整車模塊化平臺(tái)關(guān)鍵尺寸L113設(shè)定

潘彥成 趙國(guó)棟 秦廣義 安鵬 姜顯豐

（一汽奔騰轎車有限公司，長(zhǎng)春 130000）

主題詞：L113 平臺(tái)化 模塊化 人機(jī)工程

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)成為了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車制造業(yè)產(chǎn)值約占經(jīng)濟(jì)總量的2%～3%[1]。同時(shí)，我國(guó)汽車銷量多年位居世界首位，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到3 500萬(wàn)輛[2]。

由于汽車產(chǎn)品生命周期的縮短以及技術(shù)創(chuàng)新的加速，使得汽車的設(shè)計(jì)成本在總成本中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。采取平臺(tái)化、模塊化的設(shè)計(jì)思路可以有效地解決消費(fèi)者需求日趨個(gè)性化和產(chǎn)品成本日漸升高的2大問題。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品組合進(jìn)行整合優(yōu)化，提高零部件及模塊的共用，同時(shí)提高同平臺(tái)下各產(chǎn)品的生產(chǎn)線共用率[3]。在有效降低成本的同時(shí)，可以加快新產(chǎn)品推出速度。

2 平臺(tái)化、模塊化相關(guān)說(shuō)明

2.1 策略說(shuō)明

世界上主要的乘用車生產(chǎn)企業(yè)均已采用平臺(tái)戰(zhàn)略，各家平臺(tái)策略均有不同。例如：大眾汽車的模塊化平臺(tái)（Modularer Querbaukasten，MQB），整合了原有的產(chǎn)品平臺(tái)—PQ2、PQ3及PQ4系列平臺(tái)，從而形成一個(gè)全新的擴(kuò)展性更強(qiáng)的統(tǒng)一平臺(tái)[4]；豐田汽車的新全球架構(gòu)（Toyota New Global Architecture，TNGA）平臺(tái)，新的架構(gòu)平臺(tái)重新分為混動(dòng)、前驅(qū)、后驅(qū)3大類產(chǎn)品平臺(tái)[5]；以及日產(chǎn)的通用模塊化譜系（Common Module Family，CMF）平臺(tái)[6]。

“模塊化平臺(tái)”策略重點(diǎn)在于跨車型和跨細(xì)分產(chǎn)品，即每種平臺(tái)可應(yīng)對(duì)Sedan、SUV、MPV等多種車型，以及滿足2個(gè)以上細(xì)分車型區(qū)隔的要求。

如圖1 所示，此策略的核心是保證前輪心到前圍板的距離是不變的。在此基礎(chǔ)上，前懸、前輪距、后輪距、軸距、后座椅至后輪心、后懸均是可以調(diào)整的，來(lái)滿足拓展不同車型的需求。目的是可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、前懸架、空調(diào)三廂、踏板模塊位置標(biāo)準(zhǔn)化，提高零部件的通用化率，并實(shí)現(xiàn)不同車型的共線生產(chǎn)，提高生產(chǎn)率、削減成本。

圖1 平臺(tái)化、模塊化策略

2.2 關(guān)鍵尺寸L113

L113，即前輪心到加速踏板踏點(diǎn)水平方向的距離[7]。圖2為全球范圍內(nèi)部分在售的150余款車型L113尺寸與軸距對(duì)應(yīng)關(guān)系。包含兩廂車、三廂車、SUV 等車型，車型尺寸涵蓋從A0～C 級(jí)各個(gè)區(qū)間?？梢灾庇^的看出，各大車企的L113 尺寸涵蓋范圍區(qū)間為200～750 mm，其中，大部分集中在350～500 mm之間。

圖2 部分在售車型L113尺寸分布

作為平臺(tái)化、模塊化的關(guān)鍵尺寸，設(shè)定時(shí)主要需要考慮動(dòng)力總成、底盤懸架、空調(diào)三廂、踏板總成模塊的最大化通用；同時(shí)，作為人機(jī)關(guān)鍵尺寸，限定前排人體相對(duì)于整車的長(zhǎng)度方向的位置，需要保證乘員空間的利用率。

通過(guò)將L113 尺寸進(jìn)行詳細(xì)分解，形成尺寸鏈，分為機(jī)艙部分及人機(jī)部分，如圖3所示。

圖3 L113尺寸鏈

機(jī)艙部分尺寸主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)至前圍板、變速箱至助力器、變速箱至轉(zhuǎn)向機(jī)、變速箱至副車架等。主要限制因素為動(dòng)力總成尺寸、驅(qū)動(dòng)軸角度、懸架硬點(diǎn)；人機(jī)部分尺寸主要包括踏板尺寸、踏板臂至前圍板金間隙，主要限制因素為踏板臂尺寸、離合踏板、制動(dòng)踏板、加速踏板之間段差關(guān)系，以及歇腳踏板與人體踵點(diǎn)距離。

