王善科

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026）

模塊化設(shè)計在客車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用研究

王善科

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026）

介紹客車產(chǎn)品模塊化設(shè)計及應(yīng)用的現(xiàn)狀及前景；重點(diǎn)分析客車模塊化設(shè)計思路、模塊化設(shè)計方法、

客車產(chǎn)品；模塊化設(shè)計；開發(fā)應(yīng)用；模塊管理

隨著市場競爭日益激烈，定制化產(chǎn)品的需求不斷增加。模塊化方法是降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期、解決客戶個性需求的一種較為有效的途徑，正在成為工程學(xué)界及管理學(xué)界的研究熱點(diǎn)。對于復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的研發(fā)尤其如此，而且能夠?yàn)槠鋭?chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)品，由于模塊易于從產(chǎn)品中拆卸和組裝，從而有利于產(chǎn)品生命周期的循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展[1]。2015年國家正式發(fā)布GB/T31982-2015《機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計規(guī)范》[2]，以引導(dǎo)機(jī)械行業(yè)模塊化設(shè)計應(yīng)用。目前國內(nèi)汽車行業(yè)大多沒有系統(tǒng)啟動模塊化設(shè)計，僅有少部分企業(yè)開始摸索。鑒于企業(yè)信息化和網(wǎng)絡(luò)化平臺應(yīng)用已逐漸成熟，模塊化資源共享共管已具備硬件條件，模塊化設(shè)計方法正是導(dǎo)入的最佳時機(jī)。

1 模塊化設(shè)計思路

模塊是組成系統(tǒng)的、具備確定功能和標(biāo)準(zhǔn)接口的典型的通用獨(dú)立單元。從以下三方面引導(dǎo)模塊化設(shè)計過程[3]：模塊間關(guān)聯(lián)度盡可能?。灰员M可能少的模塊組合滿足盡可能多個性化需求；模塊提煉歸并整合，提高通用性和降低數(shù)量。客車新產(chǎn)品開發(fā)和擴(kuò)展產(chǎn)品開發(fā)實(shí)施模塊化設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計、正確設(shè)計、簡化設(shè)計（尤其跨系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計）等，對于縮短開發(fā)周期、降低物料品種、方便采購備料、規(guī)范新模塊的產(chǎn)生和驗(yàn)證以提高可靠性、模塊重用，減少重復(fù)試裝等方面均有較大益處。

模塊化設(shè)計的總體思路是，通過統(tǒng)計分析，把設(shè)計參數(shù)劃分成相對固定因子、有序變化因子、無序變化因子，剝離出無序變化因子，把相對固定因子和有序變化因子進(jìn)行歸納總結(jié)形成模塊。整車平臺化、分系統(tǒng)及功能系統(tǒng)模塊化、零部件通用化等設(shè)計均屬于模塊化設(shè)計范疇，把模塊化設(shè)計理念貫穿到產(chǎn)品開發(fā)的每個環(huán)節(jié)才能更好地發(fā)揮作用[4-7]。模塊化設(shè)計總體思路如圖1所示。

1）整車平臺化。基于整車平臺參數(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品規(guī)劃和總體設(shè)計，基于產(chǎn)品平臺進(jìn)行擴(kuò)展產(chǎn)品開發(fā)。

2）分系統(tǒng)模塊化?；谡囬_發(fā)需求進(jìn)行功能模塊組合、配置選型，完成分系統(tǒng)設(shè)計。

3）功能系統(tǒng)模塊化?；诠δ芟嗨菩浴⑦吔鐦?biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)通用化等建立獨(dú)立功能系統(tǒng)。

4）零部件通用化?；诮Y(jié)構(gòu)模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、尺寸通用化，進(jìn)行零部件設(shè)計。

圖1 模塊化設(shè)計總體思路

2 模塊化設(shè)計方法

客車產(chǎn)品設(shè)計的特點(diǎn)是以現(xiàn)有產(chǎn)品模塊化平臺構(gòu)建為主線，以新產(chǎn)品模塊化平臺構(gòu)建為輔。根據(jù)客車產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)有特點(diǎn)，產(chǎn)品模塊化平臺構(gòu)建包括：模塊范圍定義、零部件分析（尤其功能主件）、模塊提煉歸并整合、模塊收納。

模塊化設(shè)計有兩條途徑，一個是自頂而下的模塊頂層規(guī)劃設(shè)計；另外一個是自下而上的底層子模塊積累設(shè)計。在模塊化導(dǎo)入初期，一般選擇自下而上方式進(jìn)行摸索試點(diǎn)；在模塊化發(fā)展期，開始推進(jìn)頂層規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自頂而下與自下而上相結(jié)合。

