基于整車架構(gòu)的汽車開發(fā)技術(shù)研究

陳偉泉，陳 楊

Chen Weiquan，Chen Yang

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

0 引 言

當(dāng)今世界汽車制造企業(yè)面臨多樣化的顧客需求壓力和更加嚴(yán)酷的成本壓力，為解決這些問題，汽車國(guó)際巨頭豐田、大眾和通用汽車等全球大公司投入了大量的精力來制定戰(zhàn)略和規(guī)劃產(chǎn)品，由此產(chǎn)生了整車架構(gòu)的概念。美國(guó)通用汽車公司自2003年以來，實(shí)施全球化架構(gòu)戰(zhàn)略，已經(jīng)優(yōu)化合并成了12個(gè)架構(gòu)，其中 EPSILON、DELTA和GAMMA 3大主要架構(gòu)涵蓋了其全球60%的乘用車?；谡嚰軜?gòu)的汽車工程開發(fā)技術(shù)正在成為國(guó)內(nèi)外汽車公司重點(diǎn)研究的技術(shù)。

1 定 義

1.1 整車架構(gòu)的定義

整車架構(gòu)零件，是指一系列代表整車關(guān)鍵性能的零部件和總成。將這些零件按照系統(tǒng)進(jìn)行分類，如表1所示。將這些架構(gòu)零件組裝在一起，就形成了如圖1所示的整車架構(gòu)。

共用架構(gòu)零件的車型應(yīng)具有如下特性：

（1）一組共用的零件：在保證工程方案相同的前提下盡最大可能地實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零件共用；

表1 組成汽車架構(gòu)的系統(tǒng)和零件

（2）共同的功能和性能限制：共用的工程解決方案決定了架構(gòu)所有車型具有一定的性能共性，并且建立起工程解決方案之“最優(yōu)性”；

（3）一組共用的界面：用以保證關(guān)鍵架構(gòu)零件的共用性；

（4）相同的制造體系：統(tǒng)一架構(gòu)車型相同的制造體系確保企業(yè)整體制造規(guī)劃的靈活性；

（5）一定的尺寸帶寬：用共同的工程方案解決關(guān)鍵尺寸在一定范圍內(nèi)的浮動(dòng)，進(jìn)一步滿足用戶個(gè)性化的需求。

1.2 產(chǎn)品、平臺(tái)和架構(gòu)的關(guān)系

如果2個(gè)產(chǎn)品沿用了相同的關(guān)鍵系統(tǒng)、子系統(tǒng)或零部件，則可稱為同平臺(tái)產(chǎn)品,或者說這2個(gè)產(chǎn)品出自同一平臺(tái)。如果2個(gè)平臺(tái)的關(guān)鍵部分采用的是相同的工程解決方案，則稱為同一架構(gòu)上的2個(gè)平臺(tái)。架構(gòu)實(shí)際上是平臺(tái)概念基礎(chǔ)上的擴(kuò)展和往上延伸。

圖2為某一架構(gòu)衍生的產(chǎn)品系列圖，它包含4個(gè)平臺(tái)，其中短軸距平臺(tái)負(fù)責(zé)中級(jí)的三廂、兩廂轎車及其換代產(chǎn)品的開發(fā)；長(zhǎng)軸距平臺(tái)負(fù)責(zé)中高級(jí)別三廂、兩廂轎車及其換代產(chǎn)品；第3、4個(gè)平臺(tái)分別為MPV、SUV平臺(tái)，承載MPV、SUV系列產(chǎn)品。4個(gè)平臺(tái)分工明確，但在一些原理上共享相同的工程方案，從而大大降低了開發(fā)周期及風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 基于整車架構(gòu)開發(fā)汽車產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

（1）提供了更為廣泛和靈活的產(chǎn)品規(guī)劃方式，如果按照平臺(tái)戰(zhàn)略，由于產(chǎn)品的外形、布置有較大差異，SUV、MPV和轎車等車型很難共平臺(tái)開發(fā)，架構(gòu)思路的出現(xiàn)避免了一系列新平臺(tái)各自為政的情況，使公司資源得到最合理的整合。由于架構(gòu)戰(zhàn)略有共同的功能及其性能的前瞻性，使得規(guī)劃部門更早地著手前期規(guī)劃，讓人員、經(jīng)費(fèi)及硬件盡早到位。

