低能耗汽车的前端模块设计

作者:HBPO模块系统公司 赵高明 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2016-11-18
汽车前端模块位于汽车的最前端,其外形设计、功能结构和重量等,都对能耗有显著的影响。为此,本文重点介绍了如何实现前端模块支架的轻量化,以及具备新功能结构的动态进气格栅。

汽车模块化生产方式的不断成功,使更多的汽车公司将这种生产方式应用到更多车型的生产上,特别是多车型的混线生产上。目前,多数欧洲车型已经采用了前端模块。中国汽车公司也在积极的采用这种模块化的生产方式。在此背景下,国际性模块系统供货商应运而生,并在加速全球化的发展进程。

随着人类环保意识的不断增强,对汽车能耗和废气排放的要求也在不断提高,减少汽车尾气排放已成为全球汽车行业努力的方向之一。尤其在欧洲,汽车厂商们更将其作为一项重大的研究课题,以期通过各种创新来最大程度地降低油耗并减少二氧化碳的排放量。

除了从发动机技术、汽车空气动力学和轮毂运动阻力等角度来改善燃油消耗外,减轻整车重量也是行之有效的方法之一。汽车前端模块位于汽车的最前端,其外形设计、功能结构和重量等,对能耗有显著的影响。其中,实现前端模块的轻量化、对进入发动机舱的气流进行动态调节进而降低气阻,这两个方面都有利于减少燃油消耗和碳排放量。为此,本文围绕“如何实现前端模块支架的轻量化”以及“具备新功能结构的动态进气格栅”这两个方面做重点介绍。

前端模块的构成和功能

前端模块具有连接汽车前端和功能集成的功效。在前端模块设计中,要大力提高系统的集成度,以显著降低部件成本和安装成本。从前保险杠到风扇护罩,都有可能集成到前端模块上。为提高汽车安全性和舒适性而开发的新技术,尤其是各种用于提高驾驶安全和行人保护的敏感元器件的逐步推广,都进一步提高了前端模块的系统集成度。一般而言,前端模块可以包括六大部件,即:前端支架(系统集成的平台)、冷却空调系统(包括动态进气格栅)、信号和照明系统、车身保护和外观造型结构系统、传感器和驾驶辅助系统以及行人保护系统。如图1所示,例举了这六大部件可能拥有的功能件。

图1 汽车前端模块主要部件及其各部件可能含有的功能件举例

表1中列举了几个由HBPO批量生产的前端模块的构成。其中,福特Fusion的前端模块主要由支架和冷却空调系统构成,这是因为防撞梁是车身的一部分,而且其模块的安装方式决定了无法将灯具和前保险杠集于一身;保时捷Panamera、Macan和奥迪的前端模块属于最常见的前端模块构成,因其设计中没有可用于安装模块的预留孔而无法集成前保险杠;在最新款的Macan上,保时捷首次采用了新型动态进气格栅,而且前端模块支架是多部件的总成(如图2所示);功能部件最全的一款是宝马Mini的前端模块。至今,大多数采用前端模块的车型都是车身不直接集成防撞梁和吸能盒的所谓“开放式结构”,可分离的车身碰撞安全系统先被安装到前端模块上,然后连同整个前端模块从汽车前方(反行使方向)快捷地安装到车身上。戴姆勒奔驰A级车的前端模块可以说是一款特殊的造型结构模块,不集成冷却空调系统,却集成了前保险杠,而且吸能盒和车身不是面面对接而是套筒式连接的。

表1 前端模块的构成实例

图2 保时捷Macan前端模块V6 BT HP的结构分解图

面向低能耗汽车的前端模块设计

汽车前端要同时满足诸多性能要求,如造型设计、刚度、强度、振动特性、乘员安全、事故维修成本、行人保护和空气动力学性能等。

对汽车前端的要求也在不断发展。欧洲汽车行业的一个努力方向是,达到特定的行人保护标准,如已付诸实施的新法规2003/102/EC。该标准依据人体碰撞部位,将测试分为三大部分:腿部、臀部和头部(小孩和大人)碰撞。腿部和臀部碰撞与前端模块直接相关,并直接涉及到前端支架的设计。

前端支架作为前端模块的安装和支撑平台,直接影响前端模块结构和性能的合理性。前端支架通常起到支撑发动机舱盖、连接并支撑页子板、提高车身前端的扭转刚度和支撑所有安装在其上的部件的作用。从结构上讲,发动机舱盖锁和锁钩的位置,以及支架与车身连接点的空间分布,决定了支架的基本框架结构。同时,前端支架还要有利于部件的快速安装、精确定位并确保汽车前端在发生碰撞时尽可能降低汽车的损坏程度和维修费用,并要符合各主要汽车市场的法律规范。这些性能上的要求,连同汽车前端结构和部件的空间分布,共同决定了前端支架可能采用的结构和材料选择。

