黃向東，陳上華，曾慶洪，袁煥泉，陳 東，楊萬(wàn)慶，謝 鋒

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

2016172

高拓展性模塊化車身架構(gòu)的研究和應(yīng)用

黃向東，陳上華，曾慶洪，袁煥泉，陳 東，楊萬(wàn)慶，謝 鋒

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

汽車模塊化、平臺(tái)化在國(guó)外發(fā)展已日趨成熟，在各大車企中廣泛應(yīng)用。本文中在模塊化、平臺(tái)化的基礎(chǔ)上，提出了廣汽車身跨平臺(tái)模塊化共享架構(gòu)。構(gòu)建了跨B/C和跨A0/A級(jí)車型平臺(tái)的兩大車型子架構(gòu)(含常規(guī)和新能源汽車)，覆蓋A00至C級(jí)車型的模塊套件矩陣，突破多項(xiàng)跨平臺(tái)/車型的共性關(guān)鍵技術(shù)，建立廣汽自主車型車身體系架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)多種自主品牌常規(guī)和新能源車型的投產(chǎn)與上市，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

車身；跨平臺(tái)；共享架構(gòu)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車銷量逐年攀升。汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，為提高市場(chǎng)占有率，各大車企推出的新車型越來(lái)越多，新車的上市速度也越來(lái)越快。傳統(tǒng)方式下，一款新車型開(kāi)發(fā)需要48個(gè)月。而通過(guò)汽車平臺(tái)化、模塊化開(kāi)發(fā)的運(yùn)用可大大縮短汽車開(kāi)發(fā)周期，在平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新車型一般只需要18～24個(gè)月，甚至更短[1]。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到平臺(tái)化、模塊化對(duì)減少設(shè)計(jì)、采購(gòu)和生產(chǎn)投入的好處，開(kāi)始學(xué)習(xí)國(guó)外車企逐步開(kāi)展乘用車的平臺(tái)化和模塊化戰(zhàn)略[2]，也開(kāi)展了平臺(tái)化、模塊化相關(guān)方面的研究[3-5]。

本文中在研究各大車企平臺(tái)化的基礎(chǔ)上，提出了基于廣汽G-CPMA(GAC CPMA)的車身跨平臺(tái)模塊化共享架構(gòu)。基于CPMA的汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與制造，對(duì)優(yōu)化資源、快速突破關(guān)鍵核心技術(shù)、降低開(kāi)發(fā)與制造成本及技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)、豐富車型譜系、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與上市周期、提高零部件標(biāo)準(zhǔn)化/共享化水平和產(chǎn)品質(zhì)量與競(jìng)爭(zhēng)力，具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)久的作用。

1 車身跨平臺(tái)模塊化共享架構(gòu)思路

廣汽跨平臺(tái)模塊化系統(tǒng)架構(gòu)G-CPMA是由傳統(tǒng)的平臺(tái)共享技術(shù)演變而來(lái)，圖1為演變示意圖。此架構(gòu)是對(duì)傳統(tǒng)意義上汽車開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)平臺(tái)化理念和技術(shù)的深化拓展，即從產(chǎn)品家族規(guī)劃到各車型平臺(tái)、重要零部件的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，都整合于G-CPMA技術(shù)路線。通過(guò)對(duì)整車、各系統(tǒng)、各功能模塊及其關(guān)鍵和共性技術(shù)的正向研發(fā)，系統(tǒng)化地形成跨各車型級(jí)別/種類可復(fù)用的成套領(lǐng)域知識(shí)、技術(shù)與流程，形成跨車型級(jí)別/種類通用共享的標(biāo)準(zhǔn)化零部件模塊矩陣及相應(yīng)工藝，打造跨平臺(tái)、模塊化、可靈活拓展(flexible/scalable)、共線生產(chǎn)的體系架構(gòu)。

