一款乘用车塑料前端骨架设计分析_图文

1、农业装备与车辆工程 2015年 0引言 发展低碳经济 , 建设低碳社会已经成为全球 关注的焦点 。 随着人们节能环保意识的不断加强 , 汽车轻量化已成为汽车发展的主要方向 , 也是降 低汽车排放 、 提高燃油效率的有效措施之一 1。 实 现汽车轻量化主要有两大途径 :结构优化设计和 轻质材料的应用 2。 高强板以及低密度合金材料 1的应用可以解决车身轻量化 , 但因其高昂的成本 很难在汽车上推广应用 。 而工程塑料和塑料复合 材料因其高性能化和低成本化将成为汽车轻量化 发展的潮流 3。 像长玻纤增强聚丙烯 、 短玻纤增强 尼龙等复合材料 。本文主要研究了一款乘用车塑料前端骨架 , 通 过与金属

2、骨架对比分析 、 试验验证 , 该款塑料前端 骨架在确保产品综合性能指标的前提下能有效实 现减重 、 降成本及模块化供货 , 满足整车使用要求 。1塑料前端骨架概述1.1塑料骨架与传统骨架对比分析汽车前端骨架即整车发舱前端的 T 型梁 、 大灯 支架 、 上横梁等部件的总称 。 在整车中应用如图 1。传统的汽车前端骨架多采用多种金属板焊接 结构 , 具有多零件 、 高重量 、 多工序 、 高成本等缺点 (图 2; 塑料前端骨架采用注塑一体式结构 , 具有 少零件 、 低重量 、 少工序 、 低成本等优点 (图 3。 文 献 4对塑料应用特点中也有相关描述 。塑料前端骨架以塑料产品代替传统的金属

3、产 品 , 实现汽车轻量化 , 同时以塑料前端骨架为平 台 , 将散热器横梁 、 前大灯 、 冷凝器及散热器 、 引擎收稿日期 :2015-02-06修回日期 :2015-03-27一款乘用车塑料前端骨架设计分析宋小宁 , 钱钧 , 刘江波(230601安徽省 合肥市 安徽江淮汽车股份有限公司 摘要 汽车轻量化技术已成为世界汽车技术发展的重要方向 , 开展汽车轻量化技术的研究与应用不仅是汽 车节能减排的需要 , 也是提高自主研发能力和产品竞争力的需要 。 工程塑料因其良好的机械性 、 耐久性 、 耐腐 蚀性 、 耐热性等 , 被广泛应用于各领域 。 以一款乘用车短玻纤增强 PA6的塑料前端骨架

4、为例 , 重点研究了塑料 前端骨架材料定义 、 结构设计 、 CAE 分析 、 性能要求等 。 通过实验验证得出塑料前端骨架满足整车使用要求 。 关键词 乘用车 ; 前端骨架 ; 塑料 ; 模块化 中图分类号 U163.83+1文献标志码 A文章编号 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图 1汽车前端骨架Fig . 1Front skeleton of vehicleAGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING53No. 72015年 7月July 2015第 53卷第 7期 盖锁 、 前防撞梁等件集成装配为一个模块 5, 实现 集成化供货 , 提高整车生产效率 。 该技术具有减 重 、 降成本的优势 , 平均单台

9、车减重 25%50%, 降 成本 10%25%。1.2塑料前端骨架技术路线介绍塑料前端骨架按照工艺划分 , 目前主要有模 压 、 注塑两种工艺 。模压工艺就是将片状的塑料放在加热的模具 的型腔中 , 然后合模加压 , 使产品成型 , 再脱模取 出产品 , 文献 6中有具体描述 。 该方法缺点是产 品结构设计自由度低 、 生产周期长 , 效率低 , 设备 投入大 。 注塑工艺即在一定温度下 , 通过螺杆搅拌 完全熔融的塑料材料 , 用高压射入模腔 , 经冷却固 化后 , 得到成型产品 。 该方法一体成型 , 工序简单 , 生产效率高 , 产量大 , 产品尺寸精度相对较高 。 目 前在塑料前端骨架

