基于轻量化、绿色化和模块化汽车前端框架开发探析

摘 要：本文介绍前端框架轻量化和绿色化内涵，从材料、工艺、模块化三个方面采用针对汽车前端框架轻量化，绿色化和模块化三个维度开发进行讨论和论证，得出集成化前端框架在轻量化和全生命周期环境环境影响明显优于普通钢铁前端框架，应广泛推广应用。

关键词：汽车前端框架 轻量化开发 绿色设计

Based on the Development of Lightweight， Green and Modular Automotive Front-end Framework

Fan Junfeng

Abstract：This paper introduces the connotation of lightweight and greening of front-end frame， discusses and demonstrates the development of lightweight front-end frame of automobile front-end frame from the three aspects of material， process and modularization， and concludes that the integrated front-end frame is significantly better than ordinary steel front-end frame in lightweight and full life cycle environmental impact， and should be widely popularized and applied.

Key words：automotive front-end frame， lightweight development， green design

1 引言

汽车电动化、智能化、网联化、共享化推动汽车行业高速发展，第三生活空间概念提出，促进更多智能硬件搭载在电动汽车上，推动电动汽车整车重量不断攀升，给续航里程和整车重量管理带来了挑战，因此将轻量化设计开发理念需要贯穿于每一个汽车零部件的开发至关重要。汽车零部件模块化开发，能极大降低主机厂成本及减轻整车重量，而且能大幅减少能源消耗，促进全生命周期的环境友好。全生命周期汽车开发理念推进新能源汽车环境友好型，应贯穿于每个汽车零部件开发。本文将介绍一种轻量化、绿色化和模块化的外饰前端框架设计方法。

2 前端框架轻量化及绿色化内涵

2.1 前端框架轻量化内涵

前端框架轻量化的技术内涵是：在概念阶段，选择轻量化、绿色化、平台化和集成化方案；在开发阶段，结合项目需求，定义最优材料和工艺，运用CAD和CAE对前端框架进行结构优化设计；在前端模块制造阶段，选择能源消耗最少和工艺路线最短方案，在量产阶段，实现前端框架模块化装配，大幅减少工序，最终达到减重、节能减排、安全、环保等综合指标。在使用阶段，可维修性好。在汽车报废阶段，易于回收利用。

2.2 前端框架环境友好内涵

前端框架环境友好的技术内涵是：在成本控制和性能前提下，尽量选择在全生命周期环境友好性好的材料，结构设计尽量方便制造，制造工艺链条尽量短，总装方便工序少，且适应模块化装配。

2.3 前端框架介绍

汽车前端框架位于汽车前部，可以把大灯，冷却系统，发动机盖开启系统，喇叭，前端导风系统，保险杠防撞梁，传感器，洗涤系统等集成起来，并对前保进行支撑。前端模块最初使用金屬件冲压焊接，随着技术进步，出现全塑的PP，LFT前端框架和混合前端框架，目前模块化已成为主流研发方向。

3 前端框架轻量化和绿色化开发研究

根据“生命周期评价及生命周期成本分析集成方法研究[1]”中全生命周期环境评估，结合“生命周期评价在塑料研究中的应用进展[2]”，“工程材料LCA中环境效益的分析与研究[3]”和“基于LCA的汽车前端模块轻量化方案对比研究[4]”可以看出，基于全生命周期，环境友好性热塑性材料优于钢铁，钢铁优于铝合金零部件。从论文“Flows and waste reduction strategies of PE， PP and PET plastics under plastics limit order in china[5]”，基于全生命周期，PP环境友好性优于PET。

3.1 前端模块方案选择

首先对主流车型前端框架进行研究，见下表1。

通过对标，结合环境友好性评估，轻量化要求，模块化及HC7车型需要将碰撞传感器集成在前端框架上，且必须装配在金属嵌件上，综合成本、功能、轻量化、环境友好性、共用工装等约束要求，HC7项目选择了包塑的技术方案，钢铁部分选择上海宝钢DC01型号，塑料选择PP+LGF40。

前端框架集成化概念方案，需要最大化集成冷却系统，碰撞传感器，小腿防护杆，防撞梁，喇叭等。

3.2 前端模块设计及分析

确定方案和材料后，根据材料物性表，项目硬点要求，布置约束，前端框架第一轮结构设计如下，见表2。

CAE模拟要求见表3。

根据设计结构及材料参数，经过反复的CAE分析和CAD数据优化，直到CAE报告显示从性能、功能和集成化已满足项目要求，此时前端框架重量为6.803kg。

但基于轻量化和环境友好性，对标主流车型，发现重量还有大幅优化空间。因此持续通过CAD结构优化、优化料厚、减少钣金使用量、CAE模拟寻找轻量化和成本解决方案。优化后第二轮结构设计见表4。

一般约束条件见图1，其他约束条件为：集成在框架上冷凝器、散热器和风扇重量为12Kg。

第二轮CAE分析示意图见表5。

第二轮CAE各项结果及评估见表6。

最终设计质量锁定项目为5.7KG，满足性能要求，在重量、成本、集成化达到一个较好的平衡。

3.3 前端模块制造工艺

在锁定设计方案基础上，对零部件进行软模开发和试制。首先对产品进行模流分析，确定是否满足开模要求，示意图见图2，满足开模要求。前端框架生产由供应商负责，钣金部分由DC01冲压而成型，然后将钣金件当做嵌件放入注塑模型进行包塑，最后铆接紧固件而成，实物重量为5.766kg。成型软模件见以下图3。

3.4 前端框架测试

由于车辆振动因素，前端框架需要进行要是多轴振动试验（X向，Y向和Z向），以验证是否满足设计要求。试验结果见下表7，可满足项目需求。

3.5 前端框架模块化

在设计阶段对前端模块进行了DMU装配模拟分析，满足装配要求，见图4。

设计验证和虚拟装配验证完成后，前端框架集成在工厂分装线进行分装和集成，集成后见表8，分装完成后整体装配到整车。

3.6 前端模块搭载试验

将前端模块装配在试验车上，搭载完成了冬标、夏标试验和路试，未出现任何测试问题，验证了设计方案。

4 结论与展望

本项目基于轻量化，绿色化和集成化理念开发前端框架，重量低于钢铁件或者部分全塑前端框架，且和主流开发方向保持了一致，成本方向优于铝合金、纯塑料框架和镁合金框架，全生命周期环境影响较好，且能缩短生产线节拍，具有很好经济价值、技术价值和低能耗价值，值得推广。

未来，可持续推进集成化前端框架在成本，轻量化，环境友好性和性能上达到一个更好的平衡，推进实现平台化。采用塑料与金属混合方案，可持续寻找塑料和钢铁件最佳配比，综合考虑金属和塑料优点，更大程度提升系统集成度和降低总成的重量。

参考资料：

[1]侯倩.生命周期评价及生命周期成本分析集成方法研究[D].天津：天津大学，2015：17.

[2]丁邵兰等.生命周期评价在塑料研究中的应用进展[J].塑料科技，2010（5）：100-101.

[3]余显芳.工程材料LCA中环境效益的分析与研究[J].环境工程，2009（5）：120.

[4]何玉松.基于LCA的汽車前端模块轻量化方案对比研究[J].上海汽车，2017（12）：41.

[5]Jianwen chu.Flows and waste reduction strategies of PE， PP and PET plastics under plastics limit order in china[J] .Resource，conservation and recyling， 2023（1）：50.

[6]范军锋等. 低成本后保险杠缓冲梁轻量化研究[J].汽车工艺与材料，2015（4），12-17.