汽車前端模塊設計研究

莊京彪

三一重機有限公司，江蘇昆山 215300

0 引言

前端模塊是位于汽車前部并集成了眾多零部件的模塊化結構，是現(xiàn)今汽車制造技術向模塊化、集成化、輕量化方向發(fā)展的一個重要研究課題。前端模塊包含前端框架及集成其上的各零部件，前端框架作為系統(tǒng)集成平臺，將各零部件組合成一個相對獨立的模塊，然后與白車身連接。前端模塊可降低零部件管理物流成本，提高總裝配效率，提升車身前臉的匹配精度，通過模塊化設計的前端模塊還可以滿足多個車身平臺共用，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本；前端框架以塑料代替鋼材可實現(xiàn)前端模塊的輕量化，有助于整車油耗的降低。文中詳細介紹了前端模塊的裝配定位及結構設計，可供設計參考。

1 前端模塊的構成

前端模塊由前端框架和集成于框架上的零部件構成，可集成于前端框架上的零部件有散熱器、冷凝器、中冷器、風扇、蓋鎖、喇叭、大燈、緩沖塊、小腿保護支架、防撞梁、傳感器、前保險杠等位于發(fā)動機艙前端的零部件，這些零部件涉及整車冷卻系統(tǒng)、信號照明系統(tǒng)、行人保護、碰撞安全、外觀造型、傳感器和駕駛輔助系統(tǒng)，圖1為某車型的前端模塊。

圖1 某車型前端模塊

前端模塊集成度的高低取決于整車造型、布置、安全性能、制造工藝及成本等因素。高集成度的前端模塊適用于工藝、布置較為復雜和成本較高的高檔車型，圖2為寶馬Mini高集成度前端模塊；造型相對簡單、布置方便、工藝簡單且成本不高的中低檔車型一般采用集成度相對低的前端模塊。

圖2 寶馬Mini高集成度前端模塊

前端框架上集成的零部件組裝方式分為兩種：①廠內(nèi)分裝，前端模塊上的零部件在分裝線完成組裝，再配送至總裝線裝配至車身上；②供應商分裝，總成供貨給主機廠。前者需建設分裝線，占用總裝廠地，但可以節(jié)省安裝和運輸費用，為大多數(shù)自主品牌所采用，后者可以減少生產(chǎn)和存儲空間，簡化了整車廠的生產(chǎn)和管理，有利于提高生產(chǎn)線的靈活度，對供應商的制造和質(zhì)量控制水平要求較高，合資品牌采用較多。

2 前端模塊的裝配定位

汽車前臉是整車的視覺重心，前臉各零部件的匹配安裝精度對整車的品質(zhì)有重要影響，前臉的外觀匹配主要是控制各零部件配合的間隙面差，包括發(fā)動機罩與前格柵、發(fā)動機罩與前大燈、前格柵與前大燈、翼子板與前大燈、翼子板與前保險杠、前大燈與前保險杠等的配合間隙面差。

前端框架是汽車前臉諸多零部件的安裝支撐平臺，汽車前臉的重要外觀零部件如前大燈、前格柵、前保險杠都直接或間接地安裝在前端框架之上，前端模塊在車身上的定位裝配精度對整車外觀品質(zhì)至關重要。

前端模塊因集成多個零部件，質(zhì)量和尺寸較大，不便于人工搬運和裝配定位，需要借助機械手及工裝實現(xiàn)轉運和在車身上安裝定位，其中工裝包含前端模塊固定單元和車身固定單元，分別實現(xiàn)前端模塊在工裝上的定位和工裝在車身上的定位。

2.1 前端模塊在工裝上的定位

機械手抓取放在料架上的前端模塊時，將工裝上的定位銷穿過前端模塊上的向基準孔，定位塊貼合向基準面，固定夾爪夾緊前端模塊，將其固定在工裝上。

圖3為前端模塊在工裝上的定位基準示意圖。向定位設計有兩種方式：①前端框架上一個圓孔和橫向長圓孔作為向定位基準，其中圓孔兼作為向定位基準；②前端框架上兩個橫向長圓孔作為向定位基準，一個縱向長圓孔作為向定位基準。前端模塊整體尺寸較大，為了保證向定位穩(wěn)定，框架上設置4處定位點，向定位基準面位于前端模塊下端。向定位策略有兩種：①向定位面：定位面選取在前端框架上端，離定位基準面盡可能遠，與工裝定位塊配合限位；②向定位基準孔：基準孔設置在前端框架頂部，為兩個橫向長圓孔，與工裝上的向定位銷配合限位，推薦此種定位方式，可簡化夾緊機構的設計。

