汽車平臺模塊化概述

石殿福

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發(fā)分公司）

隨著汽車工業(yè)和信息化時代的飛速發(fā)展，汽車市場競爭變得越來越激烈，汽車產品更新?lián)Q代越來越快，各大汽車廠商無不為適應市場而加大投入，提高產品的更迭速度。在這樣的背景下，汽車研發(fā)和生產中的平臺模塊化應運而生。平臺模塊化開發(fā)與生產已經成為各個車企發(fā)展的重大戰(zhàn)略。汽車模塊化的研究需要從整車結構和功能入手，對各零部件系統(tǒng)進行結構和功能定義，從而完成設計和開發(fā)任務。平臺模塊化的應用加速了新車型的研發(fā)，并且降低了研發(fā)制造成本，有利于汽車企業(yè)適應市場、節(jié)約成本、管控質量和提升效率?？梢哉f平臺化、模塊化造車已經成為當下的主流趨勢，并且全新的新能源汽車平臺也進入了快速發(fā)展階段。文章從模塊化的發(fā)展、構建模塊化的意義及模塊化的核心要素等方面進行分析，說明了平臺模塊化在汽車研發(fā)中的重要性。

1 平臺及模塊的定義

平臺廣義上是指去除和造型相關的車輛上部，構成車輛基本特征的部分（平臺+車輛上部=整車）。模塊是指具備一定功能的單件、總成或系統(tǒng)，是構成平臺的基本單元。

模塊化源自社會生產，企業(yè)為了提高生產效率、降低生產和研發(fā)成本提出了模塊化口號，主要強調實現(xiàn)零部件的連接和互換。模塊化設計是將產品分成幾個部分，每個部分具有獨立的功能，稱為模塊架構。模塊具有一致的幾何接口和一致的輸入、輸出接口單元，相同種類的模塊可以重復使用和互換。架構的定義則為整車平臺模塊的開發(fā)確定了劃分原則、開發(fā)框架和約束條件。

2 模塊化的發(fā)展

2.1 模塊化的發(fā)展進程

汽車最初的生產方式是單件純手工打造，后來有了批量生產的流水線，再后來出現(xiàn)了能生產不同車型的汽車平臺。隨著汽車平臺技術的發(fā)展和模塊化概念的出現(xiàn)，汽車廠商能在同一個平臺上生產出不同級別、不同類型的汽車產品。從20 世紀90 年代的在相同平臺上衍生出不同車型，到2000 年將具有相同功能和結構的模塊應用到不同車型作為補充，再到2007 年開始大規(guī)模地將模塊組合應用到跨級別、跨類型的車型之間，模塊化的發(fā)展提高了汽車廠商的造車能力，大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，如圖1 所示。

圖1 汽車平臺模塊化的發(fā)展進程圖

2.2 國際主流車企的模塊化現(xiàn)狀

最早被人們所了解的車型平臺應該是大眾的PQ系列平臺，而目前最具代表性的也是大眾集團的MQB平臺，它幾乎涵蓋了大眾集團橫置平臺的所有緊湊型和中型車。大眾的緊湊型車、中型車、豪華型車分別來自不同的平臺，相同平臺下的車型共享一樣的動力總成、相同或相似的底盤架構。

目前，除了大眾集團的MQB，MLB，MMB 和MSB 4個模塊化平臺，全球主要車企都根據(jù)自身情況，開展了具有各自特色的模塊化產品規(guī)劃與開發(fā)。外資企業(yè)模塊化平臺的開發(fā)能力相對突出，但國內車企也都具備了一定的開發(fā)能力，例如吉利的PMA、比亞迪的E平臺等，如表1 所示。隨著新能源汽車的發(fā)展，新能源平臺化發(fā)展也已經成為各個車企的共識。

表1 車企平臺模塊化狀態(tài)匯總表

3 平臺模塊化戰(zhàn)略的目標與優(yōu)勢

平臺模塊化的發(fā)展是企業(yè)面對內外部機遇與挑戰(zhàn)的必然選擇。從20 世紀90 年代到今天，汽車品牌與細分市場的車型數(shù)量呈幾何級趨勢增長，市場競爭加劇。在車型迅猛增加的壓力下，企業(yè)需要增加大量有競爭力的產品。消費者對于汽車個性化的要求也更加活躍，產品更迭速度加快，這就要求企業(yè)縮短向用戶提供新產品的周期。同時，信息化與電動化的發(fā)展要求促使汽車電動網聯(lián)的功能越來越多，各個系統(tǒng)模塊之間的電氣系統(tǒng)更加復雜，新技術更新更快，這就要求各系統(tǒng)之間形成統(tǒng)一的架構。面對全球化，各個車企在不同的銷售市場，需要提供符合當?shù)乜蛻粜枨蟮漠a品，開發(fā)和升級更多的產品導致成本增加，企業(yè)需要考慮成本平衡[1]，平臺模塊化開發(fā)成為了不二之選。

