汽车轻量化之前端模块

2016-05-30刘立涛曹金鹏公海星

时代汽车 2016年1期

关键词：轻量化

刘立涛曹金鹏公海星

摘要：本文主要针对汽车前端模块化问题，提出了在模块化中使用塑料前端框架（Carrier），降低车身重量的方案。文中重点以某车型前端框架设计为例，介绍前端框架的设计及 CAE分析成果。以期能够起到降低车身前端

重量，达到平台化应用的目的。关键词：轻量化；前端框架；CAE分析

1 概述

1.1 开发背景

汽车的电动化，轻量化以及智能化是当前汽车产业面临的三个重要方向，节能、安全、环保是汽车产业发展永恒的三大主题。据预测，到 2020年我国汽车将突破 1.5亿辆，年耗油量将突破 2.5亿 t [1]。工信部乘用车百公里 6.9升的第三阶段油耗限值标准于 2014年 1月 1日起全面实施，到 2020年乘用车企平均油耗将降至每百公里 5升，油耗标准日趋严苛 [2]。因此，轻量化是未来技术发展走向之一，市场影响举足轻重。

汽车轻量化的指导思想是在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱，其主要途径有 3个方面 [5]，分别是：

（1）汽车主流规格车型持续优化，降低耗材用量。

（2）采用先进轻质材料。

（3）优化结构设计。

以汽车前端模块（ Front End Module， FEM）为例，其由多个部件的总成 [4]构成，包括前向照明系统、散热器和冷却风扇、空调冷凝器、格栅口加固板、吸撞缓冲区、带有装饰面板的保险杠、车前盖锁闭系统、雨刷喷水瓶，以及各种电子组件和线路布置等，具有组件多、重量重的缺点 [6]。对此，在前端中引入轻质材料如塑料进行减重效果明显。然而直接采用以塑代钢的思路和方法在实际实施过程中却困难重重，因为塑料结构很难达到与金属前端相同级别的刚度、强度和抗冲击性能，难以保证前端模块的可靠性和耐久性能。以塑代钢必须以合理的结构设计、安装定位方案的应用作为支撑。近年来，兴起的模块化的设计和组装带来了汽车前端设计新的契机，也为汽车轻量化进一步发展带来革命性的变化 [3]。

经调研，自主品牌现有车型尚未采用前端模块。本文拟在未来开发车型中推荐使用塑料前端框架，以达到车身轻量化，供货模块化，生产平台化的目标。

1.2 开发目标

本文以某车型前端模块中前端框架的预研成果为基础，以 PP+LGF30代替传统材料，依托设计、 CAE分析等手段探讨在前端框架轻量化技术。本文所述项目的实施目标为：在某车型上使用前端模块，利用塑料前端框架，达到车身前端轻量化及平台化的目标，其中，前端框架减重目标 3kg-5kg，减重率约 35%，平台化目标为在不大规模变动前端框架的基础上，能够在某及后续车型上共用一款前端框架。

如表 1所示，使用前端模块，有望从重量、工艺、成本、供货模式等方面对车身前端进行改善。其中前端框架能够减少零件数量约 21个，减少钣金件数量，减重约 35%，减少总装线工位约 11个，同时减少总装工序数量、零件数量、模具数量等，改善物流供货模式，减少物流运输费用。

1.3 项目实施方法描述

在某项目预研中，涉及前端框架的调研及设计工作，在此工作的基础上，对调研和设计

2 前端框架设计

2.1 边界输入及材料选择

由于前端框架是前端模块总成的主要支撑部件，其具有环境件多、变形量大、力学性能要求高的特点，因此在设计前期，需要整车厂输入设计所需的边界数据，如表 2所示。

依据具体项目不同，所需边界数据可能会有所变化。

为达到轻量化目标，本项目采用以塑代钢的方法降低前端框架的重量，同时，为保证其力学性能不受影响，采用 PP+LGF30为塑件材质进行设计。

2.2 前端框架造型设计

前端模块的整体定位对于框架的设计至关重要，包括集成部件、在整车组装工序中的序列等。

3.2 最大下坠量及应力分析建模

对于装配在车辆上的 Carrier确认模态形状下的自然共振频率，进行 CAE分析。建模： Carrier 及 Hang-on Parts 有限元建模（弹性系数，泊松比，密度采用相应的规格，密度可为了实际重量进行调整）。整体重量：已建

3 CAE分析

3.1 最大下坠量及应力分析建模

为确认装配在车辆上的 FEM的 Carrier的最大下坠量及应力，进行 CAE分析。建模： Carrier 及 Hang-on Parts 有限元建模（弹性系数，泊松比，密度采用相应的规格，密度可成的有限元模型满足实际重量，同时也反映 Coolant等部品的重量。界限条件：拘束装配在 BIW的 123456部位（如图 6）。荷重条件：

4 项目总结

4.1 项目成果