乘用車底盤平臺(tái)化方案研究與應(yīng)用

姜永勝，趙康波，張士金

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

乘用車產(chǎn)品主要可分為轎車，SUV，MPV，跨界 SUV等，隨著科技進(jìn)步和市場(chǎng)的變化，一個(gè)型號(hào)的汽車產(chǎn)品生命周期越來越短，如果每個(gè)產(chǎn)品都要重新開發(fā)一套汽車底盤，主機(jī)廠的開發(fā)費(fèi)用和開發(fā)周期將不堪重負(fù)；底盤系統(tǒng)的開發(fā)如不提前規(guī)劃衍生車型的可行性，提前對(duì)各零部件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)預(yù)留，會(huì)導(dǎo)致后期在另一個(gè)車型設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)上一個(gè)車型的零部件設(shè)計(jì)變更，造成不必要的費(fèi)用投入；在上世紀(jì)80年代，就產(chǎn)生了“汽車平臺(tái)”的生產(chǎn)概念，通過平臺(tái)戰(zhàn)略的實(shí)施，整合產(chǎn)品系列，大大降低成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，加快了新產(chǎn)品推出的速度。

現(xiàn)在又出現(xiàn)了“模塊化”的概念，它比“汽車平臺(tái)”的概念更進(jìn)了一步，或者說是一種新型的“汽車平臺(tái)”。這種“模塊化”的設(shè)計(jì)思想有著很大的靈活性，一個(gè)平臺(tái)可以生產(chǎn)出適應(yīng)全球不同市場(chǎng)的產(chǎn)品；在制造方面，同一平臺(tái)的產(chǎn)品大量采用通用化的零部件和總成，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，大大降低了制造成本和采購成本；在研發(fā)方面，一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破[1]，這個(gè)平臺(tái)上搭載的所有產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，即相關(guān)的，CAE分析，工裝模具，相關(guān)試驗(yàn)，公告認(rèn)證等費(fèi)用不需要重復(fù)投入，大大降低了開發(fā)費(fèi)用。

作者在消化吸收國(guó)外優(yōu)秀底盤平臺(tái)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)之后，設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于本公司的底盤平臺(tái)，下面將底盤平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法、過程、核心要素進(jìn)行分享。

1 平臺(tái)下產(chǎn)品的總體規(guī)劃

規(guī)劃該平臺(tái)可涵蓋的車型，初步設(shè)定各車型的市場(chǎng)定位、標(biāo)桿競(jìng)品、關(guān)鍵尺寸，這些車型參數(shù)納入底盤平臺(tái)開發(fā)的系統(tǒng)性思考內(nèi)容，設(shè)計(jì)結(jié)果要求可兼容小型SUV、緊湊型SUV、中型SUV、小型轎車、緊湊型轎車、家用MPV等，車型規(guī)劃見表1。

表1 平臺(tái)車型規(guī)劃

尺寸、配置、動(dòng)力設(shè)定過程要分析參考市場(chǎng)高度認(rèn)可的暢銷車型，避免小眾未上市就已淘汰的情況，其次是清晰盤點(diǎn)本公司的現(xiàn)有資源的優(yōu)劣勢(shì)并合理選型，有效整合公司優(yōu)勢(shì)資源，如已有動(dòng)力總成的功率、扭矩、油耗、排放性能、重量和尺寸水平、前后懸架模塊、空調(diào)主機(jī)總成、座椅骨架總成等，使所整合的平臺(tái)盡可能沿用了本公司已有的核心零部件，減少開發(fā)費(fèi)用的同時(shí)也要保證重量、性能、成本等先進(jìn)性指標(biāo)，淘汰公司有較多市場(chǎng)問題的劣質(zhì)系統(tǒng)，確保投入市場(chǎng)后能有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

規(guī)劃車型時(shí)還應(yīng)初步估算整車空、滿載質(zhì)量、質(zhì)心位置等參數(shù)，以便各系統(tǒng)工程師對(duì)所負(fù)責(zé)系統(tǒng)零部件校核計(jì)算，比如懸架承載能力的計(jì)算，最大需求制動(dòng)力計(jì)算，轉(zhuǎn)向拉桿牽引力的計(jì)算等。

2 前懸統(tǒng)方案選擇和整車關(guān)鍵尺寸設(shè)定

駕駛員與前輪中心之間區(qū)域集中了一個(gè)車型的大部分核心技術(shù)，包含前懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)，駕駛員人機(jī)參數(shù)等；下面簡(jiǎn)單介紹前懸系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙分析過程。

