熊良劍

（武漢格羅夫氫能汽車有限公司，武漢430070）

主題詞：平臺開發(fā) 平臺架構(gòu) 結(jié)構(gòu)模型

1 前言

隨著市場競爭日趨激烈和汽車產(chǎn)品需求的不斷增長，逐個車型開發(fā)的傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)模式面臨著高昂的時間成本，無法滿足產(chǎn)品快速更新?lián)Q代需求。相比之下，整車平臺具有產(chǎn)品衍生能力強(qiáng)、新產(chǎn)品迭代時間短、開發(fā)和制造成本分?jǐn)偙〉膬?yōu)勢，目前已在許多汽車制造商中廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合某B級平臺，闡述了整車平臺開發(fā)過程中總布置的設(shè)計(jì)方法和原則，探索同平臺不同車型之間的結(jié)構(gòu)集成特征和衍變策略，從而確定平臺帶寬并搭建平臺結(jié)構(gòu)模型。

2 整車平臺開發(fā)

整車平臺化開發(fā)是基于平臺理念進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種方法，它和整車開發(fā)之間的主要差異在于：整車開發(fā)是單一車型開發(fā)，而平臺開發(fā)是平臺帶寬范圍內(nèi)的一系列車型的組合，它們可能采用相似或相同的底盤、車身結(jié)構(gòu)和動力單元。這就要求汽車制造商必須提前進(jìn)行產(chǎn)品的總體規(guī)劃和布局，其本質(zhì)目標(biāo)包括以下2點(diǎn)。

（1）保證零件在不同車型之間最大程度的通用化和系列化，擴(kuò)大零件的規(guī)模以降低其綜合成本，并可以減少產(chǎn)品品種，從而降低企業(yè)管理成本；

（2）縮短整車產(chǎn)品的迭代周期，一般全新的整車產(chǎn)品開發(fā)周期約36個月，通過平臺化開發(fā)的模式可縮短至24個月。

對汽車產(chǎn)品而言，零部件的組合關(guān)系如圖1所示。平臺最大程度的通用化和系列化的本質(zhì)目標(biāo)體現(xiàn)在零件、總成和系統(tǒng)的“四化”（平臺化、模塊化、系列化和通用化）水平上。其中，單個零件主要通過系列化和通用化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在不同總成或系統(tǒng)之間最大化的使用。對總成和系統(tǒng)而言，其“四化”要求更高，包括：

圖1 車型零部件組合

（1）設(shè)計(jì)上，要求具備相同或相似的尺寸、容積、接口形式、功能特性和工作環(huán)境。

（2）生產(chǎn)領(lǐng)域，要考慮模夾檢、生產(chǎn)和安裝工藝的通用性。例如大眾的發(fā)動機(jī)系列化設(shè)計(jì)，可以很好的實(shí)現(xiàn)其自身以及發(fā)動機(jī)附件的通用化設(shè)計(jì)。針對每一個總成或系統(tǒng)開發(fā)時，需要根據(jù)平臺的結(jié)構(gòu)性能要求，綜合平衡決定其開發(fā)形式。

3 結(jié)構(gòu)模型的定義

平臺開發(fā)的核心思路在于：應(yīng)用一些通用或者系列化的基礎(chǔ)單元搭建形成一個可擴(kuò)展的載體，也稱為平臺結(jié)構(gòu)模型，基于該模型可以快速衍生出不同的整車產(chǎn)品。

將零件、總成和系統(tǒng)定義為基礎(chǔ)單元，將經(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)集成的基礎(chǔ)單元定義為結(jié)構(gòu)單元，它往往是按照所處的區(qū)域與環(huán)境件（區(qū)域內(nèi)與之相互關(guān)聯(lián)的周邊部件）進(jìn)行集成，能滿足某種特定的功能。

常說的模塊便是結(jié)構(gòu)單元的一種形式，比如前端冷卻模塊，其中整車結(jié)構(gòu)模型是由若干個結(jié)構(gòu)單元組合而成的，該模型可直觀描述單一車型上各個結(jié)構(gòu)單元之間的結(jié)構(gòu)和尺寸關(guān)系。

