一款乘用車塑料前端骨架設(shè)計(jì)分析_圖文

1、農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2015年 0引言 發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì) , 建設(shè)低碳社會(huì)已經(jīng)成為全球 關(guān)注的焦點(diǎn) 。 隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng) , 汽車輕量化已成為汽車發(fā)展的主要方向 , 也是降 低汽車排放 、 提高燃油效率的有效措施之一 1。 實(shí) 現(xiàn)汽車輕量化主要有兩大途徑 :結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和 輕質(zhì)材料的應(yīng)用 2。 高強(qiáng)板以及低密度合金材料 1的應(yīng)用可以解決車身輕量化 , 但因其高昂的成本 很難在汽車上推廣應(yīng)用 。 而工程塑料和塑料復(fù)合 材料因其高性能化和低成本化將成為汽車輕量化 發(fā)展的潮流 3。 像長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯 、 短玻纖增強(qiáng) 尼龍等復(fù)合材料 。本文主要研究了一款乘用車塑料前端骨架 , 通 過與金屬

2、骨架對(duì)比分析 、 試驗(yàn)驗(yàn)證 , 該款塑料前端 骨架在確保產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)的前提下能有效實(shí) 現(xiàn)減重 、 降成本及模塊化供貨 , 滿足整車使用要求 。1塑料前端骨架概述1.1塑料骨架與傳統(tǒng)骨架對(duì)比分析汽車前端骨架即整車發(fā)艙前端的 T 型梁 、 大燈 支架 、 上橫梁等部件的總稱 。 在整車中應(yīng)用如圖 1。傳統(tǒng)的汽車前端骨架多采用多種金屬板焊接 結(jié)構(gòu) , 具有多零件 、 高重量 、 多工序 、 高成本等缺點(diǎn) (圖 2; 塑料前端骨架采用注塑一體式結(jié)構(gòu) , 具有 少零件 、 低重量 、 少工序 、 低成本等優(yōu)點(diǎn) (圖 3。 文 獻(xiàn) 4對(duì)塑料應(yīng)用特點(diǎn)中也有相關(guān)描述 。塑料前端骨架以塑料產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬

3、產(chǎn) 品 , 實(shí)現(xiàn)汽車輕量化 , 同時(shí)以塑料前端骨架為平 臺(tái) , 將散熱器橫梁 、 前大燈 、 冷凝器及散熱器 、 引擎收稿日期 :2015-02-06修回日期 :2015-03-27一款乘用車塑料前端骨架設(shè)計(jì)分析宋小寧 , 錢鈞 , 劉江波(230601安徽省 合肥市 安徽江淮汽車股份有限公司 摘要 汽車輕量化技術(shù)已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向 , 開展汽車輕量化技術(shù)的研究與應(yīng)用不僅是汽 車節(jié)能減排的需要 , 也是提高自主研發(fā)能力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的需要 。 工程塑料因其良好的機(jī)械性 、 耐久性 、 耐腐 蝕性 、 耐熱性等 , 被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域 。 以一款乘用車短玻纖增強(qiáng) PA6的塑料前端骨架

4、為例 , 重點(diǎn)研究了塑料 前端骨架材料定義 、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、 CAE 分析 、 性能要求等 。 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出塑料前端骨架滿足整車使用要求 。 關(guān)鍵詞 乘用車 ; 前端骨架 ; 塑料 ; 模塊化 中圖分類號(hào) U163.83+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1673-3142(201507-0076-04Design Analysis on a Type of Plastic Front Skeleton in a Passenger VehicleSong Xiaoning , Qian Jun , Liu Jiangbo(Anhui Jianghuai Automobile Co. , Ltd.