模塊化在汽車研發(fā)和生產制造中的應用，將極大地提升效率、降低成本。從長遠來看，平臺模塊化開發(fā)應用到多款不同產品甚至不同品牌上，可以直接降低一次性投資，如開發(fā)、采購和生產費用；平臺先于車型開發(fā)有利于縮短產品開發(fā)周期；大量模塊的通用化將減少零部件數(shù)量，使生產企業(yè)擴大生產規(guī)模，體現(xiàn)規(guī)?；a的經濟性，同時有利于工程師在降低開發(fā)風險方面投入更多精力；模塊化的應用可以降低車型變形的復雜程度，在改變造型的基礎上拓展產品類型，為用戶提供不同的車型；同平臺生產便于生產設備和流程的標準化，可以縮短生產時間，并且廣泛的標準化生產過程有利于提高產品質量。

4 平臺模塊化要素

平臺模塊化開發(fā)的核心是定義一輛車的特征元素，根據(jù)特征元素的不同，將各個零部件系統(tǒng)概念化，并協(xié)同周邊邊界數(shù)據(jù)，設計出可通用的零部件模塊。文章以大眾的MQB 平臺模塊化為例，對平臺模塊化的核心要素進行說明。

4.1 基于平臺的車輛家族圖譜

平臺模塊化往往是根據(jù)企業(yè)產品規(guī)劃的要求進行初步定義。比如大眾集團現(xiàn)有的MQB，MLB，MSB，MEB平臺，用于覆蓋緊湊型車、中型車、豪華型車市場。明確的汽車家族圖譜有利于模塊化的定義與差異化設計，在汽車前期設計中，將更多地考慮模塊在不同車型之間的擴展性。平臺模塊化的定義與產品規(guī)劃的結合，將明確平臺車的拓展原則。

4.2 模塊化設計核心特征和可控尺寸

模塊化設計的核心特征是前輪心和油門的間距是不變的[2]。MQB 平臺可以看成是一個大的架子，作為MQB 模塊化平臺的核心要素，動力總成模塊位置是統(tǒng)一不變的，即油門踏板和輪心的前后距離是相同的，發(fā)動機安裝傾角、發(fā)動機懸置是固定的。

可控尺寸主要由軸距、前懸、后懸、前后輪距幾部分構成，另外還包括轉向盤傾角、前后排座椅高度等，如圖2 所示。以上尺寸的確定使得汽車結構形成一個標準的車體系統(tǒng)成為可能。

圖2 汽車平臺模塊化可控尺寸示意圖

前懸可調：發(fā)動機的選型、傾角設置、固定位置確定以后，結合前端框架、前保險杠與發(fā)動機之間的相互關系，可以確定前懸尺寸，間距可調。

軸距可調：駕駛員和后排乘員空間基本確定軸距尺寸，間距可調。

后懸可調：后地板、離去角和后保險杠之間相互關系確定后懸尺寸，間距可調。

前后輪距：輪轂、車身、動力總成、油箱等零部件之間的相互關系確定輪距尺寸，間距可調。

軸距、輪距的尺寸在產品初期策劃階段已經確定，可以根據(jù)需求選擇平臺進行擴展設計。MQB 車型之間的差異主要集中在軸距、懸掛方式、動力總成以及內外飾等方面。

4.3 模塊的劃分

平臺模塊化的基本單位是模塊架構。整車開發(fā)主要涉及4 個模塊專業(yè)方向，即底盤、車身、動力總成和電子電器。在模塊架構的劃分上，根據(jù)各專業(yè)系統(tǒng)的劃分原則，分為35 個模塊架構，例如前后軸、轉向系統(tǒng)、發(fā)動機、變速箱、座椅系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)等，如圖3 所示。