10、上应用比较多 。注塑工艺主要包括长玻纤增强聚丙烯注塑 、PA6短玻纤注塑 、 PA6短玻纤加金属嵌件的模内注塑 。 主要根据整车成本 、 前端骨架承载件的重量 、 性 能要求 、 前舱布置空间等进行材料及结构的选择 。2塑料前端骨架的设计分析前端骨架是前端模块各零部件的定位点和组装平台 , 设计要能满足一系列力学 、 尺寸 、 安装 、 耐 环境等方面的要求 7。 结构设计主要基于整车发 舱的可用空间 、 承载件的布置及安装特征等 。 为了 满足整车力学性能的要求 , 不论采用哪一种形式 的塑料前端骨架 , 其结构设计中 , 背面均需要增加加强筋以保证其强度及刚度要求 。 加强筋的设计 主要根

11、据散热器 、 冷凝器 、 大灯等各承载件的质心 位置 、 重量 、 刚度 、 强度等 性能要求 , 并结合 CAE 分析 , 使前端骨架总成在确保性能的前提下重量 最优化 。 同时前端骨架在结构设计中还必须具备 便于其它承载部件快速 、 精确安装及拆卸 , 确保整 车前端模块维修方便性 。本文主要以一款乘用车为例 , 介绍了塑料前 端骨架的设计方法 。2.1塑料前端骨架材料性能考虑到该乘用车的动力匹配 、 冷却系统布置方 式等因素 , 经过系统分析该塑料前端骨架采用塑 料 +钣金的复合结构 , 塑料材料为 PA6短纤 , 其余 框架部分为金属冲压件 。 塑料件主要物性见表 1。2.2塑料前端骨

12、架结构设计该款复合型塑料前端骨架框架部分为金属钣 金 , 塑料材料包覆在金属钣金周边 , 产品背面通过 塑料加强筋结构以加强零部件整体强度 , 具体结 构如图 4。 因塑料件设计自由度较大 , 集成件安装 结构部分也是采用塑料的 , 并通过拉铆螺母 、 悬置 等方式实现各零部件的固定 , 详见图 5、 图 6。 同 时 , 在结构设计过程中还应充分考虑散热器及风表 1玻纤增强 PA6材料性能Tab . 1Short glass fiber reinforced PA6performance项目 目标值密度 /(g/cm3 1.36±0.03拉伸强度 /MPa 140弯曲强度 /MPa

13、 210弯曲模量 /MPa 7000 10 5玻纤含量 /%30±3热变形温度 / 200阻燃性 /(mm/min 80悬臂梁缺口冲击强度/(kJ/m223 -30图 2传统金属前端骨架Fig . 2Traditional front skeleton made of metal图 3塑料前端骨架Fig . 3Plastic front skeleton1. PA6塑料部分 2. 金属嵌件部分 图 4PA6短玻纤加金属嵌件的复合结构Fig . 4Composite structure of short glass fiber reinforced PA6with metal inse

14、rt多个钣金件 焊接而成1212宋小宁 等 :一款乘用车塑料前端骨架设计分析77农业装备与车辆工程 2015年扇总成 、 冷凝器总成 、 引擎盖锁 、 防撞梁等集成部件的安装结构 、 装配定位 、 装配顺序 、 操作空间 、 刚度要求等 。2.3塑料前端骨架 CAE 分析塑料前端骨架要承载不同的部件 , 在设计阶段必须根据各承载件要求进行相关的 CAE 分析 ,并根据分析结果进行相应的完善优化 。 考虑到该款车前端骨架在实车实际使用状况 , 设计过程主 要进行了以下分析 , 见表 2。传统骨架用金属材料密度为 7.8g/cm3, 料厚在 1.21.5mm ; 而短玻纤增强 PA6的密度为 1.

15、36±0.03 g/cm3, 通常料厚在 2.5mm 。 传统骨架采用多个钣金 件冲焊结构 , 塑料前端骨架采用塑料 +钣金的复合 结构或全塑结构 , 通过注塑一体的成型工艺 。 并且 在产品背面增加 “ 米 ” 字型加强筋以确保强度 。 塑料 前端骨架在满足同等刚度要求的前提下 , 能有效实 现产品减重效果 。 而且塑料前端骨架具有模夹具投 入少 、 工厂占地少等优势 , 单件成本相对较低 , 表 3为前端骨架塑料与金属方案的对比 。(2 力学性能对比通过 CAE 对比分析 , 塑料前端骨架力学性能 同等或优于金属骨架 , 以下为几点举例说明 。 锁扣区域刚度对比汽车门锁是重要的汽

