摘要：研究了環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品的關鍵零部件安全防護后下部防護的通用化和模塊化設計，以提高產(chǎn)品的安全性、可靠性和可維護性。通過對環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品的安全防護后下部防護可制造性和可維護性進行深入分析，探討如何通過標準化、通用化和模塊化設計來優(yōu)化環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品的整體性能和成本效益。

關鍵詞：標準化；通用化；模塊化；后下部防護

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-06-07

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407011

1 前言

隨著科技進步和發(fā)展，企業(yè)間競爭不斷加劇，成本導向?qū)Ξa(chǎn)品的設計、制作提出了更高要求。為了適應市場需求，提高競爭能力，企業(yè)用最快的上市速度、最好的質(zhì)量、最優(yōu)的成本來滿足客戶的需求。在產(chǎn)品設計過程中需要考慮標準化、通用化、模塊化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，避免過于穩(wěn)健的設計浪費材料，從而提高零部件的互換性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)規(guī)模效益［1-2］。

后下部防護是車輛產(chǎn)品強制安裝的關鍵零部件，其主要目的是在后車（如乘用車）與前車（如貨車及掛車）發(fā)生碰撞時，能對后車提供有效保護，防止發(fā)生鉆撞。通過對環(huán)衛(wèi)車輛的后下部防護現(xiàn)狀和問題進行分析，發(fā)現(xiàn)后下部防護結(jié)構(gòu)、工藝工序設計依然不為最優(yōu)，存在定制化程度高、零部件不通用等問題，導致制造成本高、生產(chǎn)效率低。

基于通用化對后下部防護進行設計方法的探究，存在以下特點：a.標準化：研究如何簡化和制定統(tǒng)一的設計規(guī)范或依據(jù)，以實現(xiàn)產(chǎn)品設計的統(tǒng)一性和通用性。b.通用化：探討如何最大限度地擴大同一單元的使用范圍、減少其種類和規(guī)格，以提高零部件的通用性和互換性。c.模塊化：研究如何對產(chǎn)品進行功能分析和分解，劃分并設計、制造通用模塊或標準模塊，以有限種類的模塊組合成滿足各種需求的產(chǎn)品，是標準化和通用化的最高級形式。

2 研究方法

21 設計準則

針對環(huán)衛(wèi)改裝車輛企業(yè)，對其后下部防護特性分類必須遵循GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護裝置要求》［3］，具體零部件特性分類規(guī)則如下：

a.后下部防護裝置的橫向構(gòu)件的兩端不應彎向車輛后方且不應有尖銳的外側(cè)邊緣。橫向構(gòu)件側(cè)端應倒賀，其圓角半徑不小于25 mm；橫向構(gòu)件的截面高度，滿足以下條件：①N2、O3類車輛應不小于100 mm；②N3、O4類車輛應不小于120 mm。

b.后下部防護裝置的寬度不可大于車輛后兩側(cè)車輪最外點之間的距離，且后下部防護裝置任一端的最外緣與這一側(cè)車輛后軸車輪最外端的橫向水平距離不大于100 mm。

c.同一型式的后下部防護，應滿足結(jié)構(gòu)型式相同，截面尺寸相同或材料相同，連接件、連接方式相同。

除此之外，在安全方面還要滿足以下要求：按GB 11567試驗加載力要求，如圖1所示，兩點加載時，每點加載力為100 kN或相當于車輛最大設計總質(zhì)量的50%的水平載荷；三點加載時，每點加載力為50 kN或相當于車輛最大設計總質(zhì)量25%的水平載荷。無論后下部防護破壞與否，相應的位置加載時，在能承受到相應載荷的前提下，后下部防護的最大水平變形量應不大在于150 mm。

22 分類準則

221 通用化設計概述

通用是指功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、設計思路一個或多個相同，在不同類型不同規(guī)格的產(chǎn)品中，其用途相同、結(jié)構(gòu)相近的零部件，具備功能互換性和尺寸互換性。通用化、模塊化是標準化的形式和方法，都是建立在繼承性和互換性的原則上的。繼承性是指對現(xiàn)有設計成果的再利用，互換性是通用化的前提，也是做模塊化設計的基礎。三者之間的關系如下：

a通用化是標準化的基礎和前提，對產(chǎn)品規(guī)格或主要性能參數(shù)按一定的數(shù)列、優(yōu)先級排列，可對品類規(guī)格進行有針對性的控制。

b模塊化是以通用化、標準化為基礎，不但具有通用化特征，而且具有標準化的特征。

c.模塊化是功能分解和組合的過程，具有很強的通用性和組合性。

222 通用設計方法

零部件模塊化設計，需要充分考慮可制造性和可裝配性。零件的可制造性、可裝配性高，說明零件滿足制造工藝和裝配工藝、工序?qū)α慵脑O計要求，零件就容易制造和裝配，效率高、成本低、缺陷少、質(zhì)量高。通過對零件的特征參數(shù)化、接口標準化進行模塊化設計，實現(xiàn)減少零部件數(shù)量，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計，提高零部件的通用率。后下部防護通用設計實例有以下幾點：