平臺結(jié)構(gòu)模型是在整車結(jié)構(gòu)模型之上，它體現(xiàn)的是同平臺上各車型之間的差異及結(jié)構(gòu)演變策略。結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)和搭建是整車平臺設(shè)計(jì)的核心，它涵蓋了該平臺所能承載的整車定義以及帶寬，包括整車類型、關(guān)鍵尺寸、主體結(jié)構(gòu)和主要性能。

平臺結(jié)構(gòu)模型的4 個層級關(guān)系中，基礎(chǔ)單元的通用件數(shù)量代表著平臺的通用化程度，結(jié)構(gòu)單元的多少反映出平臺集成度的高低，整車結(jié)構(gòu)模型的數(shù)量則表示平臺承載能力（圖2）。

圖2 平臺模型層級關(guān)系

4 某平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)及平臺模型搭建

4.1 整車平臺規(guī)劃與產(chǎn)品布局

車企開發(fā)車型時根據(jù)公司現(xiàn)狀總體規(guī)劃整車平臺與產(chǎn)品布局。本文中以某車企現(xiàn)狀重點(diǎn)規(guī)劃的A級和B 級2 個平臺作為研究基礎(chǔ)，總體產(chǎn)品規(guī)劃情況如表1。這2 個平臺所能開發(fā)的整車產(chǎn)品，可以覆蓋市場上80%的車型需求。

表1 某車企平臺與產(chǎn)品規(guī)劃

4.2 整車架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 平臺關(guān)鍵尺寸定義

根據(jù)某B級平臺規(guī)劃，首先進(jìn)行平臺關(guān)鍵尺寸的目標(biāo)設(shè)定。目標(biāo)設(shè)定需結(jié)合競品車型及整車布置參考系，突出平臺或車型的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)(如突出寬敞的內(nèi)部空間，則需要把相關(guān)的頭部空間/膝部空間目標(biāo)值設(shè)定的較大一些)。

（1）整車內(nèi)外部關(guān)鍵尺寸

定義外部尺寸8 個，內(nèi)部尺寸21 和31 個（按5 座和7 座版區(qū)分），并按照平臺屬性和整車屬性進(jìn)行區(qū)分，如表2。其中5 個與造型相關(guān)的尺寸需要在整車開發(fā)時界定，其它34 個尺寸則屬于平臺的研究范疇。這34 個尺寸在目標(biāo)值和平臺結(jié)構(gòu)集成的限值之間互相平衡交匯，直至確定其平臺帶寬范圍或邊界值,表中圓點(diǎn)代表某一總體尺寸在某一屬性里需要明確定義，同時尺寸代號見SAE J1100-2009。

表2 平臺關(guān)鍵尺寸矩陣

根據(jù)該尺寸目標(biāo)值設(shè)定，第1 版整車架構(gòu)如圖3所示。它直觀地反映出平臺的總體尺寸目標(biāo)，也是結(jié)構(gòu)集成的邊界限制輸入。

圖3 整車架構(gòu)關(guān)鍵尺寸

（2）整車結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸定義

表3 中10 個與結(jié)構(gòu)集成強(qiáng)相關(guān)的尺寸是整車結(jié)構(gòu)集成研究的核心，同時定義其它結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸17個。這27 個結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸貫穿于整個平臺開發(fā)和結(jié)構(gòu)模型搭建過程中，其中表中圓點(diǎn)代表某一總體尺寸在某一屬性里需要明確定義的。

表3 平臺結(jié)構(gòu)尺寸矩陣

4.2.2 結(jié)構(gòu)集成分析

整車結(jié)構(gòu)集成的關(guān)系錯綜復(fù)雜，結(jié)構(gòu)單元的組成不一。如果以系統(tǒng)為對象進(jìn)行研究，將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的跳躍性較強(qiáng)，各環(huán)境件（什么是環(huán)境件）的集成關(guān)系難以系統(tǒng)性地描述和分析。據(jù)此將整車劃分為4 個區(qū)域：底盤、前部、中部和后部，以某B 級平臺為例進(jìn)行分析。

