商用车前面罩总成设计研究

前言 

随着科技的不断进步，人们对商用车的使用不再停留在“能拉货、拉得多”这种简单的理念，而是逐步开始重视安全、美观、舒适和使用方便等性能要求。前面罩是驾驶室前围的一个大型覆盖件，位于驾驶室前脸的正中央。前面罩不仅需要满足整车的美观度要求，而且需要满足整车制定的功能需求。前面罩在商用车设计中起着举足轻重的作用，但关于前面罩的设计研究资料却很少，因此本文重点介绍该系统的设计要点和设计校核方法。

功能需求

如图1所示，前面罩总成主要由前面罩本体、骨架总成、铰链、锁总成、气弹簧、格栅总成、扰流板总成及一些装饰件组成。

整车对前面罩的主要功能需求如图2所示，在设计前格栅时，需要考虑整车的进气需求，设计扰流板时，需要考虑除尘和风阻的需求，前面罩的开启角度由气弹簧的伸展长度或铰链的连杆长度决定，因此在设计气弹簧和铰链时需要考虑整车的维修方便性和人机工程。要达到整车的功能要求，则需要设计可靠性高，性能优的前面罩总成，而前面罩各个零件的功能决定整个面罩的性能，因此，保证每个零件设计达到最优显得尤为重要。

问题表现    

现有车型在试制过程中，出现前面罩刚性差、锁体开启不同步、气弹簧举升力不足、前面罩与周边零件匹配差、关闭撞击声大、人机工程及维修性差、干涉等问题，造成以上问题的最根本原因是设计经验不足，设计完成后未对整个前面罩进行计算模拟分析和DMU校核，诸多的设计失误严重降低整车质量，增加制造成本。

设计要点

鉴于上述的问题，为了避免诸多设计失误，保证前面罩的功能需求，设计前面罩总成时，需要充分考虑前面罩总成中各个零件的设计原则、设计要点以及布置需求。本文通过自身的设计经验，阐述前面罩自身零件在设计时需要关注的设计事项。

1.前面罩本体总成结构

前面罩本体结构在设计时，重点考虑前面罩的轻量化和刚性需求。为了满足轻量化和造型自由度需求，前面罩外板一般采用非金属材料，但非金属材料质地偏软，前面罩又需安装面罩铰链、气弹簧支架、面罩锁等功能件。需要在前面罩本体上增加加强结构，才能保证前面罩本体具有足够的刚度和强度。主要的加强结构见表1，其优劣对比见表2。在设计新车型时，需要结合造型、外板尺寸以及刚度和强度要求选择合适的加强结构，避免设计过饱和或刚度问题。一般尺寸较小的前面罩采用SMC外板+加强筋结构，尺寸较大的采用内部加强板结构。

2.前面罩铰链结构设计

前面罩铰链是前面罩开启时的旋转机构。在设计时需注意前面罩铰链自身包络不与周边零件发生干涉，常见结构有轴销式和四连杆式。轴销式铰链前面罩的开启角度由气弹簧的长度确定，四连杆式铰链前面罩的开启角度由连杆长度确定。

（1）轴销式铰链

如图3所示为轴销式铰链，为了保证车型的美观度，轴销式铰链多采用包塑或喷塑结构，轴销式铰链在设计时，主要考虑气弹簧力、关闭力对铰链刚度的影响，在进行CAE分析时，重点考虑铰链的位移变形量和应力值，部分车型虽满足应力要求，但位移量过大，面罩整体晃动量大，给人主观感受刚度不足，需要在设计工况下，通过位移和应力两方面评价铰链的刚度。图4为某车型铰链的应力和位移示意。

（2）四连杆铰链

货车用四连杆铰链尺寸较大，因此在结构设计时，不仅需要考虑铰链连杆在运动时与周边零件的间隙，更需考虑连杆与连杆之间的间隙，尤其是折弯的地方，需保证两个零件的间隙值为2 mm以上，避免零件在运动过程中发生干涉。四连杆式铰链通常安装于前围两侧，铰链的固定页板与前围外板连接（图5）。布置铰链安装点时，需要考虑前围内板焊接螺母时的可行性，以及内板和外板之间螺栓的安装空间。同时，根据前面罩的重量、铰链的开闭耐久性以及横向载荷要求，对前围部件提出铰链安装点的强度要求。

3.面罩锁系统设计

面罩锁是前面罩的锁止机构，是保证前面罩在整车行驶过程中在任何工况下面罩不开启的机构。开启拉手一般布置在仪表板下侧或侧面。锁系统出现的故障率很高，根据现有车型出现的问题，总结出锁体设计时需要注意以下几点：

