王科，盧利輝，李浩，周成磊

(南京星喬威泰克汽車零部件有限公司，江蘇南京 211100)

0 引言

隨著汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代的頻次逐步加快，對應(yīng)零部件的更新頻次也會增加。由此引出的零部件的開發(fā)周期與開發(fā)成本之間的矛盾就顯得尤為重要。如何在短時間內(nèi)開發(fā)出低成本的產(chǎn)品是設(shè)計師亟需考慮的。按常規(guī)的零部件開發(fā)過程，需經(jīng)過方案確認、概念設(shè)計、功能樣件試制及試驗、詳細階段設(shè)計、工程樣件試制及試驗、優(yōu)化設(shè)計、工裝樣件試制及試驗、量產(chǎn)等多個環(huán)節(jié)，開發(fā)周期較長，特別是某些復雜底盤結(jié)構(gòu)件的開發(fā)周期可能在2年以上[1]。在消費者需求個性化的今天，整車廠已傾向于在底盤結(jié)構(gòu)件平臺化的基礎(chǔ)上，縮短研發(fā)周期，開發(fā)出低成本的多種外觀車型，滿足不同群體消費者的需求[2]。設(shè)計師除了掌控開發(fā)周期外，更需要清楚產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成，才能設(shè)計出質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品。

1 平臺化設(shè)計

所謂的平臺化設(shè)計指的就是設(shè)計產(chǎn)品的通用性和可擴展性[3]。如圖1所示為某車型的前下控制臂，若同底盤開發(fā)的車型，可實現(xiàn)產(chǎn)品的通用性。如因輪距、輪胎或搭接件的變化，導致產(chǎn)品變更，可用擴展性實現(xiàn)，即在滿足操穩(wěn)、NVH、空間布局等條件下，新設(shè)計L、H尺寸和造型。

圖1 某車型前下控制臂

2 產(chǎn)品的成本構(gòu)成

汽車零部件的產(chǎn)品可分兩類：一類是少量手工樣件(按30臺份計)、一類是量產(chǎn)自動化工裝產(chǎn)品(按30～50萬臺份計)。由于兩類產(chǎn)品的產(chǎn)量及加工工藝不同，所以產(chǎn)品的成本構(gòu)成有差異。按以往沖焊件產(chǎn)品的經(jīng)驗，圖2是手工樣件和量產(chǎn)產(chǎn)品的成本占比對照?？梢钥闯觯止蛹某杀局饕性诠ぱb和制造費用，量產(chǎn)產(chǎn)品主要集中在材料和制造費用。制造費用直接反映的是工藝流程復雜程度，而工藝流程又取決于工裝數(shù)量。所以，要降低產(chǎn)品成本，在設(shè)計階段重點考慮產(chǎn)品少工裝化、輕量化和提高材料利用率[4]。

圖2 手工樣件和量產(chǎn)產(chǎn)品的成本占比

3 造型設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

文中僅涉及零部件的開發(fā)，針對裝配整車相關(guān)調(diào)教，另作討論。造型設(shè)計是基于平臺化、成本最優(yōu)的前提下滿足產(chǎn)品特性的設(shè)計。設(shè)計目標：(1)空間結(jié)構(gòu)無干涉；(2)質(zhì)量不大于3.7 kg；(3)疲勞耐久工況滿足表1；(4)強度工況滿足表2。

表1 疲勞耐久工況要求

表2 強度工況要求

3.2 產(chǎn)品過程

3.2.1 明確設(shè)計目標

如圖3所示為同平臺量產(chǎn)車型1的控制臂，由于設(shè)計車型2的前輪距和輪胎寬度的變更，引出轉(zhuǎn)向球頭j的硬點變化和輪胎與主板件s3、s4的干涉，如圖4所示。根據(jù)新產(chǎn)品變更點，決策需要新設(shè)計單件目錄，如表3所示。

