低能耗汽车设计（低能耗汽车的前端模块设计）

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。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，都有利于减少燃油消耗和碳排放量。

赵高明博士是德国HBPO模块系统公司技术开发部经理，主管产品开发和优化，他曾获得德国爱尔兰根—纽伦堡大学机械系塑料工程工学博士。基于多年的研究，赵高明博士从 “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” 两个方面，提出了自己的真知灼见。在此，小编提炼一些干货与大家分享。

❂ 前端模块的构成和功能

前端模块起着连接汽车前端和功能集成的作用。一般，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。从前保险杠到风扇护罩，都有可能集成到前端模块上。通过提高系统集成度，可以显著降低部件成本和安装成本。

以下例举了几个由HBPO批量生产的前端模块的构成：

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，见下面分解图：

保时捷Macan前端模块V6 BT HP的结构分解图

宝马Mini的前端模块拥有最全的功能部件。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。

❂ 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，如依据欧洲行人保护标准，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。

★最大程度地降低油耗和CO2排放也是全球汽车工业一直努力的方向。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、防撞系统等，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，则对汽车的气动阻力系数有显著的影响。

❂ 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：使用轻量化材料和结构的优化。材料的选择取决于各汽车生产商对前端支架性能的要求，一般：

➤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；

➤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；

➤从性价比来看，传统的钢材和玻纤增强塑料更具优势，玻纤增强的聚丙烯和尼龙6是目前应用最多的材料。

★由于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，因此，充分利用这两类材料的优点，合理组合的多材料混合结构设计，是经济型前端模块支架轻量化的不二选择。

以下是批量生产的前端支架实例：

奥迪A3前端支架：

总重：5.3kg

材料：钢板/塑料（PA6 GF30:4.4 kg）

成型方式：模塑内组装

克莱斯勒Town&Country前端支架：

总重：6.5kg

材料：钢板/塑料（PP GF30:4.0 kg）

成型方式：模塑后组装

菲亚特500前端支架：

总重：8.15kg

材料及成形：钢板焊接

保时捷Panamera前端支架：

总重：3.5kg

材料及成形：镁合金浇铸

大众Golf A7前端支架：

总重：2.4kg

材料：玻璃纤维增强塑料（PA6 GF40:2.5kg）

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。为此，模拟软件能够协助设计工程师实现轻量化，比如：拓扑结构优化、地形地貌优化和厚度优化等：

这两种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。

这里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。

凸凹地形优化是在壁厚和负荷条件不变的情况下，使刚度达到目标值。

❂ 高效导流板和降气阻动态进气格栅

采用密封较好的导气结构来隔离热空气，将有助于提高冷却空调系统的效率。

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3个要素：

➤有效减少或甚至杜绝热空气回流到冷空气的入气面；

➤避免自身振动或与其他部件发生碰撞而发出噪声；

➤轻质低成本。

奥迪Q7的导气结构（左）由多个简单的扁平件构成，为软硬双组分注塑结构：软组分是热塑性弹性体材料（TPE），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，作用是保证导气结构件的刚度。

保时捷卡宴的导气结构（右）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。

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，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。

目前为止，绝大多数动态进气格栅是固定在防撞梁上，具有固定可靠、利用防撞梁的刚度而轻量化，以及支撑前保险杠等优点。HBPO实现量产的几款动态进气格栅就是基于这一理念设计的，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。

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本文源自PT现代塑料网（http://pt.vogel.com.cn）“

低能耗汽车的前端模块设计”

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