16、车安全件之一 , 为乘客 提供便捷性 、 舒适性及耐用性 8, 前端骨架的设计 必须要满足引擎盖锁体极限拉力要求 。 该塑料前 端骨架锁扣区域采用 0.7mm 金属板和短玻纤增 强 PA6的复合结构 , 传统金属骨架为料厚 1.5mm 的钢板 。 在极限 5300N 加载下 , 塑料前端骨架锁 扣区域的变形量为 5.67mm , 金属骨架锁扣区域 变形量为 6.46mm , 加载力值及变形量对比详见 图 7。 由图 7可见 , 塑料前端骨架刚度明显优于钣 金 , 实现减重的同时 , 满足了锁体的性能要求 。 散热器安装点区域刚度对比在散热器安装点处沿 X 向施加 150N 的力 , 金属前端骨

17、架安装点处 X 向变形量为 3.07mm , 而塑料前端骨架 X 向变形量仅为 1.36mm , 刚度 满足设计要求 , 见图 8。表 3塑料与金属前端骨架方案对比模夹具数量 22个冲压模 +焊接夹具1个注塑模 +1个补 强钣冲压模 工厂占地面积 大 (冲压焊接 、 零件多 小 (注塑 、 零件少 模块化能力 低 高1. 前端骨架 2. 保险杠托架 3. 拉铆螺母 4. 固定螺栓 图 5拉铆螺母固定形式Fig . 5Pull riveting nut fixing form1. 前端骨架 2. 中冷器 3. 悬置图 6悬置固定形式Fig . 6Suspension fixing form表 2

18、塑料前端骨架 CAE 分析项目Tab . 2Analysis project of plastic front skeleton 序号 项目 图片 备注 1锁扣长时耐压分析验证引擎盖锁体固 定区域刚度2锁扣极限拉力分析验证引擎盖锁体固 定区域刚度3掌压分析验证塑料前端骨架 上端梁整体刚度4散热器总成支架刚度分析验证散热器等件安 装点刚度5缓冲块区域刚度分析验证缓冲块区域刚 度6大灯区域刚度分析验证大灯安装点刚 度12 3412 378第 53卷第 7期 宋小宁 等 :一款乘用车塑料前端骨架设计分析4塑料前端骨架性能验证塑 料 前 端 骨 架 试 验 验 证 包 括 零 部 件 台 架 试 验

19、、 环境试验 、 整车可靠性试验 。 零部件台架试验 验证需制定专用的台架以模拟实车状态将样件装 配到台架上进行相应的力学性能试验 。 环境试验 主要根据前端骨架使用环境 , 进行长期耐高温性 、 极限耐高温性 、 低温耐冲击性等试验项目 。 整车可 靠性试验包括引擎盖开闭耐久试验及整车路试试 验 。 见图 9。 该车型通过各项试验验证均满足要 求 。 关键性能测试结果如表 4。 5结束语随着以塑代钢技术在汽车领域应用范围的扩 大 , 塑料前端骨架越来越得到汽车制造商的高度 关注 。 本文基于某款乘用车塑料 +钣金复合结构前 端骨架提出了塑料前端骨架结构设计 、 减重及模 块化功能 、 关键性

20、能指标 、 CAE 分析等 , 试验验证 证明 塑料前端骨 架满 足 汽 车 的 各 种 综 合 性 能 指 标 , 可以推广到其它车型 。参考文献1盛治华 , 安康 . 长玻纤增强型材料在汽车前端模块中的应用 J . 上海汽车 , 2013(9 .2刘建才 , 曹渡 , 李剑 , 等 . 塑料复合材料在汽车轻量化中的创 新应用 J . 现代零部件 , 2013(12:39-42.3工程塑料 “ 以塑代钢 ” 时代来了 J . 塑料制造 , 2014(9:41. 4李健 . 塑料结构件在汽车轻量化中的应用 J . 中国科技博 览 , 2014(28:32.5邱国华 . 汽车模块化设计的应用与发展 J . 上海汽车 , 2002 (11:1-3.6蒋鼎丰 . GMT 汽车前端模块框架制造技术 J . 汽车与配件 , 2006(49:30-31.7赵高明 . 前端支架的模块化发展 J . 汽