車身后端系統(tǒng)模塊化架構(gòu)開發(fā)

張軼川Zhang Yichuan

車身后端系統(tǒng)模塊化架構(gòu)開發(fā)

張軼川
Zhang Yichuan

（愛馳汽車有限公司，上海 200090）

基于車身后端架構(gòu)核心策略，建立了一種車身后端系統(tǒng)模塊化開發(fā)方法，通過尺寸、性能、工藝和接口4個方面的帶寬分析，闡述了該方法在多車型柔性架構(gòu)開發(fā)中的應(yīng)用，最后以某架構(gòu)車身后端系統(tǒng)開發(fā)為例，實(shí)現(xiàn)該方法的應(yīng)用。

后車身；模塊化；架構(gòu)；帶寬

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，車企面臨著愈發(fā)復(fù)雜的多地區(qū)多市場多車型并存的型譜開發(fā)需要，以及產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升、開發(fā)周期不斷縮短、綜合成本不斷壓縮等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-3]。為了有效應(yīng)對，汽車生產(chǎn)離不開模塊化和系統(tǒng)協(xié)同[4-6]。

通常在車型研發(fā)初期，需要制定整車架構(gòu)的柔性化開發(fā)策略。車身架構(gòu)作為整車架構(gòu)的載體，其柔性化策略是整車柔性化開發(fā)策略的基礎(chǔ)和重要組成部分。其中車身后端模塊，承載了車型和整車架構(gòu)尺寸的主要變化，在車身架構(gòu)開發(fā)中尤為重要。建立一種車身后端系統(tǒng)模塊化開發(fā)方法，通過尺寸、性能、工藝和接口4個方面的帶寬分析，闡述該方法在多車型柔性架構(gòu)開發(fā)中的應(yīng)用。

1 車身后端系統(tǒng)柔性化開發(fā)策略

1.1 車身后端系統(tǒng)主要輸入

對于后端車身開發(fā)，基本輸入來自架構(gòu)尺寸、重要接口（包括后懸架及輪胎、油箱和座椅的定義）以及車型定義。

架構(gòu)尺寸的差異有3方面：（1）軸距、輪距、后懸等基礎(chǔ)架構(gòu)尺寸；（2）乘員的位置和姿勢；（3）制造的定位策略。

重要接口輸入主要包括：后懸架、輪胎、油箱和后座椅，其中后懸架的各硬點(diǎn)限制了后縱梁和后輪罩的基本形式和位置，即整個后縱梁走勢。

車型定義差異對后端車身有顯著影響，如三廂/兩廂、高頂/低頂、二排/三排座椅等。

1.2 車身后端系統(tǒng)尺寸帶寬核心策略

車身后端最核心的架構(gòu)尺寸柔性來自軸距變化中4的策略，如圖1所示。4對內(nèi)決定了后部乘員和行李空間的分配，對外決定了底盤件的布置空間，這兩者框定了后端車身的核心設(shè)計空間。

注：L1為軸距；L2為前后排乘員H點(diǎn)X向距離；L3為后排乘員H點(diǎn)到后地板立面的X向距離；L4為后排乘員H點(diǎn)到后輪心X向距離；L5為后懸。

4長度變化主要通過3種策略來實(shí)現(xiàn)，后懸架以扭桿梁形式為例：（1）完全配合后懸架安裝點(diǎn)，后縱梁整體平移，前接頭加長，并與地板的型面配合，如圖2所示；（2）后懸架彈簧及減振器安裝點(diǎn)平移，推桿長度變化，后縱梁不移動，與后輪罩型面匹配，如圖3所示；（3）后懸架安裝點(diǎn)平移，后縱梁不移動，與車身安裝結(jié)構(gòu)匹配，如圖2所示。

注：L6為后地板立面到主定位區(qū)域前端；L7為后地板立面到縱臂襯套；L8為縱臂襯套到后輪心；L9為主定位區(qū)域后端到縱臂襯套。

圖3 策略2示意圖

策略2對車身調(diào)整相對簡單，但會造成動力學(xué)性能的顯著變化，同時會增加懸架種類；因而優(yōu)先在策略1和策略3中選擇，這兩個策略本質(zhì)上都可以用圖2表達(dá)，但其優(yōu)劣勢不同。

策略3邏輯相對簡單，固定后地板立面到后地板中橫梁之間的主要結(jié)構(gòu)，需要匹配調(diào)整的零件比較少，但對主定位孔區(qū)域的柔性小，即不允許同時存在多種定位孔策略。所有車型后縱梁上抬區(qū)域截面相同，如圖4所示，不存在性能帶寬的調(diào)節(jié)；縱臂襯套安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)為適應(yīng)后懸架安裝位置，可能出現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)等性能下降。

