車身后端系統模塊化架構開發

張軼川Zhang Yichuan

車身后端系統模塊化架構開發

張軼川
Zhang Yichuan

（愛馳汽車有限公司，上海 200090）

基于車身后端架構核心策略，建立了一種車身后端系統模塊化開發方法，通過尺寸、性能、工藝和接口4個方面的帶寬分析，闡述了該方法在多車型柔性架構開發中的應用，最后以某架構車身后端系統開發為例，實現該方法的應用。

后車身；模塊化；架構；帶寬

0 引 言

隨著經濟全球化的發展，車企面臨著愈發復雜的多地區多市場多車型并存的型譜開發需要，以及產品質量不斷提升、開發周期不斷縮短、綜合成本不斷壓縮等嚴峻挑戰[1-3]。為了有效應對，汽車生產離不開模塊化和系統協同[4-6]。

通常在車型研發初期，需要制定整車架構的柔性化開發策略。車身架構作為整車架構的載體，其柔性化策略是整車柔性化開發策略的基礎和重要組成部分。其中車身后端模塊，承載了車型和整車架構尺寸的主要變化，在車身架構開發中尤為重要。建立一種車身后端系統模塊化開發方法，通過尺寸、性能、工藝和接口4個方面的帶寬分析，闡述該方法在多車型柔性架構開發中的應用。

1 車身后端系統柔性化開發策略

1.1 車身后端系統主要輸入

對于后端車身開發，基本輸入來自架構尺寸、重要接口（包括后懸架及輪胎、油箱和座椅的定義）以及車型定義。

架構尺寸的差異有3方面：（1）軸距、輪距、后懸等基礎架構尺寸；（2）乘員的位置和姿勢；（3）制造的定位策略。

重要接口輸入主要包括：后懸架、輪胎、油箱和后座椅，其中后懸架的各硬點限制了后縱梁和后輪罩的基本形式和位置，即整個后縱梁走勢。

車型定義差異對后端車身有顯著影響，如三廂/兩廂、高頂/低頂、二排/三排座椅等。

1.2 車身后端系統尺寸帶寬核心策略

車身后端最核心的架構尺寸柔性來自軸距變化中4的策略，如圖1所示。4對內決定了后部乘員和行李空間的分配，對外決定了底盤件的布置空間，這兩者框定了后端車身的核心設計空間。

注：L1為軸距；L2為前后排乘員H點X向距離；L3為后排乘員H點到后地板立面的X向距離；L4為后排乘員H點到后輪心X向距離；L5為后懸。

4長度變化主要通過3種策略來實現，后懸架以扭桿梁形式為例：（1）完全配合后懸架安裝點，后縱梁整體平移，前接頭加長，并與地板的型面配合，如圖2所示；（2）后懸架彈簧及減振器安裝點平移，推桿長度變化，后縱梁不移動，與后輪罩型面匹配，如圖3所示；（3）后懸架安裝點平移，后縱梁不移動，與車身安裝結構匹配，如圖2所示。

注：L6為后地板立面到主定位區域前端；L7為后地板立面到縱臂襯套；L8為縱臂襯套到后輪心；L9為主定位區域后端到縱臂襯套。

圖3 策略2示意圖

策略2對車身調整相對簡單，但會造成動力學性能的顯著變化，同時會增加懸架種類；因而優先在策略1和策略3中選擇，這兩個策略本質上都可以用圖2表達，但其優劣勢不同。

策略3邏輯相對簡單，固定后地板立面到后地板中橫梁之間的主要結構，需要匹配調整的零件比較少，但對主定位孔區域的柔性小，即不允許同時存在多種定位孔策略。所有車型后縱梁上抬區域截面相同，如圖4所示，不存在性能帶寬的調節；縱臂襯套安裝點結構為適應后懸架安裝位置，可能出現懸臂結構等性能下降。

注：MTM（Meat to Metal，人體包絡到鈑金距離）。

策略1對主定位孔區域的柔性大，支持底盤減少懸架套數。原則上，軸距越大的車型后縱梁上抬區域截面越大，以滿足潛在的性能帶寬要求，如圖4所示，策略1更適合于柔性化架構變換。

1.3 模塊化設計方法

基于變化策略1，零件的設計方法也進行相應調整。考慮后懸架系統整體平移，對應安裝點也相應平移，因而將后縱梁、后輪罩作為一個模塊，整體配合移動；C-RING（車身后端封閉的環狀梁結構）需要與座椅靠背相匹配，又要保持完整性，可作為另一個單獨模塊；剩余的覆蓋件和若干橫梁作為第3個模塊。

綜上，將車身后端系統劃分為3個主要模塊進行開發：后縱梁-后輪罩模塊A，C-RING模塊B，覆蓋件-橫梁模塊C，如圖5所示。

圖5 車身后端模塊劃分

將后端3大模塊進行拆解，如圖6所示。

圖6 車身后端系統接口劃分（可變接口及不變接口）

模塊A與前地板的接頭作為接口a，該區域通常包含主定位孔相關結構，在不同車型中為了系統級定位基準不變，零件本身會有所不同，同時，模塊A、C發生相對移動時，該處需要進行調整以保證匹配，后懸架前向推桿也常安裝在該區域，為適配不同懸架，該處也會變化；彈簧支座作為接口b，以適配懸架變化，包括不同輪距以及不同懸架形式；后輪罩減振器安裝座作為接口c，以配合懸架位置，對于燃油車，還需要適配加油管出口位置等；后縱梁后段作為接口d，以適配后懸長度的變化；后縱梁中橫梁作為接口e，以適配后端中橫梁位置；后輪罩座椅安裝掛鉤作為接口f，以匹配座椅位置（向，向）進行調整。同時，接口l和接口p，考慮到成本、架構策略等因素，通常作為不變接口。

