汽车前端模块专用运输料架设计

刘 淅，郭庆丰，李如意，艾建宏

(1.成都航空职业技术学院汽车工程学院，四川 成都 610100)(2.成都航空职业技术学院机电工程学院，四川 成都 610100)

汽车前端模块(automotive front-end module,FEM)是集成汽车前端所有零部件的系统零件[1]。随着汽车零部件集成化和模块化理念的深入，汽车前端模块也从单一骨架向逐步完善的集成系统发展。同时，为了实现整车轻量化，汽车前端模块往往会采用以塑代钢的选材策略[2]。由于前端模块的高度集成化和塑料化，在有效降低整车质量的同时也带来了零件转运困难、储存不便等问题。基于此，本文拟设计一种适用于前端模块无损耗装载、可堆垛、可循环使用、可适应多种状态的汽车前端模块通用型运输料架，从而改善上述问题。

1 前端模块框架尺寸数据

根据参考文献[3]的设定，以某越野车型前端模块参数为基础，设计运输料架结构。图1为该车型前端模块框架的三维模型[3]。

图1 前端模块框架三维模型例

2 料架的设计方案

在试制试装车间，汽车前端模块部件在其转运及储存过程中出现了物料易被损坏、料架容纳数少等问题，为此从以下几个方面来考虑新型料架的设计方案：

1)料架在运输过程中会受到一定的颠簸，这就要求料架的材料有一定的强度和刚度，确保料架在运输过程中不会变形。

2)料架的主体结构设计要考虑在运输过程和铲运过程中以及叠放时零件不会受损。

3)为避免在运输过程中零件与料架接触不牢固而造成损伤，要设计压紧机构使零件在料架上放置牢固。

4)料架的间隙是指支撑件与零件的间隙和压紧件与零件的间隙。间隙过大会导致零件的稳固性差，不能起到保护的作用。

5)料架要实现运输方便、移动便捷的目标，因此料架底部安装脚轮。

根据以上设计思路，本文设计的运输料架整体结构如图2如示。

图2 料架整体结构

2.1 料架材料的选择

2.1.1框架材料的选择

框架型材的规格有40 mm×40 mm、30 mm×30 mm、25 mm×25 mm、40 mm×25 mm等[4]。考虑到动态运输和叠放多个产品的实际情况，框架使用40 mm×40 mm的规格，内部结构尽可能使用规格较小的方管，以减轻质量和方便操作。

2.1.2缓冲材料的选择

料架设计的要求之一就是保护零件，包括保护零件的内部构造和外观，因此料架与零部件接触的部位全部使用缓冲材料。根据产品的使用条件、使用温度、频率以及寿命要求等因素，缓冲材料选用聚氨酯[5]。

2.2 料架结构设计

2.2.1铲运结构

考虑到叉车运送时其承载力和起重空间均有具体要求，因此运输料架底部的结构必须保证长、宽两个方向均可用叉车叉入，故本运输料架底部和地面之间留出了不少于90 mm的起重高度余量，叉车的两个铲脚作业距离一般为500～1 000 mm，在这个作业距离区间内叉车能正常工作，铲运中间支架宽为60 mm,每两个铲运中间支架距离定为400 mm。图3为铲运三维模型局部图。

图3 铲运三维模型局部图

2.2.2叠放结构

为了便于运输料架(零件)运输及立体存储，料架的4个顶角设计有堆垛机构，使得运输料架可以叠放两层，大大提高了空间利用率和运输效率。根据料架的基本性能，料架采用重叠式堆垛，如图4所示。

图4 上下堆垛脚效果图

2.2.3压紧机构的选择和设计

根据压紧部位选择的一般原则，选择机械压紧的方式，其可以在上层增加压力对零件压紧，这样在运输过程中能有效避免零件损伤。在压紧机构两端设计了翻转结构，可使操作人员在取放零件时更加方便快捷。压紧机构通过定位销将翻转机构定位，从而将压紧机构变成相对于料架可旋转的零件。而插销的作用是将压紧机构固定在一个位置，而这个位置就是压紧产品的极限位置，使用时在拔插销的同时掀起压紧机构，从而将零件取出或放入框架，如图5所示。