2.1 模塊頂層規(guī)劃設(shè)計

模塊頂層設(shè)計由項(xiàng)目組充分調(diào)研論證后完成并發(fā)布；模塊頂層規(guī)劃設(shè)計是根據(jù)獨(dú)立性、組合性、關(guān)聯(lián)性、相似性、包容性等自頂而下進(jìn)行模塊逐級歸類劃分。我們規(guī)劃成四級：A0級（產(chǎn)品平臺）、A級（系統(tǒng)模塊）、B級（功能模塊）、C級（功能子模塊或結(jié)構(gòu)模塊），其中A級模塊包括動力及傳動模塊、前后行駛模塊、側(cè)圍模塊、車頂模塊、前后圍模塊、地板模塊、底骨架模塊、駕駛區(qū)模塊、電器系統(tǒng)模塊、以及新能源系統(tǒng)模塊。以此類推，把A級、B級、C級也進(jìn)行逐層分解。模塊頂層規(guī)劃如表1。模塊規(guī)劃實(shí)例如圖2所示。

表1 模塊頂層規(guī)劃

圖2 模塊規(guī)劃實(shí)例A0-A級

2.2 底層子模塊設(shè)計方法

底層子模塊功能要相對獨(dú)立，內(nèi)部聯(lián)系盡量緊密，模塊間要相對簡單；底層子模塊的具體設(shè)計流程按方案設(shè)計、模塊提煉、在用模塊比對歸并、模塊屬性完善與發(fā)布、模塊子庫搭建及模塊入庫等過程實(shí)施，最后轉(zhuǎn)入模塊的選用和模塊的新增/變更。如圖3所示。

圖3 底層子模塊設(shè)計方法圖

2.3 底層子模塊化設(shè)計舉例

1）CNG氣瓶組件模塊，如圖4所示。

圖4 CNG氣瓶組件模塊化設(shè)計

2）城市客車駕駛員包圍模塊，如圖5所示。

圖5 城市客車駕駛員包圍模塊設(shè)計

3 模塊的管理及應(yīng)用

為了發(fā)揮模塊化在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的作用，不僅要掌握模塊化設(shè)計方法，而且要實(shí)現(xiàn)模塊資源的共享和正確應(yīng)用。模塊的管理包括模塊屬性管理、模塊收納管理。

1）模塊屬性管理。包括模塊編號/名稱規(guī)范化，模塊特征參數(shù)化，模塊二維圖紙/三維模型，模塊文檔等四個方面的管理。編號/名稱規(guī)范化和特征參數(shù)化，是為了提高模塊選用效率而做的。模塊編號/名稱根據(jù)模塊功能特征進(jìn)行規(guī)范編輯，模塊編號和名稱采用固定字符與變化字符的組合，如11BJN-01100CNG氣瓶及固定（1× 80 L鋼瓶）、11EJ9-01100CNG氣瓶及固定（3×120 L纏繞氣瓶）；模塊特征參數(shù)化是復(fù)雜模塊的一種識別方法，以提高篩選效率，如“CNG氣瓶及固定”模塊的三個特征參數(shù)值“氣瓶規(guī)格和個數(shù)”、“氣瓶倉形式”、“布置位置”。圖紙和模型是模塊基本屬性，圖紙可準(zhǔn)確詳細(xì)傳遞模塊基本信息，模型可直觀體現(xiàn)其形狀和布置空間；模塊文檔對該模塊立項(xiàng)審批、模塊方案設(shè)計、模塊使用方法等進(jìn)行詳細(xì)文字記載，方便查閱。

2）模塊收納管理。其為依托PLM數(shù)據(jù)平臺的模塊庫管理方法[8]，如圖6所示。首先，模塊庫是基于網(wǎng)絡(luò)平臺的PLM數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了共管共享；其次，基于PLM數(shù)據(jù)平臺模塊庫采用“四層級十大系統(tǒng)”管理架構(gòu)，四層級分別為模塊化資源庫（00MDL-00000）、分系統(tǒng)模塊庫（MDL-00、MDL-01、……、MDL-09等十個系統(tǒng)）、底層子模塊庫（模塊分類收納層，如CNG氣瓶及固定模塊庫11MDL-01000等）、模塊節(jié)點(diǎn)（模塊層，如1150Q-01100（7×120 L纏繞氣瓶）），實(shí)現(xiàn)了模塊分類分層管理；最后，模塊新建及變更是通過模塊節(jié)點(diǎn)維護(hù)的，模塊的文檔關(guān)聯(lián)到子模塊庫上，模塊的模型圖紙BOM導(dǎo)入到模塊節(jié)點(diǎn)下，實(shí)現(xiàn)了模塊全生命周期管理。

圖6 模塊庫管理架構(gòu)示意圖

模塊應(yīng)用是把模塊資源庫中的模塊準(zhǔn)確導(dǎo)入到產(chǎn)品開發(fā)結(jié)構(gòu)樹[9]（制造BOM）中。下面介紹四種基本導(dǎo)入方法和一個應(yīng)用實(shí)例。

