钢质汽车发动机罩局部刚度提升研究

文／刘尚，闫佳奇·第一汽车股份有限公司

本文以某汽车品牌发动机罩内板为研究对象，通过试验和仿真分析不同结构下发动机罩内板整体刚度的状态。对比分析单件和总成的数据状态，得出发动机罩内板结构对发动机罩总成尺寸影响，为汽车发动机罩内板结构设计提供参考。

汽车外观设计和造型不断升级，各种品牌乘用车不断改变汽车的外观结构，其中便出现了很“宽大”的发动机罩，这样的造型给人厚重大气的感觉，但是在制造过程却存在诸多难题，比如发动机罩结构强化以及行人保护。在保证行人安全的前提下，提升发动机罩的刚度，通常是直接提高材料的强度和整体提升结构的强度，但在本案例中都是不可取的。仅在外观和设计中最需要的位置，局部提升发动机罩的刚度，这对产品结构设计和工艺的实现提出了挑战。

与SUV 的宽大且相对较厚重的发动机罩相比，轿车宽大扁平的设计，更具设计和工艺实现的难度。所以本文也将重点针对此种情况下的结构设计进行分析研讨，目的就是要通过产品结构优化，极大程度地改善其制造工艺性，让美观的造型变得容易得到。

技术研究现状

发罩外板设计现状

当前的发动机罩总体Y 向(本文坐标系均为面向车头方向的右手坐标系)尺寸可以达到1700mm 甚至更宽，竖直方向的深度也在35 ～75mm 不等。一般SUV 的发动机罩相对深度较大，更接近75mm 的尺寸，通过自身的形状梯度变化，基本上可以解决刚度不足的问题，再经过喷涂烘烤强化，基本可以呈现产品的设计状态。而轿车发动机罩竖直方向的距离相对较小，更接近35mm 的尺寸(图1)，在这种尺寸范围内控制宽度尺寸接近1700mm 的发动机罩的刚度就非常的困难。

图1 轿车发动机罩竖直方向更接近35mm 的尺寸

问题产生及影响

首先直接将产品最初的设计方案进行分析，零件的定位方式如图2 所示“▲”标注。

图2 零件的定位方式

通过分析数据可以看出，在检测状态下发动机罩中部靠近前风挡的位置，相比理论尺寸下沉1.19mm。

发动机罩内外板的包边结构对发罩的结构有一定的强化作用。而发动机罩内板结构是影响抗凹刚度的重要因素，刚度越小，残余变形越大。单独分析发罩内板检测状态的刚度，相对理论状态下沉达到3mm，如图3 所示。此状态下如果直接装配并经过喷涂和烘干，中部的尺寸下沉将会超过3mm。常规解决此种问题的方法是再加装一个置具，控制发动机罩在喷涂烘干之前及过程中的零件形状，发动机罩结构在烘干后会得到强化，从而总体尺寸可以满足装车尺寸要求。但是，带来的问题是：涂装需要单独设计相关的工装置具，影响涂装的装配工时。

图3 发罩内板相比理论状态下沉3mm

技术研究实施

发动机罩内板中部通过减重设计基本可以满足装配要求，最主要的变形区域在封窗中部，所以对前风窗搭接的中部位置进行刚度提升。接下来从发动机罩的材料、结构及尺寸的详细设计进行分析。

发动机罩内板常用材料及性能

钢板材质的发动机罩在各车企选用的材料性能都相对接近，但是不同厂家的材料牌号有所差异，成形性分析及CAE 模拟过程可借鉴参考表1 ～表3 中常见牌号和性能参数。

表1 常用材质牌号对比

表2 常用材质机械性能对比

表3 常用材质表面镀层对比表格

保持原结构的优化方案

首先，继续保持原产品设计，在保证涂胶面和密封面不动的情况下，进行常规方案强化。

在密封面后侧采用两段圆筋，并在Z 向的型面对称增加三角形的强化筋，型面形状和装配后的总成CAE 分析结果如图4 所示。

图4 型面形状和装配后的总成CAE 分析结果

从分析结果可以看出，中部下沉问题基本没有变化，下沉量为1.29mm。

考虑可能是两段筋的中部强化效果不佳，将Y向的两条对称圆筋贯通，其余位置结构保持不变，再进行CAE 模拟分析，分析结果如图5 所示。

图5 再改进后的CAE 分析结果

根据分析结构显示，此状态下中部下沉几乎无变化，下沉量1.34mm。所以，仅在该产品的原有密封和涂胶结构下，该问题无法解决。接下来按照冲压常用的补强形式，对发罩内板在结构上组合使用测试，并输出分析其自重状态下的CAE 分析结果。

针对刚度提升的结构优化方案

对此发罩内板强化课题，通过改变材料牌号、材料厚度以及局部强化，共计组合并分析20 余种方案，部分相似结构的效果会进行简要对比说明，受篇幅限制，不在这里赘述，仅对典型的两种方案进行对比详述。

⑴方案一：Y 向贯穿筋加X 向短筋强化。

Y 向采用R15mm 的贯穿圆筋，同时对称布置X向的R8mm 的短筋进行强化。结构图示及分析结果见图6。

通过与原结构的回弹状态对比分析，中部下沉量减少2.2mm，问题状态得到明显改善。通过改变Y向筋的大小可以改变刚度强化的效果，R15mm 的Y向筋对比R10mm 的Y 向筋，下沉量减少1.5mm。通过改变X 向的强化筋的R 角大小以及筋的X 向延伸长度，对刚度的提升有不同的效果，在允许的情况下，X 向筋延伸到前后的Z 向斜面上，强化效果较为明显。单独的Y 向贯穿筋和单独的X 向加强筋的强化效果均不理想。

⑵方案二：Y 向+X 向的凸台结构强化。

Y 向采用高度为5mm 的凸台，转角R 为3mm，拔模角度为40°，此状态下可以保证成形性，具体强化结构及分析结果见图7。

图7 方案二强化结构及分析结果

通过与原结构对比分析，中部下沉量减少1.5mm，问题状态得到改善。通过改变Y 向凸起结构的高度可以改变刚度强化的效果。在改变凸台结构高度的同时，需要调整R 角、拔模角以保证零件的工艺性，避免零件在成形过程开裂。单独的Y 向凸台和单独的X 向凸台的强化效果均不理想。

结束语

综上所述，在满足产品造型设计要求的前提下，单从刚度提升方面分析，尽量保证发动机罩的整体设计厚度尺寸，垂直梯度方向尺寸的变化在工艺上是最容易实现的强化方式。对于造型和产品结构将零件尺寸限制的情况，仅通过局部强化实现刚度提升的情况，

可参考以上的结构形式。

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