1）布置拉索时，周边结构允许的情况下，拉线的折弯越少越好，折弯半径要求大于80 mm，避免面罩锁开启不同步和开启力大的问题。

2）设计扣手的开启行程时，需考虑拉索折弯次数，保证开启扣手的行程，避免扣手到极限位置，锁系统无法开启的现象。

3）锁系统中增加同步器结构是为保证左右置通用，但设计同步器时应充分考虑防水结构，避免雨水进入同步器锈蚀拉索。

4) 锁体和锁环应经过热处理，避免前面罩在开闭过程中因磨损失效。

5）锁体在设计时需要增加橡胶缓冲结构，避免锁体与锁扣在锁止瞬间发生金属撞击声。

4.气弹簧设计

在气弹簧设计时，往往会出现支撑力问题和布置问题，气弹簧的伸展长度和公称力将会影响维修性要求和人体操作舒适性要求。因此，设计气弹簧需要关注以下几点：

（1）气弹簧布置

气弹簧布置设计之前，首先确定满足前围维修需求的开启角度，前面罩的最大开启角度决定气弹簧的工作行程，根据人机工程学分析来确定，目前各主机厂为了满足前面罩人机要求，要求第50百分位（身高为1 705 mm）的人体站立在下方时，手掌可触及到前围处，且头部不会碰触开启后的前面罩。来确定前面罩的开启角度。这样设计是基于既要考虑人的头部不易碰到前面罩下部最低点，又要照顾关闭操作方便性要求。如图6所示为设计合理的角度，维修和人体操作方便，气弹簧行程达到最优。开启角度不合理，维修性会变差，不满足设计要求。

其次将前面罩需沿着铰链轴转动至最大开启角度，保证运动全过程中与车身周围无干涉，且保留足够的安全间隙，一般要求间隙为15 mm以上。另外，气弹簧必须有足够的安装空间，能保证总装线上的工人能够方便地将气弹簧安装在车身上。气弹簧在满足前面罩的开度下，尽量减小气弹簧的支撑力，因为过大的支撑力会增加气弹簧的制造成本以及前面罩的刚度要求。还会造成关闭力增加，人体操作不舒适等负面作用。

（2）气弹簧最小支撑力计算

在气弹簧设计时,需要为气弹簧厂家提供最小支撑力F1与气弹簧的行程H1。目前大多数气弹簧的公称力F1为200～380 N，计算气弹簧的公称力时需要考虑寒区气压的损失，一般每降低10 ℃气弹簧力损失4%～6%，行程受安装位置以及面罩尺寸影响，数据不一，如图7所示为气弹簧工作示意图，气弹簧布置完成后，根据气弹簧的位置，完成最小支撑力的计算，计算方式

如下：

1）气弹簧最小伸展力:

F1=GL/Bn×K  （1）   

式中：F1为最小伸展力；G为举升重力；L为重心到旋转中心的距离；B为气弹簧伸展时的有效力臂；n为气弹簧数量；K为安全系数，取1.2。

2）气弹簧的行程：

H1=L1-H    （2） 

式中，L1为前面罩开启后气弹簧总成长度；H为前面罩关闭后气弹簧总成长度。气弹簧的公称力设计不足，会导致面罩无法翻转到极限位置，影响维修性要求，公称力设计过大，将导致前面罩伸展速度过快、关闭力大等问题，因此，需要在气弹簧上设计合理的支撑力，保证面罩翻转至极限位置且可以缓速开启。

 （3）前面罩操作力的计算

当前面罩在关闭状态时，在前面罩下端中间位置施加某力，确保前面罩打开通过平衡点，此时的操作力为前面罩的开启力，前面罩在关闭状态，开启面罩施加力的位置较低；当前面罩在开启状态时，在前面罩下端中间处施加某力，确保前面罩关闭时通过平衡点，此时把手处的操作力为前面罩关闭力。根据力学平衡原理，通过气弹簧不同状态力值、重力以及力值对应的力臂可理论计算出关闭力和开启力，如图8所示为某车型操作力随开启角度变化的曲线，前面罩开启角度为102˚，选取其中20个角度作为操作力的计算点， 通过曲线数值可知最大力值所对应的开启角度，在设计时，要求前面罩的操作力小于100 N。

设计校核

结构设计完成后，为了避免设计失误，需要对前面罩系统进行设计校核，一般通过DMU校核前面罩总成自身零件以及与周边零件的间隙，通过CAE模拟分析前面罩试验指标。

1.DMU校核

 DMU校核时，前面罩与周边零件的间隙要求大于15 mm，与加注壶的间隙要求10 mm以上，但对于特殊部位无法满足间隙要求的位置，根据实际结构和布置需求减小间隙，但需要评估可行性以及风险。

2.工况设定及CAE分析

DMU校核完成后，需要对前面罩系统进行CAE模拟，前面罩总成在设定计算分析工况时，如表3所示，主要从前面罩的翘曲变形、前面罩的周圈刚度、操作刚度以及模态分析前面罩的性能是否满足整车性能需求。

结束语

前面罩作为商用车很重要的外观件, 其布置和设计过程比较复杂, 需系统考虑各相关部件之间的匹配、维修、人机及操作方便性。本文结合实际工作中出现的设计问题, 梳理了前面罩总成中重要零件的设计要点, 并通过DMU校核和CAE模拟分析，避免设计失误, 为商用车前面罩设计者提供设计参考。