基于整車架構的汽車開發技術研究

陳偉泉，陳 楊

Chen Weiquan，Chen Yang

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

0 引 言

當今世界汽車制造企業面臨多樣化的顧客需求壓力和更加嚴酷的成本壓力，為解決這些問題，汽車國際巨頭豐田、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略和規劃產品，由此產生了整車架構的概念。美國通用汽車公司自2003年以來，實施全球化架構戰略，已經優化合并成了12個架構，其中 EPSILON、DELTA和GAMMA 3大主要架構涵蓋了其全球60%的乘用車。基于整車架構的汽車工程開發技術正在成為國內外汽車公司重點研究的技術。

1 定 義

1.1 整車架構的定義

整車架構零件，是指一系列代表整車關鍵性能的零部件和總成。將這些零件按照系統進行分類，如表1所示。將這些架構零件組裝在一起，就形成了如圖1所示的整車架構。

共用架構零件的車型應具有如下特性：

（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現關鍵零件共用；

表1 組成汽車架構的系統和零件

（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“最優性”；

（3）一組共用的界面：用以保證關鍵架構零件的共用性；

（4）相同的制造體系：統一架構車型相同的制造體系確保企業整體制造規劃的靈活性；

（5）一定的尺寸帶寬：用共同的工程方案解決關鍵尺寸在一定范圍內的浮動，進一步滿足用戶個性化的需求。

1.2 產品、平臺和架構的關系

如果2個產品沿用了相同的關鍵系統、子系統或零部件，則可稱為同平臺產品,或者說這2個產品出自同一平臺。如果2個平臺的關鍵部分采用的是相同的工程解決方案，則稱為同一架構上的2個平臺。架構實際上是平臺概念基礎上的擴展和往上延伸。

圖2為某一架構衍生的產品系列圖，它包含4個平臺，其中短軸距平臺負責中級的三廂、兩廂轎車及其換代產品的開發；長軸距平臺負責中高級別三廂、兩廂轎車及其換代產品；第3、4個平臺分別為MPV、SUV平臺，承載MPV、SUV系列產品。4個平臺分工明確，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周期及風險。

1.3 基于整車架構開發汽車產品的優勢

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

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

（3）大大節省了開發費用，從圖3的統計數據中可以看到，在無法做到同平臺的情況下，平臺之間共架構的設計理念還能夠大幅縮減工程開發和制造投資費用。

（4）降低了同架構車型開發周期和風險，得到驗證的工程方案可以應用于該架構中任意一款車型，產品質量的提升以及售后的反饋都將從中獲益。

（5）由于同架構車型在開發時就考慮了采取一致的制造體系，對于企業的生產、物流和采購體系也提供了更大的靈活性。

圖4是某品牌長軸距和短軸距汽車產品利用架構技術開發的下車體，而下車體是白車身或整車在車身車間、涂裝車間、總裝車間傳送時作為滑橇、吊具的重量支撐載體。共用下車體支點后，可以進行柔性生產，共用生產線。大大節約企業的投資，從而為企業的生產、物流和采購體系提供最大的靈活性。

2 基于整車架構的汽車工程開發技術

2.1 基于整車架構的汽車工程開發流程

在架構概念得到確認后，把共用工程解決方案和模塊化理念所確定的零件及平臺中的沿用件統稱為架構件。前期工程的任務就是在市場提出需求時，首先確定這一產品的技術路線及工程工作范疇；確認在現有架構規劃中是否需要重新開發或優化，也就是確定哪些是架構件，哪些是非架構件，并完成架構件的開發。根據每一個項目的不同情況，確定每一個架構件的技術參數或概念設計，需要時直至尺寸數據的發布。

圖5為一種基于架構概念的產品開發過程。在流程上還定義了架構開發的時間節點和提交物，明確架構開發和產品工程的任務，從而保證整個產品的進程，最大限度地做好高效、高質量和低成本的開發和產品個性化之間的平衡。

2.2 基于整車架構的汽車開發技術

2.2.1 整車架構搭建的主要內容

2.2.1.1 動力總成架構

動力總成是汽車的動力源泉和傳動路徑，包括發動機、變速箱、分動箱、傳動軸等零部件。優秀的動力總成是整車動力性、燃油經濟性和排放性能的保證。目前大部分廠家已經將現有動力總成資源和未來開發計劃納入產品型譜規劃。

常規動力總成的布置型式有前置、中置、后置3種形式。前置發動機具有散熱環境好、易于均衡配重等優點，是最為常見的形式，在以前輪驅動為主流的中低檔車型得到廣泛應用。而對于性能優越的高檔后驅車和跑車家族，發動機中置或后置常常是作為首選形式。

2.2.1.2 底盤架構

軸距和輪距是決定平臺特征的關鍵參數。一般而言，高級別的轎車通常會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力總成。