車身跨平臺(tái)模塊化共享架構(gòu)，即車身模塊套件是G-CPMA下的子系統(tǒng)和重要組成部分。

車身跨平臺(tái)模塊化共享架構(gòu)的目標(biāo)是在基于G-CPMA戰(zhàn)略的產(chǎn)品家族規(guī)劃的前提下，在每個(gè)整車開(kāi)發(fā)項(xiàng)目從總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)到整車集成的各階段，均充分考慮形成平臺(tái)、模塊矩陣和架構(gòu)“供體”的貢獻(xiàn)率，充分考慮對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)、模塊和架構(gòu)的共享率，盡量減少平臺(tái)、子架構(gòu)的數(shù)量，減少功能相同或相似模塊的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)規(guī)格數(shù)量，不斷提高標(biāo)準(zhǔn)化、共享化、參數(shù)化設(shè)計(jì)和共線生產(chǎn)的水平。滿足平臺(tái)產(chǎn)品(整車)要求，降低成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)達(dá)成零件共用化及產(chǎn)品個(gè)性化最優(yōu)平衡點(diǎn)。

2 車身跨平臺(tái)共享架構(gòu)技術(shù)研究

本文中以設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)相結(jié)合的方式，開(kāi)展了白車身模塊化關(guān)鍵技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)，在此基礎(chǔ)上提出了跨平臺(tái)車身共享架構(gòu)技術(shù)。

跨平臺(tái)共享架構(gòu)車身平臺(tái)最大的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)高的互換性，除兩廂和三廂等傳統(tǒng)轎車外，還要滿足目前新能源車型動(dòng)力搭載的需求，同時(shí)適用于高H點(diǎn)的SUV、MPV等車型的要求。具體包括：匹配不同的外觀造型、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和底盤懸掛系統(tǒng)；不同軸距車型需有良好的人機(jī)布置；滿足車身基本性能；車身主要零件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。

車身平臺(tái)化/模塊化涵蓋白車身、開(kāi)閉件及其附件、車身內(nèi)飾系統(tǒng)、車身外飾和附件系統(tǒng)。本文中主要論述白車身平臺(tái)化/模塊化。

2.1 白車身模塊化共享架構(gòu)技術(shù)

同架構(gòu)下不同平臺(tái)的車身結(jié)構(gòu)主要差異表現(xiàn)為：(1)不同平臺(tái)車身軸距和輪距不同；(2)考慮到整車質(zhì)量和整車尺寸差異以及車身輕量化和燃油經(jīng)濟(jì)性要求，不同平臺(tái)車身的典型截面大小不一樣；(3)考慮到不同級(jí)別車型產(chǎn)品定位以及布置和輕量化要求，車身前后懸長(zhǎng)度不一樣。

為解決上述車身同架構(gòu)下不同平臺(tái)之間的差異，車身在保證其主體架構(gòu)相同的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整局部車身結(jié)構(gòu)來(lái)滿足車身模塊化的共享架構(gòu)要求。

車身共享架構(gòu)技術(shù)主要體現(xiàn)在下車體結(jié)構(gòu)中，而下車體則是通過(guò)前機(jī)艙、前地板和后地板3個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。從圖2和圖3中可以看出，車身在滿足不同車型需要時(shí)，車身結(jié)構(gòu)變化的總體思路。

圖2 白車身跨平臺(tái)模塊化架構(gòu)示意圖

圖3 下車體車型拓展示意圖

其中前輪心到加速踏板的距離和后座椅到后輪心的距離實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，以減少車身的改動(dòng)，保證平臺(tái)化中的各種車型都能得到滿意的乘員艙空間，同時(shí)滿足動(dòng)力總成與底盤的平臺(tái)化。

軸距的長(zhǎng)短通過(guò)調(diào)整前地板長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)第二排乘員位置進(jìn)行微調(diào)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮地板盡可能通用，例如短軸距車型可在長(zhǎng)軸距車型地板的基礎(chǔ)上增加切邊工藝后沿用。

