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汽车轻量化:减轻前端模块重量 降低成本

多年来,减少汽车尾气排放一直是全球汽车工业努力的方向,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CO2的排放量。除了从发动机技术和车身空气动力学的角度来改善燃油消耗以及减少CO2的排放量外,减轻车身重量也是行之有效的方法之一。在这方面,实现前端模块的轻质化对于减轻汽车重量具有非常显着的效果。

集设计开发、项目管理、物流管理和模块组装于一体的跨国公司——HBPO模块系统公司(以下简称“HBPO”)是专业从事汽车前端模块开发和组装的全球供应商,在欧洲、北美和亚洲各地共拥有14个JIS(just-in-sequence)组装厂。2006年度,该公司为全球各整车厂配套的部件超过220万件,已稳步成为全球最大的前端模块供应商之一。

作为前端模块的专业供应商,HBPO不仅非常熟悉前端模块的各个细节,而且始终致力于对各种最新规范的深入研究,以确保向各整车厂商及时提供高效的解决方案。HBPO研发前端模块的核心理念是:在减轻重量的同时还要降低成本。近年来,HBPO通过IFP(Integrative Frontend Philosophy)项目,收集了各大供应商的研发资源,系统地开发出了一些拥有专利权的、可集成防碰撞吸能系统、前灯和冷却空调系统的创新方案,并将其集中到了真实尺寸的实物模型上,以此来展示其功能性和可行性。其中,IFP.1侧重于追求高集成度、造型新颖以及高标准行人保护的前瞻性的创新理念,具有一个提高外观质量、造型高度自由的无缝前围。而IFP.2则侧重于成熟技术的再开发,从细节入手,来达到降低成本的目的。这些体现了HBPO创新理念的实物模型曾先后在2005年 和2007年的法兰克福国际汽车展上成功展出。本文主要从材料和结构的角度对HBPO的创新进行介绍。

高刚度、高集成度的前端支架

前端支架是前端模块各部件的安装和支撑平台,也是整车结构及其力学性能的重要组成部分。一般,前端支架的框架结构取决于引擎室的可用空间及其部件结构,特别是锁、空调冷却系统和前灯等部件的结构。例如,发动机罩锁和锁钩的位置以及支架与车身的连接点的空间分布决定了前端支架中锁桥的框架结构。基于轻质化和低成本化的设计理念,前端支架设计除了要满足整车厂商提出的性能要求外,还必须具有便于其他部件快速、精确安装的特点,同时还要确保前端在碰撞后使维修费用最低化。

前端支架材料和结构的选择则主要取决于整车厂商对前端支架力学和耐温性能的要求,同时还要考虑材料的价格。常用的材料包括:玻纤增强抗老化聚丙烯、玻纤增强尼龙6、钢铁、铝合金及镁合金材料。在这些材料中,金属具有极好的可塑性变形特性和很高的刚性,而塑料则可热成型复杂的结构,有利于提高集成度。在塑料材料中,相对于聚丙烯,尼龙6的价格较高、密度较大,通常只用在耐温要求较高的场合。当耐温要求高达150℃时,一般是使用金属材料。

传统上,前端支架作为车身的一部分,一般采用钢板焊接结构。随着塑料材料及其加工工艺的不断进步,多层复合板技术、玻璃纤维毡技术、长纤维模压技术和长纤维注塑技术等都先后被广泛地用于制造前端支架。目前,越来越多的前端支架采用了塑料/金属复合结构。这种结构充分利用了塑料和金属的性能优势,能够物尽所用并巧妙集成,实现功能的最佳化以及成本和重量的最低化。迄今为止,已有多种多样的塑料/金属复合结构被开发出来。从所采用的加工技术来区分,主要分两大类:模塑组装技术(即金属嵌入注塑技术)和模塑后组装技术。这两类技术各有优缺点,采用何种技术一般要根据整车厂商对前端支架的要求来决定。

模塑后组装技术是用金属件来加固塑料注塑件。一般,大众汽车公司使用的前端支架绝大多数都是采用该技术来生产的。最新宝马MINI上的前端支架,其主要特点包括:锁桥的可拆卸性;带有气流调节叶片的电扇支架的集成性;锁桥表面质量的可靠性。在该前端支架上,锁桥和塑料支架是通过8个螺丝来连接的,其中有4个螺丝本来就是用来固定2个锁的,这大大降低了组装费用。

模塑组装即嵌入注塑技术是先将成型好的金属件置入模具中,然后采用注射成型技术一次性完成各元件间的紧固和连接,从而一次性地成型出整体部件。在这方面,朗盛公司的“合必得”专利技术是最成功的代表。在这一专利技术的启发下,又有一些新的专利技术被开发出来,以满足某些特定的需求,如提高刚度、降低成本等,比如:采用HBPO/SHB专利技术开发的用于现代汽车STAREX上的前端支架,与其他的同类型前端支架相比,它具有两大特点:一是金属嵌入件的数目和重量比很大,主要是为了提高支架的整体刚度;二是锁桥嵌入件被上下一分为二,主要是为了降低锁桥的生产成本并提高其表面质量,以避免采用额外的引擎室装饰板。锁桥的上下两部分完全靠注塑过程中形成的塑料铆钉来实现连接。实际上,前述的IFP.2前端支架也采用了这一创意。

