10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.026
关于汽车前端支架的设计
徐超，刘永星，王耘，郑明敏，范琼
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）
摘 要：文章首先论述了前端支架设计的一般要求，并分析了塑料前端支架常用材料及材料的性能要求。阐述了汽车前端支架的功用，对汽车前端支架的开发过程做了详尽的描述。文章重点讨论了前端支架的一般研发流程，及在开发过程中所需关注的法规要求及设计要点。并结合一款汽车前端支架的研发过程，对前端支架研发的一般规律做了深入的论述。
关键词：前端支架；复合材料；应用
中图分类号：U463.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2017)02-78-04
Design of automotive front end bracket
Xu Chao, Liu Yongxing, Wang Yun, Zheng Mingmin, Fan Qiong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )
Abstract: This paper firstly discusses the general requirements of FEM design and analysis of complex plastic & steel FEM material commonly used materials and performance requirements of the material. This paper explains the function of the automobile FEM, the FEM of the development process to do a detailed description. This paper focuses on the FEM of the general development process, and the necessary attention during the development process and design of regulatory requirements. Combined with a FEM of the development process, the general rules on the FEM research and development done in-depth discussion.
Keywords: FEM; complex material; application
CLC NO.: U463.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)02-78-04
引言
前端支架是前端模块集成供货的载体。前端支架主要起承载冷却模块及引擎盖锁的作用，包括散热器、冷凝器、引擎盖锁。随着汽车技术的发展，有越来越多的零件集成在前端模块上，比如前大灯、引擎盖缓冲块、前防撞梁、小腿保护梁，大腿保护梁、正碰传感器、喇叭等。宝马MINI系列甚至将保险杠也作为集成模块，整体在装配线上装配，大大减少了装配线的工位数量。前端支架系统的一般结构如图1所示。
作者简介：徐超，助理工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，从事外饰非金属设计工作，主要研究汽车保险杠及前端模块技术。
图1 前端模块的构成示意图
1、前端支架设计
1.1 前端支架材料选取
依据车型总布置要求，根据前端支架搭载部件分布情况
79 汽车实用技术 2017年第2期
以及搭载部件重量尺寸特点，综合成本因素，选用不同材料的前端支架。不同的前端支架用材料性能参见表1。
汽车前端支架是一种框架类薄壁大型结构部件，也有命名为前端水箱支架。对前端支架材料而言，不仅要求具有优异的高、低温冲击韧性、刚性、耐老化性、耐热性、耐寒性，时承载的散热器、冷凝器等部件都有大量热量散发。因此前端支架应耐得住严苛的环境条件要求。一般环境要求如表所示。
1.4 前端支架安装刚度要求
引擎盖锁、散热器等安全部件都安装在前端模块上，此还应具有耐汽油、润滑油、油漆等性能。前端支架用材料的性能要求：
a）在较宽的温度范围内刚性高、抗冲击性能好； b）尺寸稳定性好； c）耐溶剂性好； d）大型件成型方便。
表1 前端支架材料性能对比表
1.2 零部件装配设计
材料选取完成后，接下来就要进行装配设计，以下内容应该在前端支架装配设计中被充分考虑：装配顺序，工具可达性，维修方便，紧固点可靠，紧固力矩合理。
1）散热器固定，一般采用一个塑料支架，支架自带安装螺钉孔，通过螺钉自攻安装到前端模块上。
2）引擎盖锁等安装结构，前端模块上注塑成型孔位后，在孔位中拉铆螺母，后用螺栓安装各集成件。
3）前端模块与车身连接结构，一般通过M8的螺栓把前端左/右竖梁与车身前纵梁安装板上的凸焊螺母连接，左/右侧支撑梁通过M8的螺栓与车身前部侧壁上的凸焊螺母连接。1.3 前端支架环境条件
表2 环境要求
因前端支架安装在发动机舱里，与发动机距离较近，同
件属于安全类关键部件。尤其是目前新汽车三包法规的发布，引擎盖锁故障导致引擎盖掀开的属于重大安全事故可以无条件退车，所以对该安装点有非常严格的刚度要求。因此在前期的设计时应对相应区域进行严苛的要求。