跨平臺(tái)車身架構(gòu)需要考慮不同動(dòng)力總成和底盤總成的布置，表現(xiàn)為懸置安裝點(diǎn)和底盤硬點(diǎn)輸入。

對(duì)于動(dòng)力總成，本文中思路是以動(dòng)力總成尺寸最大化原則考慮其布置要求，同架構(gòu)平臺(tái)的動(dòng)力總成包含燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力總成，保證其車身懸置安裝點(diǎn)一致，發(fā)動(dòng)機(jī)在前期規(guī)劃時(shí)就要考慮到平臺(tái)化要求，保證其懸置位置是固定的，規(guī)格是系列化的，如圖4所示。對(duì)于純電動(dòng)車型，由于電機(jī)等相關(guān)零件無(wú)法固定在機(jī)艙縱梁上，需增加一個(gè)組合支架來(lái)安裝電器相關(guān)零件，而車身縱梁只需要增加相應(yīng)的支架來(lái)安裝組合支架即可，如圖5所示。

圖4 縱梁懸置安裝點(diǎn)示意圖

圖5 安裝支架示意圖

對(duì)于底盤，需考慮多種輪胎選擇(即前輪胎包絡(luò)最大化考慮)，合理布置前/后縱梁以滿足平臺(tái)化的前/后輪距可調(diào)。對(duì)不同的懸架系統(tǒng)，須保證懸架安裝結(jié)構(gòu)方式相同或相似，車身只須修改局部零件即可滿足安裝要求。同架構(gòu)下的副車架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與車身安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)成一致，這樣同平臺(tái)下車身可以最大限度實(shí)現(xiàn)零件的共用。

圖6所示為前機(jī)艙配合麥弗遜懸架和雙叉臂懸架切換更改的零部件。圖7為后地板總成配合后懸架切換更改的零部件。

圖6 麥弗遜懸架與雙叉臂懸架切換示意

圖7 后懸切換示意

下面將以A/A0架構(gòu)來(lái)闡述車身跨平臺(tái)架構(gòu)的應(yīng)用。

目前A級(jí)平臺(tái)轎車車型為AF,其下車體架構(gòu)如圖8所示，A級(jí)平臺(tái)SUV車型為A28，其下車體架構(gòu)如圖9所示。

圖8 A平臺(tái)轎車下車體架構(gòu)

圖9 A平臺(tái)SUV下車體架構(gòu)

從圖8和圖9可以看出，SUV車型下車體主體梁架結(jié)構(gòu)基本沿用AF車型，采用了新型六縱六橫骨架結(jié)構(gòu)，在碰撞過(guò)程中，使車身更好地傳遞力和吸收能量?？紤]到SUV車型質(zhì)量有所增加，為滿足碰撞性能要求，機(jī)艙縱梁和前地板縱梁截面適當(dāng)增大。前地板面板與座椅橫梁沿用AF，其余零件做適應(yīng)性修改以滿足布置和性能要求。

此平臺(tái)兼顧多種系列發(fā)動(dòng)機(jī)(目前搭載1.6L,1.3T,1.5T等)，匹配多種變速器總成如WDCT/DDCT，CVT，RMT和MT等，同時(shí)通過(guò)修改發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架可滿足純電動(dòng)/混合動(dòng)力的機(jī)艙布置，底盤方面前懸架滿足麥弗遜懸架和雙叉臂懸架的配置要求，后懸架滿足多連桿懸架和扭力梁懸架配置要求。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和副車架在車身安裝點(diǎn)保證一致，安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可通過(guò)重新開(kāi)發(fā)部分零件來(lái)滿足要求，滿足機(jī)艙最大化通用要求，機(jī)艙內(nèi)蓄電池等較大的零部件布置和基本的線束和管路走向也保持一致。

圖10 前地板總成分塊模式

考慮到A0平臺(tái)與A平臺(tái)為同一架構(gòu)，因此前地板需要考慮不同車型軸距變化，兩驅(qū)/四驅(qū)車底盤和動(dòng)力零件的布置空間要求。設(shè)定合理的前防火墻到前輪心距離，基于平臺(tái)考慮，前排座椅橫梁位置基本不變?？紤]平臺(tái)車型中零件通用化，將前地板設(shè)計(jì)成分體式，即前地板總成由左右地板和中通道總成焊接而成，如圖10所示。此結(jié)構(gòu)可通過(guò)更改中通道截面尺寸實(shí)現(xiàn)平臺(tái)車型輪距的調(diào)整，以及通過(guò)調(diào)整中通道和后排座椅橫梁結(jié)構(gòu)來(lái)滿足不同底盤配置需求，如圖11所示。