（2）以比較小的代價(jià)解決了共平臺(tái)策略車型缺少變化的問題，在同一架構(gòu)的指導(dǎo)下，不同平臺(tái)所衍生出的不同性能的車型給顧客提供了更多的選擇。

（3）大大節(jié)省了開發(fā)費(fèi)用，從圖3的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以看到，在無法做到同平臺(tái)的情況下，平臺(tái)之間共架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念還能夠大幅縮減工程開發(fā)和制造投資費(fèi)用。

（4）降低了同架構(gòu)車型開發(fā)周期和風(fēng)險(xiǎn)，得到驗(yàn)證的工程方案可以應(yīng)用于該架構(gòu)中任意一款車型，產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及售后的反饋都將從中獲益。

（5）由于同架構(gòu)車型在開發(fā)時(shí)就考慮了采取一致的制造體系，對(duì)于企業(yè)的生產(chǎn)、物流和采購(gòu)體系也提供了更大的靈活性。

圖4是某品牌長(zhǎng)軸距和短軸距汽車產(chǎn)品利用架構(gòu)技術(shù)開發(fā)的下車體，而下車體是白車身或整車在車身車間、涂裝車間、總裝車間傳送時(shí)作為滑橇、吊具的重量支撐載體。共用下車體支點(diǎn)后，可以進(jìn)行柔性生產(chǎn)，共用生產(chǎn)線。大大節(jié)約企業(yè)的投資，從而為企業(yè)的生產(chǎn)、物流和采購(gòu)體系提供最大的靈活性。

2 基于整車架構(gòu)的汽車工程開發(fā)技術(shù)

2.1 基于整車架構(gòu)的汽車工程開發(fā)流程

在架構(gòu)概念得到確認(rèn)后，把共用工程解決方案和模塊化理念所確定的零件及平臺(tái)中的沿用件統(tǒng)稱為架構(gòu)件。前期工程的任務(wù)就是在市場(chǎng)提出需求時(shí)，首先確定這一產(chǎn)品的技術(shù)路線及工程工作范疇；確認(rèn)在現(xiàn)有架構(gòu)規(guī)劃中是否需要重新開發(fā)或優(yōu)化，也就是確定哪些是架構(gòu)件，哪些是非架構(gòu)件，并完成架構(gòu)件的開發(fā)。根據(jù)每一個(gè)項(xiàng)目的不同情況，確定每一個(gè)架構(gòu)件的技術(shù)參數(shù)或概念設(shè)計(jì)，需要時(shí)直至尺寸數(shù)據(jù)的發(fā)布。

圖5為一種基于架構(gòu)概念的產(chǎn)品開發(fā)過程。在流程上還定義了架構(gòu)開發(fā)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和提交物，明確架構(gòu)開發(fā)和產(chǎn)品工程的任務(wù)，從而保證整個(gè)產(chǎn)品的進(jìn)程，最大限度地做好高效、高質(zhì)量和低成本的開發(fā)和產(chǎn)品個(gè)性化之間的平衡。

2.2 基于整車架構(gòu)的汽車開發(fā)技術(shù)

2.2.1 整車架構(gòu)搭建的主要內(nèi)容

2.2.1.1 動(dòng)力總成架構(gòu)

動(dòng)力總成是汽車的動(dòng)力源泉和傳動(dòng)路徑，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、分動(dòng)箱、傳動(dòng)軸等零部件。優(yōu)秀的動(dòng)力總成是整車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能的保證。目前大部分廠家已經(jīng)將現(xiàn)有動(dòng)力總成資源和未來開發(fā)計(jì)劃納入產(chǎn)品型譜規(guī)劃。

常規(guī)動(dòng)力總成的布置型式有前置、中置、后置3種形式。前置發(fā)動(dòng)機(jī)具有散熱環(huán)境好、易于均衡配重等優(yōu)點(diǎn)，是最為常見的形式，在以前輪驅(qū)動(dòng)為主流的中低檔車型得到廣泛應(yīng)用。而對(duì)于性能優(yōu)越的高檔后驅(qū)車和跑車家族，發(fā)動(dòng)機(jī)中置或后置常常是作為首選形式。

2.2.1.2 底盤架構(gòu)

軸距和輪距是決定平臺(tái)特征的關(guān)鍵參數(shù)。一般而言，高級(jí)別的轎車通常會(huì)采用較大的軸距和輪距，以獲得較大的乘客艙容納空間和搭載大排量的動(dòng)力總成。