5、 Technical Center , Hefei City , Anhui Province 230601, China Abstract Lightweight design has become the important development direction of world automotive technology. Conductingresearches of lightweight technology is not only for the requirement of energy conservation and emission reduction , but

6、also for improving the ability of independent R&Dability and competitiveness of products. Engineering plastic is widely used in many areas for its high performance on mechanical property , durability , corrosion resistance and heat resistance. By taking one type of plastic front skeleton in pass

7、enger vehicle , short glass fiber reinforced PA6as an example , this thesis focuses on studying the material definition , structural design , CAE analysis , performance requirement of this plastic front skeleton , and finally reaches the operation requirements of the plastic front skeleton of vehicl

8、es through experimental verification.Key words passenger vehicle ; front skeleton ; plastic ; modularization圖 1汽車前端骨架Fig . 1Front skeleton of vehicleAGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING53No. 72015年 7月July 2015第 53卷第 7期 蓋鎖 、 前防撞梁等件集成裝配為一個(gè)模塊 5, 實(shí)現(xiàn) 集成化供貨 , 提高整車生產(chǎn)效率 。 該技術(shù)具有減 重 、 降成本的優(yōu)勢(shì) , 平均單臺(tái)

9、車減重 25%50%, 降 成本 10%25%。1.2塑料前端骨架技術(shù)路線介紹塑料前端骨架按照工藝劃分 , 目前主要有模 壓 、 注塑兩種工藝 。模壓工藝就是將片狀的塑料放在加熱的模具 的型腔中 , 然后合模加壓 , 使產(chǎn)品成型 , 再脫模取 出產(chǎn)品 , 文獻(xiàn) 6中有具體描述 。 該方法缺點(diǎn)是產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度低 、 生產(chǎn)周期長(zhǎng) , 效率低 , 設(shè)備 投入大 。 注塑工藝即在一定溫度下 , 通過螺桿攪拌 完全熔融的塑料材料 , 用高壓射入模腔 , 經(jīng)冷卻固 化后 , 得到成型產(chǎn)品 。 該方法一體成型 , 工序簡(jiǎn)單 , 生產(chǎn)效率高 , 產(chǎn)量大 , 產(chǎn)品尺寸精度相對(duì)較高 。 目 前在塑料前端骨架

10、上應(yīng)用比較多 。注塑工藝主要包括長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯注塑 、PA6短玻纖注塑 、 PA6短玻纖加金屬嵌件的模內(nèi)注塑 。 主要根據(jù)整車成本 、 前端骨架承載件的重量 、 性 能要求 、 前艙布置空間等進(jìn)行材料及結(jié)構(gòu)的選擇 。2塑料前端骨架的設(shè)計(jì)分析前端骨架是前端模塊各零部件的定位點(diǎn)和組裝平臺(tái) , 設(shè)計(jì)要能滿足一系列力學(xué) 、 尺寸 、 安裝 、 耐 環(huán)境等方面的要求 7。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于整車發(fā) 艙的可用空間 、 承載件的布置及安裝特征等 。 為了 滿足整車力學(xué)性能的要求 , 不論采用哪一種形式 的塑料前端骨架 , 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 , 背面均需要增加加強(qiáng)筋以保證其強(qiáng)度及剛度要求 。 加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì) 主要根

11、據(jù)散熱器 、 冷凝器 、 大燈等各承載件的質(zhì)心 位置 、 重量 、 剛度 、 強(qiáng)度等 性能要求 , 并結(jié)合 CAE 分析 , 使前端骨架總成在確保性能的前提下重量 最優(yōu)化 。 同時(shí)前端骨架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還必須具備 便于其它承載部件快速 、 精確安裝及拆卸 , 確保整 車前端模塊維修方便性 。本文主要以一款乘用車為例 , 介紹了塑料前 端骨架的設(shè)計(jì)方法 。2.1塑料前端骨架材料性能考慮到該乘用車的動(dòng)力匹配 、 冷卻系統(tǒng)布置方 式等因素 , 經(jīng)過系統(tǒng)分析該塑料前端骨架采用塑 料 +鈑金的復(fù)合結(jié)構(gòu) , 塑料材料為 PA6短纖 , 其余 框架部分為金屬?zèng)_壓件 。 塑料件主要物性見表 1。2.2塑料前端骨

12、架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該款復(fù)合型塑料前端骨架框架部分為金屬鈑 金 , 塑料材料包覆在金屬鈑金周邊 , 產(chǎn)品背面通過 塑料加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)零部件整體強(qiáng)度 , 具體結(jié) 構(gòu)如圖 4。 因塑料件設(shè)計(jì)自由度較大 , 集成件安裝 結(jié)構(gòu)部分也是采用塑料的 , 并通過拉鉚螺母 、 懸置 等方式實(shí)現(xiàn)各零部件的固定 , 詳見圖 5、 圖 6。 同 時(shí) , 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)充分考慮散熱器及風(fēng)表 1玻纖增強(qiáng) PA6材料性能Tab . 1Short glass fiber reinforced PA6performance項(xiàng)目 目標(biāo)值密度 /(g/cm3 1.36±0.03拉伸強(qiáng)度 /MPa 140彎曲強(qiáng)度 /MPa

