端框架總成裝配到試驗工裝上，并對試驗工裝進行固定，限制前端模塊系統(tǒng)的6 個自由度。在發(fā)動機蓋鎖扣處沿鎖扣垂直向上方向（+Z 方向）瞬間施加4 kN 的拉力，測量變形量。

試驗后，樣件最大變形D＜20 mm。鎖體不得脫落、失效，前端支架不得出現(xiàn)材料或結構的損壞，允許有少量微裂紋[2]12。

2.2.4 冷卻模塊安裝點剛度

測驗整車狀態(tài)冷卻模塊安裝點的剛度，確保其承載功能。如中冷器獨立安裝，需單獨進行試驗。前端模塊每個安裝點為1 次試驗。

1）Z 向剛度試驗：在冷卻模塊的每個下安裝點位置沿-Z 向，緩慢施加至450 N 的載荷；

2）X 向剛度試驗：在散熱器每個安裝點單獨沿+X/-X 向分別緩慢施加至200 N 的載荷。

縱向和垂直方向剛度目標值：K＞425 N/mm[1]37-38，試驗后，冷卻模塊安裝點完好，前端模塊框架無破裂、失效，無永久性變形和扭曲。

2.2.5 前大燈安裝點剛度

模擬裝車狀態(tài)，測驗前大燈在前端模塊上安裝點的剛度，確保其對前大燈的承載功能。

在室溫為24～28 ℃，相對濕度為48%～63%條件下，將前端模塊裝配到試驗工裝上，并對試驗工裝進行固定，約束前端模塊與車身連接的6 個自由度，在安裝孔中心處分別施加X、Y、Z 向150 N 的載荷。

前端模塊對應前大燈加載點的最大位移不超過1 mm[2]14。安裝點完好，無破裂、失效、扭曲和永久性變形。

2.2.6 前保險杠支撐剛度

模擬裝車狀態(tài)，測驗前保險杠安裝點的剛度，確保其對前保險杠的承載功能[3]。

在室溫為24～28 ℃、相對濕度為48%～63%的條件下，將前端模塊裝配到試驗工裝上，并對試驗工裝進行固定，約束前端模塊與車身連接的6 個自由度，在前保險杠安裝點處施加100 N 法向作用力。

前端模塊對應前保險杠安裝點處的最大變形量應＜4mm。安裝點完好，無破裂、失效、扭曲和永久性變形。

2.2.7 掌壓剛度試驗

模擬打開機艙蓋后再進行機艙操作時，手掌按壓在前端模塊框架上部的承受力。常溫下，上橫梁4 個不同區(qū)域，60～100 mm 圓形面積上施加-Z 向的300 N 載荷。

-Z 向剛度≥300 N/mm（單區(qū)域加載），加載點的最大位移不超過1 mm。

2.2.8 扭轉試驗

測驗常溫極限情況下，抵抗整車前端整體扭轉變形性能。溫度為23 ℃條件下，將前端模塊框架一側固定（3 個方向固定：左側/上部/下部），另外一側沿中軸線進行±12°的扭轉。

在前端模塊框架左上角和右上角設計有前端上支架黑漆件時，需要進行縱向剛度的試驗。負載方向，即前端上支架縱向自由度放開，其它點的自由度固定。

1）試驗固定工裝裝配零件；

2）在零件上沿縱向方向實施200 N 的載荷，然后測量變形量。

剛度目標值K＞120 N/mm，試驗后，樣件表面正常，無裂紋、破裂及變形，無材料和結構失效，但塑料部分允許有少量微裂紋。

2.2.9 固有頻率試驗

測定前端模塊固有頻率，避開整車共振頻率。溫度為23 ℃條件下，模擬實車裝配狀態(tài)，按照試驗標準Q/GZ-TTS-0050—2019，利用錘擊法或者激振器法進行試驗[2]16。