底盤架構(gòu)主要包含車架/副車架、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這些直接影響駕控特性的總成。驅(qū)動(dòng)型式也是比較重要的架構(gòu)特征，前輪驅(qū)動(dòng)型式具有傳動(dòng)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向等特點(diǎn)，在大部分乘用車上采用，對(duì)于追求駕控樂趣的高端車型比較傾向于采用后輪驅(qū)動(dòng)型式。SUV通常采用兩驅(qū)/四驅(qū)的組合配置，以滿足城市/鄉(xiāng)村不同道路的使用需求。

2.2.1.3 車身架構(gòu)

一般乘用車的車身可分為承載車身（Body Frame Integrated）和非承載車身（Body On Frame）兩種型式。非承載車身一般為高地板結(jié)構(gòu)，它具有獨(dú)立的車架結(jié)構(gòu)連接底盤和車身，從而使整車的強(qiáng)度、剛度等得到較大的提高，主要應(yīng)用于越野性能較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)型轎車SUV（Sports Utility Vehicle）、客貨兩用車（Pickup）。承載車身沒有獨(dú)立的車架，采用優(yōu)化的車身底部結(jié)構(gòu)以承載整車重量，具有成本低重量輕等優(yōu)點(diǎn)，目前在普通轎車及交叉車型（Crossover）上得到非常廣泛的應(yīng)用。

整車車身架構(gòu)的構(gòu)造如同積木一樣，是可以通過一些最基本的元素搭建起來的。它們是4大基本元素：前端模塊、前圍板模塊、地板模塊、后行李箱模塊，如圖6。

（1）前端模塊。首先，最為關(guān)鍵的是前縱梁的寬度，前縱梁寬度為搭配不同的動(dòng)力總成提供了容納空間，而在給定輪距的條件下，又受到輪胎運(yùn)動(dòng)包絡(luò)的限制；其次，是前縱梁的長(zhǎng)度，它取決于前懸長(zhǎng)度和動(dòng)力總成布置位置，同時(shí)其前端吸能區(qū)域和能量傳遞路徑也決定了不同的前撞安全性能。

（2）前圍板模塊。這一模塊是人機(jī)交互的核心區(qū)域。其中前圍板位置直接區(qū)隔著發(fā)動(dòng)機(jī)艙和乘客艙，從而決定了乘客艙前端邊界條件和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的后部邊界；前圍板的上邊沿也決定了引擎蓋后沿高度和前方下視野，同時(shí)，前圍板承接著踏板、空調(diào)箱、儀表板及其橫梁等重要的操縱總成，直接影響其位置和結(jié)構(gòu)。

（3）地板模塊。地板模塊分為高地板和低地板兩種。地板高度決定了離地間隙和乘客上下臺(tái)階高度，其與車型型式密切相關(guān)，如SUV通常采用高地板結(jié)構(gòu)。門檻梁及橫梁的框架結(jié)構(gòu)也是前碰和側(cè)碰的能量傳遞路徑，影響整車的安全性能。

（4）行李箱模塊。主要的參數(shù)是行李箱容積，它主要決定于后懸長(zhǎng)度，決定了行李箱的大小以及給定輪胎情況下的離去角，同時(shí)也受到后輪輪包的影響。

而對(duì)于車身的上車體結(jié)構(gòu)，可以分為兩廂轎車（Hatchback/Fastback）、三廂轎車（Notchback或Sedan）、旅行車（Station Wagon）、多用途車 MPV（Multi-Purpose Vehicle）幾種主要型式。以這幾種型式為基礎(chǔ)，衍生出三門、五門、雙人跑車（Coupe）、活動(dòng)頂跑車（Convertible）等幾種針對(duì)特定市場(chǎng)和用戶群體的型式。

圖7是基于某公司同一架構(gòu)衍生出的多個(gè)分支平臺(tái)車型：三廂轎車、雙門跑車和旅行車。

2.2.2 基于架構(gòu)沿用的車身開發(fā)方法

在整車項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，如果決定使用架構(gòu)沿用策略后，底盤、動(dòng)力總成的主要零件均為架構(gòu)件，不會(huì)更改，車身、內(nèi)外飾的開發(fā)成為重要工作。而車身的開發(fā)對(duì)主機(jī)廠來說是重中之重，這主要是因?yàn)檐嚿碜灾萍袀?cè)圍模具的開發(fā)，一般從開模數(shù)據(jù)的發(fā)布到正常的投產(chǎn)需要16到18個(gè)月時(shí)間，是項(xiàng)目的關(guān)鍵路徑。