a結(jié)構(gòu)優(yōu)化。考慮去除每個零件的可能性，避免過于穩(wěn)健的設計，減少鈑金折彎工序。采用矩形管替代原折彎拼焊結(jié)構(gòu)，如圖2所示，即2道鋸代替4道折彎加2道滿焊縫，原連接支腿的折彎板內(nèi)配4限位槽優(yōu)化2個限位槽，限位槽焊接方式由滿焊改為點焊，可制造效率更高，成本更優(yōu)，減少同類零件品種。

b材料優(yōu)化。后下部防護桿的主要材質(zhì)采用Q235型材替代Q355折彎板材，限位槽板厚由3 mm改為2 mm，輕量化406%。

c接口參數(shù)優(yōu)化。后下部防護模塊內(nèi)零件接口參數(shù)盡可能統(tǒng)一，折彎板安裝孔距離參數(shù)固定為40 mm、50 mm、80 mm，與支腿連接的安裝中心距統(tǒng)一為830 mm、950 mm、1 000 mm，以減少相關零件的品種。

3 后下部防護的設計

31 通用化設計

根據(jù)市場上個不同環(huán)衛(wèi)車的銷量和國家安全要求，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，按噸位、軸距、截面高度、長度等零部件特征的規(guī)格差異進行規(guī)范整理，考慮以上標準和統(tǒng)型設計準則，形成后下部防護標準規(guī)則，有以下幾點：

a按噸位分段為35～9 t、10～12 t、12 t以上。

b按軸距分段為2 800 mm、3 800 mm、4 500 mm、5 300 mm。

c按截面高度（g2）分為100 mm、120 mm、150 mm。

d按長度（h2）分為1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm，如圖3所示。

故此，按以上分類，在進行安全性力學實驗時，不同噸位范圍的車輛所需加載實驗力的大小如表1所示。

按GB 11567試驗加載力要求，兩點加載時，每點加載力為100 kN或相當于車輛最大設計總質(zhì)量的50%的水平載荷；三點加載時，每點加載力為50 kN或相當于車輛最大設計總質(zhì)量25%的水平載荷［3］。

表1 國標規(guī)定最小載荷大小

[加載點 加載力t，% P1（三點加載） 25 P2（兩點加載） 50 P3（三點加載中間） 25 ]

32 最優(yōu)化設計

為保證最優(yōu)方案的可行性和擇優(yōu)性，采用力學試驗和力學理論計算的相互佐證式的分析方法、試驗手段和技術方法如圖4所示。

首先，設計兩種不同規(guī)格的后下部防護，進行實驗、理論力學和線性靜力學仿真分析，對比三者之間在同樣載荷下的狀態(tài)，確定實驗時的極限載荷；然后將該載荷用于理論力學計算和有限元仿真分析，確定極限應力值，結(jié)果如表2所示；最后用此極限應力值用于指導后下部防護的設計。綜合以上，依據(jù)試驗、理論力學和CAE有限元計算和分析表明：

aP1點加載為最極端工況，P1點載荷加載通過P2和P3點加載可通過。

b矩形管（Q235）雖然材料屈服極限雖然低于折彎板（Q355），但結(jié)構(gòu)形式優(yōu)于折彎板，同等截面質(zhì)量的情況下，矩形管的抗載荷能力要優(yōu)于折彎板（即同等制造成本下，矩形管的抗載荷能力大于折彎板）。同制造成本下，折彎板（Q355）和矩形管（Q235）中應優(yōu)先矩形管。

c用矩形管當后下部防護時，理論力學計算應力值不得大于屈服極限值的265倍，有限元計算應力值不得大于屈服極限值的179倍。鑒于牛腿形式、矩形管材料性能、后下部防護長度和試驗認證人員的測試精確度等因素存在不確定性，在極限試驗值的基礎上，施加125倍安全系數(shù)，消除這些不確定性的影響。即進行后下部防護方案設計時，理論力學計算應力值不得大于屈服極限值的212（265/125）倍，有限元計算應力值不得大于屈服極限值143（179/125）倍。

綜上可得，最優(yōu)化設計方案如表3所示。

4 結(jié)語

基于產(chǎn)品零部件通用化設計研究的成果，建立了針對環(huán)衛(wèi)類產(chǎn)品特點的零部件通用化設計方法，提出了環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品通用化設計準則，形成了環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品關鍵零部件通用化設計方法和設計規(guī)范。以典型通用件后下部防護設計為例，論述了其標準化、通用化、模塊化設計的必要性，關鍵零部件通用化設計是可以帶來規(guī)模效益。

本研究對于環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品關鍵零部件模塊通用化設計方法和設計規(guī)范建立進行了創(chuàng)新性研究，為后續(xù)支持配置化、標準化、模塊化設計的產(chǎn)品平臺化奠定了基礎。

參考文獻：

[1]鐘元面向制造和裝配的產(chǎn)品設計指南[M]2版北京：機械工業(yè)出版社，2016

[2]鐘元面向成本的產(chǎn)品設計：降本設計之道[M]北京：機械工業(yè)出版社，2020

[3]GB 11567—2017汽車及掛車側(cè)面和后下部防護要求[S]

作者簡介：

鄒玲，女，1981年生，工程師，研究方向為車輛通用化、模塊化、標準化。