車身平臺架構集成開發應用研究

沈建東 王 鏑

（泛亞汽車技術中心有限公司）

1 車身平臺架構概念和特點

1.1 車身平臺架構概念

車身結構一般分為上車體和下車體。下車體一般承載發動機、底盤和空調電子等重要的質量模塊，占車身質量的55%～65%，因此下車體的主要功能之一是為這些零部件提供安裝點，即車身硬點。由于底盤懸架、空調模塊和發動機、變速器等部件技術含量高、開發周期長，因此通用化、模塊化、系列化的特點比較明顯，這些特點也反映在下車體的結構開發中，同時與上車體搭建成籠型結構車身。一般下車體零件稱為車身平臺架構件，即指與車身和整車結構性能、安全性能、耐久性能有密切關系，同時為底盤和發動機等重要部件或系統提供支撐，但對同一平臺汽車造型變化不敏感的車身結構件，如圖1所示[1]。

1.2 車身平臺架構特點

車身平臺架構應具備如下幾個特點：車身平臺架構零部件共用和工程解決方案通用化，關鍵界面結構通用化，車身定位系統通用化，車身平臺架構下的尺寸帶寬，車身平臺架構下的性能帶寬。

1.2.1 車身平臺架構零部件共用和工程解決方案通用化

車身平臺架構零部件共用是指同一車身平臺架構下的不同車型，某些零件完全一樣，如前大梁、前輪罩和前散熱器框架等。做到不同車型主要車身零件共用，可以有效提高設計開發效率、提升產品質量、降低成本，如三廂轎車、Hatch-Back和Wagon等車型共用前縱梁。工程解決方案通用化是指為了滿足車身結構的主要性能，不同車型在車身平臺架構設計上采用相同的工程解決方案、相似的載荷傳遞途徑、相似的零件分塊和零件形狀等。以車身前縱梁的開發為例，圖2為某公司同一平臺架構下兩款不同品牌車型的前縱梁，其形狀、走勢和分塊都非常近似。圖3為某公司同一平臺架構下兩款不同品牌車型的車體底部縱梁，其截面高度相近。總之，車身平臺架構零件不一定要求零件完全共用，但應做到同一平臺下不同車型的主要零件實現共用或相似（零件的相似率），同一平臺不同車型的性能和布置等要求應當在不改變主要零件的前提下通過增加、減少或修改次要零件來實現。圖4為車身平臺架構零件通用化在不同品牌和不同地區的應用示意。

1.2.2 關鍵界面結構通用化

在車身平臺架構開發過程中，從結構設計上需要保留一定的通用界面結構，這樣在開發不同車型時只需要更改部分結構，就可以實現車身開發，從而大大縮短開發周期，提高開發效率和質量。圖5為車身平臺架構開發需要關注的關鍵界面結構。以圖6所示的車身前艙風擋玻璃下結構設計為例闡述關鍵界面結構通用化含義。車身前艙風擋玻璃下結構由空調進氣格柵前外板1、空調進氣格柵隔板2、空調進氣格柵下板3和空調進氣格柵上板4組成，其中，1、2是車身平臺架構零件，零件結構、搭接方式和焊點數量保持不變；3和4是與前風擋玻璃傾角、發動機罩蓋布置有關的零件。同一平臺不同車型需要改變風擋玻璃傾角或改變進氣口形狀和位置時，只要更改3和4即可實現，而其它零件都可共用，這樣就實現了零件的最大通用化，如圖6所示。

1.2.3 車身定位系統的通用化

傳統鋼結構車身大約由300～400個沖壓零件按照一定順序焊接而成。目前較為通用的車身結構由6大系統構成，即前艙系統、前地板系統、后地板系統、側圍系統、頂蓋系統和后圍板系統，常用的焊接順序如圖7所示[2]。前艙系統、前地板系統和后地板系統通過焊接構成車身平臺架構系統，之后再和側圍及其它系統總拼成車身框架，因此車身平臺架構的分拼定位系統和總拼定位系統（通常二者之間的定位孔位置保持一致）對于保證車身結構整體尺寸精度、車身開口尺寸精度和安裝精度都至關重要。因此，實現同一平臺不同車型車身定位系統的柔性化和通用化可以有效降低生產成本，提高生產效率，保證制造精度，同時提高售后服務的方便性[3]。車身平臺架構的定位系統對于不同軸距的包容性如圖8所示。

1.2.4 車身平臺架構下的尺寸帶寬

通過同一車身平臺而衍生出來不同品牌、造型和外型尺寸的車型是車身平臺架構開發的核心功能之一。整車主要車身架構尺寸有總長度、總寬度、總高度、軸距、輪距和前后懸置長度，車身平臺架構在開發時要考慮到這些尺寸因素的變化并在結構上做出相應預留量，以保證可以快速生成衍生車型。圖9所示為同一車身平臺架構適應不同長短軸車型的設計預留[4]。另一方面，設計預留也不可過大，否則會出現不必要的過設計，反而降低車身性能和開發效率。

1.2.5 車身平臺架構下的性能帶寬

同一車身平臺不同車型由于發動機和變速器配置不同、造型和外形尺寸不同而導致車身結構的性能指標也不盡相同，如三廂車的車身扭轉剛度一般高于兩廂車等。車身平臺架構開發的目的就是利用同一架構實現不同配置、造型和使用地區的性能要求，所以車身平臺架構的性能指標設定要具有一定帶寬，以通過修改非平臺架構的零件實現特定車型的性能要求或通過“即插即用”方式滿足同一車身平臺架構下不同地區的法規要求。例如某公司某款車型中國版和北美版車身平臺架構主體結構通用，僅是在北美版車身后門框區域螺接一個結構件以滿足北美地區特殊的側撞要求，如圖10所示。

