全塑汽车风扇罩的轻量化设计与研究

冯德胜　薛浩祥　李家强　张梦雯　郭晓琴

摘 要：现阶段，汽车行业的发展十分迅速，汽车保有量也日益增加，随之而来的全球能源危机和环境污染也越来越严重，因此，汽车轻量化发展成为汽车产业可持续发展的必由之路。本文采用玻璃纤维增强聚丙烯（GFRPP）复合材料代替钣金作为风扇罩材料，根据某国产汽车风扇罩尺寸、主要装配关系以及使用要求，在不影响性能的前提下，确定全塑汽车风扇罩设计原则，完成汽车风扇罩设计。利用CATIA软件建立三维几何模型，并参考注塑制品的设计原则及成型工艺，通过Moldflow软件对成型过程进行工艺分析，研究相关参数的影响。最终完成的全塑风扇罩在满足整车设计要求的情况下可实现一体注塑成型，与传统钣金风扇罩相比减重42.5%。

关键词：GFRPP复合材料 风扇罩 轻量化 结构设计 注塑成型

1 引言

近来，全球性的能源危机拉响警报，导致能源价格持续上涨。世界经济快速发展，带来了能源紧缺以及环境污染等问题，使节约能源和绿色可持续发展倍受瞩目[1-2]，也为汽车轻量化的实现带来了更严峻的挑战。

根据研究结果表明，汽车车身重量每减轻10%，就可以节省燃油消耗约6%～8%，提高燃油效率可达5.5%，降低碳排放4%[3]，显而易见，汽车轻量化技术能够有效地通过降低燃油消耗，进而实现节能环保的目的。因此，推动汽车轻量化技术发展，大力增加对汽车轻量化技术的研究，对经济、绿色社会的稳步前行有着深远的历史意义。

汽车风扇罩是汽车发动机舱保护散热风扇、支撑线束和各种电器等重要子系统的零件。传统汽车风扇罩由钣金件焊接组成，其重量较重，且工艺复杂。因此，研究風扇罩轻量化技术既可以降低汽车重量，节约能源，降低排放，又可以简化制造工艺，减少环境污染。

汽车轻量化技术大致可以分为三种方法：结构优化、轻量化材料、加工工艺[4]。目前，轻量化效率最高、最具有潜力的方法是材料轻量化[5]。而在当前的轻量化材料中，GFRPP复合材料是用量最大、使用频次最高、增长速度最快的品种[7-9]。

GFRPP复合材料作为汽车轻量化材料具有很多优点：密度小、设计灵活、耐腐蚀、抗冲击、抗振。不仅可以减轻汽车零部件的质量，还可降低成本。因此，汽车风扇罩的轻量化材料采用GFRPP复合材料具有明显的可行性和优点。李劲松[10]等以汽车水箱支架为研究对象，利用以塑代钢方法将传统钢质汽车水箱支架以聚丙烯/玻璃纤维材料进行替代，不仅能满足经济成本低还能实现轻量化，有很大的应用前景。奉振华[11]等以汽车后背门为研究对象，采用玻纤增强复合材料后背门代替金属后背门，研究结果证明玻纤增强复合材料后背门在各项性能均优于金属后背门的情况下，重量较金属后背门减重达到25%以上。

GFRPP复合材料成型流动性好，工业生产中多采用注塑成型加工工艺。利用注塑成型生产注塑产品时，由于结构设计不合理，容易引起产品的各种缺陷：缩印、应力集中、飞边、脱模困难、孔位偏差等。为了得到合格的注塑产品[12-13]，我们必须在在设计过程中充分考虑结构的工艺性。GFRPP复合材料汽车零部件的结构除了要满足注塑产品的各种工艺要求外，还要考虑其承载、装配、公差等要求。因此从该层面上来讲，以塑代钢产品的结构设计显得更具有研究意义。

为了满足产品的性能要求并达到轻量化的目的，我们通过对GFRPP复合材料风扇罩结构的设计与研究，总结出GFRPP复合材料风扇罩在设计过程中的关键参数和注意事项，为生产复合材料风扇罩提供技术支持，同时对汽车轻量化具有指导意义。

2 全塑风扇罩结构设计

2.1 全塑风扇罩结构模型

全塑风扇罩由GFRPP复合材料通过整体注塑成型产生，结构上看是由U型梁加筋结构组成的环绕散热风扇并与水箱零贴的平板结构，风扇罩由上下风扇罩组成，长、宽、高分别为735 mm、736mm、96 mm。作为汽车散热风扇的保护性遮蔽零件，风扇罩周边零件较多，安装环境相对复杂（如图1）。为满足安装强度和功能要求，风扇罩通过左右两侧四个安装孔，用螺栓与水箱固定，上下罩通过卡扣与定位销固定。

2.2 参数化结构设计原则

（1）装配要求：全塑风扇罩的结构设计不但要满足注塑成型工艺和注塑模具设计要求，还要满足周边零件的装配要求。根据整车产品设计规范，定义风扇罩与周边零件运动间隙保证10mm，静态间隙保证15mm；结合GB/T14486-2008《塑料模塑件尺寸公差》要求与风扇罩功能定位，定义主定位圆孔与定位销间隙0.2 mm，副定位长圆孔与定位销间隙0.2*1mm。

