基于性能要求的发动机舱盖轻量化设计

王俊峰 魏震 陈美玉

（华晨汽车工程研究院）

据统计，汽车质量每减轻10%，燃油消耗量可降低6%～8%，尾气排放可下降4%。因此汽车轻量化是汽车节能减排的重要措施，也是当代汽车发展的必然趋势。汽车轻量化设计主要有2种方式：1）设计更加合理的结构，从而避免过设计；2）采用新材料替换原有传统材料，通常采用铝合金、镁合金、复合材料等轻型材料或高强度钢替代普通低碳钢提高性能，减轻质量[1]。2种方式中轻量化效果最为明显的为第2种，同时也是最具有挑战性的一种，必须在改变零部件材料的同时满足刚度性能指标。因此文章以某车型发动机舱盖为研究对象，对其进行材料替换，在保证刚度满足性能目标的前提下，实现发动机舱盖的减重。

1 铝合金发动机舱盖的设计开发

1.1 发动机舱盖总成结构

发动机舱盖总成由舱盖外板与内板焊接总成构成（如图1所示），外板与内板焊接总成通过包边工艺实现连接，发动机舱盖内板总成由内板与加强件通过点焊构成。发动机舱盖外板材质为B170P1，内板材质为DC04，板厚均为0.7 mm。

图1 发动机舱盖总成结构图

1.2 等刚度替换理论设计

发动机舱盖选用铝合金替换钢材质的设计方案，是将发动机舱盖的外板与内板根据等刚度替换理论进行材料替换，发动机舱盖加强件保留原钢材料设计，并通过自冲铆接工艺与铝合金材料内板进行连接。发动机舱盖外板与内板总成的连接方式采用与钢材质内外板相同的包边连接工艺。可通过等刚度替换理论初步确定替换材料的厚度。单个钣金件的刚度与厚度成非线性关系，近似关系表达为：

式中：K——钣金件刚度，N/mm；

C——几何系数；

E——弹性模量，GPa；

t——材料厚度，mm；

λ——材料厚度指数系数。

根据式（1）[2]，等刚度替换前后的厚度之比、质量之比分别为：

式中：t0，t1——材料替换前后的厚度，mm；

E0，E1——材料替换前后的弹性模量，GPa；

m0，m1——材料替换前后的质量，kg；

ρ0，ρ1——材料替换前后的体积质量，kg/m3。

由式（2）和式（3）[2]可知，等刚度条件下材料的厚度和质量均与弹性模量成反比。对于车身结构件，λ通常取值为1～2，几乎很少有小于1或大于3的可能[3]。基于上述理论可得出发动机舱盖内、外板由钢材质替换为铝合金材质后的初步厚度值，如表1所示，发动机舱盖内、外板材料替换厚度指数系数是2.01，满足λ在1～3的取值。

表1 发动机舱盖内外板材料替换前后厚度对比

1.3 发动机舱盖内板结构设计

通过等刚度替换确定发动机舱盖内、外板厚度后，首先按原钢材质内板结构，只将材质更改为AA5182（方案1），参照某公司研究院的分析标准及性能目标，分别对发动机舱盖进行行人保护、弯曲刚度、扭转刚度、前角刚度、中后部刚度的CAE分析。针对方案1的CAE分析不达标项对发动机舱盖内板结构进行2次方案优化，首次优化是在机舱盖内板增加横向加强筋，同时优化局部结构（方案2）；二次优化是将机舱盖内板设计为球窝状（方案3）。3种方案，如图2所示。

图2 发动机舱盖内板结构方案

2 发动机舱盖性能分析

2.1 性能分析标准

取锁钩中心点、左右2个铰链安装点的中心点及左侧铰链安装点3个点，建立局部坐标系。在该局部坐标系中，x'方向为铰链轴方向，y'方向为以上3点确定平面的法线方向。

对发动机舱盖弯曲、扭转、前角、中后部进行刚度分析，约束条件和载荷工况，如图3所示。1）弯曲刚度分析：在发动机盖锁扣节点处沿y'向施加300 N的载荷；2）扭转刚度分析：在两侧缓冲块位置沿y'向施加240 N·m的扭矩；3）前角刚度分析：在左侧缓冲块节点处沿y'向施加100 N的载荷；4）中后部刚度分析：在发动机舱盖中后部节点处沿y'向施加100 N的载荷。

图3 发动机舱盖刚度分析约束条件和载荷工况

2.2 方案性能分析对比

2.2.1 行人保护性能分析对比

依据网格点法对各方案发动机舱盖的行人保护性能进行CAE分析，原钢材质方案与方案1～方案3的发动机舱盖头型试验预测结果示意图，如图4所示，预测结果分值分别为6.25，6.05，5.96，6.10分。从分析结果可知，方案1与方案3的结构方案满足星级目标要求，接近原钢材质发动机舱盖的分值。

图4 发动机舱盖头型试验预测结果示意图

2.2.2 刚度性能分析对比

依据2.1节的分析标准对3种方案发动机舱盖的弯曲刚度、扭转刚度、前角刚度、中后部刚度进行分析，分析结果，如表2所示。通过对3种方案的刚度分析结果与目标值进行比对可知，球窝状发动机舱盖内板设计方案（方案3）的各项刚度均符合设计目标要求，为发动机舱盖材质替换刚度评估的最优方案，其CAE仿真分析，如图5所示。

表2 发动机舱盖刚度分析结果对比

图5 发动机舱盖刚度CAE仿真分析

3 轻量化效果分析

为得到3种发动机舱盖内板结构方案的铝合金发动机舱盖的减重效果，将3种铝合金发动机舱盖与原钢材质发动机舱盖模型进行比较，如表3所示。由表3可知，3种方案的发动机舱盖分别减重约为50.8%，49.5%，40%。

表3 发动机舱盖轻量化效果分析对比

4 结论

采用铝合金材料对发动机舱盖进行轻量化设计，需先通过等刚度替换理论，初步确定发动机舱盖内外板的厚度，再基于原钢材质的行人保护及刚度性能目标进行CAE分析。针对性能不满足项对机舱盖内板结构进行优化，最终设计了既具有高缓冲吸能性又满足刚度要求的球窝状发动机舱盖内板，同时实现了机舱盖减重。文章中涉及的分析及优化方法对铝合金发动机舱盖的正向设计具有一定的指导意义。