圖3 前端模塊在工裝上的定位

2.2 工裝在車身上的定位

工裝夾持前端模塊，在機械手輔助下將工裝定位在車身上，工裝上的向定位塊先與車身向定位面貼合，同時工裝上的兩個定位銷插入車身定位孔中，定位銷與向居中機構相連，確保工裝向居中定位在車身上，之后夾爪將工裝與車身向定位面夾緊，工裝固定在車身上。

圖4為工裝在車身上的定位基準示意圖。工裝在車身上有4處向定位面，定位面設置在左右輪罩的加強板上，如圖5所示，定位面設置有以下幾種方式：

(1)設置在前縱梁上 ，前縱梁上部成形凸臺定位面。

(2)設置在與前縱梁焊接的前端板上，前端板上部局部翻邊形成定位面。

(3)前端板上設置向定位孔，工裝上的向定位銷穿過定位孔實現(xiàn)向定位。

圖4 工裝在車身上的定位

圖5 Z3/Z4定位基準

前端板焊接在前縱梁上，再經(jīng)過前機艙總成焊接，定位孔及定位面易形成累計偏差，定位一致性難以保證。通過調(diào)整焊接工序，將前端板調(diào)整至前機艙總成后工位焊接，可改善誤差累計。對于前端板向定位孔的定位設計，可采用激光切割的方式提升定位精度，在白車身焊接最后工位，使用激光設備切割出定位孔，可保證向定位精度，但需要投入激光及機器人設備，投資成本較高。

工裝在車身上向定位依靠左右翼子板上的定位孔，向定位孔對稱布置，利用工裝上的向居中機構可以將前端模塊調(diào)整至兩個定位孔的正中，也有車型將定位孔布置在前端板上，這種定位方式對車體精度及穩(wěn)定性要求較高，建議采用翼子板進行對中，可以縮短尺寸鏈，提高前臉大燈、翼子板、前格柵的匹配精度。

2.3 前端模塊與車身的固定

工裝完成在車身上的定位后，工裝上的前端模塊固定單元沿著工裝滑槽向向移動，將前端模塊移至安裝位置。

前端模塊與車身的安裝接口有以下兩種形式：

(1)前端框架與防撞梁線下分裝，防撞梁安裝板側邊伸出翻邊并布置安裝孔，與前端框架向打緊。分裝后的前端模塊通過工裝定位，防撞梁安裝板與車身前縱梁的前端板貼合，左右防撞梁安裝板上各4個安裝孔，用螺栓向安裝固定，如圖6所示。

圖6 前端框架與防撞梁Y向裝配

前端框架與防撞梁向裝配有利于避免車身安裝面偏差造成的前端模塊翻轉問題，但分裝需要工裝定位，增加工裝投入成本。通過優(yōu)化防撞梁安裝板設計，增加豁口，在線下將防撞梁預掛至前端框架的銷上，前端模塊安裝時，先緊固防撞梁安裝板與前端板安裝面，再向緊固前端框架與防撞梁安裝板，可省去分裝定位工裝，同時便于前端模塊姿態(tài)的調(diào)整。

防撞梁預掛示意如圖7所示。

圖7 防撞梁預掛示意

(2)前端框架與防撞梁線下分裝，前端框架定位銷定位防撞梁，向打緊。前端框架安裝面與前縱梁的前端板貼合后，螺栓緊固，如圖8所示。

圖8 防撞梁與前端框架X向預裝

前段框架與防撞梁向緊固自定位，無須開發(fā)定位工裝，前端模塊裝配無須考慮車身及前防撞梁向開口精度，但前端模塊與車身向連接，翻轉問題難以控制，后期調(diào)試周期較長。

3 前端框架結構設計

前端框架是前端模塊各零件的支撐和安裝平臺，需要滿足各零部件安裝點的強度和剛度要求，同時前端框架也是整車結構和力學性能的重要組成部分，需要滿足整車在各種使用工況下的強度和剛度要求。在發(fā)動機艙內(nèi)復雜多變的環(huán)境下，前端框架還需滿足耐高溫，高低溫沖擊、耐老化等性能指標的要求。

