乘用車車身柔性架構開發

張海華 王鏑 張軼川

（泛亞汽車技術中心）

應市場需求，已經出現采用相同的整車架構，進行不同車型開發的概念[1]。車身架構是整車架構的重要組成部分，通常指的是下車體車身結構，包含前后縱梁、輪罩、防火墻及前后地板等零件[2]。這些結構對被動安全、剛度及NVH等車身性能起決定性的作用。在同一個架構上，可以通過更改上車體實現多個車型的快速開發。隨著市場的發展，大型車企會面對全球多個地區不同市場或某個市場多個車型并存的車型開發需要。如果采用同一架構，就會造成在低要求的地區或者車型上的設計冗余。為了避免這種現象，盡可能地降低產品的成本，架構就需要有一定的可變性，即車身架構的柔性，以滿足不同的市場需求及制造需求。文章提出一種通過帶寬概念來實現車身架構柔性的思路。在設計階段，涉及到的帶寬共有性能帶寬、尺寸帶寬及工藝帶寬3個方面。

1 性能帶寬

開發一款新的產品，使其滿足市場需求的性能要求是最基本的前提條件。因此性能帶寬是架構帶寬研究中的首要部分。目前對性能帶寬的認知有2個方面：1）如果同一個架構可以滿足不同質量及配置情況下的性能需求，就認為該架構具備這個范圍內的性能帶寬。在這種情況下，性能帶寬在低要求的車型上表現為設計上的一種冗余，但其設計方案性能表現穩定，可以減少開發及驗證費用。當前不少歐洲車企所采用的就是這種策略。2）在斷面及主體結構等工程解決方案不變的情況下，僅通過調整零件的材料等級和料厚，或增減加強零件的方式，來使該架構滿足不同質量及配置情況下的性能需求。在這種情況下，性能帶寬體現為不涉及主體結構改動的板材調整手段，從而可使產品設計相對第1種策略實現方式更為經濟，但需要投入更多開發資源。文章所論述的性能帶寬即為這方面內容。

車身的整體性能有被動安全、剛度和NVH三大方面。其中被動安全又分為正面碰撞、側面碰撞、后面碰撞、低速碰撞及行人保護等多方面內容。由于正面高速碰撞結果對車重較為敏感，同時不同等級的車型之間被動安全性能的要求差別也較大，因此對于同一架構中系列車型的性能帶寬設計，正面高速碰撞性能是研發的重點。

一般而言，影響正面高速碰撞性能的有整備質量、動力總成質量及整車質心位置3個因素。為了研究這3個因素在性能帶寬中的作用，以某車型為例，假設其動力總成所占用空間不變。設定5組數據，每組數據分別表示3個因素的一個等級，用以觀察研究對象車型在不同等級下性能的表現情況，如表1所示。圖1和圖2分別示出該車型在正面剛性墻碰撞（RGB）及正面偏置碰撞（ODB）中的分析結果。其中RGB中以B柱位置下方測量點的等效加速度（EA）為觀察對象，ODB中以車身結構入侵量指標之和為觀察對象。從圖1可以看出，隨著動力總成質量的增加，等效加速度上升速度比其他2個因素都要明顯。從圖2可以看到，隨著整備質量的增加，結構入侵值總和增加最為明顯。由于全球各地主要安全法規中，考察正面偏置碰撞的內容較多，因此認為整備質量對正面高速碰撞性能影響較大，其次則是動力總成質量。而在實際項目開發中，是否對于低要求車型進行進一步優化則取決于具體項目的策略以及車型的預期產量。通常，開發所選擇的基礎車型為預期銷量較大的車型，以獲得最大的收益。如果存在2個車型產量均較大，并且差異明顯，那么由于每輛車分攤的設備投資較低，則可以考慮對2個車分別進行優化，甚至演化成2個架構。

表1 性能帶寬探測變量

由于上述因素的變化，為了避免設計冗余或者性能不足，就需要通過一定的手段來實現性能帶寬需求。比較直觀的是在主要承力零件（如前縱梁）里面增加或刪除加強板，這種做法可以保證主體零件的共用。進一步可以考慮的是調整零件的材料等級，這種做法雖然需要重新開發模具，但總成的焊接夾具依然可以保持相當大部分的共用。如果再進一步優化，使得零件的料厚發生改變，那么可能導致該車型的生產設備都要全新投資，背離了架構設計的初衷。因此這就要求縱梁設計過程中做好統籌規劃，在結構或性能上為架構性能的上探或下探保留余地。