注：MTM（Meat to Metal，人體包絡(luò)到鈑金距離）。

策略1對主定位孔區(qū)域的柔性大，支持底盤減少懸架套數(shù)。原則上，軸距越大的車型后縱梁上抬區(qū)域截面越大，以滿足潛在的性能帶寬要求，如圖4所示，策略1更適合于柔性化架構(gòu)變換。

1.3 模塊化設(shè)計方法

基于變化策略1，零件的設(shè)計方法也進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。考慮后懸架系統(tǒng)整體平移，對應(yīng)安裝點(diǎn)也相應(yīng)平移，因而將后縱梁、后輪罩作為一個模塊，整體配合移動；C-RING（車身后端封閉的環(huán)狀梁結(jié)構(gòu)）需要與座椅靠背相匹配，又要保持完整性，可作為另一個單獨(dú)模塊；剩余的覆蓋件和若干橫梁作為第3個模塊。

綜上，將車身后端系統(tǒng)劃分為3個主要模塊進(jìn)行開發(fā)：后縱梁-后輪罩模塊A，C-RING模塊B，覆蓋件-橫梁模塊C，如圖5所示。

圖5 車身后端模塊劃分

將后端3大模塊進(jìn)行拆解，如圖6所示。

圖6 車身后端系統(tǒng)接口劃分（可變接口及不變接口）

模塊A與前地板的接頭作為接口a，該區(qū)域通常包含主定位孔相關(guān)結(jié)構(gòu)，在不同車型中為了系統(tǒng)級定位基準(zhǔn)不變，零件本身會有所不同，同時，模塊A、C發(fā)生相對移動時，該處需要進(jìn)行調(diào)整以保證匹配，后懸架前向推桿也常安裝在該區(qū)域，為適配不同懸架，該處也會變化；彈簧支座作為接口b，以適配懸架變化，包括不同輪距以及不同懸架形式；后輪罩減振器安裝座作為接口c，以配合懸架位置，對于燃油車，還需要適配加油管出口位置等；后縱梁后段作為接口d，以適配后懸長度的變化；后縱梁中橫梁作為接口e，以適配后端中橫梁位置；后輪罩座椅安裝掛鉤作為接口f，以匹配座椅位置（向，向）進(jìn)行調(diào)整。同時，接口l和接口p，考慮到成本、架構(gòu)策略等因素，通常作為不變接口。

模塊B中，C-RING立柱作為接口g，考慮三廂/兩廂車，以及模塊B相對于模塊A的平移，以適配輪罩型面的變化；C-RING對應(yīng)的后端中橫梁作為接口h，匹配安裝兒童座椅支架、安全帶固定點(diǎn)，以及后地板前后板分縫等。接口m在三廂車等存在封閉C-RING車型中，通常作為不變接口，而接口n，考慮到其在結(jié)構(gòu)性能中的作用，也可作為不變接口。

模塊C中，接口i主要考慮將軸距變化放在車身后端系統(tǒng)，不變動前地板；接口j主要應(yīng)對不同車高的變化，以及可能的后地板前后板分縫變化；接口k適配不同車型、不同后懸尺寸等。考慮成本和性能等因素，接口o可作為不變接口。

模塊化設(shè)計通過模塊的獨(dú)立設(shè)計和拼裝簡化系統(tǒng)設(shè)計。衡量模塊化設(shè)計柔性的重要指標(biāo)是系統(tǒng)的自由度，包括模塊整體平移及旋轉(zhuǎn)的自由度，模塊內(nèi)部發(fā)生變形的自由度和可變接口的數(shù)量。假設(shè)各自由度間相互獨(dú)立，則系統(tǒng)的總自由度為

式中：為系統(tǒng)的總自由度。

通過重用模塊，降低整個車型系列的成本，提升經(jīng)濟(jì)性，評估方法為

式中：n為架構(gòu)中第個車型對應(yīng)部分的部件量；k為某個部件在整個架構(gòu)中的實(shí)際類型數(shù)量；為某個部件在整個架構(gòu)中的總使用量；為架構(gòu)中車型數(shù)量；為架構(gòu)中部件數(shù)量。其中部件量包括零件數(shù)量、部件數(shù)量、子系統(tǒng)數(shù)量和零部件重量等。

最終，架構(gòu)系統(tǒng)會形成部件族譜，以“搭積木”的形式，組合成架構(gòu)中各型系統(tǒng)。

2 車身后端系統(tǒng)模塊化開發(fā)實(shí)現(xiàn)