13、 210彎曲模量 /MPa 7000 10 5玻纖含量 /%30±3熱變形溫度 / 200阻燃性 /(mm/min 80懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度/(kJ/m223 -30圖 2傳統(tǒng)金屬前端骨架Fig . 2Traditional front skeleton made of metal圖 3塑料前端骨架Fig . 3Plastic front skeleton1. PA6塑料部分 2. 金屬嵌件部分 圖 4PA6短玻纖加金屬嵌件的復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig . 4Composite structure of short glass fiber reinforced PA6with metal inse

14、rt多個(gè)鈑金件 焊接而成1212宋小寧 等 :一款乘用車塑料前端骨架設(shè)計(jì)分析77農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2015年扇總成 、 冷凝器總成 、 引擎蓋鎖 、 防撞梁等集成部件的安裝結(jié)構(gòu) 、 裝配定位 、 裝配順序 、 操作空間 、 剛度要求等 。2.3塑料前端骨架 CAE 分析塑料前端骨架要承載不同的部件 , 在設(shè)計(jì)階段必須根據(jù)各承載件要求進(jìn)行相關(guān)的 CAE 分析 ,并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的完善優(yōu)化 。 考慮到該款車前端骨架在實(shí)車實(shí)際使用狀況 , 設(shè)計(jì)過程主 要進(jìn)行了以下分析 , 見表 2。傳統(tǒng)骨架用金屬材料密度為 7.8g/cm3, 料厚在 1.21.5mm ; 而短玻纖增強(qiáng) PA6的密度為 1.

15、36±0.03 g/cm3, 通常料厚在 2.5mm 。 傳統(tǒng)骨架采用多個(gè)鈑金 件沖焊結(jié)構(gòu) , 塑料前端骨架采用塑料 +鈑金的復(fù)合 結(jié)構(gòu)或全塑結(jié)構(gòu) , 通過注塑一體的成型工藝 。 并且 在產(chǎn)品背面增加 “ 米 ” 字型加強(qiáng)筋以確保強(qiáng)度 。 塑料 前端骨架在滿足同等剛度要求的前提下 , 能有效實(shí) 現(xiàn)產(chǎn)品減重效果 。 而且塑料前端骨架具有模夾具投 入少 、 工廠占地少等優(yōu)勢(shì) , 單件成本相對(duì)較低 , 表 3為前端骨架塑料與金屬方案的對(duì)比 。(2 力學(xué)性能對(duì)比通過 CAE 對(duì)比分析 , 塑料前端骨架力學(xué)性能 同等或優(yōu)于金屬骨架 , 以下為幾點(diǎn)舉例說明 。 鎖扣區(qū)域剛度對(duì)比汽車門鎖是重要的汽

16、車安全件之一 , 為乘客 提供便捷性 、 舒適性及耐用性 8, 前端骨架的設(shè)計(jì) 必須要滿足引擎蓋鎖體極限拉力要求 。 該塑料前 端骨架鎖扣區(qū)域采用 0.7mm 金屬板和短玻纖增 強(qiáng) PA6的復(fù)合結(jié)構(gòu) , 傳統(tǒng)金屬骨架為料厚 1.5mm 的鋼板 。 在極限 5300N 加載下 , 塑料前端骨架鎖 扣區(qū)域的變形量為 5.67mm , 金屬骨架鎖扣區(qū)域 變形量為 6.46mm , 加載力值及變形量對(duì)比詳見 圖 7。 由圖 7可見 , 塑料前端骨架剛度明顯優(yōu)于鈑 金 , 實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí) , 滿足了鎖體的性能要求 。 散熱器安裝點(diǎn)區(qū)域剛度對(duì)比在散熱器安裝點(diǎn)處沿 X 向施加 150N 的力 , 金屬前端骨