底盤架構主要包含車架/副車架、懸架系統、轉向系統這些直接影響駕控特性的總成。驅動型式也是比較重要的架構特征，前輪驅動型式具有傳動系統較為簡單、易于實現不足轉向等特點，在大部分乘用車上采用，對于追求駕控樂趣的高端車型比較傾向于采用后輪驅動型式。SUV通常采用兩驅/四驅的組合配置，以滿足城市/鄉村不同道路的使用需求。

2.2.1.3 車身架構

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構，它具有獨立的車架結構連接底盤和車身，從而使整車的強度、剛度等得到較大的提高，主要應用于越野性能較強的運動型轎車SUV（Sports Utility Vehicle）、客貨兩用車（Pickup）。承載車身沒有獨立的車架，采用優化的車身底部結構以承載整車重量，具有成本低重量輕等優點，目前在普通轎車及交叉車型（Crossover）上得到非常廣泛的應用。

整車車身架構的構造如同積木一樣，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，最為關鍵的是前縱梁的寬度，前縱梁寬度為搭配不同的動力總成提供了容納空間，而在給定輪距的條件下，又受到輪胎運動包絡的限制；其次，是前縱梁的長度，它取決于前懸長度和動力總成布置位置，同時其前端吸能區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。這一模塊是人機交互的核心區域。其中前圍板位置直接區隔著發動機艙和乘客艙，從而決定了乘客艙前端邊界條件和發動機艙的后部邊界；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，前圍板承接著踏板、空調箱、儀表板及其橫梁等重要的操縱總成，直接影響其位置和結構。

（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階高度，其與車型型式密切相關，如SUV通常采用高地板結構。門檻梁及橫梁的框架結構也是前碰和側碰的能量傳遞路徑，影響整車的安全性能。

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

而對于車身的上車體結構，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，衍生出三門、五門、雙人跑車（Coupe）、活動頂跑車（Convertible）等幾種針對特定市場和用戶群體的型式。

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

2.2.2 基于架構沿用的車身開發方法

在整車項目開發時，如果決定使用架構沿用策略后，底盤、動力總成的主要零件均為架構件，不會更改，車身、內外飾的開發成為重要工作。而車身的開發對主機廠來說是重中之重，這主要是因為車身自制件中側圍模具的開發，一般從開模數據的發布到正常的投產需要16到18個月時間，是項目的關鍵路徑。

在總布置給出的約束條件下，一般采用從下向上，從內到外的車身設計開發方法，如圖8所示。首先，確認沿用的車身架構零件范圍，一般為下車體，在此基礎上，設計后輪罩、門檻加強板、A柱下加強板、B柱下內板、前圍上橫梁；其次，設計A、B、C、D 柱內板、車頂加強橫梁；最后，隨著外飾造型面的發布，設計發布車身外板數據，主要是：四門兩蓋外板、翼子板、側圍外板、頂蓋外板，從而完成車身數據的發布。

2.2.3 基于架構沿用的整車開發方法

2.2.3.1 基于架構沿用的整車總布置研究

圖9是某公司在同一架構上開發的三廂、兩廂轎車、MPV和SUV的總布置圖。圖中明確了產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鍵特征變化。

2.2.3.2 基于架構沿用的整車開發研究

以現有成熟產品兩廂轎車拓展衍生為三廂轎車為例，簡要說明基于架構沿用的整車開發流程和各階段主要需關注的工作。

第一，產品需求定義。這是產品的細分市場分析階段。需要通過調研掌握目前競爭對手的產品特性，并預測未來市場變化和新技術的應用，確定自身產品的定位和目標用戶群。同時，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，項目內容明確。這是對市場需求的解讀和理解階段。對于架構沿用的開發而言，需要研發部門在滿足市場需求的前提下，達到整車架構沿用的最大化，從而節省開發成本和時間。通過這階段的工作，可以對新產品的更改范圍做出框架式條款約束。

第三，面向產品的造型設計。這是工程與造型的互動和平衡階段。工程部門需要根據新產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；造型部門需要依據工程提出的要求和條件，在可接受范圍內，完成造型開發工作。

第四，產品詳細設計。在該階段進行各車型的詳細設計，并進行多輪的虛擬評審，以確保高質量的進行3D和2D數據的發布。

第五，試驗與驗證。這個階段主要是新產品的試制與試驗階段，與全新架構開發基本類似。在試制和試驗過程中，發現和解決在此過程中出現的設計問題，并在上市前將問題解決掉。

3 結束語

基于整車架構的汽車開發已經成為越來越多汽車企業考慮的技術路線，通過對整車架構和基于整車架構開發汽車的研究分析，能對正在考慮實施架構策略的研發和規劃部門有一定的參考意義。

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

［2］彭岳華.汽車車身架構開發研究［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.淺談車型架構的規劃方法［J］.上海汽車，2010，（05）.

［5］王逸飛.上海通用汽車新產品開發流程管理創新［D］.復旦大學碩士學位論文，2004.