圖3 汽車平臺模塊化架構劃分系統(tǒng)圖

模塊架構的基本單位是模塊與模塊家族，具有相同屬性的模塊集合稱為模塊家族。根據(jù)零部件系統(tǒng)的細化設計，可以將模塊架構繼續(xù)細化到模塊與模塊家族，具體可以分為約240 個模塊家族，例如基礎發(fā)動機、消聲器、制動器、雨刮器、ECU 等模塊家族。在開發(fā)過程中，要控制每個模塊家族成員的數(shù)量，實現(xiàn)盡可能少的衍生模塊。模塊是模塊架構的最小單元，它是可以組成系統(tǒng)的、具有特定功能和接口的典型通用獨立單元，能夠使其本身獨立于總系統(tǒng)的開發(fā)、制造和檢驗。模塊的開發(fā)具有獨立性、互換性和通用性三大特征。

4.4 底盤模塊化的構建

為實現(xiàn)底盤模塊化架構能滿足不同級別車型之間的通用性，需要在模塊開發(fā)中統(tǒng)一前后軸方案，并可根據(jù)汽車的寬度進行調整，如圖4 所示。

圖4 汽車平臺底盤模塊化結構圖

通過規(guī)范底盤模塊種類和數(shù)量實現(xiàn)性能穩(wěn)定、行駛系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)優(yōu)化以及底盤輕量化。底盤系統(tǒng)模塊化的特點有：

1）標準的前后橋接口設計要保證其與地板安裝結構的匹配性，從而使多種懸架的互換具備兼容性；

2）后軸后移可實現(xiàn)軸距加長，在后地板、頂棚部分做適應性修改，即可實現(xiàn)針對中國等亞洲市場對于軸距加長的要求；

3）前后軸根據(jù)不同尺寸和軸荷的要求進行設計，既能實現(xiàn)技術方案的統(tǒng)一，又能賦予每臺車不同的專屬“DNA”；

4）易于實現(xiàn)技術配置的通用，如大眾在高爾夫7和A3 上通用的前橋電控橫向差速鎖、多次碰撞自動制動、漸進式轉向系統(tǒng)等；

5）底盤模塊如副車架、轉向節(jié)、減振器等可通過相同的材料選擇和結構優(yōu)化實現(xiàn)減重，達到底盤系統(tǒng)質量的最優(yōu)化設計。

通過某平臺車型的擴展，驗證了底盤模塊化構建的可行性，并在實際開發(fā)與生產中極大地縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本[3]。

4.5 電動汽車的模塊化

為適應電動汽車市場發(fā)展，各大車企也都針對電動汽車啟動了平臺模塊化設計，其中大眾集團的MEB平臺是最為人熟知的基于電動汽車的模塊化平臺，如圖5 所示。電動汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的主要是電驅動、動力電池、高壓電氣以及控制系統(tǒng)，所以電動汽車的模塊化開發(fā)也主要基于這些因素開展。電驅動、動力電池、高壓電氣的模塊化開發(fā)的要素是確定系統(tǒng)布置邊界、接口定義和性能覆蓋帶寬。根據(jù)不同的車型規(guī)劃進行各系統(tǒng)選型。動力電池的模塊化開發(fā)除了考慮車身邊界以外，還需要考慮電池包本身的可擴展性。電動汽車由于高低壓電氣系統(tǒng)的復雜程度和控制精度要求越來越高，電子電器架構的模塊化開發(fā)成為電動汽車模塊化開發(fā)的重點。新能源獨立平臺的應用可以進一步降低成本，提升性能。在這方面除合資品牌以外，上汽、廣汽、吉利、北汽、江淮等自主品牌也將在2020 年前后推出其全新的新能源獨立平臺。

圖5 MEB 平臺及未來車型示意圖

5 結論

文章主要闡述了汽車平臺模塊化的發(fā)展、目標、優(yōu)勢、構建要素等內容，有利于更加透徹地理解和應用平臺模塊化進行開發(fā)設計。經過模塊化開發(fā)經驗的總結，可以快速判斷車型開發(fā)中的可擴展性，為縮短開發(fā)周期、降低成本、提高產品質量找到有效途徑。

平臺模塊化的開發(fā)應用，將為汽車產業(yè)日后的發(fā)展帶來巨大改變。首先是開發(fā)邏輯的變化，由過去以零部件為導向，發(fā)展為根據(jù)客戶需求面向功能開發(fā)，考慮通用性和可擴展性；其次是開發(fā)核心工作的變化，由各專業(yè)制定方案，發(fā)展為由系統(tǒng)功能考慮整體方案，再分解到各專業(yè)完成功能的設計。