某车型前端模块设计和平台化构想

苟金远 刘烨 周文斌

摘 要：在目前的汽车行业情况下，轻量化和平台化是汽车整车设计与生产的重要内容和趋势，前端模块结合了新材料应用和模块集成两个概念，具体有整车轻量化和平台化的先天优势。

关键词：前端模块;设计开发;轻量化;平台化

1 引言

轻量化主要是基于环保和节能的考虑，在保证汽车各项性能的前提下，尽可能的降低汽车的重量，汽车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;平台化主要是基于可靠性、开发成本和周期的考虑，通过模块化、系列化、通用化设计，不同尺寸、类型车辆可采用相同的结构或者相同零件。可以有效降低开发风险提升可靠性，缩短开发周期，有效降低开发成本和零件成本。前端模块总成结合了轻量化和平台化优势，是整车前端零件结构设计趋势。

本文以某SUV车型介绍此前端模块总成的设计过程及平台化构想。

2 前端模块设计开发

本车型前端模块主要集成有前端框架、前防撞梁、散热器、中冷器、冷凝器、发罩锁、喇叭、线束等零件。同时提供前端各系统安装点要求，如前蒙皮系统、前照明系统、冷却管路等。以下从五个方面阐述前端模块的设计开发过程。

2.1 材料和工艺设计

传统车型前端框架采用钣金结构，由水箱上/下立柱、上弯梁、下弯梁等多个钣金件通过焊接和螺接形成连接，合计10～20个冲压件，重量约有7千克。前端区域相关总装件在厂内总装线上逐个装配。

新设计前端框架通过多车型对标及新材料试验研究，设计上材料采用PP-LGF30，制作工艺为整体一体注塑，安装点位置采用铆接螺母。同时调整前端的部分总装件到前端框架上装配形成前端模块总成，如散热器、中冷器、冷凝器、发罩锁、喇叭、前防撞梁等零件。

2.2 设计输入和要求

接口要求：提供各系统零件安装要求，相关零件如图1系统框图。

性能要求：满足整体刚度模态要求，前端模态

满足各系统安装强度和刚度，主要发罩锁刚度和强度

满足关键安装点动刚度要求，如散热器安装点、碰撞传感器安装点

工艺要求：设计面向制造，在前端模块设计开发过程主要考虑前端框架注塑件的注塑工艺要求、相关总装件安装方式和装配空间要求、同时考虑装配后前端模块具有良好的尺寸精度。

2.3 框架整体设计

常见塑料前端框架主要有如下两种模型结构，其各自结构和优缺点如下：

a、八字梁结构：如图2，八字梁结构撑连接前端框架与防撞梁固定点和发罩锁安装位置，加强前端框架整体刚度和发罩锁位置刚度和强度，此结构前端框架整体刚度和模态更高，结构稳定，注塑尺寸容易控制，零件数量少;

b、中立柱结构：使用中立柱连接防撞梁和发罩锁安装点。发罩锁刚度和强度更容易满足要求，但由于框架整体为矩形，前端框架相对刚度模态偏低，同时注塑后收缩不稳定，需要前期多次分析和调整。

本车型前端框架设计选用中立柱结构。前端框架整体为矩形，由上/下横梁和左右立柱构成，发罩锁安装区域通过钣金中立柱连接发罩锁和前防撞梁，有效满足发罩锁安装各项刚度和强度要求。设计上对横梁与立柱连接接头位置通过设计三角筋加强连接刚度。布置上将对刚度和动刚度要求高的零件布置在立柱上并靠近前端框架与放撞梁连接部位。

2.4 局部安装结构设计：

1）散热器安装结构：传统车型散热器主要通过前端下横梁承载散热器，对散热器下横梁上安装点刚度和动刚度要求高，由于塑料前端框架下点距离框架固定点远，框架横梁截面高度尺寸小（受车辆接近角影响），前期设计通过多轮优化均不能满足散热器动刚度要求。为提高动刚度，设计将散热器主要承载点调整到前端框架立柱上，并靠近框架固定点，同时下点调整为辅助限位点，仅限制器前后和左右方向。按此结构优化后动刚度值提升明显。

2）发罩锁安装结构：本车型采用了钣金中立柱结构，结构设计为发罩锁安装螺栓依次穿过钣金中立柱和发罩锁然后固定到前端框架上，有效提供发罩锁安装Z向刚度和强度。

3）其他安装结构：大部分采用螺栓连接结构，前端框架上使用M6/M8的六角拉铆螺母，增对受力要求相当高的地方前端框架局部加厚，同时合理布置筋条，保证各系统安装的可靠性。

2.5 分析和试验验证

在设计前期运用CAE模拟，将前端框架划分为片体网格。分析整体刚度模态、强度、整车碰撞性能、各安装点相关性能等。通过多方案优化最终锁定前端框架截面，然后开始局部筋条优化设计及分析最终锁定开模数据。

样车制造阶段，在实车上对前端模块各项性能要求，一一对应实际实验，例如发罩锁刚度测试、发罩开关耐久测试、碰撞传感器测试、搭载整车进行结构耐久等等。

3 前端模块平台化构想

前端模块已实现了前端结构模块化集成，具有先天平台化基础。初步构想从如下三方向提供零件共用率，减少零件种类，实现前端模块平台化。

1）结构和布置统一化：结构和布置的统一是平台化的基础。在前期设计中需要尽量考虑各种车型需要，选择合适的布置位置和安装结构，将安装结构和布置位置的统一。有效保证设计可靠性和延续性，同时可以降低开发风险。例如散热器采用统一的水箱结构，与车身安装点和方式也统一;中冷器均布置在防撞梁下方，与前端模块通过4颗螺栓前后方向连接，发罩鎖与散热器相对位置（限制造型发罩分缝特征和位置）。

2）设计尺寸序列化：每个主机厂对应有多个尺寸车型，多种动力配置，综合考虑相关因素，分析组合情况，分析前端框架尺寸带宽。设计选择两到三组尺寸的前端模块总成满足各车型尺寸和动力配置要求。

3）结构预留调整空间：针对同尺寸车型，不同形式的车由于定位和总布置参数不同，前端模块零件布置可能存在多种位置，其主要影响因素有前悬长度、接近角、造型发罩分缝位置等等。前期设计上分析整理出同平台车型X、Z方向的尺寸序列，通过讨论和调整尽量压缩组合数量，限制布置和造型。通常同尺寸大小的车型前端模块相对于前大梁位置X方向预留两组，Z向预留两种或者三种位置。设计上在前端框架和前防撞梁上预留出多组孔位，通过调整前端模块与防撞梁的装配关系，实现前端模块总成的各个位置组合。

通过如上三个方向，理想情况下可设计3种同结构形式前端模块总成满足各种大小、类型车型需求。同时内部子零件可以共用或者系列化，最大限度实现前端相关零件的平台化。可以有效降低开发风险提升可靠性，缩短开发周期，降低开发成本和零件成本。

4 结论

本车型通过使用前端模块化设计，材料选择以塑代钢，实现减重45%，零件是从13个减少到2个。前端模块结构实现前端零件的集成装配，减少总装主线上的零件数量。前期设计开发过程中充分考虑平台化，采用相同的结构和布置，设计序列化尺寸前端模块，同时结构设计上预留前端模块调整空间，实现不同类型不同大小车型前端模块的平台化设计。有效降低开发风险，提升可靠性，缩短开发周期，同时可有效降低开发成本和零件成本。