模塊化設(shè)計方法在商用客車設(shè)計中的應(yīng)用

郭偉年

(北京祥龍博瑞汽車服務(wù)(集團)有限公司, 北京 100028)

模塊化設(shè)計是指設(shè)計時把產(chǎn)品分成多個獨立的功能模塊，通過各個功能模塊的不同組合，形成不同的產(chǎn)品。與乘用車及商用貨車相比，商用客車屬于小批量、多品種、定制化程度更高的一類產(chǎn)品，模塊化設(shè)計的理念和方法是解決商用客車品種、規(guī)格多樣化與設(shè)計周期、成本之間矛盾的有效手段。本文從商用客車產(chǎn)品的總體構(gòu)思、模塊系統(tǒng)構(gòu)建、具體模塊設(shè)計、模塊優(yōu)化等方面介紹模塊化設(shè)計的方法及應(yīng)用。

1 商用客車模塊設(shè)計總體規(guī)劃構(gòu)思

模塊化設(shè)計不是針對某個孤立的產(chǎn)品，而是整個系列產(chǎn)品的設(shè)計，因此商用客車產(chǎn)品模塊化設(shè)計工作首先要從產(chǎn)品的總體規(guī)劃入手，根據(jù)客車產(chǎn)品系列的定位和目標客戶的要求，構(gòu)建符合產(chǎn)品需求的車輛型譜，描述不同車輛產(chǎn)品在尺寸、特性、功能、用途上的布局，形成對產(chǎn)品各項基本要求的規(guī)劃。然后再進行系列產(chǎn)品的模塊劃分，形成產(chǎn)品模塊系統(tǒng)。最后通過模塊系統(tǒng)的不同模塊來構(gòu)建不同的產(chǎn)品[1]。通過模塊劃分，構(gòu)建一個模塊系統(tǒng)，實現(xiàn)各模塊的不同組合，是商用客車模塊化設(shè)計的基本方法。

1.1 構(gòu)建產(chǎn)品模塊系統(tǒng)

在構(gòu)建的車輛型譜基礎(chǔ)上，通過模塊劃分，將不同產(chǎn)品不同功能的結(jié)構(gòu)劃分成特定的功能模塊，并組成車輛功能模塊系統(tǒng)[2]。通過模塊系統(tǒng)中不同功能模塊的組合，形成產(chǎn)品系列型譜中的相應(yīng)產(chǎn)品。構(gòu)建客車產(chǎn)品模塊系統(tǒng)主要從以下兩方面考慮：

1) 從功能考慮構(gòu)建模塊系統(tǒng)。功能性是模塊的最基本特性，因此首先從功能入手來考慮車輛模塊的劃分[3]。以常規(guī)的后置發(fā)動機客車底盤為例，整個底盤根據(jù)功能的不同可以劃分為5個模塊，分別為前駕駛模塊、前軸模塊、后橋模塊、中間梁模塊、動力總成模塊[4-5],前駕駛模塊通過不同的駕駛位置和地板高度，前軸模塊和后橋模塊通過不同的軸、橋、懸架系統(tǒng)的搭配，中間梁模塊通過不同的地板、行李艙高度和長度，動力總成模塊通過不同的發(fā)動機及變速器，均可以形成具有特定功能和參數(shù)的功能模塊，這些不同的功能模塊可以組成由數(shù)十個功能模塊共同構(gòu)成的底盤模塊系統(tǒng)合集。

2) 從生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)條件考慮模塊構(gòu)建。除模塊功能特性外，產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)條件也影響產(chǎn)品模塊的劃分。對于客車而言，車身結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)依賴各種骨架組焊胎具，因此模塊化車身的設(shè)計也要依賴能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化生產(chǎn)的工裝胎具?？蛙囓嚿淼膫?cè)圍及頂棚是車身結(jié)構(gòu)中的大尺寸部件，早期的車身骨架組焊胎具是固定式胎具，每種胎具只負責生產(chǎn)一種產(chǎn)品。隨著模塊化設(shè)計的普及，利用能夠靈活組合的子母式組焊胎具，通過不同子胎具的組合，可以實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)與模塊化設(shè)計的融合，實現(xiàn)對車身大尺寸結(jié)構(gòu)進一步的模塊劃分。

通過綜合運用兩種模塊劃分方式進行產(chǎn)品的模塊劃分，可以搭建成一個由功能模塊構(gòu)成的模塊系統(tǒng)，通過明確各模塊的功能要求、主要參數(shù)和工藝要求，完成整個產(chǎn)品模塊系統(tǒng)的構(gòu)建[6-7]。

