汽车前端模块的设计

收稿日期：２０１８－０１－１６
作者简介：丁志勇（１９７２ ），大学本科，工程师，主要从事汽车车身部件的研发㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｙｄｉｎｇ＠ｊｍｃ ｃｏｍ ｃｎ㊂
ＤＯＩ：１０ １９４６６／ｊ ｃｎｋｉ １６７４－１９８６ ２０１８ ０５ ００７
汽车前端模块的设计
丁志勇，刘倩倩，万朝华，王永森，丁林根，王林
（江铃汽车股份有限公司，江西南昌３３０００８）
摘要：依据集成度不同，对汽车前端模块进行分类㊂以某车型前端模块为例，重点阐述其材料选择㊁结构设计和强度㊁刚度分析等，对今后前端模块的设计具有一定的指导意义㊂
关键词：汽车前端模块；材料选择；结构设计；力学性能
中图分类号：Ｕ４６㊀文献标志码：Ａ㊀文章编号：１６７４－１９８６（２０１８）０５－０２９－０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＦｒｏｎｔ⁃ｅｎｄＭｏｄｕｌｅ
ＤＩＮＧＺｈｉｙｏｎｇ，ＬＩＵＱｉａｎｑｉａｎ，ＷＡＮＺｈａｏｈｕａ，ＷＡＮＧＹｏｎｇｓｅｎ，ＤＩＮＧＬｉｎｇｅｎ，ＷＡＮＧＬｉｎ
（ＪｉａｎｇｌｉｎｇＭｏｔｏｒｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＮａｎｃｈａｎｇＪｉａｎｇｘｉ３３０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｇｒｅｅｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｆｒｏｎｔ⁃ｅｎｄｍｏｄｕｌｅｗａｓｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｆｒｏｎｔ⁃ｅｎｄｍｏｄｕｌｅｏｆ
ａｖｅｈｉｃｌｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｒｉｇｉｄｉｔｙａｎａｌｙｓｅｓｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｍａｉｎｌｙ，ｗｈｉｃｈｈａｄｓｏｍｅｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔ⁃ｅｎｄｍｏｄｕｌｅｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｆｒｏｎｔ⁃ｅｎｄｍｏｄｕｌｅ；Ｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
０㊀引言
随着汽车工业的飞速发展和社会对环境问题的日益重视，提高车辆燃油经济性和降低排放的相关法规陆续出台，这对汽车制造和后处理技术提出了更高的要求㊂汽车零部件日益向轻量化㊁模块化方向发展，为整车轻量化和节能减排注入了原动力，其中，前端模块便是研究应用的重要课题之一㊂ 以塑代钢 前端框架具有突出的减重㊁防腐和提高驾驶操控性能的优势，而且前端模块作为一个整体在总装主线组装，不仅可以提高零部件组装精度，也减少了汽车主机厂的安装工时和对零部件的分区管理㊂
１㊀集成度分析
前端模块所能集成的构件内容和数量，会因汽车生产商的要求和前车身的设计而差别很大［１］㊂如图１所示，现主流集成形式共３种：（１）集成散热器总成㊁机盖锁（图１（ａ）所示的低度集成）；（２）集成散热器总成㊁机盖锁㊁大灯㊁防撞梁（图１（ｂ）所示的中度集成）；（３）集成散热器总成㊁机盖锁㊁大灯㊁防撞梁㊁前保险杠（图１（ｃ）所示的高度集成）［２］㊂集成度越高越能充分发挥前端模块轻量化㊁装配效果好㊁节约工时等诸多优势，但主机厂亦需提升相配套的制造工艺和安装工装，以保证安装精度，一般采用从低到高循序渐进设计应用的思路㊂现以某款车型的开发为例，设计低集成度的前端模块㊂散热器总成及机盖锁借用原基础车型，重点对塑料主体框架设计㊁模块安装方式及刚度㊁强度等进行分析
㊂
图１㊀不同集成度前端模块
２㊀前端模块主体框架材料选用
作为汽车前端模块的核心部件，前端主体框架不仅要放置多个次模块和部件［３］，也是轻量化的主体㊂该车型原钣金框架质量约为７ ５ｋｇ，计划采用塑料材质达到减重３０％ ４０％的目标㊂ＰＰ是目前所有塑料中最轻的品种之一［４］，但收缩率和各项力学性能无法满足前端模块的设计要求㊂采用由长玻纤增强的ＰＰ材料通过整体注塑成型得到的支架，其强度高㊁耐冲击性能好㊁耐高低温性能优异，同时成本也比较低［５－６］㊂
现采用加入４０％长玻纤的ＰＰ材料，材料基本属性如表１所示㊂
表１㊀前端模块材料物性表
密度／（ｇ㊃ｃｍ－３）
１．２２弹性模／ＭＰａ
５３００泊松比
０．３４
许用应力／ＭＰａ８６
３㊀结构设计
３ １㊀主框架结构设计