2.1 前懸寬度方向尺寸設(shè)定

首先要根據(jù)公司已有動(dòng)力總成，整車的尺寸、整備質(zhì)量，產(chǎn)品定位，對(duì)公司已有發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱產(chǎn)品系統(tǒng)性分析。

根據(jù)表1中的不同車型的輪胎型號(hào)，表2中的動(dòng)力總成尺寸，設(shè)定圖1所示幾個(gè)關(guān)鍵尺寸：

表2 核心動(dòng)力總成尺寸排查

圖1 平臺(tái)車型寬度方向尺寸設(shè)定

A+B：動(dòng)力總成橫向?qū)挾龋鶕?jù)表2排查，動(dòng)力總成最大寬度為883mm。

C：發(fā)動(dòng)機(jī)艙車體縱梁內(nèi)部寬度，在容納動(dòng)力總成同時(shí)，確保動(dòng)力總成兩邊15-20mm運(yùn)動(dòng)間隙，兼顧懸置設(shè)計(jì)空間，C尺寸設(shè)定為920mm。

D：輪胎跳動(dòng)空間，根據(jù)車型規(guī)劃中不同車型的輪胎型號(hào)設(shè)定，主要考慮輪胎寬度，輪胎轉(zhuǎn)向所需運(yùn)動(dòng)空間。

E：整車寬度，綜上內(nèi)部尺寸排查，輪眉外側(cè)與輪胎外表面預(yù)留15-20mm包覆間隙，可確定平臺(tái)車型整車寬度范圍在1840～1900mm之間。

2.2 前懸長(zhǎng)度方向關(guān)鍵尺寸設(shè)定

動(dòng)力總成搭載與前懸架形式具有強(qiáng)相關(guān)性，前懸架的形式最為重要，排氣，懸置，排氣，離合都要基于前懸架來設(shè)計(jì)。

前懸架方案選擇：定位為10-15萬的A，A+級(jí)緊湊型車，排量為1.2TGDI～2.0TGDI，變速箱為MT，CVT，DCT，前麥弗遜式懸架，后多連桿和扭梁并存；新平臺(tái)關(guān)系到未來10年的車型推出計(jì)劃，必須在成本、重量、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力總成搭載方便性、操穩(wěn)性、NVH性能、排氣走向順暢性、國(guó)六GPF匹配可行性等因素綜合考慮；已有圖2所示AB兩款前懸架總成，通過布置和成本要素的評(píng)審，決定采用重量較輕，成本較低，搭載動(dòng)力總成靈活性更高的B款前懸架。另外如已有的懸架系統(tǒng)在性能或結(jié)構(gòu)上有缺陷，則必須進(jìn)行優(yōu)化或另行設(shè)計(jì)以確保產(chǎn)品的先進(jìn)性。

圖2 前懸架分析與方案選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)艙X向尺寸設(shè)計(jì)：根據(jù)前懸架的結(jié)構(gòu)和位置設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素，所有動(dòng)力總成尺寸在X方向兼容，所有動(dòng)力總成的驅(qū)動(dòng)軸夾角5°以內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中冷要求水冷、風(fēng)冷兩種形式可兼容，盡可能地縮短前懸尺寸，減小前端散熱器總尺寸，防撞梁吸能系統(tǒng)尺寸，離地間隙合理設(shè)定，排氣系統(tǒng)的熱害規(guī)避等。前懸尺寸一般為 850～1000mm，在條件允許的情況下較小的前懸尺寸有利于減少整車總長(zhǎng)，短前懸的外觀造型也趨于好看，圖 3所示，此次SUV車型設(shè)計(jì)的前懸長(zhǎng)為920mm，整備狀態(tài)離地為200mm，轎車離地按150～160mm設(shè)計(jì)。平臺(tái)的核心區(qū)域如圖所示為駕駛員重點(diǎn)與輪心區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)尺寸不變，所有車型通用；在確保2.0TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)可容納的前提下前懸尺寸最小920mm，如造型需要可適當(dāng)增加。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙和前懸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 后懸架系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)

后懸架相對(duì)于前懸架沒有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力及附件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相對(duì)要容易得多，主要考慮因素是成本、重量和性能；另一個(gè)考慮因素是懸架系統(tǒng)Z向占用空間，即輪心距離后地板上表面所占用的Z向空間占用越小，后地板上表面離地越低就可獲得更高的行李箱空間；三排座車型7座SUV和7座MPV車型的第三排乘坐空間更好。