17、架安裝點(diǎn)處 X 向變形量為 3.07mm , 而塑料前端骨架 X 向變形量?jī)H為 1.36mm , 剛度 滿足設(shè)計(jì)要求 , 見圖 8。表 3塑料與金屬前端骨架方案對(duì)比模夾具數(shù)量 22個(gè)沖壓模 +焊接夾具1個(gè)注塑模 +1個(gè)補(bǔ) 強(qiáng)鈑沖壓模 工廠占地面積 大 (沖壓焊接 、 零件多 小 (注塑 、 零件少 模塊化能力 低 高1. 前端骨架 2. 保險(xiǎn)杠托架 3. 拉鉚螺母 4. 固定螺栓 圖 5拉鉚螺母固定形式Fig . 5Pull riveting nut fixing form1. 前端骨架 2. 中冷器 3. 懸置圖 6懸置固定形式Fig . 6Suspension fixing form表 2

18、塑料前端骨架 CAE 分析項(xiàng)目Tab . 2Analysis project of plastic front skeleton 序號(hào) 項(xiàng)目 圖片 備注 1鎖扣長(zhǎng)時(shí)耐壓分析驗(yàn)證引擎蓋鎖體固 定區(qū)域剛度2鎖扣極限拉力分析驗(yàn)證引擎蓋鎖體固 定區(qū)域剛度3掌壓分析驗(yàn)證塑料前端骨架 上端梁整體剛度4散熱器總成支架剛度分析驗(yàn)證散熱器等件安 裝點(diǎn)剛度5緩沖塊區(qū)域剛度分析驗(yàn)證緩沖塊區(qū)域剛 度6大燈區(qū)域剛度分析驗(yàn)證大燈安裝點(diǎn)剛 度12 3412 378第 53卷第 7期 宋小寧 等 :一款乘用車塑料前端骨架設(shè)計(jì)分析4塑料前端骨架性能驗(yàn)證塑 料 前 端 骨 架 試 驗(yàn) 驗(yàn) 證 包 括 零 部 件 臺(tái) 架 試 驗(yàn)

19、、 環(huán)境試驗(yàn) 、 整車可靠性試驗(yàn) 。 零部件臺(tái)架試驗(yàn) 驗(yàn)證需制定專用的臺(tái)架以模擬實(shí)車狀態(tài)將樣件裝 配到臺(tái)架上進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn) 。 環(huán)境試驗(yàn) 主要根據(jù)前端骨架使用環(huán)境 , 進(jìn)行長(zhǎng)期耐高溫性 、 極限耐高溫性 、 低溫耐沖擊性等試驗(yàn)項(xiàng)目 。 整車可 靠性試驗(yàn)包括引擎蓋開閉耐久試驗(yàn)及整車路試試 驗(yàn) 。 見圖 9。 該車型通過各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證均滿足要 求 。 關(guān)鍵性能測(cè)試結(jié)果如表 4。 5結(jié)束語隨著以塑代鋼技術(shù)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用范圍的擴(kuò) 大 , 塑料前端骨架越來越得到汽車制造商的高度 關(guān)注 。 本文基于某款乘用車塑料 +鈑金復(fù)合結(jié)構(gòu)前 端骨架提出了塑料前端骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、 減重及模 塊化功能 、 關(guān)鍵性

20、能指標(biāo) 、 CAE 分析等 , 試驗(yàn)驗(yàn)證 證明 塑料前端骨 架滿 足 汽 車 的 各 種 綜 合 性 能 指 標(biāo) , 可以推廣到其它車型 。參考文獻(xiàn)1盛治華 , 安康 . 長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)型材料在汽車前端模塊中的應(yīng)用 J . 上海汽車 , 2013(9 .2劉建才 , 曹渡 , 李劍 , 等 . 塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的創(chuàng) 新應(yīng)用 J . 現(xiàn)代零部件 , 2013(12:39-42.3工程塑料 “ 以塑代鋼 ” 時(shí)代來了 J . 塑料制造 , 2014(9:41. 4李健 . 塑料結(jié)構(gòu)件在汽車輕量化中的應(yīng)用 J . 中國科技博 覽 , 2014(28:32.5邱國華 . 汽車模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用與發(fā)展 J . 上海汽車 , 2002 (11:1-3.6蔣鼎豐 . GMT 汽車前端模塊框架制造技術(shù) J . 汽車與配件 , 2006(49:30-31.7趙高明 . 前端支架的模塊化發(fā)展 J . 汽