圖4 關(guān)鍵尺寸示意

（1）底盤模塊

底盤包括4大部分：傳動系、轉(zhuǎn)向系、制動系、懸架系。按照結(jié)構(gòu)集成的關(guān)系，分為2個結(jié)構(gòu)單元：前懸架總成和后懸架總成。該區(qū)域涉及到8個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的帶寬定義：前、后輪距，前、后輪靜力半徑，最小離地間隙，前后通過、離去角以及C點(diǎn)（關(guān)鍵硬點(diǎn)，Cowl Piont）高度。

前懸架總成為常用的麥弗遜式，集成了副車架、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向機(jī)本體、擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、穩(wěn)定桿連接桿、制動盤、卡鉗、彈簧、減振器（圖5）。存在SUV和轎車2種變型，具體變型策略在于輪心點(diǎn)A2較輪心A1向外移15 mm，向下降15 mm（表4）。

圖5 前懸架變型

表4 前懸架變型策略

后懸架總成為扭力梁式（圖6），集成了扭力梁、彈簧、減振器、制動盤、卡鉗、卡鉗支架，存在2種變型：轎車和SUV，具體變型策略說明如表5。

圖6 后懸架變型示意

表5 后懸架變型策略

確定前后懸架結(jié)構(gòu)集成關(guān)系的同時，需兼顧考慮輪心坐標(biāo)。輪心坐標(biāo)一旦設(shè)定，結(jié)合輪胎尺寸就可以確定出地面線和整車姿態(tài)，那么與地面線相關(guān)的13個高度方向的參數(shù)均需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和評估，如圖7 所示。

圖7 后懸架變型示意

（2）前部模塊

機(jī)艙作為容納整車動力單元的關(guān)鍵部分，主要研究內(nèi)容為動力總成及其附件。前部車身主要設(shè)計(jì)有安全防護(hù)結(jié)構(gòu)，以及冷卻模塊的集成。前部車身分為5 個結(jié)構(gòu)單元：動力總成單元，前端冷卻模塊，前機(jī)艙車身，前部防護(hù)裝置，機(jī)艙附件。前部車身共涉及到5個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的帶寬定義或邊界值：前懸、接近角（空載）、接近角（滿載）、前縱梁內(nèi)部寬度和前縱梁高度。

動力總成單元：集成發(fā)動機(jī)、變速箱、發(fā)動機(jī)罩、懸置支架和驅(qū)動半軸。該平臺匹配5款動力總成，其發(fā)動機(jī)安裝端面的坐標(biāo)完全統(tǒng)一，布置角度均為0°，且變速箱的輸入輸出軸高度落差為定值69.4 mm，見表6。

表6 動力總成匹配策略

前端冷卻模塊單元：集成散熱器、散熱風(fēng)扇、冷凝器和中冷器。該平臺存在2 種變型：國五D1 和國六D2，圖8中僅中冷器的設(shè)計(jì)和位置存在差異。

圖8 前端模塊變型

前機(jī)艙車身單元：集成前圍板、前縱梁、減振塔座、1#梁。兼顧考慮動力總成單元向最大寬度，前懸架彈簧減振器的最大包絡(luò)，前縱梁的高度帶寬，按照其最大邊界進(jìn)行設(shè)計(jì)。減振塔座與前懸架總成的接口，SUV比轎車外移6.6 mm，圖9所示其它部分為平臺的通用單元。

圖9 前減振器塔座變型示意[6]

前部防護(hù)裝置：集成吸能盒、前防撞梁，如圖10所示。在動力總成單元和冷卻模塊初步確定之后，前部防護(hù)裝置的尺寸決定了最短前懸的結(jié)構(gòu)限值。這個尺寸主要由造型和碰撞性能綜合決定。該平臺轎車和SUV 的防撞梁為2 種變型，吸能盒長度存在差異，具體布置尺寸如表7。