多功能行人保护系统

目前,欧洲汽车业界正致力于通过前端结构的改进来满足特定的行人保护标准的要求,例如已经付诸实施的新法规2003/102/EC。2003/102/EC法规将人体易碰撞部位分为三大部分:腿部、臀部和头部,其中腿部和臀部碰撞与前端模块直接相关。例如,极易对臀部造成严重损伤的部位是发动机罩的锁固系统和车灯。因此,这些部件的结构设计、固定方法和允许变形的程度都直接影响到前端支架锁桥的设计和选材。由于设计上的高难度,臀部碰撞暂时没有被列为法定测试范围,而腿部碰撞将从2010年起成为正式的测试项目。为此,除了要在保险杠前方增加形变部件如泡沫塑料以外,还需要在保险杠下方再增加一个支撑部件。这个部件有可能与前端支架或形变吸能盒连接在一起。

单一功能的腿部支撑结构多采用金属板焊接结构,如大众的设计。双功能结构多采用注塑结构,包括玻璃纤维增强和未增强的聚丙烯或尼龙6结构,以及金属/塑料的复合结构,如雪铁龙的设计。此外,欧宝和现代也采用了与此相似的设计。HBPO的、IFP.1的功能四位一体的塑料集成设计,包括:腿部和臀部的支撑,以及第二吸能结构和导气结构,目的在于降低成本。

超轻质导气系统

提高冷却空调系统的效率不仅有利于确保发动机的运行,还有助于降低燃料消耗和CO2的排放量。一般,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冷空气入气面的程度也会对其有所影响,而这则取决于导气结构的设计。

  

  多数情况下,冷却空调系统即使没有特定的导气结构,也能够达到冷却发动机使其保持平稳运行的技术要求。是否需要导气结构,主要取决于汽车前端的空间结构、引擎室的气压水平和前围冷空气入气口的大小。此外,不同的整车厂商、不同的车型、发动机的配置以及汽车的运行状况等,也都会影响导气结构的设计。前面提到的宝马MINI车所采用的气流调节叶片就是针对不同车况而设计的。

通常,导气结构的设计要满足以下3个要素:第一,尽可能减少热空气回流到冷空气的入气面,这是决定导气结构形状的最主要因素;第二,避免自身震动或与其他部件发生碰撞时发出噪音;第三,轻质低成本。一般,第二和第三要素决定了导气结构的取材范围。其常用材料多为聚丙烯,包括滑石粉填充的、橡胶改性的和发泡聚丙烯。导气结构通常是固定在前端支架上,当然,也有不少是固定在冷却空调系统上,这取决于设计师和整车厂商的偏好。不管采取哪种固定方案,导气结构在汽车行驶的过程中与前围等相邻部件的相对运动是不可避免的。为了避免由此产生的噪音,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。

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),其作用是对前围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音。硬组分是PP,其作用是保证结构件的刚度。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结构,能与相邻的部件保持适当的间距,以此来平衡安装误差。前述的IFP.2的导气结构则采用超轻质、高弹性的泡沫塑料,如EPP来代替目前常用的聚丙烯和弹性体材料,既能提高导气结构的刚度,又降低了重量(15%左右)和成本。

前灯可调安装的设计

减小前灯与相邻部件的接缝甚至实现零接缝是各大汽车公司努力追求的目标。为了获得均匀的小接缝,一般前灯位置需要经过两次调整:首先,模块供货商在组装前灯时需要进行精确定位;然后,整车组装线上的工人在最后组装时,由于车身尺寸的偏差,也不得不调整前灯位置。为了改变这一现状,HBPO通过IFP.1和IFP.2给出了不同的解决方案。

IFP.1的前围由两侧的特大前灯灯罩和中间的构件组成,这使得通常意义上的灯罩和前围间的连接缝被彻底消除,灯罩被扩展为前围的重要部分。基于光电功能(如照明系统和各类微波传感器)的要求,灯罩必须采用光波透明材料(如聚碳酸酯)。通过一个从外部不可见的快速连接件,中间构件与灯罩实现了无缝连接。无论是在初装还是维修时,前灯灯罩、灯壳与翼子板间的尺寸偏差都可通过一个连接灯罩和灯壳的柔性密封圈的变形而得到自动误差补偿。IFP.1模型是HBPO全新的大胆尝试,它从根本上解决了接缝问题,但要求整车厂商彻底改变其前围的现行设计还需要时日。

根据更新后的ECE规范R48的要求,要能够在野外且没有特殊工具的情况下完成对灯泡的更换(氙灯除外)。为此,IFP.2新方案是将前灯固定在一个独立的带导轨的塑料臂架上,既可以在组装时由直线导轨来定位前灯,也可以使灯泡更换更方便。这里,前灯被固定在一个独立的、带有导轨的塑料臂架上,并且在模块供应商处就能将其调整到最佳的终端位置。这个臂架的材料可以和用于生产前端支架的材料一致。根据需要,可使用纯塑料件或塑料/金属的复合结构。当前端模块被固定到车身的上下纵梁后,前灯臂架就通过特定的定位结构跟作为定位参考的翼子板精确地连接在一起,从而避免了前灯的重复定位,大大降低了组装时间和成本。如果接缝仍达不到要求,则可松开那两个固定螺栓,重新调整偏心紧固件,这样就可以简易地调整好前灯的位置。另外,在更换灯泡时,两个位于锁桥的、用来固定前灯的固定螺栓可以轻易地用硬币等松开,前灯就可以向前移动约8cm,留出足够的空间来换灯泡。由于导轨的定位作用,灯泡换好后,即可将前灯推入原位,而不会破坏前灯与相邻部件间的接缝尺寸。


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