图5 插销

2.3 料架间隙的设计

2.3.1支撑件与零件的间隙设计

在零件顺利放入料架的同时，要保证支撑件与零件的间隙不能过大，因为间隙过大会导致零件的稳固性变差，而在运输过程中由于道路不平整或刹车等因素引起零件冲击力过大从而造成零件损坏，所以经测算设定支撑件与零件的间隙小于2 mm为最佳[6]。

2.3.2压紧件与零件的间隙设计

压紧件的作用是将零件固定在料架支撑件上。如果放置在料架上的零件上下抖动，会导致零件损坏。压紧件缓冲材料为聚氨酯时，与零件的间隙一般为1～3 mm，能在压紧零件的同时避免零件损坏[7-8]。

3 有限元分析

3.1 有限元分析模型

支承梁材料为Q235，总长为1 060 mm，总宽为40 mm，总高为40 mm，壁厚为2.5 mm。支承梁与其他组成部件通过焊接方式相连，前端模块框架单件重为12 kg，所受压力为117.6 N。

堆垛材料为Q235,长为1 060 mm，壁厚为2.5 mm。当料架在满载工况进行堆垛时，经计算单个堆垛所受压力为250 N。

铲运结构单边受力为500 N，铲运中间支架宽为60 mm,中间支架间距为340 mm。一般情况下叉车工作时，叉车铲脚需要两个铲门入口才能平稳运行。

根据上述尺寸在SolidWorks软件中绘制运输料架模型，并对模型进行有限元仿真与优化改进，以满足强度要求。

3.2 网格的划分以及载荷、边界约束

在保证支承梁的结构力学性能不变的前提下，方钢管材料选择普通碳素结构钢Q235A，其弹性模量E=2.0E+11 Pa，泊松比为0.26，将这两个数据输入NX软件的命令窗口，从而完成材料属性设置[9]。

1)创建节点和单元。在有限元软件中支承梁首先被划分为43 422个四面体单元。在创建单元后添加约束和载荷，经计算前端模块的总重力为500 N，由于支承梁两端是焊接固定，所以在其两端添加固定约束。堆垛单元属性网格有72 618个，堆垛时，上堆垛受力，大小为250 N，下堆垛进行固定约束。

2)铲运结构单元属性网格有86 918个，铲运时，料架必须平稳运行，叉车两个铲脚分别从两个铲脚入口进入，与上下两个表面接触，这两个面约束类型为固定约束，铲运上支架上表面受力500 N,有限元模型如图6所示。

图6 施加载荷和约束后的铲运结构有限元模型

3.3 求解后处理及结果的分析

通过NX软件的有限元分析和求解后处理得到支承梁有限元分析结果图，如图7所示。图7(a)为支承梁位移云图，料架的最大变形Dmax=0.359 mm，位于上料架的右端最高处，变形值特别小，不会影响料架的正常工作。图7(b)为支承梁应力分布云图，支承梁最大应力Smax=69.68 MPa，位于支承梁的右端连接处，69.68 MPa远小于Q235A的屈服强度235 MPa，所以该支承梁刚度满足要求[9]。

图7 支承梁有限元分析结果图

图8为铲运结构有限元分析结果图，图9为堆垛结构有限元分析结果图，图8和图9形变量都设置为1∶1，由图可知，铲运结构、堆垛结构的强度和刚度满足使用要求。

图8 铲运结构有限元分析结果图

图9 堆垛结构有限元分析结果图

4 结束语

为了解决前端模块零件在试制试装车间中转运困难、储存不便等问题，在传统运输料架基础上针对汽车前端模块运输料架进行了改进设计。对现有多个不同型号及不同状态汽车前端模块，完成了通用性提升；添加叠放结构、铲运机构和压紧机构，可以满足多种车型在试制试装过程中不同状态前端模块的叠放和运输要求；利用有限元分析软件对运输料架三维模型的支承梁、铲运结构、堆垛机构进行强度校核分析，验证该料架在承载及安全性方面符合要求。