发动机舱前端模块优化设计分析

赵翔

摘 要：针对目前在汽车工业领域得到广泛应用的发动机舱前端模块，在简述前端模块性质和特点的基础上，对其设计、结构分析与优化进行深入分析，为这一模块的实际应用，并发挥出应有作用效果奠定良好基础。

关键词：发动机舱；前端模块；模块优化设计；结构分析

汽车工业不断发展对整车设计提出了很高的要求，在这种情况下，模块化设计成为整车设计与生产的重要内容和趋势，通过对模块化设计的应用，能在保证设计便利性和合理性的基础上，减少成本。然而，在设计过程中，为保证模块化设计发挥应有作用效果，需要进行必要的结构分析，使设计达到最优化。

1 概述

当前针对模块化这一概念还未形成公认且统一的定义，不同文献资料对其的定义都不相同。从较多文献资料看，对于模块化设计，主要指的是在设计过程中将整车按照不同的功能分为若干相互独立的不同模块，各模块上集成不同的零件及其总成，且模块间联接采用固定模式，能防止由于零件及其总成的改变而发生变化，装配过程中可将模块为基础进行装配。对汽车行业而言，为有效降低成本，不断增强竞争力，基于模块化的设计与生产是当前主要趋势，然而由于受到技术等方面的制约，使汽车行业中的模块化仅实现了前端模块，也就是散热器框架，正广泛用于实车的生产过程中，很多车型都采用这一模块，如MINI、cerato、POLO、All New Passat、GOLF、Seat Ibiza、Audi A4、Mercedes-Benz Vito/Viano、HYUNDAI ix35、Audi Q7、Renault S.A.koleos、Porsche Panamera等[1]。

现有文献资料对前端模块开发给出了一定说明，比如采用前端模块对汽车进行组装具有的优势特点和未来发展前景；提出一种全新材料，即GMT，即玻璃纤维增强热塑性塑料（glass mat reinforced thermoplastics），及其在前端模块当中的实际应用和优势特点。无论是从研究还是实践上看，前端模块是一个必然趋势，尤其是改款车型，利用这一模块能充分体现出设计和成本方面的优势。对于散热器框架，将其按照整体模块进行设计和车身实施组装，以不同的类型及改制方案为依据，可设计出不同的模块。如此一来，在改制过程中，仅需对模块进行更换，就能解决散热器框架在刚度上无法满足要求的问题，实现降低改制成本的目标。

2 模块设计

2.1 边界条件

对于前端模块，它主要涉及到车身结构件，另外还包括内外饰、动力与电器系统：

（1）车身系统：①机舱纵梁，和模块之间相连，为模块的安装提供点位，起到保证安装强度的作用；②前横梁，确定与模块或其纵梁之间的连接方式；③下前横梁，模块应提供可对前横梁进行安装的点位；④发动机罩，提供配合间隙与缓冲块的可靠支撑点[2]。

（2）内外饰：①前保险杠，模块应提供可保证保险杠顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求；②前格栅，模块应提供可保证前格栅顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求；③发动机罩锁，模块应提供可保证发动机罩锁顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求；④机底护板，模块应提供可保证机底护板顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求；⑤导风板，模块应提供可保证导风板顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求；⑥装饰板，模块应提供可保证装饰板顺利安装的点位。

（3）动力系统，主要为水箱和风扇，模块应提供可保证水箱与风扇顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求。

（4）电器系统：①前组合灯，模块应提供可保证前组合灯顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求；②电喇叭，模块应提供可保证电喇叭顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求；③冷凝器，模块应提供可保证冷凝器顺利安装的点位，以此满足安装强度方面的要求。

冷却系统中，三个方向上的尺寸为800mm、750mm和500mm，和模块之间由四个安装孔相连。模块上安装孔处在金属安装支架，而下安装孔则和钣金结构相同。对于安装支架，它由螺栓螺母结构和模块本体相连，这一结果的作用在于符合系统的装卸要求。因大灯支架和车型造型与大灯配置之间有密切关系，所以模块不涉及大灯支架，需要为大灯支架预留足够的安装孔，为满足各类车型要求提供便利。模块和纵梁之间的安装结果和钣金件一致。对于行人保护装置，其具体节后应以造型设计为依据，按不同车型形状进行不同设计。为切实满足实际需要，在下横梁处为行人保护装置留设足够的安装孔[3]。