3 L113設(shè)定考慮因素

3.1 機(jī)艙部分

根據(jù)尺寸鏈分析，機(jī)艙部分關(guān)鍵在于確定輪心至前圍板之間的尺寸。而這部分尺寸主要受2 部分影響：

（1）動(dòng)力總成布置

（2）輪胎尺寸帶寬

3.1.1 動(dòng)力總成布置

動(dòng)力總成布置對(duì)L113 尺寸設(shè)定的影響主要體現(xiàn)在動(dòng)力總成的尺寸、動(dòng)力總成的安裝傾角、驅(qū)動(dòng)軸夾角方面。

平臺(tái)策劃初期，需要驗(yàn)證平臺(tái)車型規(guī)劃的所有動(dòng)力總成布置可行性。在滿足總體布置要求后，確定前圍板的位置。同時(shí)，各動(dòng)力總成布置過(guò)程中，需要統(tǒng)籌考慮機(jī)艙布局，盡量保持各動(dòng)力總成類型布局的一致性，能夠提高動(dòng)力總成附件的通用性，如圖4所示。

圖4 機(jī)艙布局示意

將機(jī)艙布局按照部件功能進(jìn)行分區(qū)。對(duì)于機(jī)艙內(nèi)類似于洗滌液罐這種與其它系統(tǒng)無(wú)關(guān)聯(lián)的零部件位置，要考慮平臺(tái)拓展性，選取對(duì)機(jī)艙總成替換影響最小的位置。對(duì)于機(jī)艙內(nèi)類似于空濾器、真空泵受總成影響較大的部件，位置需要提前考慮預(yù)留，提升平臺(tái)的總成匹配性。

此外，需要統(tǒng)籌設(shè)定各類型（傳統(tǒng)、混動(dòng)、新能源等）、排量（低排量、高排量）的動(dòng)力總成的安裝傾角，保持一致，能夠提高生產(chǎn)線的共用率。

設(shè)定過(guò)程為：在動(dòng)力總成距離前圍板保持足夠的安全間隙（考慮運(yùn)動(dòng)間隙及熱害要求），以及總成與轉(zhuǎn)向機(jī)、副車架等滿足布置要求的情況下，通過(guò)動(dòng)力總成的輸出軸軸心位置區(qū)域，在滿足驅(qū)動(dòng)軸夾角范圍時(shí)，確定滿足平臺(tái)的前輪心X向位置。相關(guān)設(shè)定推薦值如表1所示。

表1 動(dòng)力總成布置檢查項(xiàng)

通過(guò)以上，確定前輪心至前圍板的相對(duì)位置。

3.1.2 輪胎尺寸

由于同平臺(tái)上的車型跨度較大，對(duì)于輪胎選型的種類需求較大。而輪胎尺寸的大小直接影響輪罩鈑金對(duì)于乘員艙空間的占用，如圖5所示。

圖5 輪胎包絡(luò)與鈑金位置關(guān)系

輪胎包絡(luò)與輪罩鈑金間隙一般預(yù)留10 mm，輪罩鈑金至歇腳踏板之間，需要考慮地毯、泡棉填充物等，一般預(yù)留10～15 mm。此處尺寸鏈直接影響表現(xiàn)為對(duì)歇腳踏板的位置限制，進(jìn)而影響人機(jī)X向的布置位置，從而影響L113設(shè)定。因此，平臺(tái)初期需要對(duì)輪胎尺寸進(jìn)行細(xì)致分析，避免后續(xù)對(duì)輪胎需求變動(dòng)，影響輪罩鈑金的位置。

3.2 人機(jī)部分

人機(jī)部分尺寸鏈關(guān)鍵在于確定加速踏板至前圍板之間的尺寸。由于前圍板的位置在機(jī)艙部分定義完后便限定了X向位置。因此，人機(jī)部分主要就是確定踏點(diǎn)的位置，也就是加速踏板的位置。需要統(tǒng)籌考慮離合、制動(dòng)、加速踏板以及歇腳踏板的位置關(guān)系，合理的確定加速踏板的位置。

各個(gè)踏板的位置設(shè)定主要考慮操作的方便性、安全性以及舒適性。

3.2.1 ABC踏板布置

ABC 踏板，分別指的是加速踏板(Accelerator Pedal)、制動(dòng)踏板（Brake Pedal）、離合器踏板（Clutch Pedal）。布置時(shí)，除了需要考慮單個(gè)踏板操縱及運(yùn)動(dòng)所需要的空間，也需要考慮駕駛員行駛過(guò)程中，腳部轉(zhuǎn)換過(guò)程中的舒適性，因此需要重點(diǎn)考慮3踏板之間的段差，以及3踏板與周邊鈑金的間隙。

