前端模块的研究
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摘 要：当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已成为世界汽车发展的潮流，也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。为了应对节能减排，各国都制定了相应的法规，如GB 19578-2004《乘用车燃料消耗量限值》规定了我国乘用车燃油经济型指标。前端模块正是基于上述背景，才能够在汽车业得到快速的发展。
关键词：前端模块 轻量化 设计原则、简化模型
中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0104-02
由于它位于汽车发动机舱前端，并且是一个模块化、集成化的零件，人们习惯上称其为前端模块，英文名称是Front-End Module，简写FEM。本篇文章就对FEM产品的特点、材料及其制造技术进行了分析和研究，其主要研究内容如下：FEM特点、材料、制造技术;为了便于分析研究对FEM设计式样进行了分类，简化为四种分析模型，并对FEM梁的主断面如何选择进行了阐述，同时也阐述了加强筋布置对梁刚性的影响，为FEM的设计以及工程制造提供了参考。
1 FEM的特点
前端支架是其他零部件的安装平台，需要满足一系列力学、尺寸、安装、环境等方面的要求，需要具备以下特点：
（1）良好的结构强度和刚度;（2）良好的尺寸稳定性和低的尺寸误差;（3）便于其他部件快速、精确安装;（4）方便紧固件的集成;（5）有限空间内尽可能高的刚度;（6）影响汽车外观的面差、间隙，如前大灯和前保、前大灯和翼子板等;（7）好的耐热和耐化学性能;（8）前端支架维修费用比较低;（9）轻质价优。
2 FEM的材料及其制造技术
采用金属材质的FEM，实现的工艺主要有板材焊接和浇注;采用塑料（热塑性）和金属复合的FEM，实现的工艺主要有模压和注塑，多采用模内嵌件注塑和模塑后组装，其中模内嵌件注塑代表技术有：拜耳专利技术、贝洱海拉专利技术和通用专利技术;模塑后组装主要包含：塑料铆钉热压、凸缘冲压连接和铆接、粘结等。常用的热塑性塑料：聚丙烯（长纤维、 短纤维、玻纤毡）、尼龙（长纤维、短纤维、玻纤毡）。无论是采用金属、塑料还是材料的混合结构，都是为了以下目的：满足各项性能要求的低成本轻质支架，较少的组装费，较高的集成度。
3 FEM的设计原则
（1）轻量化和低成本;
（2）根据车身结构的不同，选择适当的安装手法和承载结构;
（3）根据前端支架性能要求的不同，选择适当的材料;
（4）前端支架的结构主要取决于前舱的可用空间及其所集成部件的结构.特别是前舱盖锁、空调冷却系统和前灯等部件;所集成的零部件内容和数量，也取决于汽车厂商的要求
4 FEM的功能
（1）轻量化、节能减排。减少燃料消耗，降低排气污染。
（2）模块化。减少整车厂因零部件物流所需的面积;降低整车厂生产和管理的复杂程度;通过专业化达到优化集成并减少重量和尺寸误差的目的。
（3）集成化：前舱诸多零部件的安装与定位平台。如：散热器、风扇、大灯、散热器格栅等。
（4）发动机的安全挡块，吸收一部分碰撞能量。
（5）安装简单，拆除和更换方便，便于维护。
5 FEM的简化模型
为了便于分析FEM的造型结构特点，可以把FEM简化成不同类型的设计式样，主要以下4种模型：
（1）简化模型1，见图1。
不集成前大灯，仅集成冷却系统和前舱盖锁。小腿保护支架不安装在支架上。散热器安装点1和点2可以根据客户需求，分别在斜梁上、横梁上进行协调布点。
（2）简化模型2，见图2。
集成前大灯、冷却系统和前舱盖锁。小腿保护支架不安装在支架上。散热器安装点一般安装在上下横梁上，位置可以根据汽车厂商要求进行协调布点。
（3）简化模型3，见图3。
集成前大灯、冷却系统和前舱盖锁。小腿保护支架安装在支架上。左、右横梁和车身固定点，一般固定在车身前纵梁上。散热器安装点一般安装在上下横梁上，位置可以根据汽车厂商要求进行协调布点。
（4）简化模型4。
集成前大灯、冷却系统和前舱盖锁。小腿保护支架安装在支架上。斜梁改为直梁，为保证锁体固定可靠，直梁一般采用金属冲压成型，连接在前防撞梁上。此种类型是类型3的另外一种表达形式。
6 梁的主断面
选择梁的横截面形状，主要考虑以下几点：
（1）考虑支架需要满足哪些具体性能（物理性能、环境性能）;
（2）考虑强度或者刚性需求（力学要求）;
（3）考虑零部件安装结构布局（安装空间要求）等。
7 加强筋布置对梁刚性的影响
加强筋应该连续分布，以获得较高的刚性。加强筋之间夹角在30°～60°之间进行选择，最好是45°。选择加强筋布置时，要考虑重量增加百分比，即：刚性和重量要综合考虑。
8 CAE模拟分析
（1）刚性分析，应对FEM前舱盖锁体部位，前大灯安装部位，冷凝器系统的支撑部位，前舱盖冲击部位进行模拟分析。
（2）壁厚优化分析，为保证FEM在满足性能及功能的前提下，產品自身的重量应该进行轻量化考虑，产品壁厚拓扑优化。
（3）行人保护碰撞分析，为了降低行人腿部所受的伤害通常在车辆前端增加防护结构吸收行人腿部的碰撞能量，来减轻行人腿部所受伤害，FEM可以吸收能量的一部分，应该对其进行CAE模拟分析。
9 结语
通过对FEM产品进行分析和研究，本文主要得出了如下结论：
（1）通过对汽车前端模块的功能、简化模型、梁断面及加强筋等的研究分析，旨在为设计工程师设计提供参考依据，以期减少设计缺陷，缩短设计周期，降低开发成本，提升设计人员的设计能力。
（2）通过对上述结构进行研究，目前可以独立的进行同步设计，能够承接FEM的开发制造，弥补了公司此类产品的空白，提升了公司在此行业内的竞争力。
（3）FEM产品目前国内市场前景广大，迫于国家节能减排的要求应大力推广。
参考文献
[1] 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.
[2] 陈家瑞.汽车构造[M].2版.北京：机械工业出版社，2005.
[3] 赵高明.前端支架的模块化发展[J].汽车与配件，2010（ZI）.
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