2.2 模块性能要求

模块设计过程中，需要充分考虑以下性能要求：（1）材料性能：对机械性能与抗老化性能进行检查；（2）刚度测试：包括冷却模块及机罩锁等的安装点位；（3）强度分析：测定机罩锁的安装点位的强度，并对机罩的冲击力进行分析，明确所有安装点位的强度。对于机罩锁的具体安装点位，应达到3500kN以上；（4）振动测试：即动刚度的测试，在环境箱中对整车的振动测试进行模拟，并对模块予以整体检测。测试时，环境箱的温度应保持在-45℃-180℃范围内；（5）碰撞性能：需由主机厂进行分析和确认。

2.3 重量与成本分析

对于前端模块，其一般為采用塑料材质的结构件，所以汽车通过对这一模块的应用，能使汽车实现轻量化的目标；此外，作为一个完整的整体，对前端模块进行设计的过程中，不同系统之间的搭接部位应实现通用化，以此减少开发的成本。

（1）质量：①减重比例，模块的重量和钣金材料框架相比，应减少30%-50%；②零件质量，对于采用塑料材质的模块，其质量大多处在3-4kg范围内[4]。

（2）成本：①单件成本，因模块的原材料价格比普通塑料高40%，所以其单件成本和钣金框架没有太大差别；②综合成本，因钣金件有很多零部件，所以必须对检具、模具和夹具进行单独开发，而且还投入用于焊接、运输和人工的成本，使钣金框架的综合成本比采用塑料材质的模块高很多。

3 结构分析

将前端模块设计好以后，应先开展CAE分析，其内容包括：（1）强度分析，可对强度造成影响的因素有：机罩的冲击力、锁扣的紧固力；（2）整体刚度分析；（3）基于安全乘员保护的碰撞吸能性能的综合考虑与分析。其中，刚度分析结果为：X向强度符合600N/mm要求，Y向强度符合250N/mm要求，Z向强度符合600N/mm要求；锁扣锁紧力的分析结果为：当Z向的受力保持在1500N时，锁扣发生的最大位移在2.51mm左右，由于比8mm小，所以符合相关标准；机罩冲击力的分析结果为：发生的最大位移比关键间隙的2/3小，符合相关标准[5]。通过对保护性能作出的分析可知，金屬部分能吸收总能量1.5%的能量，而采用塑料材质的模块，能吸收总能量1.2%的能量。对气囊感应器进行触发分析后可知，金属与塑料两种材质对应的触发速度和加速度没有太大差别，而且塑料不会影响正常触发。

对于试验验证，其重点在于强度试验，比如对机罩的冲击力进行试验和对锁扣的紧固力进行试验。其中，对锁扣锁紧力进行的试验时，其试验基本条件为：（1）跌落高度取450mm；（2）质量取10kg；（3）在-40℃、23℃和100℃三种温度下，分别进行发动机盖五次自然跌落。试验结果为无明显破裂，属于弹性变化，且最大应力小于许用应力2/3。同时对机罩的冲击力进行试验，其结果同样满足相关要求。

4 结论

经过以上对车辆前端模块作出的深入分析，结合实车生产相关经验，对前端模块而言，它主要具有下列几个优势特点：

（1）能有效降低系统及人工的成本，并减少各工序和场地等的占地面积，使整车厂的实际生产与管理都得以有效简化，有效提高实际的工作效率。

（2）经系统的专业化设计，是集成达到最优化，减少所有误差，包括零件的数据误差、质量误差及尺寸误差；另外，还能大幅减少夹具及模具的研究和开发成本。

（3）通过对模块化集成的合理应用，能使结合连接达到标准，并使接口达到统一，为平台车型实现互换性及通用性创造良好条件。

参考文献：

[1]黄玉东，赵明慧，高志纯.前端模块总成装配方案优化设计[J].汽车工艺与材料，2016（12）：20-21.

[2]阚洪贵，唐程光，李铁柱.基于Optistruct的全塑汽车前端模块拓扑优化设计[J].汽车实用技术，2017（16）：99-101.

[3]罗亚伟，张建操，刘彤.某发动机前端轮系优化设计[J].汽车实用技术，2017（15）：129-131.

[4]袁侠义，彭丽娟，陈林.某SUV车型前端结构对冷却模块风量和内流阻力的影响分析[J].汽车技术，2015（7）：4-9.

[5]冯燕燕，李义林，王丽华.汽车前端冷却模块降温性能模拟试验研究[J].汽车科技，2015（2）：18-22.