1）復(fù)制法，是在模塊資源庫中選擇一個獨(dú)立模塊直接導(dǎo)入到車型結(jié)構(gòu)樹。如圖7所示。

圖7 復(fù)制法

2）組合法，是在模塊資源庫中選擇若干個獨(dú)立模塊組合后導(dǎo)入到車型結(jié)構(gòu)樹。如圖8所示。

圖8 組合法

3）結(jié)構(gòu)法，是在模塊資源庫中選擇一個模塊結(jié)構(gòu)，分系統(tǒng)或部件按選定模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，模塊作為分系統(tǒng)或部件的下級件導(dǎo)入到車型結(jié)構(gòu)樹。如圖9所示。

圖9 結(jié)構(gòu)法

4）分解法，是在模塊資源庫中選擇一個模塊，該模塊包含兩個或以上零件組合，將模塊分解成部件組合分別導(dǎo)入到車型結(jié)構(gòu)樹中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。如圖10所示。

圖10 分解法

以“CNG氣瓶及固定模塊”在“KLQ6122DAC5-EVF發(fā)動機(jī)YC6MK375N-50 CNG車型，1 400 L氣瓶容積”車型開發(fā)中引用為例來介紹模塊的導(dǎo)入及應(yīng)用：

第一步，選定子模塊庫，“CNG氣瓶及固定模塊”子庫編碼11MDL-01000。

第二步，模塊選型設(shè)計。根據(jù)氣瓶總?cè)莘e1 400 L、車型結(jié)構(gòu)、氣瓶艙空間等要求，從表2模塊清單中選擇適用的CNG氣瓶及固定模塊，方案為1×（7×120 L氣瓶支架-層半）+2×（2×140 L氣瓶支架-單層）。

表2 CNG氣瓶及固定模塊清單

第三步，將模塊導(dǎo)入車型結(jié)構(gòu)樹。按前述的組合法，把1個“氣瓶支架組件1150Q-01000（7×120 L纏繞氣瓶）”和2個“11QBC-01000（2×140L纏繞氣瓶）”組合裝配后導(dǎo)入到燃?xì)夤┙o系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。通過該模塊的二維裝配圖紙和三維模型組合裝配后形成了新車型的燃?xì)鈿馄坎贾醚b配圖和三維模型，從而完成了新車型的燃?xì)庀到y(tǒng)氣瓶布置。

4 結(jié)束語

國內(nèi)客車產(chǎn)品是定制化模式的先行者，但可靠性、舒適性、穩(wěn)定性也因定制配置繁多而減弱，影響客車產(chǎn)品的競爭力。在定制過程中提高產(chǎn)品性能，模塊化設(shè)計是必不可少的手段。把模塊化設(shè)計和模塊應(yīng)用充分結(jié)合起來，客車產(chǎn)品品質(zhì)將會不斷提升。

參考文件：

[1]徐震，徐燕中.機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計[J].制造業(yè)設(shè)計技術(shù)，2000（5）：21-23.

[2]中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院.機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計規(guī)范：GB/T 31982-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：9.

[3]童時中.模塊化原理設(shè)計方法及應(yīng)用[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[4]陳皓云，董福龍.汽車模塊化設(shè)計的應(yīng)用與研究[J].科技信息，2011（3）：36-37.

[5]李偉偉，劉小兵，王德明，等.淺談模塊化設(shè)計在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].汽車零部件，2013（3）：98-100.

[6]張利，張建國，李傳斌，等.汽車底盤模塊化設(shè)計中客戶需求層次分析模型研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，28（9）：994-997.

[7]滕曉艷.復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的模塊劃分方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[8]王玥，王晨曦.淺析企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化在基于模塊化PDM實(shí)施中的作用[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2012（9）：48-51.

[9]郟維強(qiáng)，劉振宇，劉達(dá)新，等.基于模糊關(guān)聯(lián)的復(fù)雜產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報，2015（5）：130-142.

修改稿日期：2016-07-23

Research on Application of Modular Design to Bus/Coach Products Development

WangShanke
（Higer Bus CompanyLimited,Suzhou 215026,China）

The author introduces the status and prospects of the modular design and application for the bus/coach products,focuses on the analysis ofthe bus/coach modular design thinking,modular design method,module application and management,in order to provide the reference in modular design and application for the bus/coach products development.

bus/coach product;modular design;development application;module management

U469.1

A

1006-3331（2016）06-0014-04

王善科（1981-），男，工程師；主要從事車輛動力總成匹配和模塊化設(shè)計的研究工作。

模塊應(yīng)用及管理，為客車產(chǎn)品開發(fā)的模塊化設(shè)計及應(yīng)用提供參考。