圖11 四驅(qū)車型切換示意

基于A/A0架構(gòu)基礎(chǔ)上，從A平臺(tái)向下拓展，開(kāi)發(fā)出A0平臺(tái)車型，如圖12所示。

圖12 下車體平臺(tái)軸距演變示意

表1為下車體平臺(tái)軸距演變說(shuō)明，從表中可以看出，A0平臺(tái)是在不更改A平臺(tái)總體架構(gòu)基礎(chǔ)上演變而來(lái)，通過(guò)縮短軸距和調(diào)整輪距與前后懸長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，沿用其前縱梁總成、前圍板總成、前座椅前橫梁、中通道加強(qiáng)板等零部件，修改沿用其前地板本體、中通道本體、前地板縱梁等零部件，后懸車身安裝結(jié)構(gòu)沿用A平臺(tái)扭力梁安裝結(jié)構(gòu)。其余零件根據(jù)底盤硬點(diǎn)、總布置、人機(jī)工程學(xué)和造型等需求重新開(kāi)發(fā)。

表1 下車體平臺(tái)軸距演變說(shuō)明

A0平臺(tái)規(guī)劃之初就考慮傳統(tǒng)車型和純電動(dòng)車型車身結(jié)構(gòu)共用和同步開(kāi)發(fā)。純電動(dòng)車型由于需要布置大容量電池結(jié)構(gòu)，電池包安裝在前后地板下方，故需要修改車身下車體相關(guān)零件來(lái)滿足電池布置的要求，如圖13所示。

圖13 純電動(dòng)車型演變示意

由圖13可見(jiàn)，純電動(dòng)車型可以通過(guò)修改前地板、中地板和后排座椅上、下橫梁等零件來(lái)滿足電池包安裝要求，如圖13(a)中深色區(qū)域所示，也可以通過(guò)局部修改機(jī)艙縱梁、前地板縱梁、后地板下橫梁等零件來(lái)滿足電池包的安裝要求，如圖13(b)中深色區(qū)域所示。具體開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可根據(jù)不同電池包結(jié)構(gòu)來(lái)選擇開(kāi)發(fā)方案。

2.2 白車身跨平臺(tái)架構(gòu)的靈活生產(chǎn)技術(shù)

平臺(tái)化/模塊化車身滿足共線生產(chǎn)要求是其先進(jìn)性之一。車身跨平臺(tái)結(jié)構(gòu)中需要考慮到生產(chǎn)工藝的共線問(wèn)題，即靈活生產(chǎn)技術(shù)。不同的車身平臺(tái) 可在同一生產(chǎn)線上生產(chǎn)，以達(dá)到生產(chǎn)成本的最小化。

本文中主要從生產(chǎn)規(guī)劃和產(chǎn)品設(shè)計(jì)兩方面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造之間工藝技術(shù)對(duì)接的標(biāo)準(zhǔn)化，主要技術(shù)內(nèi)容如下。

(1) 固化焊裝、涂裝和總裝工藝流程，確定跨平臺(tái)車型工藝策略和生產(chǎn)綱領(lǐng)，把工藝思路和約束放到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如圖14所示。

圖14 固化工藝流程

(2) 深度拓展關(guān)鍵工藝、工序的平臺(tái)應(yīng)用空間。對(duì)吊掛式、支撐式發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)通用性合裝方法和工裝；對(duì)車身采用擴(kuò)展性和容量更大的主拼形式和工裝(能擴(kuò)后的主拼形式)；對(duì)頂蓋、門檻梁等重要零件投入和預(yù)安裝方式與工裝進(jìn)行統(tǒng)一等；焊裝主拼線采用“伺服柔性單元+快速插接”的綜合形式。工裝柔性化拓展如圖15所示。