最早的前端框架由鈑金件焊接而成，隨著塑料材料和工藝的發(fā)展，逐漸被塑料和金屬復合結構的前端框架取代，塑料具有可熱成型復雜結構的特點，可提高前端框架的集成度，金屬具有極好的可塑性變形特性和較高的剛度，塑料和金屬復合結構的前端框架得到了廣泛的應用。隨著輕量化需求的日益增加，全塑方案的前端框架應運而生，塑料的密度僅為鋼材的1/6，可實現(xiàn)前端框架30%的減重，現(xiàn)今全塑方案的前端框架逐漸成為各大主機廠設計的主流。

常用于前端框架的纖維增強塑料材料有玻纖氈增強熱塑型塑料片材(GMT)、長玻璃纖維增強聚丙烯(LFT-PP)、短玻纖增強尼龍(SFT-PA)。GMT材質(zhì)的前端框架由于需要模壓成型，工藝成本和設計自由度方面不及注塑級玻纖增強熱塑性塑料，因此LFT-PP和SFT-PA占據(jù)了前端框架材料市場的主流。LFT-PP和SFT-PA中玻纖含量的增加有助于材料力學性能的提高，同時也會增加材料成本，比較常用的為玻纖含量30%的LFT-PP和SFT-PA，其材料性能參數(shù)見表1。

表1 玻纖含量30%的LFT-PP和SFT-PA性能參數(shù)

相較于PP，尼龍的價格高、密度大，通常只用于耐溫性較高的場合。

3.1 塑料-金屬復合結構的前端框架

前端框架的復合結構可分為兩大類：金屬嵌入注塑和模塑后組裝。

金屬嵌入注塑是將成形好的鈑金件放入模具后注塑，塑料以加強筋的形式與鈑金結合，達到設計所需的強度，圖9為薄板沖壓形成零件輪廓然后嵌入注塑成型的前端框架。嵌入式注塑成形的前端框架整體性好，剛度高，但鈑金件防腐處理困難，注塑模具磨損大，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量達到一定規(guī)模時才具有成本優(yōu)勢。

圖9 鈑金嵌入注塑前端框架

為了增強塑料與鈑金的結合強度，鈑金嵌件需設置穿孔，以供注塑時塑料貫穿，加強筋與板件的連接邊寬度保證10～15 mm，鈑金端部覆蓋塑料，避免毛刺，提高注塑時材料的流動性，鈑金與加強筋的融合結構如圖10所示。

圖10 鈑金與加強筋的融合結構

模塑后組裝即前端框架主體結構注塑成形后，組裝鈑金件。例如，前端框架上的發(fā)蓋鎖安裝部位，需要滿足向和剛度要求，同時滿足抗壓和極限拉力測試，對結構的設計強度要求比較高，受可用空間和關聯(lián)部件結構限制，單純的注塑結構通常無法滿足強度要求，增加鈑金結構是優(yōu)化方法之一。圖11為前端框架上發(fā)動機罩鎖安裝點鈑金加強結構，加強筋增設圓柱結構并布置安裝孔，鈑金件通過自攻螺釘與安裝孔連接固定。

圖11 發(fā)動機罩鎖安裝點鈑金加強結構

模塑后組裝較嵌入注塑的模具成本低，便于售后維修拆裝，具有一定的優(yōu)勢。

3.2 全塑結構的前端框架

無論是塑料-金屬復合結構還是全塑結構的前端框架，其設計都以滿足各項性能指標、低成本輕質(zhì)為目標。在前端框架設計過程中，應該充分利用現(xiàn)有空間，優(yōu)化加強筋布置提升力學性能，盡量避免采用鈑金加強。

前端框架主體壁厚一般為3 mm，加強筋設計遵守均勻壁厚原則，厚度一般不超過主壁厚度的50%～70%。為了降低材料的充模阻力，減小應力集中，在壁的交接處及材料厚薄交接處采用圓角過渡。

常見的前端框架典型斷面有L型、U型、H型3種，如圖12所示。

圖12 前端框架斷面形式

L型斷面多用于前端框架上部和兩側，三角形筋可以增加結構的承載能力，增加貫穿于三角形筋的筋可提高抗扭轉能力，此斷面結構占用的空間較小，適用于設計空間相對不足的區(qū)域。U型斷面承載能力強，結構強度和剛度較好，需要足夠的設計空間，內(nèi)部增加對角線加強筋可提高斷面抗扭轉強度。H型斷面同U型斷面類似，但需要從兩側脫模，且不便于布置安裝點，多用于前端框架中的小加強梁。