1.2 具體模塊的設(shè)計

完成模塊系統(tǒng)構(gòu)建后，根據(jù)各模塊功能要求、主要參數(shù)和工藝要求，展開具體模塊的設(shè)計。

1) 模塊設(shè)計原則。在進行具體模塊設(shè)計時，應(yīng)充分考慮各模塊的標準化、通用化、系列化[8]。在設(shè)計中考慮模塊間的連接要求、功能傳遞要求和模塊互換要求，形成標準化的模塊接口。各模塊接口的尺寸、位置、接口形式都應(yīng)遵循標準化原則，以實現(xiàn)模塊之間的互換。對于較大型的模塊結(jié)構(gòu)，也可以在大模塊中進一步嵌套分模塊子結(jié)構(gòu)，靈活地應(yīng)用模塊化設(shè)計原則。

2) 模塊參數(shù)復(fù)核。具體模塊結(jié)構(gòu)完成設(shè)計后，要與產(chǎn)品總體設(shè)計參數(shù)、其他模塊設(shè)計參數(shù)以及生產(chǎn)工藝要求進行復(fù)核，比如對不同模塊組合后的整體尺寸及結(jié)構(gòu)進行復(fù)核，檢查是否存在尺寸偏差和結(jié)構(gòu)干涉；檢查各模塊對應(yīng)的接口參數(shù)是否一致等。最終核準確定整個模塊化系統(tǒng)的功能要求、主要參數(shù)和工藝要求，并形成該模塊產(chǎn)品的設(shè)計和工藝標準。

3) 模塊的優(yōu)化。模塊化設(shè)計是一個演進的過程，需要根據(jù)客戶對產(chǎn)品的要求不斷完善模塊的功能；依據(jù)標準化、系列化的要求不斷改進結(jié)構(gòu)；根據(jù)新技術(shù)新工藝的應(yīng)用不斷提高模塊的各項性能。模塊優(yōu)化不僅是對單一部件、總成和模塊的優(yōu)化，而且需要考慮整個系統(tǒng)。雖然模塊化的改進更多的僅會在一部分模塊中進行，但每個模塊的優(yōu)化都需要符合之前整個系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)和工藝要求。

2 模塊化設(shè)計的實際應(yīng)用

應(yīng)用模塊化設(shè)計方法對一款覆蓋9～14 m長的城市客車產(chǎn)品進行設(shè)計，最終取得3款模塊化城市客車的實際產(chǎn)品。

2.1 系列產(chǎn)品總體參數(shù)的確定

首先依據(jù)客戶對產(chǎn)品的尺寸、功能、載客量、動力總成等要求，進行系列車型總體規(guī)劃，明確產(chǎn)品系列型譜，見表1。

表1 車型型譜

2.2 系列產(chǎn)品模塊系統(tǒng)構(gòu)建

依據(jù)模塊功能和生產(chǎn)組織的特點，考慮本次公交系列產(chǎn)品底盤為外購的情況，將整車劃分為車身和底盤兩個主模塊，將底盤整體視為一個模塊結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的主要對象是車身的模塊化設(shè)計及生產(chǎn)。

按產(chǎn)品模塊劃分方法，對車身模塊進行劃分：

1) 根據(jù)功能對車身進行模塊劃分。車身由前、后、左、右、頂、底6個結(jié)構(gòu)框架構(gòu)成，因此車身可以按功能劃分為前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、頂棚、地板6個模塊。除了前、后圍模塊(如圖1中(a)、(e)所示)尺寸較小外，其余4個模塊的整體尺寸都較大，如果每種車型制作一組生產(chǎn)組焊胎具，胎具數(shù)量過多，場地無法滿足要求，因此針對整體尺寸較大的左、右、頂、底4個模塊，依據(jù)生產(chǎn)條件進一步進行模塊劃分。

2) 根據(jù)生產(chǎn)條件對車身模塊進一步劃分。分析左、右、頂、底4部分結(jié)構(gòu)，矩形鋼管形成的框架在一些位置多會形成貫穿左、右、頂、底的環(huán)形。側(cè)圍因有門窗結(jié)構(gòu)，可將側(cè)圍依據(jù)門窗分割成較大的間隔。因此從統(tǒng)一門窗尺寸規(guī)格入手嗎，對左、右、頂、底4部分進一步進行模塊劃分。

通過對車型系列側(cè)圍長度尺寸，乘客門寬度尺寸，駕駛員駕駛空間尺寸，乘客座椅橫向和縱向排列尺寸，底盤前后懸架及輪胎尺寸等綜合分析，提煉出1 000 mm、1 350 mm、1 500 mm 3個尺寸，通過這3個尺寸的組合，可以滿足不同品種車型在側(cè)圍、乘客門、車窗及底盤結(jié)構(gòu)的尺寸要求，最終由這3個尺寸形成了2個車窗模塊、2個輪區(qū)模塊和3個乘客門模塊構(gòu)成的7種車身模塊(如圖1中(b)、(c)、(d)所示)[9]。通過這7個擁有固定尺寸的環(huán)形模塊的不同組合，可以形成產(chǎn)品系列中各個規(guī)格的產(chǎn)品。

