基于成本驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)控制臂平臺(tái)化設(shè)計(jì)

王科，盧利輝，李浩，周成磊

(南京星喬威泰克汽車(chē)零部件有限公司，江蘇南京 211100)

0 引言

隨著汽車(chē)產(chǎn)品更新?lián)Q代的頻次逐步加快，對(duì)應(yīng)零部件的更新頻次也會(huì)增加。由此引出的零部件的開(kāi)發(fā)周期與開(kāi)發(fā)成本之間的矛盾就顯得尤為重要。如何在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出低成本的產(chǎn)品是設(shè)計(jì)師亟需考慮的。按常規(guī)的零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程，需經(jīng)過(guò)方案確認(rèn)、概念設(shè)計(jì)、功能樣件試制及試驗(yàn)、詳細(xì)階段設(shè)計(jì)、工程樣件試制及試驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、工裝樣件試制及試驗(yàn)、量產(chǎn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，特別是某些復(fù)雜底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的開(kāi)發(fā)周期可能在2年以上[1]。在消費(fèi)者需求個(gè)性化的今天，整車(chē)廠已傾向于在底盤(pán)結(jié)構(gòu)件平臺(tái)化的基礎(chǔ)上，縮短研發(fā)周期，開(kāi)發(fā)出低成本的多種外觀車(chē)型，滿(mǎn)足不同群體消費(fèi)者的需求[2]。設(shè)計(jì)師除了掌控開(kāi)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(jì)出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的產(chǎn)品。

1 平臺(tái)化設(shè)計(jì)

所謂的平臺(tái)化設(shè)計(jì)指的就是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的通用性和可擴(kuò)展性[3]。如圖1所示為某車(chē)型的前下控制臂，若同底盤(pán)開(kāi)發(fā)的車(chē)型，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的通用性。如因輪距、輪胎或搭接件的變化，導(dǎo)致產(chǎn)品變更，可用擴(kuò)展性實(shí)現(xiàn)，即在滿(mǎn)足操穩(wěn)、NVH、空間布局等條件下，新設(shè)計(jì)L、H尺寸和造型。

圖1 某車(chē)型前下控制臂

2 產(chǎn)品的成本構(gòu)成

汽車(chē)零部件的產(chǎn)品可分兩類(lèi)：一類(lèi)是少量手工樣件(按30臺(tái)份計(jì))、一類(lèi)是量產(chǎn)自動(dòng)化工裝產(chǎn)品(按30～50萬(wàn)臺(tái)份計(jì))。由于兩類(lèi)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(yàn)，圖2是手工樣件和量產(chǎn)產(chǎn)品的成本占比對(duì)照。可以看出，手工樣件的成本主要集中在工裝和制造費(fèi)用，量產(chǎn)產(chǎn)品主要集中在材料和制造費(fèi)用。制造費(fèi)用直接反映的是工藝流程復(fù)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(jì)階段重點(diǎn)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(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

文中僅涉及零部件的開(kāi)發(fā)，針對(duì)裝配整車(chē)相關(guān)調(diào)教，另作討論。造型設(shè)計(jì)是基于平臺(tái)化、成本最優(yōu)的前提下滿(mǎn)足產(chǎn)品特性的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)：(1)空間結(jié)構(gòu)無(wú)干涉；(2)質(zhì)量不大于3.7 kg；(3)疲勞耐久工況滿(mǎn)足表1；(4)強(qiáng)度工況滿(mǎn)足表2。

表1 疲勞耐久工況要求

表2 強(qiáng)度工況要求

3.2 產(chǎn)品過(guò)程

3.2.1 明確設(shè)計(jì)目標(biāo)

如圖3所示為同平臺(tái)量產(chǎn)車(chē)型1的控制臂，由于設(shè)計(jì)車(chē)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(diǎn)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(diǎn)，決策需要新設(shè)計(jì)單件目錄，如表3所示。

圖3 同平臺(tái)量產(chǎn)車(chē)型1的控制臂

表3 單件設(shè)計(jì)目錄

3.2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

產(chǎn)品設(shè)計(jì)圍繞性能、成本、質(zhì)量和可制造性四方面進(jìn)行。但后面兩項(xiàng)和成本息息相關(guān)，在滿(mǎn)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(huì)有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)在5個(gè)階段，即：初始設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

初始設(shè)計(jì)，是在平臺(tái)原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)行變化點(diǎn)的新造型更改，然后通過(guò)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(chē)型1的產(chǎn)品僅改變s3、s4的造型，滿(mǎn)足硬點(diǎn)變化和無(wú)干涉輪胎要求。

圖5 初始設(shè)計(jì)模型

通過(guò)CAE分析，該造型疲勞耐久滿(mǎn)足要求，但強(qiáng)度不滿(mǎn)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(jì)滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

由此引入后4個(gè)設(shè)計(jì)階段，每個(gè)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(diǎn)不同。強(qiáng)度設(shè)計(jì)體現(xiàn)在方案及外輪廓設(shè)計(jì)，思維較發(fā)散，理論依據(jù)較強(qiáng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)偏向空間校核、外觀設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)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(jì)重點(diǎn)考慮可制造性和少工裝化設(shè)計(jì)。如表4匯總了產(chǎn)品優(yōu)化過(guò)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(guò)程

3.2.3 設(shè)計(jì)凍結(jié)

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qiáng)度及疲勞耐久工況均滿(mǎn)足要求，質(zhì)量3.55 kg≤3.7 kg，滿(mǎn)足質(zhì)量目標(biāo)。經(jīng)整車(chē)匹配及性能校核也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)凍結(jié)模型與平臺(tái)量產(chǎn)車(chē)型1產(chǎn)品對(duì)比如圖8所示(左、右件對(duì)稱(chēng))。凍結(jié)模型等效塑性應(yīng)變量分布對(duì)比見(jiàn)表5。

圖7 凍結(jié)模型等效塑性應(yīng)變量分布

圖8 設(shè)計(jì)凍結(jié)模型與平臺(tái)量產(chǎn)車(chē)型1產(chǎn)品對(duì)比

表5 凍結(jié)模型與量產(chǎn)車(chē)型1產(chǎn)品對(duì)比

4 成本分析

原計(jì)劃共用沖壓件s1和s2，但因產(chǎn)品強(qiáng)度要求，難以實(shí)現(xiàn)，料厚由2.9 mm更改為3.6 mm。如表5所示，為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(fēng)險(xiǎn)，增加了防錯(cuò)特征，可在焊接夾具上設(shè)置檢知，達(dá)到防錯(cuò)目的。s3和s4同樣做了平臺(tái)化定位孔和定位面一致的設(shè)計(jì)，減少了焊接夾具的投入。整體分析，如果在產(chǎn)能滿(mǎn)足的情況下，平臺(tái)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(wàn)元。如果單件產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)共用，則可節(jié)省大量模具費(fèi)用。通過(guò)工裝的共用，直接體現(xiàn)出產(chǎn)品的單價(jià)降低，特別是產(chǎn)量越少的產(chǎn)品，單價(jià)降低的幅度越大。按第2節(jié)數(shù)據(jù)分析，針對(duì)沖焊件，工裝共用可降低產(chǎn)品單價(jià)一般11%～61%不等。

5 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品的成本是設(shè)計(jì)出來(lái)的。有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品主要體現(xiàn)在成本和性能上。設(shè)計(jì)師只有了解同平臺(tái)產(chǎn)品的性能和新產(chǎn)品的成本構(gòu)成，才能設(shè)計(jì)出工藝優(yōu)、成本低、質(zhì)量輕、性能好的產(chǎn)品。