某SUV车型塑料前端框架的研究
宋刘洋;刘小杰;吴方武;王镇斌;许钰龙
【摘 要】以某SUV车型塑料前端框架的开发为例,介绍了塑料前端框架替代钣金结构在轻量化、降成本、模块化方面的优势.通过对塑料前端框架功能分析,总结塑料前端框架与环境件接口方案,借助CAE分析技术进行设计验证,最后通过台架和实车试验验证其性能满足要求,达到了设计预定目标,为该技术正向开发及应用推广提供借鉴.
【期刊名称】《汽车零部件》
【年(卷),期】2019(000)005
【总页数】6页(P64-69)
【关键词】塑料前端框架;轻量化;设计;试验
【作 者】宋刘洋;刘小杰;吴方武;王镇斌;许钰龙
【作者单位】东风汽车公司技术中心,湖北武汉430058;东风汽车公司技术中心,湖北武汉430058;东风汽车公司技术中心,湖北武汉430058;东风汽车公司技术中心,湖北武汉430058;东风汽车公司技术中心,湖北武汉430058
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.8
0 引言
随着汽车工业的发展，汽车销量连年持续走高，尤其是SUV市场，增速持续高于行业水平，在乘用车市场份额越来越大。但SUV质量大、油耗高等问题随着油价的连续上涨也越来越引起消费者的关注。相关研究表明，汽车每减少10%的质量，其排放可以减少6%～7%[1]。鉴于SUV质量大、油耗高的特点，SUV车型的轻量化工作在减少环境污染和提高用户对产品满意度方面显得尤为重要。塑料前端框架作为使用轻量化复合材料替代钣金材料的轻量化技术[2]，能有效减轻车身前端质量，有很好的轻量化效果。此外，塑料前端框架在成本上相对钣金结构也有优势，在实现轻量化的同时，又能降低车身成本，进一步提升产品竞争力。
1 塑料前端框架的介绍
传统汽车前端结构一般为钣金结构，由水箱上、下横梁，左、右立柱构成框架型结构，由多个钣金零部件焊接、装配组成，如图1所示。钣金结构的特点是零件数量多，工艺复杂，质量大，且占用工厂较多生产空间，生产效率不高。塑料前端框架是一种使用复合工程材料通过注塑成型生产的一体化框架结构，如图2所示，它是一种新型的“以塑代钢”轻量化技术，该塑料前端框架可以为车身前端散热器、中冷器、散热风扇、空调冷凝器、机罩锁等多个零件装配提供固定安装，起到固定和支撑这些零件的作用，并保证在用户使用过程中不出现问题。由于塑料前端框架为一体注塑工艺，可以有效降低车身前端零件数量，减少工装模具的投入，在实现轻量化的同时，对成本进行有效地控制。
图1 钣金框架结构
图2 塑料前端框架结构
2 设计研究
“以塑代钢”的塑料前端框架使用工程复合材料替代原钣金材料，由于其强度只有普通钣金强
度的1/3～1/2，且耐温性能远不如钢材，使用其进行轻量化设计，需要从零件功能、材料选择、结构设计、仿真等多方面进行研究。
2.1 功能分析
塑料前端框架通常集成的零件包括散热器、中冷器、散热风扇、空调冷凝器、机罩锁、防撞梁、小腿支撑骨架、喇叭、密封挡板等，形成塑料前端模块。同时，塑料前端框架是前保险杠、前大灯、机罩等重要外观DTS关重件的安装定位基础。
塑料前端框架相关的功能主要包括以下三大部分：
(1)前端安装平台：为车身前部零部件提供挂载点；前端有哪些常用框架
(2)前端支撑平台：挂载各零部件后，在静态和动态载荷下变形满足设计要求；
(3)使用工况无破坏：上横梁锁扣位置防止拉破损坏。
塑料前端框架功能分析如表1所示。
表1 塑料前端框架功能分析系统名称功能要求车身及附件系统前保险杠塑料前端框架提供保险杠所需安装点及满足安装点强度要求前格栅塑料前端框架提供前格栅所需安装点及满足安装点强度要求发动机罩锁塑料前端框架提供发动机罩锁所需安装点及满足安装点强度要求发动机底护板塑料前端框架提供发动机底护板所需安装点及满足安装点强度要求导风板塑料前端框架提供导风板所需安装点风扇上护板塑料前端框架提供风扇上护板所需安装点冷凝器塑料前端框架提供冷凝器所需安装点及满足安装点静刚度、动刚度及强度要求发动机冷却系统散热器塑料前端框架提供散热器所需安装点及满足安装点静刚度、动刚度及强度要求风扇电机总成塑料前端框架提供风扇电机总成所需安装点及满足安装点静刚度、动刚度及强度要求电器系统前大灯塑料前端框架提供前大灯所需安装点及满足安装点强度要求喇叭塑料前端框架提供前喇叭所需安装点及满足安装点振动耐久要求洗涤液壶塑料前端框架提供洗涤液壶所需安装点及满足安装点强度要求
2.2 材料选择
塑料前端框架考虑其对耐温性及强度等性能的要求，目前较为常用的主要有PP-LGF类、PA6-GF类和PA66-GF类。以30%玻纤含量为例，各材料特点及性能对比如表2所示。
表2 塑料前端框架常用材料性能对比材料密度/(g·cm-3)线性膨胀系数/(K-1)抗拉强度/MPa拉伸模量/MPa弯曲模量/MPa热变形温度/℃PP-LGF301.12191077 0746 400150PA6-GF301.36201819 6008 300205PA66-GF301.362519010 0008 600250
可以看出，同等玻纤含量的PP-LGF、PA6-GF、PA66-GF的热变形温度、拉伸模量、弯曲模量依次提升，更有利于目标性能的达成，但同时，材料的成本也依次提高，选择材料时需对性能和成本综合考虑。
材料选材的优先级按以下原则进行：
优先级一(机舱温场T)：T≤120 ℃，优选PP-LGF类；120 ℃<T≤150 ℃，优选PA6-GF类；150 ℃<T，优选PA66-GF类。由于机舱内温度高，而塑料材料到达一定温度后对温度变得敏感，随着温度上升，性能会急剧下降。故将环境温度作为材料选择的首要考虑因素，作为优先级一。
优先级二(玻纤含量)：优先低玻纤含量材料，进行成本优选。同种材料随着玻纤含量的增强，性能会逐步提高，但成本也会有所增加，根据成本情况择优选择，作为优先级二。
优先级三(性能达成)：通过钣金加强的形式满足性能。当纯塑料结构无法满足性能要求时，选择钣金增强结构，用于提高性能。但该种方式成本和质量都会明显增加，作为优先级三。
2.3 结构设计
2.3.1 前端框架与外部环境件接口形式设计
图3是前端模块示意。
图3 前端模块
塑料前端框架与内部搭载的散热器、冷凝器、中冷器、机罩锁、喇叭等进行总成装配设计，形成塑料前端模块，以模块的方式固定在车身上，由于环境件的质量及框架本体的质量均通过前端框架在车身上的固定点进行支撑，为防止耐久后塑料件由于气候老化出现的力矩衰减，需在固定点增加金属垫片，增加的方法可以是注塑后装配或者模内嵌件注塑的形式。
2.3.2 塑料框架与内部固定件接口形式设计

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