在總布置給出的約束條件下，一般采用從下向上，從內(nèi)到外的車身設(shè)計(jì)開發(fā)方法，如圖8所示。首先，確認(rèn)沿用的車身架構(gòu)零件范圍，一般為下車體，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)后輪罩、門檻加強(qiáng)板、A柱下加強(qiáng)板、B柱下內(nèi)板、前圍上橫梁；其次，設(shè)計(jì)A、B、C、D 柱內(nèi)板、車頂加強(qiáng)橫梁；最后，隨著外飾造型面的發(fā)布，設(shè)計(jì)發(fā)布車身外板數(shù)據(jù)，主要是：四門兩蓋外板、翼子板、側(cè)圍外板、頂蓋外板，從而完成車身數(shù)據(jù)的發(fā)布。

2.2.3 基于架構(gòu)沿用的整車開發(fā)方法

2.2.3.1 基于架構(gòu)沿用的整車總布置研究

圖9是某公司在同一架構(gòu)上開發(fā)的三廂、兩廂轎車、MPV和SUV的總布置圖。圖中明確了產(chǎn)品系列型譜的尺寸帶寬，從宏觀上較為清楚地比較和說明了各款車型的關(guān)鍵特征變化。

2.2.3.2 基于架構(gòu)沿用的整車開發(fā)研究

以現(xiàn)有成熟產(chǎn)品兩廂轎車拓展衍生為三廂轎車為例，簡(jiǎn)要說明基于架構(gòu)沿用的整車開發(fā)流程和各階段主要需關(guān)注的工作。

第一，產(chǎn)品需求定義。這是產(chǎn)品的細(xì)分市場(chǎng)分析階段。需要通過調(diào)研掌握目前競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品特性，并預(yù)測(cè)未來市場(chǎng)變化和新技術(shù)的應(yīng)用，確定自身產(chǎn)品的定位和目標(biāo)用戶群。同時(shí)，通過大樣本的潛在用戶分析，充分了解用戶的基本需求，從而明確配置需求。

第二，項(xiàng)目?jī)?nèi)容明確。這是對(duì)市場(chǎng)需求的解讀和理解階段。對(duì)于架構(gòu)沿用的開發(fā)而言，需要研發(fā)部門在滿足市場(chǎng)需求的前提下，達(dá)到整車架構(gòu)沿用的最大化，從而節(jié)省開發(fā)成本和時(shí)間。通過這階段的工作，可以對(duì)新產(chǎn)品的更改范圍做出框架式條款約束。

第三，面向產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)。這是工程與造型的互動(dòng)和平衡階段。工程部門需要根據(jù)新產(chǎn)品更改范圍的框架式條款，研究并提出明確的造型限制條件；造型部門需要依據(jù)工程提出的要求和條件，在可接受范圍內(nèi)，完成造型開發(fā)工作。

第四，產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)。在該階段進(jìn)行各車型的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行多輪的虛擬評(píng)審，以確保高質(zhì)量的進(jìn)行3D和2D數(shù)據(jù)的發(fā)布。

第五，試驗(yàn)與驗(yàn)證。這個(gè)階段主要是新產(chǎn)品的試制與試驗(yàn)階段，與全新架構(gòu)開發(fā)基本類似。在試制和試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)和解決在此過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題，并在上市前將問題解決掉。

3 結(jié)束語

基于整車架構(gòu)的汽車開發(fā)已經(jīng)成為越來越多汽車企業(yè)考慮的技術(shù)路線，通過對(duì)整車架構(gòu)和基于整車架構(gòu)開發(fā)汽車的研究分析，能對(duì)正在考慮實(shí)施架構(gòu)策略的研發(fā)和規(guī)劃部門有一定的參考意義。

［1］陳虹.上汽自主品牌產(chǎn)品開發(fā)的架構(gòu)策略［J］.汽車工程，2010，（06）.

［2］彭岳華.汽車車身架構(gòu)開發(fā)研究［J］.汽車與配件，2009，（07）.

［3］GM Strays from its Common Architecture Strategy［J］.Lotus Drivers Guide，2004，（1）.

［4］杜淮林.淺談車型架構(gòu)的規(guī)劃方法［J］.上海汽車，2010，（05）.

［5］王逸飛.上海通用汽車新產(chǎn)品開發(fā)流程管理創(chuàng)新［D］.復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.