圖3 同平臺量產(chǎn)車型1的控制臂

表3 單件設(shè)計目錄

3.2.2 設(shè)計過程

產(chǎn)品設(shè)計圍繞性能、成本、質(zhì)量和可制造性四方面進行。但后面兩項和成本息息相關(guān)，在滿足性能的前提下，如果有更佳的工藝性和更輕的質(zhì)量，則產(chǎn)品的成本也會有優(yōu)勢。在實際設(shè)計過程中體現(xiàn)在5個階段，即：初始設(shè)計、性能設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計、工藝優(yōu)化設(shè)計。

初始設(shè)計，是在平臺原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進行變化點的新造型更改，然后通過CAE建模分析產(chǎn)品的性能，尋找需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向。如圖5所示，利用車型1的產(chǎn)品僅改變s3、s4的造型，滿足硬點變化和無干涉輪胎要求。

圖5 初始設(shè)計模型

通過CAE分析，該造型疲勞耐久滿足要求，但強度不滿足要求，其中輪心后向工況等效塑性應(yīng)變量大于4%，主要發(fā)生在s1和s3上，如圖6所示，需要優(yōu)化設(shè)計滿足目標要求。

由此引入后4個設(shè)計階段，每個階段都要從性能、成本、質(zhì)量和可制造性四方面考慮，只是側(cè)重點不同。強度設(shè)計體現(xiàn)在方案及外輪廓設(shè)計，思維較發(fā)散，理論依據(jù)較強。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計偏向空間校核、外觀設(shè)計。輕量化設(shè)計注重從選材、減材、提高材料利用率等方面考慮。工藝優(yōu)化設(shè)計重點考慮可制造性和少工裝化設(shè)計。如表4匯總了產(chǎn)品優(yōu)化過程。

圖6 初始模型等效塑性應(yīng)變量分布

表4 產(chǎn)品優(yōu)化過程

3.2.3 設(shè)計凍結(jié)

通過優(yōu)化設(shè)計后，凍結(jié)模型等效塑性應(yīng)變量分布如圖7所示，輪心后向工況等效塑性應(yīng)變量各處均小于4%，其他強度及疲勞耐久工況均滿足要求，質(zhì)量3.55 kg≤3.7 kg，滿足質(zhì)量目標。經(jīng)整車匹配及性能校核也滿足設(shè)計目標。設(shè)計凍結(jié)模型與平臺量產(chǎn)車型1產(chǎn)品對比如圖8所示(左、右件對稱)。凍結(jié)模型等效塑性應(yīng)變量分布對比見表5。

圖7 凍結(jié)模型等效塑性應(yīng)變量分布

圖8 設(shè)計凍結(jié)模型與平臺量產(chǎn)車型1產(chǎn)品對比

表5 凍結(jié)模型與量產(chǎn)車型1產(chǎn)品對比

4 成本分析

原計劃共用沖壓件s1和s2，但因產(chǎn)品強度要求，難以實現(xiàn)，料厚由2.9 mm更改為3.6 mm。如表5所示，為實現(xiàn)平臺化焊接夾具共用，定位孔和定位面要保持一致；為避免混用單件風險，增加了防錯特征，可在焊接夾具上設(shè)置檢知，達到防錯目的。s3和s4同樣做了平臺化定位孔和定位面一致的設(shè)計，減少了焊接夾具的投入。整體分析，如果在產(chǎn)能滿足的情況下，平臺化共用焊接工作站，可減少設(shè)備及焊接工裝的投入200余萬元。如果單件產(chǎn)品能實現(xiàn)共用，則可節(jié)省大量模具費用。通過工裝的共用，直接體現(xiàn)出產(chǎn)品的單價降低，特別是產(chǎn)量越少的產(chǎn)品，單價降低的幅度越大。按第2節(jié)數(shù)據(jù)分析，針對沖焊件，工裝共用可降低產(chǎn)品單價一般11%～61%不等。

5 結(jié)束語

產(chǎn)品的成本是設(shè)計出來的。有競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品主要體現(xiàn)在成本和性能上。設(shè)計師只有了解同平臺產(chǎn)品的性能和新產(chǎn)品的成本構(gòu)成，才能設(shè)計出工藝優(yōu)、成本低、質(zhì)量輕、性能好的產(chǎn)品。