依据周边环境件及自身结构强度设计了如图
２所示的前端
模块㊂主体框架基本厚度３ ０ｍｍ，基本筋厚２ ０ｍｍ，质量约
４ ５ｋｇ，达到了预期减重目标㊂
图２㊀前端模块结构
３ ２㊀模块内部安装方式确认
前端模块内部安装和运输可以由供应商负责，也可以在主
机厂边线同步进行，从安装效率和效果来讲前者更具优势，为很多合资品牌所采用，但是目前大多数自主品牌主机厂为了节
省安装和运输费用普遍采用后者㊂以目前主机厂普遍采用的自行组装为例介绍某车型前端模块内部安装方式㊂
步骤一，安装机盖锁㊂
如图３所示，将机盖锁通过３个Ｍ６的螺接安装在前端模块主体框架㊂
图３㊀安装机盖锁
步骤二，固定冷却模块下端㊂
如图４所示，将冷却模块安装支架过盈紧套于冷却模块，沿Ｘ方向整体倾斜向主体框架靠近㊂如图５所示，使得处冷却模块下端缓冲垫先深入主体框架固定孔㊂
步骤三，固定冷却模块上端㊂
沿冷却模块下端Ｙ轴为轴线翻转冷却模块，使其直立，如图６所示，打紧区域Ｆ处冷却模块安装支架处螺栓，即固定散
热器总成上部４个安装点㊂
图４㊀安装冷却模块支架
图５㊀
安装冷却模块下端
图６㊀固定冷却模块上端
４　主要力学性能分析
由于主体框架为机盖锁和冷却模块提供安装位置，为确保整体满足长期工况使用要求，有必要对其强度和刚度进行分析㊂
如图７所示，边界条件：将前端框架与白车身相连接的位置全自由度约束
㊂
图７㊀全约束前端框架
４ １㊀机盖锁强度
如图８所示，在主体框架机盖锁扣处＋Ｚ向施加３５００Ｎ的
载荷㊂如图９所示，主体框架应力分布云图显示断裂强度为
６２ ７ＭＰａ，小于材料许用应力８６ＭＰａ，故散热器支撑区域是安全的
㊂
图８㊀机盖锁扣加载力
图９㊀主体框架应力分布云图
４ ２㊀散热器刚度
如图１０所示，在主体框架冷却模块下端安装处沿－Ｚ向施
加３００Ｎ的载荷㊂如图１１所示：冷却模块下端安装处主体框架变形量０ ５１ｍｍ，对应刚度５８８Ｎ／ｍｍ＞３００Ｎ／ｍｍ，故散热器区域刚度满足要求
㊂
图１０㊀
冷却模块下端处施加力
图１１㊀主体框架变形云图
５㊀总结
轻量化和模块化是汽车工业发展的方向，前端模块是重要研究课题之一㊂模块化可以将零件集成后整体安装于车身，省去总装主线安装工时，同时可以提高安装精度，并且集成度越高㊁优势越明显㊂前端主体框架承载模块上其他部件，并且在材料和结构上可以优化设计达到进一步减重的目的㊂仿真模拟可以提前预测模块是否满足各项使用工况㊂不仅如此，前端框架在未来不同车型的平台化应用可以减少开发资源和费用，具有良好的发展前景和社会效益㊂
参考文献：
［１］赵高明．前端支架的模块化发展［Ｊ］．汽车与配件，２０１０（Ｚ１）：
３５－３９．
ＺＨＡＯＧＭ．ＭｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＦｒｏｎｔ⁃ｅｎｄＢｒａｃｋｅｔ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ＆Ｐａｒｔｓ，２０１０（Ｚ１）：３５－３９．
［２］刘振高，史强．汽车塑料前端模块设计思路研究［Ｊ］．中小企业管
理与科技（下旬刊），２０１５（１０）：２５５．
［３］蒋鼎丰．ＧＭＴ汽车前端模块框架制造技术［Ｊ］．汽车与配件，２００６（４９）：３０－３１．
［４］张玉龙，石磊．塑料品种与选用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１１．
［５］薛敏．用于汽车部件的含长玻璃纤维的聚丙烯母料［Ｊ］．现代塑
料加工应用，２００９（１）：４５．
［６］周晓东，王秋峰．高性能热塑性复合材料在汽车领域应用的主
要问题［Ｊ］．纤维复合材料，２００７，２４（１）：３－７．
ＺＨＯＵＸＤ，ＷＡＮＧＱＦ．ＴｈｅＭａｉｎＰｒｏｂｌｅｍｓｏｆＥｘｔｅｎｄｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＴｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ［Ｊ］．ＦｉｂｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２００７，２４（１）：３－７．ＵＦＩ集团亚太区总部办公室喜迁新址，
开启在华发展新篇章
㊀㊀过滤系统制造商ＵＦＩ集团亚太区总部办公室于２０１８年
５月１６日喜迁新址㊂新办公室坐落于上海西虹桥商务区，办公面积２０００ｍ２㊂ＵＦＩ集团首席执行官ＲｉｎａｌｄｏＦＡＣＣＨＩＮＩ先生㊁ＵＦＩ集团亚太区首席运营官ＬｕｃａＢＩＡＧＩＮＩ先生莅临乔迁仪式，开启企业在华发展新篇章㊂
全新办公室临近地铁１７号线蟠龙路站，采用开放式办公环境，可容纳销售㊁产品管理㊁研发㊁物流等１１个核心部门，同时该办公室还将担任亚太区总部功能，为亚太区其他地区的同事及访客提供临时办公服务㊂
（来源：俞庆华）。