1.4.1 引擎盖锁区域刚度
首先在引擎盖锁固定区域满足Z方向加载5300N极限拉力后（图5)，前端支架总成不得出现塑性变形。其次，引擎盖锁固定区域满足室温下（图6），Z方向刚度>600 N/mm。
图5 锁安装点极限加载
图6 锁安装点常规加载
1.4.2 引擎盖缓冲区域刚度
前端模块上端面与引擎盖通过缓冲块接触。所以对引擎盖缓冲块的接触区域有相应的刚度要求。基于引擎盖的自重加上过关的系数，我们规定模拟验证引擎盖缓冲块下落区域满足刚度>600 N/mm（图7）
图7 引擎盖缓冲块区域受力图示
图8 散热器安装点受力图示
1.4.3 散热器的安装点刚度
2017年第2期 徐超 等：关于汽车前端支架的设计 80
散热器属于底盘件，起到发动机冷却的关键作用，一旦散热器固定发生松动，就会导致发动机故障，故对散热器安装在前端模块的安装点刚度也有严格要求。我们规定模拟验证散热器上下端的安装点满足-Z向刚度>350 N/mm，+/-X向刚度>150 N/mm(图8)。 1.4.4 冷凝器的安装点刚度
冷凝器作为汽车空调的一部分，也安装在前端模块上。参考散热器的安装点，我们规定模拟验证冷凝器上下端安装点满足-Z向刚度>350 N/mm，+/-X向刚度>150 N/mm(图9)。
施加5300N后，产品无塑性变形，局部应力未超过材料抗拉强度，满足设计要求。
2）引擎盖锁固定区域满足室温下，Z方向刚度>600 N/mm。初步测试分析施加600N后，位移值及锁扣安装点处的产品刚度不满足设计要求。对相应结果进行研究发现上横梁两侧拐角处易产生应力集中，产品变形较大，同时产品在Z向高度偏大，对受力不利。针对上述情况，需修改上横梁两侧加强筋厚度和高度，并通过在两侧竖梁上在受力方向增加两道斜向加强筋，重新进行CAE分析，加强后产品位移值及产品刚
图9 冷凝器的安装点受力图示
1.5 前端支架结构设计
依据前述零部件设计要求对各搭载件安装结构进行详细设计。包括散热器、冷凝器、引擎盖锁、喇叭等安装固定方式，及相应紧固扭力要求。
前端支架材料为PA6+GF40和冲压成型钣金复合而成，前端支架两侧安装板为冷冲压薄钢板，中部填充塑料。结构数模如下图10所示。
图10 前端支架数模（基于CATIA创建)
1.6 前端支架设计分析
根据设定的相关参数要求，对前端模块的模型进行了初步结构数模设计，定义了基本料厚及加强筋。接下来需对其刚度进行CAE模拟的计算分析。下面主要针对引擎盖锁、引擎盖缓冲块、散热器等安装区域强度进行了CAE强度分析举例，其他不再赘述。
1.6.1 引擎盖安装锁刚度
a b
图11 锁安装点极限加载结果
1）固定区域满足Z方向加载5300N极限拉力后，前端支架总成不得出现塑性变形。测试分析如图，从图可以看出，
度满足设计要求。
a b 图12 锁安装点常规加载结果
1.6.2 引擎盖缓冲区域的刚度
设计参数要求，引擎盖缓冲块下落区域满足Z向刚度>600 N/mm。对模型进行测试（图13），从图中可以看出，施加1000N后，下落区域的刚度满足设计要求。
a b 图13 引擎盖缓冲区域加载结果
1.6.3 散热器的安装点刚度
设计参数要求，散热器上下端安装点满足-Z向刚度>350 N/mm，+/-X向刚度>150 N/mm。对模型进行测试（图14、图15），从图中可以看出，Z向施加350N，X向施加150N后，刚度值均满足设计要求。
a b 图14 散热器Z向加载结果
a b
图15 散热器X向加载结果
81
汽车实用技术 2017年第2期
1.7 前端支架测试验证
根据CAE模拟的计算分析结果，需对前端模块的数模进行优化设计，调整局部区域料厚及加强筋高度。模具完成加工后，需对其刚度进行试验测试。根据产品设计固定要求，制作刚性工装，用于前端支架产品实物的测量验证。下面主要列举引擎盖锁、引擎盖缓冲块、散热器等安装区域强度试验，其他项目不再一一列举。
1.7.1 引擎盖安装锁刚度
1）固定区域满足Z方向加载5300N极限拉力后，前端支架总成不得出现塑性变形。
2）室温下，对引擎盖锁固定区域施加Z方向600 N的力，检测产品实际刚度，判定是否满足设计要求。
图16 锁安装点极限加载试验
图17 引擎盖缓冲区域加载试验
1.7.2 引擎盖缓冲区域的刚度
室温下，对引擎盖缓冲区域施加Z方向1000 N的力，检测产品变形量及产品实际刚度，判定是否满足设计要求。
1.7.3 散热器的安装点刚度
室温下，对散热器固定区域施加Z方向350 N的力，检测产品变形量及产品实际刚度，判定是否满足设计要求。对引擎盖锁固定区域施加X方向150 N的力，检测产品变形量
及产品实际刚度，判定是否满足设计要求。
图18 散热器Z向加载试验
图19 散热器X向加载试验 2、总结
采用前端模块化设计，可降低前端支架单件重量约30%；
前端模块化集成装配，减少总装生产线主线的工序以及场地面积，总装工厂系统和人工成本降低；通过系统设计及CAE结构分析，可以进一步优化结构强度，到达减重降成本的目的。
考虑现有市场占有率、产品性能、制造工艺、整车目标成本等因素，可根据整车定位不同而选定PP+LGF和PA+GF复合钣金两条注塑技术路线进行产品的设计开发，CAE分析与实验验证相结合的手段确保产品质量。
参考文献
[1] 周一兵.汽车塑料发展现状及趋势[J].世界塑料,2008,26(1):30-35. [2] 宋赛楠,曹庚振,王霞．聚丙烯塑料的改性研究[J].塑料工业,2011,
39(s1):57-59.
[3] 刘惟信.汽车设计.清华大学出版社.2005-11-1. [4] 黄金陵.汽车车身设计.机械工业出版社.2007-9-1.
