基于CAE的重卡发动机舱盖板冲压件产品结构设计浅析

汤 敏

（安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230601）

从重卡驾驶室仪表台区域强度和驾驶室整体强度考虑，目前有一种重卡的发动机舱盖板设计为冲压钣金件，而传统设计此处结构一般为注塑件。这种用钣金件代替注塑件的设计，会给制造工艺带来以下问题：首先此件需要做到所有搭接缝隙密封；用冲压工艺代替注塑工艺，多处位置冲压开裂、起皱需要重新设计；重新设计的冲压件需要避让发动机和内饰部件，其空间造型受到多处约束。在产品内造型设计阶段对冲压件实现的可行性以及冲压加工的经济性等方面需要系统考虑。

在产品初始讨论阶段就能从冲压工艺优化的角度，提出此件产品结构的合理化建议。从源头上解决此件以钢代塑产生的质量问题，同时还可以确保作为冲压件带来的重卡驾驶室仪表台区域刚度的提高和驾驶室整体力学性能的提高。

1 结构设计简介

本文所述结构，为了解决以上问题，从源头上约束重卡的发动机舱盖板的产品工艺结构。降低发动机舱盖板结构不合理所带来的成本、周期风险。本设计通过冲压CAE分析发动机舱盖板可能发生的成形质量问题反向推导，并采用冲压、焊接两专业联动的思路，开发出一种综合的、合理的结构约束参数。将传统工艺条件下重卡的发动机舱盖板产品结构不合理而导致的风险尽可能降到最低，同时避免由此引发的项目开发瓶颈。

本文所述重卡发动机舱盖板冲压件产品结构设计关键在于，包括分件方式、二级台阶尺寸、拔模角度、吸皱筋等要素的设计，包括分件后的焊接密封性校核，包括空间避让的校核。

本文设计难点在于此结构充分考虑了发动机舱盖板以钢代塑质量问题的解决；同时考虑到发动机舱盖板密封功能的实现；最后，该结构必须同时兼顾冲压的模具强度、模具受力均衡、冲压成本等。

2 结构设计

2.1 主要结构名称

如图1所示为该产品结构相关视图。

2.2 详细结构设计

结合图1结构示意图，本文所设计结构与普通发动机舱盖板相比，主要有以下特点：①材质设计发动机舱盖板以钢代塑，保证了此驾驶室和仪表台的力学性能；②发动机舱盖板改为冲压件，首先根据宽高比分析必须分件；③发动机舱盖板分件以后仍需做出多处工艺优化以解决开裂、起皱等质量问题；④解决发动机舱盖板以上问题的同时，必须充分考虑车身密封性、模具寿命和模具成本等因素。

图1 产品结构示意图

结合如图2所示冲压件成形FLD图，介绍本产品结构在设计过程中所运用的原理。发动机舱盖板材料以钢代塑，在冲压工艺设计中识别出三大难点：①零件宽高比很小，且多处存在复杂造型，现有钢材库里找不到一种材质可以达到如此高成形性；②此件原先按照注塑件工艺进行设计，多处无法满足冲压工艺造型要求；③此件为分割发动机舱和驾驶室的关键部件，因此对于密封的要求特别高，这就要求在方案设计时将密封作为关键要素考虑。

图2 冲压件成形FLD图

为此，必须从发动机舱盖板分件方案优化、冲压工艺造型优化、典型特征尺寸优化等方面来考虑。首先，必须保证分缝密封性、冲压可行性和冲压后的制件质量；其次，要考虑发动机舱盖板内外两侧安装件的空间避让；最后，要考虑模具受力均衡和模具成本可控。

具体设计过程中，发动机舱盖板分为左右两件，其分缝位置如图1b所示，其约束条件就是使左右件分开后可以拉开距离冲压以及旋转单独零件的冲压角度，根据需要增加宽高比和适当调整拔模角度，同时以此路径分缝可以保证焊接工艺性和焊后密封性；在完成左右件分开后，再设计二级台阶和吸皱筋，再配合冲压压边圈的随形设计[1]，可以有效解决冲压成形中导致的起皱、开裂问题，如图2所示；在设计特征6、7、8、9、10、11 时，需要兼顾发动机舱安装件的空间，也要考虑驾驶室内饰件的安装空间，具体参数为结合冲压CAE分析和产品干涉校核得出，通过本文的具体分析得出二级台阶和吸皱筋的推荐参数。按照以上方案设计，对于改善重卡的发动机舱盖板冲压件设计材质以钢代塑产生的质量问题较为有效，同时发动机舱盖板冲压件密封性、模具寿命和模具成本均达到目标。

以上就是本设计结构的具体内容，且以上分析效果在实物调试过程中均得到很好的体现，基本符合设计预期值。

3 结果分析

根据当前的设计趋势，重卡的发动机舱盖板是用于隔绝发动机舱和驾驶室空间的重要零件，由于形状复杂，一般按照注塑工艺进行设计。而这种设计在当前技术条件下存在驾驶室整体力学性能不过关和驾驶室仪表台区域模态不过关的问题，而以钢代塑新工艺可提高其自身强度。但由于该件承担着隔离发动机舱和驾驶人乘坐空间的作用，因此NVH必须达标。同时此件内外两侧分别是发动机总成和内饰相关装配件，存在装配干涉风险，需要综合考虑。

对于重卡的发动机舱盖板，由于承担着密封的重要功能，因此形状复杂，冲压工艺性较差。由于安装空间的需要导致此件相对深度超过了现有板材的拉伸极限，复杂的形状给冲压工艺造成进一步风险。单纯从现有冲压工艺学的角度来优化，空间非常有限，除非发动机和内饰件做出很大让步，而且整体力学性能也很难达标。

本结构设计可使重卡的驾驶室整体力学性能和仪表台刚度得到有效提高；可使重卡驾驶室NVH性能效果得到先期保证；对于重卡的发动机舱盖板在保证品质不降低的前提下，可以顺利实现以钢代塑，实现材质应用的突破；重点针对重卡的发动机舱盖板冲压件，为重卡产品内造型评审阶段和典型断面阶段提供了重要的工程约束条件，大大降低了实物调试阶段变更导致的一系列关联件的重大变更，对整车项目QCD风险管控意义重大。

4 结论

本结构设计的关键在于成功实现了以钢代塑所带来的驾驶室和仪表台力学性能的提高，并非通过实物调试的各种变更来解决，而是通过冲压工艺与焊接工艺联合分析，充分利用两个工艺的特点，巧妙组合来实现目标。另外本文在解决以钢代塑常见质量问题时，通过分析发动机舱盖板的冲压成形质量问题的解决办法，首先识别出此问题的相关制约因素，找到主因和次因，然后将主次因转化为对成形极限、典型断面进行分析。

利用冲焊联动的方式分析，同时借助冲压CAE不断优化的典型断面来控制各个问题的发生程度，最终调整到一个最优的冲焊联接方式和最优的典型断面组合，使各方面问题得以成功解决。本领域技术人员很容易利用本文思路和参考数据指导类似重卡的发动机舱盖板冲压件结构设计，以实现重卡驾驶室力学性能和规避重卡发动机舱盖板冲压件质量风险。

多专业交叉联合分析的方法在合资品牌汽车厂的应用较多。随着汽车行业竞争的日趋白热化，主机厂受到来自产品性能、成本的各方面压力越来越明显，本文先进技术的导入和应用将为解决汽车制造疑难问题提供又一手段。