試驗要求：一階模態(tài)≥50 Hz。

2.2.10 振動試驗

前端模塊系統(tǒng)在整車裝配環(huán)境，長期頻率振動或溫度變化頻率振動作用下，進行結構可靠性檢驗。前端模塊按照整車防火墻前面區(qū)域的振動頻率要求進行，表1 示出汽車前端模塊振動頻率。

表1 汽車前端模塊振動頻率表

試驗步驟：

1）振動周期Z 方向（12 h），溫度循環(huán)A；

2）氣候循環(huán)測試根據上述2.1.2 要求進行；

3）振動循環(huán)Z 方向（12 h），溫度循環(huán)A；

4）振動循環(huán)X 方向（8 h），溫度循環(huán)B；

5）振動循環(huán)Y 方向（8 h），溫度循環(huán)B。

在測試程序期間，測試部件必須安裝在測試架上，不允許拆卸。氣候循環(huán)試驗連同測試架一起進行。

溫度循環(huán)曲線A（如圖2 所示）：起始溫度為23 ℃，在1 h 內冷卻至-30 ℃，在-30 ℃下保持4 h，在2 h內升溫至60 ℃，保持4 h，在1 h 內降至23 ℃。

圖2 汽車前端模塊振動試驗的溫度循環(huán)A 曲線圖

溫度循環(huán)曲線B（如圖3 所示）：起始溫度為23 ℃;在1 h 內冷卻至-30 ℃，在-30 ℃保持2 h，在2 h 內加熱至60 ℃，保持2 h，在1 h 內降至23 ℃。

圖3 汽車前端模塊振動試驗的溫度循環(huán)B 曲線圖

試驗后，樣件沒有裂縫、起層、起泡或剝落的跡象，沒有松散和異響。對于主要功能部件，必須對功能進行檢查和記錄。

2.2.11 嵌件牢固度試驗

試驗緊固件拉拔力和抗扭轉的性能。用拔脫工具沿嵌件安裝面垂直方向進行拔脫試驗。用扭轉力矩測量嵌件的抗扭轉性能。

拉鉚螺母最小破壞扭矩：直徑為M6 的拉鉚螺母≥11 N·m；直徑為M8 的拉鉚螺母≥23 N·m。最小拉拔力：直徑為M6，M8 的拉鉚螺母≥240 N。

2.2.12 機罩蓋沖擊耐久

測驗機罩蓋沖擊耐久，以防止前端模塊功能失效。當以5 次/min 開關循環(huán)的速率對機罩蓋總成進行10 000 次循環(huán)試驗。（5 000 次，20 ℃，相對濕度為98%；2 500 次，-20 ℃；2 500 次，60 ℃）。一次開閉循環(huán)同常規(guī)機罩蓋沖擊試驗，將發(fā)動機蓋開至離全關位置600 mm 高的地方；拆掉氣彈簧。

試驗后，鎖的安裝點完好，前端模塊框架無破裂、失效，無永久性變形和扭曲。

3 結論

文章對汽車全塑前端模塊的試驗要求和方法進行了討論，提出了相應的評價指標及各指標的推薦設計范圍，完善了汽車全塑前端模塊的耐久性和可靠性的評價體系，解決了全塑前端模塊試驗項目和要求不確定的問題。汽車全塑前端模塊作為冷卻模塊的承載體，需要滿足實際使用中不同方向上，各個裝配在前端模塊上的零件與前端模塊緊固位置的強度和剛度的要求，還要滿足不同碰撞工況下對車身的影響。全塑前端模塊所處的發(fā)動機機艙環(huán)境，工況條件變化復雜，這就需要考察全塑前端模塊的耐高溫性能、高低溫沖擊性、耐熱老化等性能。鑒于汽車前端模塊工況的多樣性，除了設計階段通過CAE 分析驗證外，還需要在實際工程實踐中，進一步逐項進行產品樣件的試驗驗證，有助于更好地提高汽車的耐久性和可靠性，最終提高汽車的安全性。