圖10 前減振器塔座變型示意

表7 前艙Y向布置尺寸鏈

表7中FOH代表整車前懸長度，其中③、④、⑤決定最短前懸結(jié)構(gòu)限值，根據(jù)不同車型的碰撞星級要求，設(shè)計(jì)前防撞梁、吸能盒和防撞泡沫，從而可確定出前懸長度邊界輸出給造型部門。

機(jī)艙附件單元：集成了蓄電池、電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、真空助力器、機(jī)艙電器盒、雨刮電機(jī)、膨脹箱、發(fā)動機(jī)電控單元和懸置彈性件。附件根據(jù)動力總成單元適配為通用模塊，如圖11所示。

圖11 附件單元布置

附件單元中真空助力器和雨刮電機(jī)的集成，又決定了整車C 點(diǎn)高度，如表8。副車架-轉(zhuǎn)向機(jī)-真空助力器-流水槽下部鈑金（++）是完全保持通用的，C點(diǎn)的高度差體現(xiàn)在懸架的高度變化（+），以及尺寸上，而尺寸是在滿足雨刮結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，綜合考慮機(jī)蓋造型、玻璃傾角、駕駛員坐姿和視野因素綜合交匯后確定的。故該平臺的C 點(diǎn)高度可按照轎車和SUV進(jìn)行2種設(shè)定，高度區(qū)間在940～1 054 mm。

表8 前艙Z向布置尺寸鏈 mm

其中流水槽鈑金處的差異可采取將前圍板和流水槽底部鈑金共用，前減振塔的向位置保持不變，使用加強(qiáng)支架支撐C點(diǎn)高度，見圖12。

圖12 流水槽鈑金結(jié)構(gòu)

（3）中部模塊

座艙區(qū)域是駕駛員和乘客直接接觸的區(qū)域，主要目標(biāo)是在滿足駕駛員操作方便性的前提下，保證足夠的乘員生活空間以及乘坐舒適性，按照其集成關(guān)系分為5個結(jié)構(gòu)單元：前排假人坐姿及座椅骨架、駕駛員操縱裝置、后排假人及座椅骨架、前圍區(qū)域和中部車身結(jié)構(gòu)，該模塊涉及結(jié)構(gòu)尺寸7個：軸距、車高、駕駛員上視野、駕駛員下視野、最小離地間隙、門檻梁和地板高度和座椅行程。

前排假人坐姿及座椅骨架：假人設(shè)定按照轎車和SUV區(qū)分，匹配2套座椅骨架安裝支架，實(shí)現(xiàn)不同車型人體坐姿拓展，見圖13。

圖13 座椅骨架斷面

駕駛員操縱裝置：包括“三踏板”（加速、制動和離合器踏板）、轉(zhuǎn)向、換擋機(jī)構(gòu)和制動機(jī)構(gòu)?！叭ぐ濉焙娃D(zhuǎn)向系統(tǒng)是連接前部模塊和中部模塊的關(guān)鍵紐帶?！叭ぐ濉迸c駕駛員坐姿匹配為轎車和SUV 兩套方案，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中硬點(diǎn)V3/V4/V5 位置相同，硬點(diǎn)V1/V2 及轉(zhuǎn)向盤直徑根據(jù)不同車型人體坐姿、儀表板造型、整車性能進(jìn)行不同匹配，如圖14所示。而換擋和制動機(jī)構(gòu)，可共用踏板機(jī)構(gòu)總成和固定方式，調(diào)整踏板面實(shí)現(xiàn)拓展衍變。

圖14 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意

中部車身結(jié)構(gòu)集成前地板、后地板、座椅橫梁和門檻梁。其中前后地板均完全通用，座椅橫梁根據(jù)轎車和SUV 的H30高度以及座椅骨架形式適配2套，后地板連接板以及門檻梁的長度變化以實(shí)現(xiàn)軸距的變化，拓展尺寸范圍2 620～2 730～2 840 mm，見圖15。

圖15 車身底板結(jié)構(gòu)拓展

（4）后部模塊

后部區(qū)域主要保證足夠大的行李箱空間，并攜帶隨車工具、備胎等。后部區(qū)域分為4個結(jié)構(gòu)單元：后部車身、后部防護(hù)裝置、后部下方區(qū)域和備胎及隨車工具。涉及5 個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸：后懸長度、離去角（空載）、離去角（滿載）、行李箱高度和后縱梁高度。

