汽车前端模块总成模块化设计及应用

胡军 林卉

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

汽车模块化设计就是将汽车产品的某些零部件组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统或总成，将这个子系统或总成作为通用性的模块与其他汽车产品零部件进行组合，构成新的更大的系统或总成。在汽车研发过程中，这些相对独立的汽车产品模块被直接选用，能够快速生产出多种汽车系列产品，缩短产品研发与制造周期，提高产品质量，快速满足用户需求[1]。基于模块化设计理念，文章提出一种汽车用前端模块总成的模块化设计思路和应用方法，经过验证，该模块可以同时用于同一车型台车或架构的轿车、MPV及SUV等车型。

1 前端模块总成模块化设计要求

基础车型平台采用动力总成为前置，驱动形式为前驱两驱/四驱的SUV车型。基础车型以搭载1.3T/1.5T汽油发动机和AT/MT/DCT变速箱为动力总成。由于基础车型为前置前驱的两驱/四驱车型，需要拓展至轿车、MPV等车型，前端模块总成必须满足多车型通用。

前端模块总成的技术方案需要满足如下条件：

1）明确需要在同一个车型平台上开发的不同车型种类，包含轿车、MPV及SUV；

2）车型平台上开发车型种类确定后，后续车型种类的关键系统及零件总成（如：动力总成、轮胎型号及悬架形式等）和各个车型的主要技术参数（如：整车质量、主要尺寸、动力性、经济性及空调性能等）需要明确，不能有大的变更，否则会影响前端模块总成的通用性；

3）前期明确搭载的关键系统及零部件，如发动机、变速箱及驱动形式等，需要对同一平台的轿车、MPV及SUV等车型做有规划的前瞻性布置，不同的车型均可以合理分配使用有限的布置空间，使用相同的模块化方案；

4）除了合理的布置方案，各关键系统及零部件在进行总体设计时首先需要考虑的是尽可能同时兼容轿车、MPV及SUV等车型，因为关键技术参数差别大而确实无法共用的，也要尽可能在对外接口上通用[2]。

根据项目开发需要，该前端模块总成是由冷凝器、中冷器、散热器及风扇分总成、前端模块骨架总成等主要零部件组成。其中，冷凝器通过螺栓固定至中冷器，中冷器与散热器通过螺栓固定，散热器通过软垫固定在前端模块骨架总成上。前端模块总成主要部件及发动机舱总布置简图，如图1所示。

图1 前端模块总成主要部件及发动机舱总布置简图

2 性能仿真分析

该前端模块总成结构集成度高，安装点少，需要进行大量的CAE分析，并不断优化，直到满足设计目标。

2.1 强度与模态分析

该前端模块总成对结构强度要求较高，且对结构模态有较大影响。

经过仿真分析，前端模块总成在5 g向上冲击工况下，冷却系统最大应力为41.6 MPa，出现在散热器水室根部，该应力值远小于材料拉伸强度，满足强度要求；5 g向下冲击工况下，冷却系统最大应力为26.3 MPa，出现在散热器水室根部，该应力值远小于材料拉伸强度，满足强度要求；1 g紧急制动工况下，冷却系统最大应力为8.4 MPa，远小于材料拉伸强度，满足强度要求；1 g右转工况下，冷却系统最大应力为9.3 MPa，远小于材料拉伸强度，满足强度要求。模态分析结果发现，散热系统没有明显局部模态，振型和振动频率与前端模块保持一致，结构的1阶模态为24 Hz，满足结构要求。其中，前端模块总成应力分布，如图2所示，散热系统的1阶模态振型，如图3所示。

图2 前端模块总成应力分布

图3 散热系统的1阶模态振型

2.2 机舱热管理分析

整车需要搭载2款不同的发动机，因此整车冷却系统需要同时兼顾2款发动机的冷却及同平台各种车型的冷却需求。

文章进行了怠速、中低速、高速工况机舱流体各项仿真分析，各工况下经过冷却模块的冷却液流量和风速，如表1所示。

表1 多工况冷却模块流量及风速分析

仿真分析发现，中低速、高速工况（高速工况机舱流场分析，如图4所示）各项性能要求均可满足设计目标要求，但怠速工况下仍存在回流问题，需要优化。怠速工况下，机舱内气流从冷凝器下方回流至冷凝器前方，回流携带机舱热量，会造成冷凝器进气温度升高，减弱冷却效果。通过在冷凝器两侧与格栅之间增加导流板，在下格栅与冷凝器底部之间增加导流板，并多次仿真分析优化，最终解决了该问题[3]。

图5 前端模块总成模块化拓展

3 样车装车验证及试验验证

3.1 样车装车验证

达到仿真分析目标要求和零部件及总成的DMU检查以后，进入样车制造环节，对该模块化方案进行系统的样车试制验证。

样车试制过程中充分验证前端模块总成内部各个零部件间及与周边零件的间隙，直至达到各开发控制要素的要求。同时验证前端模块总成的装配工艺可行性，确保满足前端模块总成的所有装配工艺要求[4]。

3.2 试验验证

样车制造完成后，需要对模块化方案进行系统的试验验证，包括整车环境模拟试验、碰撞试验、强度试验、刚度及模态试验、整车耐久试验等试验项目。经过充分验证，基础车型的试验结果完全满足前期设定的目标要求。

4 模块化拓展

根据轿车、MPV及SUV等车型布置和性能的不同需求，选择相同的前端模块总成结构。经机舱总布置分析、DMU检查、样车装车验证及试验验证，该前端模块总成在同一平台不同车型（轿车、MPV及SUV）上可以通用。该前端模块总成的模块化拓展，如图5所示。

5 结论

文章以汽车前端模块总成为研究对象，设计了一种由冷凝器、中冷器、散热器及风扇分总成、前端模块骨架总成等主要零部件高度集成的前端模块总成结构，其具备集成度高、质量轻、安装点少及多车型通用等优点。通过仿真分析的方法，论证了该模块在同一平台不同车型之间应用的可行性，通过整车试验验证充分证明了所提出的模块化方案满足了整车各项性能要求，达到了开发目的。但由于此方案的中冷器夹在冷凝器和散热器及风扇分总成中间，存在中冷器散热不足的风险。该前端模块总成及其散热系统仅适用于中小型车型平台，对于散热要求高的大排量涡轮增压发动机，就需要另外选择合适的前端模块总成及其散热系统。

2018年1—6月汽车工业产销情况

1—6月，汽车产销1 405.77万辆和1 406.65万辆，同比增长4.15%和5.57%，与上年同期相比，产量增速回落0.49百分点，销量增速提升0.83百分点。其中乘用车产销1 185.37万辆和1 177.53万辆，同比增长3.23%和4.64%；与上年同期相比，增速均有所提升；商用车产销220.40万辆和229.11万辆，同比增长9.41%和10.58%，与上年同期相比，产销增速呈一定回落。

1—6月，基本型乘用车（轿车）产销566.09万辆和569.40万辆，同比增长3.02%和5.46%；运动型多用途乘用车（SUV）产销511.94万辆和496.47万辆，同比增长9.62%和9.68%；多功能乘用车（MPV）产销85.79万辆和88.19万辆，同比下降17.10%和12.72%；交叉型乘用车产销21.54万辆和23.47万辆，同比下降23.78%和25.88%。