多連桿后懸架舒適性和操縱穩(wěn)定性能都較好，一般作為產(chǎn)品的賣點(diǎn)，扭力梁半獨(dú)立懸架性能稍差但成本較低，一般用于經(jīng)濟(jì)型車型，在一定程度上可拉開價(jià)格和配置差距，扭梁方案與多連桿方案實(shí)現(xiàn)無差別地共用車體結(jié)構(gòu)可減少車體開發(fā)費(fèi)用，增加生產(chǎn)和銷售的靈活性。

圖4所示，初步選定三款后懸架可采用，其中A款懸架Z向占用空間偏大 30mm，且在前期市場(chǎng)問題反饋中存在磨胎，甩尾等現(xiàn)象，評(píng)審決定采用成本稍高但性能較好的B款多連桿獨(dú)立后懸架；又因扭力梁相對(duì)于多連桿懸架單臺(tái)可降成本550元和15kg重量，經(jīng)過合理的硬點(diǎn)布置和KC分析，最終實(shí)現(xiàn)了B C兩款后懸架無差別安裝共用車體。

圖4 后懸架方案選擇與共用車體通用化設(shè)計(jì)

4 底盤平臺(tái)擴(kuò)展性

既然是平臺(tái)化方案開發(fā)，上述方案必定不局限于滿足某一款車型，因此平臺(tái)開發(fā)的另一項(xiàng)核心內(nèi)容就是該底盤平臺(tái)的可擴(kuò)展性，使平臺(tái)下風(fēng)格完全不同的車型，能共用絕大部分的底盤零件。

4.1 底盤寬度方向擴(kuò)展

平臺(tái)車型1840～1900寬度可變，緊湊型轎車，整車寬度為1800mm左右，輪胎寬度和直徑較小；7座中型SUV，整車寬度為1900mm左右，輪胎寬度和直徑較大，要求所構(gòu)建的底盤系統(tǒng)寬度可調(diào)；寬度可調(diào)的含義并不是所有的零件一成不變，而是保證開發(fā)費(fèi)用較高，難度較大的零件不變，如副車架和方向機(jī)保持不變；而對(duì)開發(fā)費(fèi)用較少的零部件在一定尺寸范圍內(nèi)變動(dòng)，如減震器缸筒長(zhǎng)度變化和方向機(jī)轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度變化的費(fèi)用就可以忽略不計(jì)，圖5所示為底盤寬度方向擴(kuò)展措施。

4.1.1 前麥弗遜懸架輪距可調(diào)

可通過減震器總成連接輪邊總成整體外移所需尺寸，15-20mm。副車架，減震器本體，輪邊總成保持不變，通過加寬擺臂、轉(zhuǎn)向拉桿、穩(wěn)定桿等較小的改動(dòng)來實(shí)現(xiàn)輪距可調(diào)。

4.1.2 輪輞偏距可調(diào)

不同車型輪胎型號(hào)差異較大，輪胎寬度可從 205到245mm，外直徑在650mm到766mm之間，輪輞規(guī)格可在17寸到20寸之間，結(jié)合一定的輪輞偏距設(shè)計(jì)來協(xié)調(diào)輪胎與減震器等零件的靜態(tài)空間和轉(zhuǎn)向機(jī)跳動(dòng)的動(dòng)態(tài)空間，偏距設(shè)定范圍在35-48mm之間，可調(diào)范圍為13mm。

4.1.3 后懸架多連桿輪距可調(diào)

后懸架相對(duì)復(fù)雜，桿系變化會(huì)導(dǎo)致懸架KC性能變化，因此擴(kuò)展方式為保持副車架和桿系不變，修改后轉(zhuǎn)向節(jié)和輪轂軸承來實(shí)現(xiàn)寬度方向擴(kuò)展。

圖5 底盤寬度擴(kuò)展示意與措施

4.2 底盤高度方向擴(kuò)展

SUV 車型高度在 1680～1750mm 之間，轎車在 1450～1500mm之間，整車高度變化除了乘員坐姿和頭部空間變化的貢獻(xiàn)外，底盤也應(yīng)提供相應(yīng)的貢獻(xiàn)，其中懸架系統(tǒng)可貢獻(xiàn)量為20mm左右，輪胎直徑貢獻(xiàn)量為20mm左右，兩項(xiàng)合計(jì)可產(chǎn)生40mm的變動(dòng)范圍，圖6所示為底盤高度方向擴(kuò)展措施。