在架構(gòu)開發(fā)中，后端車身通常需要考慮尺寸帶寬、性能帶寬、工藝帶寬和接口帶寬，以應(yīng)對不同車型的需要。

2.1 尺寸帶寬

尺寸帶寬包括，，3向架構(gòu)柔性，向主要涉及2、3、4、5；向涉及后輪距；向涉及車高，如圖1所示。

2變化主要通過前地板長度變化和后地板長度變化兩種策略實(shí)現(xiàn)。若采用后地板長度變化，由于中通道區(qū)域和兩側(cè)與門檻梁搭接區(qū)域的翻邊，造成接口i后地板立板成型困難，因此轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮涌趇增加補(bǔ)丁條來實(shí)現(xiàn)。

4變化主要通過前地板長度變化來實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)更大的架構(gòu)柔性。

3變化會影響后排腿部舒適性和車身主定位孔區(qū)域空間大小，需要在設(shè)計接口j時，預(yù)留足夠的MTM配合空間和座椅靠背到模塊B的空間，在一定范圍內(nèi)移動人的位置，即實(shí)現(xiàn)3變化，如圖7所示。

圖7 L3柔性化設(shè)計示意圖

除此之外，向還涉及后懸架變化5，其方案主要為：（1）車身后端長度變化；（2）后保長度變化；（3）后蒙皮特征變化。以上可通過接口d實(shí)現(xiàn)。

后輪距變化策略一般包括：（1）如果變化量小，通過調(diào)整底盤輪胎偏距或懸架輪邊安裝的支架位置，保持車身不變；（2）懸架（例如扭桿彈簧）單邊拉寬，安裝點(diǎn)平移，接口a、c相應(yīng)調(diào)整、接口b平移調(diào)整（如圖8所示）；（3）如果調(diào)整量較大，則考慮模塊A整體平移（如圖9[hx23] 所示），模塊B進(jìn)行向變形，模塊C調(diào)整接口j、k。

圖8 車身后端Y向帶寬變化（接口a、b、c）

圖9 車身后端Y向帶寬變化（模塊A、B、C）

車身后端向主要考慮車高的影響，其變化策略包括更改車身或內(nèi)飾，或同時更改二者。平衡性能、工藝、成本所得策略，主要考慮車身增加座椅支撐結(jié)構(gòu)，同時使坐盆鈑金抬起，其優(yōu)點(diǎn)為：（1）座椅主體共用，只使用較少聚氨酯發(fā)泡進(jìn)行填充，降低成本；（2）車身架構(gòu)主體共用，只更改接口j。對制造系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊如圖10所示。

圖10 車身后端Z向帶寬策略（后地板前半鈑金面上抬，補(bǔ)足后排H點(diǎn)抬高量，參考圖中上抬實(shí)線）

2.2 性能帶寬

性能帶寬主要包括后碰、整車剛度和動力學(xué)性能。

后碰主要差異來源于目標(biāo)市場安全法規(guī)、后懸、車重等因素，一般保持后端車身結(jié)構(gòu)共用，后縱梁本體留有設(shè)計冗余，通過調(diào)整接口d、e、h的材料、料厚及型面特征來實(shí)現(xiàn)。

動力學(xué)性能差異主要包括后懸架硬點(diǎn)相對差異和安裝點(diǎn)動靜剛度。硬點(diǎn)布置在項目前期已確定，安裝點(diǎn)動靜剛度主要通過接口a、b、c、e、g、h進(jìn)行調(diào)整。

車身后端模塊最主要的性能是整車剛度，其目標(biāo)差異主要來自車型定義和目標(biāo)市場需求。

在車身B柱前后，靜扭轉(zhuǎn)角曲線趨勢有明顯變化，將整車扭轉(zhuǎn)剛度等效為B柱前后兩部分扭桿彈簧串聯(lián)，可表示為[7]

（3）

分別對整車前后兩部分進(jìn)行線性擬合，如圖11所示。

圖11 整車靜態(tài)扭轉(zhuǎn)角曲線

為了消除軸距對扭轉(zhuǎn)剛度的影響，使用單位距離平均扭轉(zhuǎn)剛度表示，則平均總剛度為

（4）

（5）

圖12 模塊B的SFE分析模型

通過穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計，模塊B中接口g的上接頭高度以及向尺寸，對整車剛度性能影響最為顯著，可以作為調(diào)整的首選。

2.3 工藝帶寬

車身工藝帶寬一般分為系統(tǒng)級工藝帶寬和零件級工藝帶寬[1] 58。在車身后端模塊中，軸距的變化主要依靠后端模塊改變，所以在系統(tǒng)級工藝帶寬中，位于模塊A上的主定位系統(tǒng)涉及制造策略（用幾個孔、哪幾個孔，一般和生產(chǎn)共線策略有關(guān)）、后地板前端板位置（主定位孔前孔空間）和后懸架A-BUSHING位置（主定位孔后孔空間）。在設(shè)計接口a時，該空間需覆蓋整個架構(gòu)體系的帶寬。在該區(qū)域，實(shí)際向設(shè)計受車寬、油箱及后懸架硬點(diǎn)的限制，向受H點(diǎn)向、向位置，后懸架硬點(diǎn)及乘員舒適性的影響；因此，系統(tǒng)工藝帶寬是車身后端模塊設(shè)計的核心之一。在設(shè)計時，主要通過調(diào)整接口a解決矛盾，也可在接口d添加輔助定位孔。