全球汽车工业也在一直努力通过各种创新,来最大程度地降低油耗和CO2排放。各主要汽车市场都以法规形式对汽车排放提出了短期和长期目标,其中,欧洲的要求最为严格,提出到2021年,汽车平均CO2排放量要低于95g/km,到2025年甚至要降到78g/km。而且欧洲法规明确提出了碳超排的罚金:从2019年开始,汽车厂要缴付其所销售汽车每公里平均CO2排放量超额部分的罚款即每克95欧元。如果汽车公司的汽车每公里的平均碳排放为125g,那么在欧洲市场每辆车从2021年开始要被罚2850欧元。因此,碳减排是国际性汽车公司必须尽快解决的问题。

众所周知,能耗即碳排放量与燃油汽车重量成正比,可以用线性估算法大致推算。正因如此,欧盟规定的碳排放量与汽车重量线性关联(如图3所示)。平均来看,现有燃油发动机汽车远不符合2021的欧盟标准,而且汽车越重,现有燃油汽车的实际排放值偏离目标值越大,也就越不容易达标。因而,对采用燃油发动机的汽车而言,有效的轻量化是一个基本的必经之路,但还不能从根本上解决问题。尤其,降低气动阻力系数、减小轮胎滚动阻力、提高燃料发动机效率和采用新能源驱动都是必要的解决方法。

图3 现有燃油汽车的实际及目标碳排放值(CO2)与整车重量之间的关系

从前端模块的角度看,模块轻量化和气动阻力系数最小化是两个行之有效的方法。模块轻量化主要是通过结构和材料优化来降低前端模块各个部件的重量(如前端模块支架、防撞系统),以及通过集成设计来实现。汽车前端的造型设计和进气格栅的设计对汽车的气动阻力系数有显著的影响。动态进气格栅由宝马公司最早采用,目前已在不少欧洲汽车公司中得到了大范围应用。它能够动态地按需调节进入发动机舱的气流而降低气阻系数,从而减少燃油消耗即碳排放量。

前端支架的轻量化设计

对各个部件(如前端支架)的轻量化一般有两大途径:使用轻量化材料以及结构的优化。材料的选择取决于各汽车生产商对前端支架性能的要求。比如,前端支架材料必须满足至少在80°C,有时高达150°C条件下的短时力学性能和长时耐老化性能。从耐温耐老化和力学性能角度看,金属材料明显优于塑料材料,因为塑料材料的性能随发动机舱温度的变化而显著变化,而且塑料容易老化,纤维增强塑料的断裂伸长率又很低。从耐腐蚀的角度来看,塑料材料要优于金属材料,金属材料通常要做防腐处理。无论是在行使还是在发生碰撞时,前端支架都要能够承受冲击荷载,所用材料就要满足一定的刚度、强度和韧性指标要求,比如,为了保证在碰撞时锁桥和防撞梁不断裂,它们常常需要由金属材料来制造。

表2列出了各种材料如钢铁、铝合金、镁合金、碳纤维增强材料和玻纤增强材料等在不同受载情况下轻型结构设计的轻量化参考指标。从轻量化参考指标来看,轻型材料如铝合金、镁合金和碳纤复合材料具有突出的优点。玻纤复合塑料的优势不很明显,要视具体情况而定。从集成角度来看,能用于注塑成型的增强塑料和铸造成型的铝镁合金更具潜力。材料的选择既要考虑材料性能,又要考虑其价格。从性价比来看,传统的钢材和玻纤增强塑料更具优势。

表2 各种材料轻型结构设计指标相对值的比较

考虑到材料成本,目前用来生产前端支架最多的材料是玻璃纤维增强的聚丙烯和尼龙6。相对于聚丙烯,尼龙6的价格高、密度大,通常只用在耐温要求较高的车型上。金属具有极高的断裂延伸率和刚度,而塑料具有可热成型复杂结构的特性而能有效提高集成度。充分利用这两类材料的优点,合理组合即多材料的混合结构设计,是经济型前端模块支架轻量化的不二选择。

表3列举了几个量产的前端支架实例。含金属的结构具有刚度高以及温度、尺寸稳定性好的优点,而含塑料的结构具有集成度高、成本低的好处。目前来看,材料混合结构的应用还在不断扩大,纯钢铁结构的应用在不断减少。