2 尺寸帶寬

尺寸帶寬是指該架構在滿足不同車型空間尺寸需求時的調整適應能力。在車寬方向，當輪距、軸距及車寬發生變化的時候，通過分解到車身上的尺寸的合理變化，來滿足不同的需求。圖3示出車身架構尺寸帶寬的實現策略。對于輪距的變化，前輪距變化對車身的影響主要反映在彈簧安裝點。如圖3a所示，當規劃車型因前輪距變化需求，需要彈簧安裝點外移一定距離（d）時，結構設計時就要為彈簧安裝點的移動預留足夠的空間；如圖3b所示，當規劃車型因后輪距變化需求，需要彈簧支座外移一定距離（d）時，如果后懸架彈簧支座設計在縱梁上，則需要將后縱梁設計得較寬，以使彈簧支座可以有足夠的變化范圍。上述情況中，彈簧安裝點允許變化的范圍被認為是車寬方向的尺寸帶寬。

而如果輪距的變化影響到后縱梁的間距，那么在后排H點同時外移相同尺寸的前提下，可以實現后地板鈑金結構簡單的Y向平移。這同樣被認為屬于尺寸帶寬范疇。

在前后方向，軸距變化最常見的設計要求是調整乘員空間或行李箱空間。由于涉及的范圍廣、零件多，需要制定特定的策略來實現該變化，如圖4所示。目前對于軸距（L1/mm）的識別，可以將其分解為若干尺寸的和：

式中：L5——前輪心到踵點距離，mm；

L6——后排H點到后輪心距離，mm；

L8——前排H點到后排H點距離，mm；

L9——踵點到前排H點距離，mm。

圖4中，L2為總車長，L5為固定尺寸，L3和L4為造型強相關可變尺寸，L6及L8為后排人機強相關可變尺寸。為了便于設計，在研究后排乘員布置位置時，一般會以前后地板分界線到后排H點的距離來替代L8作為結構設計參考，定義為L7。

對應不同車型的軸距調整，如果采用不同的變化策略會產生不同的結果，如表2所示。

表2 軸距變化策略及影響

總體而言，尺寸的變化對內服務于H點的變化需求，對外服務于底盤的變化需求。如果僅通過可變尺寸的調整無法滿足這兩方面的需求，而需要調整原本定義為不變的尺寸，那么就認為該變化超出了該架構的尺寸帶寬。在這種情況下，往往會將目標車型區分為2個架構進行設計。

3 工藝帶寬

當前對于工藝帶寬的認知有2個方面：1）在工廠制造主線采用的定位策略對所有車型通用；2）沖壓鈑金零件的部分工序模具或者焊裝夾具共用。

生產線投資費用非常高昂，而且還會存在場地限制問題。因此制造設計希望盡量可以在一條生產線上實現多車型的生產，這就對車身在生產線上的主定位孔提出了要求。當前主流汽車廠家都有自己的車身定位策略，在同架構的系列車型間，甚至于不同架構的車型之間，都通過零件調整實現這些車輛具有相同的定位孔，以達到同一條生產線生產的目的。這種做法被認為是工藝帶寬策略之一。

而由于秉承架構概念的設計，會導致同一架構不同車型之間存在大量相似的零件，那么這些零件就存在了共用部分工序模具或者共用部分焊裝夾具的可能性，進而降低生產設備投資。模具共用的前提是零件至少形貌相同，材料等級和料厚不變；而夾具共用的前提是，總成形貌相似，零件料厚變化在限定范圍內。由于現代汽車制造工藝對夾具要求越發嚴格，因此該料厚理論變化范圍非常小，通常在0.5 mm以內。文章認為這種概念也屬于工藝帶寬策略范疇。顯然的，該工藝帶寬策略和性能帶寬策略是強相關的。在實際項目中，需要協同考慮這兩方面的需求以求得最佳方案。

4 結論

文章所論述的車身柔性架構開發方法，是服務于整車柔性架構開發策略的重要手段，通過性能、尺寸和工藝3個方面的帶寬識別和調整，可以按照柔性架構開發策略，直觀地實現車身柔性架構開發，滿足不同地區、不同層級及不同性能要求的各種車型開發需求。此外在實際項目中，柔性架構開發策略還會受到車型產量安排、產地分布規劃、物流策略、生產設備投資及采購分包定點策略等多方面因素的影響。需要平衡各方需求，方能實現控制成本、快速響應市場變化及提升企業競爭力的目的。