3.3 前端框架搭載件接口設計

前端框架上的搭載件包含前大燈、發(fā)罩鎖及拉線、洗滌壺、喇叭、冷卻模塊(散熱器、冷凝器、中冷器、散熱風扇)、導風板、小腿保護支架、前格柵、前保等，搭載件的安裝點孔位盡量與脫模方向一致，避免側面開孔，增加抽芯機構，導致模具成本上升。

搭載件通常以螺接方式安裝在前端框架上。對于塑料-金屬復合結構的前端框架，通常在嵌件鈑金或組裝鈑金上焊接螺母為搭載件提供固定點；對于注塑的前端框架，通常采用嵌件螺母或拉鉚螺母為搭載件提供安裝點。

前端框架與搭載件大部分都為剛性連接，螺接或卡扣卡接即可。冷卻模塊由于質(zhì)量大且靠近發(fā)動機，振動較大，為了減振通常用橡膠墊與前端框架柔性連接，上部和下部各兩個安裝點。下部安裝采用橡膠墊過盈配合卡接在前端框架的孔中，受布置及空間的約束，前端框架上的安裝孔有直接布置在框架橫梁上的，也有在框架下橫梁上伸出支架布置安裝孔，如圖13所示。下部安裝支架既可以在框架上直接注塑成型也可以單獨注塑成型再螺接至框架上。

圖13 冷卻模塊下安裝結構

冷卻模塊上部安裝主要約束向位移，同時對冷卻模塊施加-向載荷，使橡膠墊有一定變形量，確保向限位可靠。安裝結構可采用螺接在前端框架上的支架固定橡膠墊，也可直接在前端框架上注塑楔形卡槽，橡膠塞卡接在槽內(nèi)再用螺栓緊固，如圖14和圖15所示。支架安裝由于是懸臂梁結構，不如楔形卡接結構的安裝強度高。以上兩種安裝方式只起限制冷卻模塊向位移的作用，整個模塊的質(zhì)量全靠下部安裝點支撐，對前端框架下部橫梁的結構強度和剛度要求比較高，將上部安裝點移至前端框架左右兩根豎梁上，采用懸掛安裝的方式，可降低對前端框架下橫梁結構強度和剛度的要求。

圖14 支架固定結構

圖15 楔形卡槽固定結構

冷卻模塊的安裝很大程度決定了前端框架的結構尺寸，不同平臺的冷卻模塊尺寸可能存在差異，通過合理設計前端框架結構并預留多安裝接口(圖9)，可實現(xiàn)多平臺前端框架的通用化，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

3.4 前端框架力學性能要求

前端框架既是前端模塊零部件的安裝平臺，同時也是整車的重要結構部件，對車身剛度、行人保護和整車碰撞性能有重要影響，其結構需滿足一系列力學性能要求(表2)。

表2 前端框架關鍵力學性能要求

前端框架的力學性能主要包括發(fā)罩鎖安裝結構的強度剛度、冷卻模塊和大燈安裝點的剛度、振動和機罩蓋沖擊耐久性、模態(tài)等，在滿足搭載件安裝固定的基礎上，其結構的設計優(yōu)化要以滿足力學性能要求為目標，通過有限元分析工具對設計方案進行評估，不斷調(diào)整優(yōu)化直到各項性能滿足要求。為了避免過度設計造成的結構冗余，導致質(zhì)量和成本增加，需要對前端框架的結構進行精益化設計，運用拓撲優(yōu)化技術獲得前端框架設計空間內(nèi)材料的受力路徑，通過優(yōu)化材料的分布，在受力路徑上增加加強筋，非受力路徑區(qū)域弱化結構，實現(xiàn)結構的輕量化設計。

4 結束語

隨著汽車制造技術向模塊化、集成化和輕量化的發(fā)展，前端模塊的設計也逐漸向多平臺通用化，高集成度和全塑方向發(fā)展，前端框架是前端模塊設計的核心，是前端模塊實現(xiàn)輕量化和通用化的關鍵，其結構不僅要滿足搭載件的布置安裝同時也要滿足各項力學性能要求，在設計過程中利用有限元分析工具，對結構進行優(yōu)化可實現(xiàn)精益化設計。文中詳細介紹了前端模塊的構成及裝配定位，對前端框架的結構設計及力學性能要求進行了分析，為前端模塊設計提供借鑒和參考。