【技术帖】汽车前端模块集成度及轻量化发展研究

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摘要:汽车前端模块的集成阶段分为单个前端模块支架,小型集成前端模块,中等集成前端模块,最终发展为高度集成的前端模块结束模块。总结了汽车前端模块材料和成型工艺的开发过程。在这个过程中,支架的材料逐渐从金属 - 金属 - 塑料混合和组合结构发展,直到应用纯塑料和复合材料。并通过不同模型的标志性事件,分析了上述开发过程。

关键词:汽车前端模块集成;材料;成型工艺;轻量化设计

引言

汽车模块化和汽车轻量化的设计理念得到了不断的应用和验证,并且越来越多的案例被用于汽车的各种子组件中。为了满足轻量化部件的设计,安装和模块化要求,提出了汽车前端模块组件的概念。 1992年,德国海拉首次为大众高尔夫(参数图片)A3(参数图片)配备了汽车前端模块。

前端模块是指集成在汽车发动机舱前部的系统组件,位于汽车所在的位置,如图1所示。前端模块是一个集成的特殊骨架机舱锁,散热器,冷凝器,中冷器,防撞梁,缓冲块,传感器,前大灯,保险杠甚至挡泥板中的两个或多个。部分。前舱模块中还集成了驾驶室锁,散热器和冷凝器以及小型部件。

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1汽车前端模块的集成

由于提出了前端模块概念,前端模块在集成,应用规模,材料使用和成型过程方面进行了优化。前端模块集成部件的数量从小到大,模块几何形状从简单到复杂。随着集成部件数量的增加,其模块化的优势变得更加突出,并且部件和部件之间的连接数量显着减少,从而为简化主要组装过程提供了强有力的支持。

前端模块需要与特定部件集成,需要根据具体型号的形状,布局,安全性,工艺,制造等因素进行综合考虑。根据前端模块集成的发展,主要包括四个阶段。

1.1单前端模块支架

单个支架(也称为前端支架)用于替换散热器周围的金属板支架,作为单独的支架以固定其他附近组件。通过这种固定方法,在白车身机舱的前端集成了十多个金属部件,但集成度小且模块化。

目前,单个前端模块支架的代表型号主要是奔腾长安福特福克斯(参数图片)。单个括号的具体样式如图2所示。

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1.2小型集成前端模块

小型集成前端模块是指除了前端支架外还与底盘集成的散热器和冷却器系统,以及周边的一些小配件,如驾驶室锁,传感器,部分管道和用于涡轮增压的中间冷却器引擎。等待。

小型集成前端模块的优点在于它更灵活,受形状约束更少,易于设计,制造和安装。由于部件的尺寸相对较小,使用较小吨位的注塑机进行成型更为有利,并且形状相对简单,这有利于控制部件的变形和尺寸。其主要代表型号为:Tiguan(参数图片),标识407.小型集成前端模块的具体形式如图3所示。

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1.3中等集成的前端模块

件,检查机械性能,定位,安装和更换生产组件。性行为提出了更高的要求。中型集成前端模块的代表型号有:大众迈腾(参数图片),雷诺拉古娜等,具体款式如图4所示。

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1.4高度集成的前端模块

高度集成的前端模块包括先前集成的前端外管部件,实现前外管部件,保险杠和各种安装支架的一体化设计,同时制造前大灯,保险杠,挡泥板和格栅。它们之间的组装更容易实现。 OEM可以将整个前端模块外包,简化装配流程并提高生产效率。前端模块的集成度的提高将导致前端模块设计和生产的需求增加,前端模块集成组件的设计,布局和组装要求将在不同程度上得到改善。其主要代表车型有:Golf V,BMW X5,其具体款式如图5所示。

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前端模块的集成度取决于具体的形状,布局,安全性能,制造工艺和车辆成本。通常,高度集成的前端模块适用于工艺复杂,成本高的中高端型号。单支架和小型集成前端模块适用于建模简单,布局方便,工艺简单,成本低。中低端型号。

2汽车前端模块材料和成型工艺

轻量化已成为当前汽车行业的一个重要方向,汽车前端模块将多个钣金零件集成在一起。目前,前端支架的主要工艺主要根据所用材料分为以下几种方式,如图6所示。

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2.1金属支架

金属材料是前端模块最早的应用材料解决方案。它主要使用冲压和焊接工艺。原始发动机舱的原始钣金部分用作前端模块的骨架,实现前端部件的模块化,质量基本保持不变。成本略有降低。

金属支架可靠性高,装配方便,可保持原区域各组件之间的装配关系,在温湿度变化较大时保持高强度,高刚性。然而,金属支架也有明显的缺点,例如在制造过程中受到冲压和焊接过程的限制;结构设计要求高;组件的组装点无法集成和简化。