圖6 底盤高度擴(kuò)展示意與措施

（1）前麥弗遜懸架的底盤高度可通過減震器缸筒長(zhǎng)度變化并協(xié)同輪胎直徑變化來調(diào)整底盤高度，也可上下移麥弗遜懸架減震器上安裝點(diǎn)。

（2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于底盤高度和駕駛員坐姿變化，可通過修改中間連接軸和方向機(jī)輸入軸來協(xié)調(diào)高度變化，保留駕駛室內(nèi)的 EPS管柱總成和室外的方向機(jī)總成核心零部件不變。

（3）后懸架由于多連桿KC特性較為復(fù)雜，可通過懸架系統(tǒng)整體上下移動(dòng)，并結(jié)合連桿系統(tǒng)擺動(dòng)初始位置來實(shí)現(xiàn)高度方向擴(kuò)展。

4.3 其它平臺(tái)件通用化擴(kuò)展方案

除了前面所述懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可擴(kuò)展的通用化設(shè)計(jì)外，其它系統(tǒng)如制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)也要一攬子考慮通用化設(shè)計(jì)，要考慮不同動(dòng)力總成和不同整備質(zhì)量車型之間的性能擴(kuò)展，要避免小型車性能過剩，大型車性能不足的問題發(fā)生，如真空助力器和制動(dòng)盤鉗規(guī)格等，下面舉例制動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)化設(shè)計(jì)的方案。

圖7所示，8+9寸和11寸兩款助力器（或其他規(guī)格）性能和成本不同，直徑和厚度尺寸上也不相同，在設(shè)計(jì)前圍鈑金時(shí)要兼顧兩款助力器的尺寸特點(diǎn)，對(duì)前圍鈑金在厚度方向和直徑方向一次性通用化設(shè)計(jì)，另外發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空濾、12V電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也要兼收并蓄統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，避免重復(fù)開發(fā)。

圖7 不同規(guī)格真空助力器通用化車體設(shè)計(jì)

圖8 制動(dòng)盤、鉗、踏板通用化設(shè)計(jì)

圖8所示為制動(dòng)盤摩擦面直徑和制動(dòng)鉗缸徑（或單缸，雙缸）可擴(kuò)展的通用化設(shè)計(jì)案例，通過輪轂軸承安裝分度圓和轉(zhuǎn)向節(jié)安裝點(diǎn)尺寸不變來保證不同車型的前轉(zhuǎn)向節(jié)不變；制動(dòng)踏板圈出區(qū)域即為上旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，零件和模具設(shè)計(jì)上保證孔位可變，預(yù)留其它規(guī)格的制動(dòng)主缸更改杠桿比的可行性。

5 結(jié)束語

本文主要講述了底盤布置模塊對(duì)底盤系統(tǒng)平臺(tái)化，通用化的系統(tǒng)性方案舉措，這些舉措要具有切實(shí)可行性，不能天馬行空，紙上談兵，方案的落實(shí)需要下屬各子系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果作為有力支撐，如：（1）懸架系統(tǒng)的KC分析，承載強(qiáng)度分析；（2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)牽引力計(jì)算，扭矩波動(dòng)計(jì)算，EPS電機(jī)計(jì)算選型；（3）制動(dòng)系統(tǒng)的性能匹配計(jì)算和零部件規(guī)格設(shè)定；（4）車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在方案之間有沖突時(shí)則需要組織會(huì)議協(xié)調(diào)平衡。除底盤系統(tǒng)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)外，電氣架構(gòu)、各類電器開關(guān)，座椅平臺(tái)，天窗平臺(tái)等也要進(jìn)行類似的零部件整合，集中公司優(yōu)勢(shì)資源，減少產(chǎn)品種類。

平臺(tái)開發(fā)是一個(gè)是龐大的工程，當(dāng)然也是非常有意義的事情，平臺(tái)開發(fā)一旦完成，公司在后期衍生車型開發(fā)上就會(huì)事半功倍，大大節(jié)約零部件模具開發(fā)費(fèi)用、試驗(yàn)費(fèi)用、公告認(rèn)證費(fèi)用等，推出新車型的周期可大大縮短。