后部車身：集成后地板、后縱梁和后輪罩。后部車身設(shè)計(jì)分為3 種形式：轎跑、轎車和SUV，均容納小尺寸備胎，如圖16所示。

圖16 后部車身結(jié)構(gòu)示意

后部防護(hù)裝置：集成吸能盒、后防撞梁和防撞泡沫，見表9。在滿足與前尾板間隙要求的基礎(chǔ)上，后部防護(hù)裝置可遵循最短后懸的結(jié)構(gòu)限值，根據(jù)整車造型和碰撞要求進(jìn)行適配。該平臺后防撞梁通用，但吸能盒以及防撞泡沫進(jìn)行差異化匹配。

表9 后艙Y向布置尺寸鏈

后部下方區(qū)域：備胎及隨車工具集成小備胎、隨車工具（千斤頂、拖車鉤、輪胎拆卸扳手），均保持通用，如圖17所示。后懸長度不同帶來的布置位置的差異，通過設(shè)計(jì)不同尺寸的工具盒來實(shí)現(xiàn)。

圖17 后部下方結(jié)構(gòu)示意

4.2.3 整車關(guān)鍵尺寸參數(shù)評價

對于外部總體尺寸，定義外部尺寸比例評價其協(xié)調(diào)性；對于內(nèi)部人機(jī)尺寸，定義座艙內(nèi)部空間利用率，可以反映出造型設(shè)計(jì)與零件集成度的水平，具體定義見表10 與圖18 空間利用示意。收集并建立競品及本品數(shù)據(jù)庫，可以判定設(shè)計(jì)的合理性和先進(jìn)性。

表10 整車關(guān)鍵尺寸評價

圖18 內(nèi)部空間利用率

4.3 架構(gòu)模型狀態(tài)

根據(jù)關(guān)鍵尺寸目標(biāo)值和結(jié)構(gòu)集成的交匯，進(jìn)行最終的整車架構(gòu)布置，涵蓋了平臺關(guān)鍵尺寸的帶寬和邊界值，平臺相關(guān)尺寸如圖19所示。

圖19 平臺關(guān)鍵尺寸帶寬

5 結(jié)語

整車架構(gòu)設(shè)計(jì)是為了項(xiàng)目平臺開發(fā)定義規(guī)則，統(tǒng)一的平臺布局是通用化的基礎(chǔ)，即平臺開發(fā)的邊界和開發(fā)框架，同時也定義了系統(tǒng)功能關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)化的接口和模塊以及共享的工藝技術(shù)，能最大限度地進(jìn)行高效率、高質(zhì)量和低成本的產(chǎn)品開發(fā)。本文系統(tǒng)地闡述了結(jié)構(gòu)模型的搭建方法，可作為后期車型開發(fā)的參考基礎(chǔ)，按此方向進(jìn)行統(tǒng)一整體布局后，后續(xù)可以逐步研究零部件的最大通用化的方法，最大限度地節(jié)約研發(fā)和生產(chǎn)成本，從根本上上提高產(chǎn)品的核心競爭力。

在未來汽車發(fā)展日益激烈的大環(huán)境下，整車開發(fā)周期會極大地縮短，在較短的開發(fā)周期里要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化，車輛迅速迭代升級就離不開產(chǎn)品的平臺化、模塊化技術(shù)，項(xiàng)目開發(fā)初期往往會有多款車型同時進(jìn)行，如何實(shí)現(xiàn)這種極強(qiáng)的適應(yīng)能力是今后需要努力的方向，同時滑板底盤技術(shù)、電池底盤一體化（Cell To Chassis，CTC）技術(shù)、智能駕駛需要的線控技術(shù)等，為整車架構(gòu)相關(guān)的工程師提出了更大的挑戰(zhàn)，為“四化”產(chǎn)品開發(fā)提出了巨大挑戰(zhàn)。