（2）形状要求：风扇罩为功能性遮蔽零部件，形状尽量与散热风扇和水箱匹配，避免材料浪费。由于风扇罩与水箱安装点方向为X向，主拔模方向定为X向。上下风扇罩之间由于安装关系需布置卡扣和定位，会导致侧面开孔和侧面凹凸结构，这两种结构需要侧向的分型和抽芯机构来实现。

（3）壁厚设计：根据风扇罩外形尺寸及材料选择制定零件壁厚。一般来说，塑料零件的壁厚介于1～5 mm之间，但最佳的厚度范围为2～3 mm。为了确保零件的完美外观，风扇罩主体壁厚设计为2..5 mm。

2.3 参数化建模

2.3.1 输入周边数据

根据需要输入周边数据，包括散热风扇、水壶、汽车水箱、线束、水管、风门等。

2.3.2 确定拔模方向

脱模方向是注塑件从模具的型腔里脱离出来的方向。风扇罩的安装方向为X向，为方便其安装点和定位孔的正常出模，风扇罩的主脱模方向定位X向。上下风扇罩安装需布置卡扣和安装孔，故风扇罩的滑块方向定为Z向。

2.3.3 布置安装点

一个刚体在空间运动中有6个自由度，即沿三个坐标轴的移动和绕着三个坐标轴的转动。在加工时，要使刚体的位置确定，必须要限制这6个自由度。根据零部件安装6个自由度原则和具体的安装空间确定风扇罩的安装布置，如图2所示。

2.3.4 三维结构设计

结构断面，风扇罩的主体结构由平板结构构成，如图3所示，这种结构的优势是结构简单，节省空间与材料。平板结构的宽度和高度可根据空间的大小进行适当的调整，平板机构与水箱随型，用螺栓固定，与风扇通过翻边留间隙配合，间隙设计为25mm，翻边高度63.2mm。

上下风扇罩卡接断面，风扇罩受安装方向和安装顺序限制分为两部分，分别为风扇罩（上）和风扇罩（下），风扇罩上下采用卡扣结构安装。安装断面如图4所示，风扇罩与保险杠卡接量设置为1.2 mm，干涉量设置为0.3 mm。

2.3.5 拔模并确定分型线

风扇罩数模进行模具可行性分析前，首先需要确定零件的分型线（Parting line or PL）。PL是塑胶模具上下或左右模对合的缝隙线， PL的位置会影响到后续模具打开的位置，所以在零件结构设计之初就要决定模具PL的位置，避免由于模具死角造成无法退模的问题。如图5、6所示，风扇罩抽芯面与上下模无干涉，符合模具设计要求。

3 成型工艺分析

3.1 网格划分

风扇罩的几何尺寸较大、形状复杂，包括圆角、加固筋和其他特殊元素。为了确保结构的翘曲分析能够准确无误地进行，网格的匹配率必须达到90%以上。将风扇罩的三维模型导入Moldflow软件中进行分析，平均纵横比为1.84和1.77，网格的匹配率达到了94.2%和93.5%，网格质量符合分析要求。

3.2 填充时间分析

填充时间是注塑成型过程中一個很重要的参考要素，显示的是熔体流动前沿的扩展情况，它能直接反映出产品生产周期。根据注塑过程中的填充情况分析还可以帮助我们避免充填困难等现象。由图7、8可知，浇注系统的所需填充时间为3.439 s、3.844 s，等值线过渡均匀，说明塑料熔体在型腔中的前进速度是比较均匀的，无明显滞流缺陷发生，填充行为较为合理。

3.3 产品缩水分析

缩痕大小反映出产品产生缩水缺陷产生的可能性，缩痕值越高，说明缩痕或缩孔出现的可能性就越大。如9、10所示，产品最大缩水在0.527 mm以下，由于产品为非外观零件，此缩水对性能无影响。

3.4 翘曲变形分析

翘曲变形是注塑制品一种常见的缺陷，翘曲变形程度是评价塑料制品质量的重要指标之一。翘曲变形分析可模拟注塑成型过程，并对成型结果进行预测。图 11 、12为风扇罩翘曲变形位移分布，可以发现风扇罩在上下风扇罩对接的位置存在最大变形4.8 mm、3.7 mm，但比例较小，对风扇罩整体精度无影响。

综合模流分析结果表明，风扇罩制品成型过程中各阶段无不合理现象，风扇罩结构符合注塑成型工艺要求。

4 轻量化效果对比

由表1可知，在保证整车性能要求的情况下，本次设计的GFRPP复合材料风扇罩重量从原钢质风扇罩的3778 g降到了1606 g，减重42.5%，轻量化效果显著，达到了最初的设计要求。

5 总结与展望

汽车轻量化是汽车产业技术持续发展的重要方向之一，汽车材料的以塑代钢是轻量化最直接的最有效的手段。本文基于某国产车型风扇罩的设计与开发，利用CATIA参数化建模的方法完成全塑风扇罩的结构设计以及Moldflow注塑工艺可行性分析，最终得到的全塑风扇罩重量较传统钢质风扇罩减重42.5%。由此可见，与传统钣金零件相比，轻量化材料的使用，可以有效减轻汽车自重，提高汽车的燃油经济性。

河南省科技攻关项目（No.232102240 059、No.222102230057）、河南省高校重点科研项目（No.22A430040）和郑州航院2023年校级大创项目（NO.60）的支持。

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