2.2金属塑料混合和组合支架

为了进一步减轻汽车的重量,“金属 - 塑料”混合结构的前端模块应运而生。前端模块解决了金属支架结构在某种程度上不能复杂设计的难题。金属塑料前端支架可根据不同的连接方式分为组合支架和混合支架。

组合支架的成型过程是模塑组件,分别形成金属和塑料部件,然后通过铆接和粘接连接金属和塑料。从零件生产的角度来看,两种不同的材料可以控制生产过程中的生产过程,以满足不同产品的质量要求,如控制主框架的表面质量;从成本的角度来看,每种成型方法都减少了每个模具的尺寸,模具的成本会大大降低,但装配成本却略有增加;从售后维修的角度来看,后模具装配过程有利于产品的拆卸和更换。

混合支架成型工艺采用嵌入式注塑工艺:德国拜耳,钻金属冲压件和铸塑料,以固定接头金属和塑料。部分混合支架采用局部区域增加金属嵌件,使总质量比金属框架轻,并可设计成更复杂的形状,扣环和安装点集成在支架上,从而节省了装配时间。与后成型组装工艺相比,嵌件成型具有良好的完整性,高刚性,生产周期短,组装工艺减少,但模具体积大,模具成本高。

2.3纯塑料和复合支撑

纯塑料支架的轻量化效果最为明显,但塑料的性能有很大的局限性,前端模块支架的机械性能难以满足要求。为了弥补这一缺陷,有必要通过优化材料和结构的设计,选择性能更好的塑料并添加增强结构(如肋)来提高结构强度。

与组合支架一样,纯塑料支架需要额外的步骤来添加响应安装点。

随着复合材料的发展和制造工艺的改进,复合材料支架也出现了,所用的材料主要是短纤维增强复合材料。与纯塑料相比,复合材料在机械性能方面具有明显的优势,刚性强度明显提高。因此,零件的设计和材料的选择范围更广,节省了在托架上集成安装点的特点,节省了工艺。两者的共同制造工艺是热塑性注塑和模塑工艺。

3汽车前端模块的应用现状

3.1国外汽车前端模块的应用现状

自汽车前端模块于1992年首次应用以来,汽车应用的比例一直在增加。对于不同定位的模型,前端模块的组成和结构存在显着差异。在过去的20年中,前端模块的设计经历了重大变化,涉及材料,工艺,二次加工和组件集成技术的应用。

2000款奥迪A2是由钢和短玻璃增强PA6模制而成的混合前端支架。支架实现了保险杠的钢结构和复合框架的组合,成本降低了约30%,成本降低了5%。为了实现钢和塑料的有效组合,必须对钢进行穿孔以使树脂流入钢结构中以增强两者之间的机械结合能力。

2002款BMW MiniCooper是世界上第一款LFT-PP(30%质量长玻璃纤维)注塑全复合材料前端支架,可将质量降低30%,成本降低25%,成本降低20%。这些组件还可提高前支架的NVH性能。

2004年起亚Cerato是第一款采用嵌入式成型技术批量生产的金属塑料前端支架,由钢和30%质量的玻璃纤维增强PA6制成,后者采用注塑成型。支架可将质量减少40%,成本降低30%,可节省20个工序,并实现前端支架的可回收设计。

2005款大众Polo轿车首次采用钢制混合前端支架和LFT-PP。它使用结构粘合剂粘合接头,以最大化金属和LFT-PP之间的连接,同时减少应力集中并帮助负载的均匀分布增加结构的刚性和承载能力。

2007款Jeep Wrangler轿车,首次应用了“车身框架”混合动力前端支架。支架由LFT-PP注塑成型,并用粘合剂粘接到钢结构上,以实现接头的刚性和耐用性。

3.2国内汽车前端模块的应用现状

华晨金杯是中国最早使用前端模块技术的公司。其中A级平台的第一辆车中华骏捷FRV采用前端模块技术,并在后续车型中先后实施塑料前端模块。 2011年5月,首款中国CX30自主研发,配备长玻璃纤维增强复合材料前端模块,在上海车展上亮相。随着国内复合材料技术的发展,复合材料前端模块在国内自主品牌中也有广泛的应用,如:奇瑞艾瑞扎7,吉利,江淮等。全复合前端支架是汽车前端支架设计的重要方向之一。复合前端支撑的主要生产工艺包括注塑和压塑。模塑产品比注塑成型具有更好的性能,但模塑工艺在材料成本和结构设计方面存在一定的缺陷,因此使用较少。

4结论

汽车前端模块的集成阶段分为单个前端模块支架,小型集成前端模块,中型集成前端模块,最终发展为高度集成的前端模块。总结了汽车前端模块材料和成型工艺的开发过程。在这个过程中,支架的材料逐渐从金属 - 金属 - 塑料混合和组合结构发展,直到应用纯塑料和复合材料。并通过不同模型的标志性事件,分析了上述开发过程。

汽车零部件

作者:张胜强,朱希望,芮晓莉,王伟,曾祥义