通過將車身由不同長度尺寸的整體結(jié)構(gòu)，變?yōu)閹讉€固定尺寸組成的模塊結(jié)構(gòu)，就解決了產(chǎn)品品種多和生產(chǎn)胎模具數(shù)量之間的矛盾，通過采用子母胎具，使用固定的母胎具，配合3種固定尺寸的子胎具的不同組合，實現(xiàn)了多品種車輛的生產(chǎn)。

3) 構(gòu)建車身模塊系統(tǒng)。將上述車身左、右、頂、底結(jié)構(gòu)進一步劃分后的模塊，再與已劃分完成的前、后圍模塊一起，形成了9個標準的車身模塊(如圖1中(a)～(e)所示)，初步完成構(gòu)建車身模塊系統(tǒng)[10]。

(a) 前圍模塊 (b) 乘客門模塊 (c) 輪區(qū)模塊 (d) 車窗模塊 (e) 后圍模塊

(f) 不同模塊組合出的10 m車型 (g) 不同模塊組合出的9 m車型

(h) 不同模塊組合出的11 m車型 (i) 不同模塊組合出的12 m車型

圖1 公交產(chǎn)品的模塊構(gòu)成及產(chǎn)品組合

構(gòu)建完車身的模塊系統(tǒng)后，就可以使用模塊系統(tǒng)中的不同模塊組合形成產(chǎn)品系列中的各個產(chǎn)品(如圖1中(f)～(i)所示)，并且需要對模塊組合后的產(chǎn)品進行校驗。在本系列產(chǎn)品的模塊校驗中，發(fā)現(xiàn)模塊組合后的車身后懸尺寸不能滿足底盤后懸要求，需要通過調(diào)整車身后圍模塊結(jié)構(gòu)來滿足底盤尺寸的要求(如圖1中(j)所示)。

完成模塊校驗工作后，就可以將各模塊技術(shù)參數(shù)要求匯總編制，至此整個模塊系統(tǒng)的構(gòu)建工作基本結(jié)束，可以轉(zhuǎn)入模塊具體設(shè)計工作，此文不再累述。

2.3 模塊化公交產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝調(diào)整

為適應(yīng)不同模塊組合后的多種尺寸產(chǎn)品，對左右側(cè)圍及頂棚骨架組焊胎具進行了調(diào)整，使用子母胎結(jié)構(gòu)，將子胎具按車身單模塊結(jié)構(gòu)進行設(shè)置，不同的車輛模塊組合對應(yīng)不同的子胎具組合進行生產(chǎn)，從而實現(xiàn)模塊設(shè)計、模塊生產(chǎn)的產(chǎn)品生產(chǎn)模式。

2.4 模塊設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的比較優(yōu)勢

1)提升設(shè)計效率。模塊化的設(shè)計可以更多采用并行的方式開展設(shè)計工作。在確定完產(chǎn)品系列方案后，各模塊設(shè)計可以同期展開，提升了設(shè)計效率。相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 模塊設(shè)計效率提升效果

2) 提升產(chǎn)品標準化和系列化水平。模塊化設(shè)計提高了產(chǎn)品的標準化和系列化水平，減少了產(chǎn)品零部件的總量。在車身骨架零件品種方面，采用模塊化設(shè)計的車身較傳統(tǒng)方式車身部件品種總量減少40%左右，零件數(shù)量也減少40%左右，提升效果見表3。

表3 模塊設(shè)計標準化提升效果

3) 提升生產(chǎn)效率及質(zhì)量。模塊化產(chǎn)品的生產(chǎn)可以采用功能模塊單獨制造，最后在總裝線進行快速合裝的方式進行生產(chǎn)，提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。經(jīng)粗略估算，采用模塊化生產(chǎn)后，車身車間的生產(chǎn)效率提升了30%左右。

3 結(jié)束語

模塊化設(shè)計方法可以很好地在商用客車產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)中應(yīng)用，可以滿足客車產(chǎn)品對小批量多品種的需求，并通過模塊化的設(shè)計方法使產(chǎn)品的設(shè)計效率、產(chǎn)品標準化水平、產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量得以提升。相信在客車產(chǎn)品設(shè)計和制造領(lǐng)域，模塊化設(shè)計將有更大的發(fā)展空間。