2 車身平臺架構實施

圖11為車身工藝投資曲線，從黑實線上可以看出，車身工藝投資具有時間性，即從某一開發階段以后，投資需求迅速提升直至正式生產，因此高質量的前期車身平臺架構開發是保證后期車身工藝投資有效性的基礎。

一般車身架構開發由4個主要階段組成，分別是車身平臺架構啟動、車身平臺架構策略制定、車身平臺架構評審和車身平臺架構確認，如圖12所示。

2.1 車身平臺架構搭建

車身平臺架構需要根據一些主要需求來啟動工作，包括目標車型的產量、車型級別、目標人群、平臺衍生車型的種類、發動機和變速器配置和銷售地區的法規、上代車型開發及生產及售后問題等內容，之后根據這些輸入條件開始車身平臺架構搭建工作。

車身平臺架構搭建工作主要包括根據需要滿足的法規要求確定下車體的承載路徑，利用車身多目標拓撲優化方法計算和解讀車身承載路徑并確定主要承力件的截面尺寸，為發動機、變速器、底盤前后懸架、空調電子模塊和座椅等主要部件提供安裝方案，初步制定車身平臺架構的尺寸帶寬、性能帶寬和質量帶寬。

2.2 車身平臺架構工程開發

從車身平臺架構策略制定到車身平臺架構評審階段工作主要包括細化與車身相關界面處的工程方案，確定車身平臺架構尺寸帶寬、性能帶寬和質量帶寬的合理性和可實施性，評估從車身平臺架構衍生出來的主導車型的車身性能指標 （其中包括安全性能、車身靜態剛度和動態輸入點處的動剛度等），并完成下車體的數字模型發布。

2.3 車身平臺架構優化

從車身平臺架構評審到車身平臺架構確認階段工作主要是細化和凍結車身下車體主體結構和主要模塊安裝點的工程解決方案，對下車體零件的成型工藝、焊接工藝和總成的涂膠工藝進行評估和改進，對下車體進行基于輕量化的結構靈敏度分析等。同時配合整車集成和造型建立典型斷面和上車體結構并在車身平臺架構確認節點處評估車身結構的靜態剛度、動態剛度、碰撞安全性及耐久性，并完成上、下車體數字模型發布。

3 車身平臺架構的效率評價

同一車身平臺架構可以支撐不同種發動機、變速器及懸架系統的配置，車身軸距可以在一定范圍內變動，這些變動影響著車身平臺架構的性能帶寬和質量帶寬，帶寬太大會出現過設計，而帶寬太小又無法體現車身平臺架構的優勢，進而影響車身零件的通用化和生產工藝的通用化，所以有必要建立車身平臺架構效率評價方法。

車身平臺架構開發通常選擇該平臺架構支持的主導車型為基本型，平臺架構開發的策略制定和工程方案選擇都要保證基本型的車身結構性能、車身質量和車身成本達到最優，車身效率最高，同時兼顧其他衍生車型共用主要零件或共用解決方案的可實施性，對于銷售到其他區域的非主導車型則通過增加或刪除非關鍵零件、提高或降低非關鍵零件的材料厚度和材料等級實現不同區域的要求。如圖13所示，根據基本型、基本型+和基本型-等不同車型統計車身零件的共用化率作為評價車身平臺架構效率的指標，通常該指標分成完全共用主導車型（即基本型）車身零件的數量占該車型車身所有零件的百分比、修改主導車型零件的數量占該車型車身所有零件的百分比和該車型全新零件的數量占該車型車身所有零件的百分比3類，一般前兩類百分比總和要大于60%。

車身結構效率也是評價車身平臺架構效率的指標，該指標是國際上大部分汽車企業評價車身效率的通用指標，該指標兼顧車身結構性能、車身質量和整車尺寸，如圖14所示，其中，L為輕量化系數，越小越好；M為白車身（無門蓋，無前后風擋玻璃）質量；CT為白車身扭轉剛度；A為軸距和輪距正投影面積[7]（即軸距乘以前、后輪平均輪距）。

4 結束語

車身平臺架構效率和整車架構效率、整車性能及整車質量都有關系，同時發動機和變速器系統、底盤懸架系統和空調系統的共用化及平臺化策略也與車身平臺架構開發密切相關，所以車身平臺架構的尺寸帶寬、性能帶寬和質量帶寬與車身平臺架構效率評價指標的關系還有待深入研究。新材料、新工藝的平臺化戰略也將對車身平臺架構的開發方法和內容產生積極影響。

1 鞠曉峰.車身平臺化開發策略研究.上海汽車，2012（2）：7～10.

2 余秀慧，沈建東，王鏑.制造工藝與車身工程開發集成應用技術.上海汽車，2010（4）：24～28.

3 林忠欽著.汽車車身制造質量控制技術.北京：機械工業出版社，2005.

4 彭岳華.汽車車身架構開發研究.汽車與配件，2009（7）：34～37.

5 Carney， D.“ Platform Flexibility”， Automotive Engineering International，February 2004.