表3 批量生产的前端支架实例

不管选用哪种材料,结构都要依据载荷边界条件,在满足各项性能指标的前提下,实现重量最小化。目前市场上已有不少成熟的模拟计算软件,能够协助设计工程师来实现轻量化,比如:拓扑结构优化、地形地貌优化和厚度优化等。图4列举了几个HBPO已批量生产的前端模块支架在开发过程中进行的优化。4.1和4.2都是借助拓扑结构优化方法,在满足刚度条件下,依据特定的边界条件,通过重量最小化,达到结构优化的目的。在注塑件或浇铸件上优化加强肋和壁厚时,首先要合理确定可用的最大空间、脱模方向和分型面,才能获得满意的加强肋分布和壁厚。在刚度结构优化时,可以纯粹以重量最小为目标,也可以附加材料成本最低化目标,优化结果也会有所不同。凸凹地形优化(4.4)是在壁厚和负荷条件不变的情况下,使刚度达到目标值。4.3给出了考虑车身刚度(灰色)和不考虑车身刚度(蓝色)两种情况下,在重量不变时,最佳加强肋的分布差别明显,甚至对整车的刚度有一定影响。因此,在结构优化时,要尽可能考虑到所有的实际边界条件。

图4 几个结构优化的实例

高效导流板和降气阻动态进气格栅

提高冷却空调系统的效率不仅有利于延长发动机寿命,还有助于降低燃料消耗和碳排放。冷却空调系统的效率不仅取决于各个热交换器的效率,而且发动机室的热空气回流到热交换器的冷空气入气面会降低冷却效率,因而建议采用密封较好的导气结构来隔离热空气。

导气结构的设计,主要取决于汽车前端的空间结构、发动机室的气压水平和前保险杠冷空气入气口的大小,要兼顾以下3个要素:首先,要有效减少或甚至杜绝热空气回流到冷空气的入气面;其次,要避免自身振动或与其他部件发生碰撞时发出噪声;最后,轻质低成本。

导气结构在汽车行驶的过程中会与前保险杠等相邻部件发生相对运动,为了避免由此产生的噪声,至少应在导气结构中与其他有相对运动的部件相接触的部分采用柔性材料。图5所示的左方为奥迪Q7的导气结构,它由多个简单的扁平件构成,采用软硬双组分注塑结构,其中的软组分是热塑性弹性体材料(TPE),其作用是对前保险杠和冷却空调系统进行密封,并避免因接触而产生的磨损和噪声。硬组分是PP,其作用是保证导气结构件的刚度。图5所示的右方为保时捷卡宴的导气结构,它是一个立体的、用弹性体改性聚丙烯材料注塑而成的漏斗形结构,具有导气性好、无噪声和低成本等优点。

图5 导气结构批量生产的实例

导气板虽然解决了空气的定向流动问题,但一直打开的进气口却在不需要冷空气时增加了汽车行使过程中的空气动力阻尼系数,降低了冷却空调系统的工作效率。为了解决这个问题,宝马在优化导气结构的基础上率先引入了动态进气格栅(如图6所示),只在需要冷却的时候才打开进气口,使空调冷却系统尽可能一直在最佳温度状态下运行,从而降低了冷却空调系统自身运行的能耗和汽车行驶的能耗。比如,在冷启动时,关闭进气口能够使发动机舱温度最快达到汽车高效运行所需的温度。除了降低能耗外,关闭状态的动态进气格栅还额外起到保护冷却空调系统免受碎石撞击和降低噪声的作用。

图6 动态进气格栅的工作原理图(引自宝马网页)

从动态进气格栅的作用机理来看,动态进气格栅进气面积通常要最大化,因而其形状大小取决于汽车设计进气口以及冷却空调系统的位置和大小,必须位于格栅和冷却空调系统之间,并且尽可能位于汽车的最前端,比如把现有格栅和动态进气格栅合二为一。但考虑到生产和维修成本、结构稳定性和行人保护要求等因素,各大汽车厂都有自己的考虑。HBPO也在不断开发和验证适合位于不同安装位置的新型动态进气格栅,与各汽车公司一道,找到适合自己理念的最佳方案。但目前为止,绝大多数动态进气格栅是固定在防撞梁上。这个方案有固定可靠、利用防撞梁的刚度而轻量化,以及支撑前保险杠等优点。如图7所示,HBPO实现量产的几款动态进气格栅就是基于上述理念设计的,其中,奥迪Q7的动态进气格栅更集成了左右支撑前大灯的支撑架。一般情况下,动态进气格栅由支撑框,电机、叶片和叶片连动机构等主要部件构成,在设计时,首先要保证连动机构的长时正常运行;其次要考虑在汽车的所有运行状态下,叶片的刚度要确保顺利开合;最后,要尽可能降低系统的摩擦阻力而降低驱动电机成本。

图7 HBPO设计量产的动态进气格栅的实例

 

作者简介

赵高明, 浙江大学高分子系硕士, 德国爱尔兰根—纽伦堡大学机械系塑料工程工学博士, HBPO模块系统公司技术开发部经理兼中国技术总监,主管产品开发和优化。

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