圖15 工裝柔性化拓展

(3) 車身設(shè)計(jì)采用模塊化分塊結(jié)構(gòu)以提高擴(kuò)展性，最大限度實(shí)現(xiàn)下車體的基準(zhǔn)點(diǎn)系(reference point system, RPS)與主控點(diǎn)(main control points, MCP)一致，如圖16所示。

圖16 下車體總拼定位點(diǎn)和支撐面示意圖

圖17為GA5與GS5共線用托盤示例。通過(guò)平臺(tái)化設(shè)計(jì)，GA5與GS5實(shí)現(xiàn)共線生產(chǎn)(共用托盤、定位夾具等)，提高生產(chǎn)效率，有效降低成本。

圖17 GA5與GS5共線用托盤示例

高度靈活的平臺(tái)工藝規(guī)劃和共線生產(chǎn)技術(shù)，確保了軸距在2 500～3 000mm之間的車型在焊裝、涂裝和總裝車間共線運(yùn)輸、生產(chǎn)、移載和檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了工裝設(shè)備的最大化共用(跨平臺(tái)車型焊接設(shè)備共用率達(dá)到91%)，跨平臺(tái)車型在工藝流程不變的情況下，削減車身主焊線瓶頸工時(shí)9s。

3 結(jié)論

在平臺(tái)化/模塊化的基礎(chǔ)上，本文中提出了廣汽車身跨平臺(tái)模塊化共享架構(gòu)，具有高拓展性的特點(diǎn)。構(gòu)建了跨B/C和跨A0/A級(jí)車型平臺(tái)的兩大車型子架構(gòu)，通過(guò)A/A0架構(gòu)詳細(xì)說(shuō)明了車身跨平臺(tái)架構(gòu)的應(yīng)用。開(kāi)發(fā)出覆蓋A00～C級(jí)傳統(tǒng)車和新能源車適用的車身模塊套件，包括可根據(jù)不同車型的軸距、輪距設(shè)計(jì)做適應(yīng)性調(diào)整、適用于不同懸掛系統(tǒng)的平臺(tái)化前機(jī)艙總成、前地板總成和后地板總成；形成具備較高被動(dòng)安全性能、剛度強(qiáng)度水平、輕量化水平與材料利用率的相似結(jié)構(gòu)件組合技術(shù)。

在G-CPMA的指導(dǎo)下，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于C級(jí)車(GA8)、B級(jí)車(GA5、GA5REV、GA5HEV、GA6、GS5、GS5S)、A級(jí)車(GA3、GA3S、GS4)等車型(包括轎車、SUV和新能源車型)。全系車型均達(dá)到C-NCAP五星級(jí)碰撞安全性。此技術(shù)的應(yīng)用，整合了現(xiàn)有平臺(tái)，減少了子架構(gòu)數(shù)，也大大縮短了新車型的開(kāi)發(fā)時(shí)間，車型衍生性強(qiáng)，不同級(jí)別車型可共線生產(chǎn)，有效降低制造成本并提高生產(chǎn)效率。

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Research and Application of Highly Extensible Modular Body Architecture

Huang Xiangdong, Chen Shanghua, Zeng Qinghong, Yuan Huanquan,Chen Dong, Yang Wanqing & Xie Feng

AutomotiveEngineeringInstitute,GAC,Guangzhou511434

Vehicle modularization and platform sharing are getting matured increasingly in foreign countries and more widely applied in major vehicle enterprises. On the basis of modularization and platform sharing, the shared architecture of Guangzhou Automobile Corporation (GAC) vehicle body cross-platform modularization is presented in this paper. The sub-architectures of two major vehicle models (including both conventional and new energy vehicles) for cross-B/C platform and cross-A0/A platform have been constructed, covering a modularized component matrix from A00 class to C class vehicles. Breakthroughs have been made in several cross-platform / cross-model common key technologies. The body framework of GAC own brand vehicle has been established, by which the production and sales of various GAC conventional and new-energy vehicle models have been realized, achieving great economic benefits.

vehicle body; cross-platform; shared architecture

原稿收到日期為2015年7月28日，修改稿收到日期為2015年11月20日。