由于L113尺寸為X向尺寸，設(shè)定時(shí)主要考慮X向零部件關(guān)系。因此，此處重點(diǎn)說(shuō)明ABC 踏板在XZ平面內(nèi)的相對(duì)關(guān)系。各部分需要考慮的段差如圖6 所示。

圖6 三踏板段差及推薦范圍

其中，PL52 推薦值范圍為30～45 mm，PL53 推薦范圍為＜15 mm。此外，加速踏板與制動(dòng)踏板高度差（PL52）是需要考慮加速、制動(dòng)踏板之間的Y向距離來(lái)確定的，要求Y向空間越大，高度差（PL52）越小，以此防止誤操作。

另外，3踏板相對(duì)于鈑金的距離同樣影響踏板的位置設(shè)定。各踏板布置時(shí)，除了考慮踏板行程中相對(duì)于鈑金預(yù)留足夠的安全間隙（一般經(jīng)驗(yàn)值為15～20 mm）時(shí)，還需要考慮踏板踩到底之后鞋底與地毯的間隙。預(yù)留過(guò)近時(shí)，容易造成硌腳問題，如圖7所示。

圖7 硌腳位置示意

此種情況常見于手動(dòng)擋車型，離合踏板由于使用頻率過(guò)高，出現(xiàn)硌腳情況體驗(yàn)明顯，容易造成不舒適情況。

3.2.2 歇腳踏板布置

由于汽車行駛過(guò)程中，左腳大部分處于休息狀態(tài)（手動(dòng)擋僅在換擋及剎車過(guò)程中使用左腳），因此，在駕駛員側(cè)左下輪罩后方，通常設(shè)計(jì)一個(gè)斜向的支撐物（一般位于地毯上），稱為歇腳踏板[8]，如圖8所示。

圖8 歇腳踏板位置示意

歇腳踏板布置主要是從舒適性角度進(jìn)行考慮。人體感知比較明顯的因素為歇腳踏板的角度、長(zhǎng)度以及歇腳踏板與踵點(diǎn)X向距離差，如圖9所示。

圖9 歇腳踏板布置示意

此外，基于某車型的正面碰撞假人傷害研究表明：增大歇腳踏板的角度，可在一定程度上降低駕駛員左側(cè)小腿的軸向力和Y向轉(zhuǎn)矩，從而降低小腿傷害[9]。

綜合以上因素考慮，歇腳踏板的角度設(shè)定按照與加速踏板踩下1/3 的平面保持一致；長(zhǎng)度推薦范圍為≥240 mm；歇腳踏板中線與踵點(diǎn)平面交點(diǎn)在踵點(diǎn)±20 mm內(nèi)。

3.2.3 方向盤右置車型

以上關(guān)于踏板的布置分析是基于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的左舵車型開發(fā)。對(duì)于某些有出口到英國(guó)、日本等右舵國(guó)家的車企，在車型開發(fā)階段需要考慮方向盤右置開發(fā)。

對(duì)于右舵車的踏板布置，3 踏板相對(duì)關(guān)系與左舵保持一致，相對(duì)位置需要進(jìn)行調(diào)整。如圖10所示。

圖10 右舵車型油門踏板與鈑金關(guān)系

由于方向盤右置時(shí)，加速踏板與右側(cè)輪罩鈑金關(guān)系較近，對(duì)與踏板的X向位置限制較大，從而對(duì)L113的尺寸需求更大。因此，在需要考慮同時(shí)開發(fā)左右舵車型時(shí)，L113的尺寸設(shè)定需要相對(duì)大一點(diǎn)。

4 不同坐姿下L113設(shè)定策略

在前輪心、前圍板、加速踏板的位置基本確定后，L113 尺寸基本設(shè)定完成。但由于平臺(tái)兼顧車型的不同，不同車型對(duì)應(yīng)的坐高不同，坐高變化時(shí)，需要人體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

如圖11 所示，對(duì)應(yīng)不同坐高的人體姿態(tài)時(shí)，踏平面角度不同，需要加速踏板型面對(duì)應(yīng)不同的踏平面進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，會(huì)帶來(lái)踏點(diǎn)的輕微變化，在輪心至前圍板距離保持不變的情況下，L113會(huì)隨之變化。

圖11 人體姿態(tài)變化示意

5 結(jié)束語(yǔ)

L113尺寸作為整車的基礎(chǔ)尺寸之一，在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，尤其是需要考慮平臺(tái)化、模塊化策略時(shí)，需要在前期重點(diǎn)論證分析。通過(guò)對(duì)列舉出的各個(gè)維度，需要統(tǒng)籌考慮，識(shí)別出平臺(tái)所涵蓋的所有車型的相關(guān)需求。避免在平臺(tái)開發(fā)后期，某一車型開發(fā)過(guò)程中需要重新論證L113 的情況，帶來(lái)不必要的成本和周期的影響。