零件級工藝帶寬，一般在自由度和的實(shí)現(xiàn)過程中體現(xiàn)。

2.4 接口帶寬

接口帶寬是實(shí)現(xiàn)尺寸、性能和工藝帶寬的方法。車身后端模塊接口主要包括后懸架、座椅、油箱、油管、車身前地板和后防撞梁等。

（1）若后懸架硬點(diǎn)相對位置固定，對車身接口帶寬影響較小。通過整體平移模塊A，懸架也相應(yīng)移動，配合架構(gòu)尺寸及硬點(diǎn)位置；若架構(gòu)中存在高低配懸架，則需要提前規(guī)劃接口a、b、c的形式，或者需要為某些懸架單獨(dú)增加接口。

（2）座椅的不同定義，模塊B需要適配座椅整體位置，對于接口f、g、j影響較大。

（3）燃油車油箱一般位于后地板立面和中橫梁之間，原則上要求油箱外殼體在不同油量下一致，這會對接口h、j產(chǎn)生影響。

（4）油管主要涉及從后輪心前、后繞過的問題，一般從后輪心前繞過，對后碰比較有利。若車系中同時存在兩種路徑，會對全系增加冗余，需要在后輪罩上預(yù)留空間，通過接口c、g來適配。

（5）前地板和后防撞梁的接口，一般要求在除了向之外的方向保持不變，向變化通過接口d適配。

綜上可知，=4時，模塊A的、向平移，模塊B的向平移，模塊C的向平移；=6時，模塊A接口a的向相對平移，接口b平移，接口e平移，模塊B接口g相對于上橫梁平移，上橫梁的有無，模塊C中高車頂車型增加了座椅安裝結(jié)構(gòu)；=11，即有11個可變接口。在理論上，最大系統(tǒng)自由度=264。

3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

以某架構(gòu)為例，包含短軸三廂車、短軸兩廂車、SUV、CUV、長軸三廂車和MPV 6款主要車型。主要架構(gòu)尺寸規(guī)劃和該架構(gòu)的后端向主要尺寸見表1和圖13。

表1 相對于基礎(chǔ)車的X向尺寸變化

續(xù)表1

注：BASE為基礎(chǔ)車型；Short NB為短軸三廂車；Short HB為短軸兩廂車；SUV為運(yùn)動型多用途車；CUV為跨界車；Long NB為長軸三廂車；MPV為多用途車；本例中短軸三廂車為基礎(chǔ)車型。[542] [hx43]

圖13 車身模塊變化X向尺寸譜

向輪距可以合并為2種車型及主要接口差異，形成每個車型對應(yīng)的不同模塊系列，表2即顯示了不同模塊及對應(yīng)可變接口。最后形成針對該架構(gòu)的車身后端模塊部件族譜，見表3。

表2 模塊系列（對應(yīng)車型）[546]

表3 部件族譜（模塊展開）

續(xù)表3

將圖6所劃分的子系統(tǒng)/子總成作為部件，在整個架構(gòu)中，其經(jīng)濟(jì)性計算根據(jù)式（2），表3中接口總類型數(shù)為41，各接口在整個架構(gòu)中的總使用量為96（16í6=96，即接口格數(shù)），但接口m只使用在兩款三廂車上，即只對應(yīng)2格（接口m在整個架構(gòu)中的總使用量為2），所以總接口格數(shù)為92，則其經(jīng)濟(jì)性=（1–41/92）í100%=55.4%。

特別考慮到接口j，后輪罩、后地板前橫梁和后縱梁主體段等價值較高零件的重用性較好，該設(shè)計方法有效地提升了整體設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 論

（1）闡述并分析了車身后端系統(tǒng)尺寸帶寬核心策略；

（2）制定了車身后端系統(tǒng)模塊化開發(fā)方法，通過尺寸、性能、工藝和接口4個方面的帶寬分析和設(shè)計，闡述了車身后端模塊化開發(fā)方法在車身架構(gòu)柔性化開發(fā)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)；

（3）提出了評價車身后端模塊化開發(fā)柔性和經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)；

（4）通過車身后端模塊化開發(fā)方法，形成模塊部件族譜，利于架構(gòu)開發(fā)范圍可視化。

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A

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2020-09-15