模塊B中，C-RING立柱作為接口g，考慮三廂/兩廂車，以及模塊B相對于模塊A的平移，以適配輪罩型面的變化；C-RING對應的后端中橫梁作為接口h，匹配安裝兒童座椅支架、安全帶固定點，以及后地板前后板分縫等。接口m在三廂車等存在封閉C-RING車型中，通常作為不變接口，而接口n，考慮到其在結構性能中的作用，也可作為不變接口。

模塊C中，接口i主要考慮將軸距變化放在車身后端系統，不變動前地板；接口j主要應對不同車高的變化，以及可能的后地板前后板分縫變化；接口k適配不同車型、不同后懸尺寸等。考慮成本和性能等因素，接口o可作為不變接口。

模塊化設計通過模塊的獨立設計和拼裝簡化系統設計。衡量模塊化設計柔性的重要指標是系統的自由度，包括模塊整體平移及旋轉的自由度，模塊內部發生變形的自由度和可變接口的數量。假設各自由度間相互獨立，則系統的總自由度為

式中：為系統的總自由度。

通過重用模塊，降低整個車型系列的成本，提升經濟性，評估方法為

式中：n為架構中第個車型對應部分的部件量；k為某個部件在整個架構中的實際類型數量；為某個部件在整個架構中的總使用量；為架構中車型數量；為架構中部件數量。其中部件量包括零件數量、部件數量、子系統數量和零部件重量等。

最終，架構系統會形成部件族譜，以“搭積木”的形式，組合成架構中各型系統。

2 車身后端系統模塊化開發實現

在架構開發中，后端車身通常需要考慮尺寸帶寬、性能帶寬、工藝帶寬和接口帶寬，以應對不同車型的需要。

2.1 尺寸帶寬

尺寸帶寬包括，，3向架構柔性，向主要涉及2、3、4、5；向涉及后輪距；向涉及車高，如圖1所示。

2變化主要通過前地板長度變化和后地板長度變化兩種策略實現。若采用后地板長度變化，由于中通道區域和兩側與門檻梁搭接區域的翻邊，造成接口i后地板立板成型困難，因此轉變為在接口i增加補丁條來實現。

4變化主要通過前地板長度變化來實現，以實現更大的架構柔性。

3變化會影響后排腿部舒適性和車身主定位孔區域空間大小，需要在設計接口j時，預留足夠的MTM配合空間和座椅靠背到模塊B的空間，在一定范圍內移動人的位置，即實現3變化，如圖7所示。

圖7 L3柔性化設計示意圖

除此之外，向還涉及后懸架變化5，其方案主要為：（1）車身后端長度變化；（2）后保長度變化；（3）后蒙皮特征變化。以上可通過接口d實現。

后輪距變化策略一般包括：（1）如果變化量小，通過調整底盤輪胎偏距或懸架輪邊安裝的支架位置，保持車身不變；（2）懸架（例如扭桿彈簧）單邊拉寬，安裝點平移，接口a、c相應調整、接口b平移調整（如圖8所示）；（3）如果調整量較大，則考慮模塊A整體平移（如圖9[hx23] 所示），模塊B進行向變形，模塊C調整接口j、k。

圖8 車身后端Y向帶寬變化（接口a、b、c）

圖9 車身后端Y向帶寬變化（模塊A、B、C）

車身后端向主要考慮車高的影響，其變化策略包括更改車身或內飾，或同時更改二者。平衡性能、工藝、成本所得策略，主要考慮車身增加座椅支撐結構，同時使坐盆鈑金抬起，其優點為：（1）座椅主體共用，只使用較少聚氨酯發泡進行填充，降低成本；（2）車身架構主體共用，只更改接口j。對制造系統產生的沖擊如圖10所示。

圖10 車身后端Z向帶寬策略（后地板前半鈑金面上抬，補足后排H點抬高量，參考圖中上抬實線）

2.2 性能帶寬

性能帶寬主要包括后碰、整車剛度和動力學性能。

后碰主要差異來源于目標市場安全法規、后懸、車重等因素，一般保持后端車身結構共用，后縱梁本體留有設計冗余，通過調整接口d、e、h的材料、料厚及型面特征來實現。

動力學性能差異主要包括后懸架硬點相對差異和安裝點動靜剛度。硬點布置在項目前期已確定，安裝點動靜剛度主要通過接口a、b、c、e、g、h進行調整。

車身后端模塊最主要的性能是整車剛度，其目標差異主要來自車型定義和目標市場需求。

在車身B柱前后，靜扭轉角曲線趨勢有明顯變化，將整車扭轉剛度等效為B柱前后兩部分扭桿彈簧串聯，可表示為[7]

（3）

分別對整車前后兩部分進行線性擬合，如圖11所示。

圖11 整車靜態扭轉角曲線

為了消除軸距對扭轉剛度的影響，使用單位距離平均扭轉剛度表示，則平均總剛度為

（4）

（5）

圖12 模塊B的SFE分析模型

通過穩健性優化設計，模塊B中接口g的上接頭高度以及向尺寸，對整車剛度性能影響最為顯著，可以作為調整的首選。

2.3 工藝帶寬

車身工藝帶寬一般分為系統級工藝帶寬和零件級工藝帶寬[1] 58。在車身后端模塊中，軸距的變化主要依靠后端模塊改變，所以在系統級工藝帶寬中，位于模塊A上的主定位系統涉及制造策略（用幾個孔、哪幾個孔，一般和生產共線策略有關）、后地板前端板位置（主定位孔前孔空間）和后懸架A-BUSHING位置（主定位孔后孔空間）。在設計接口a時，該空間需覆蓋整個架構體系的帶寬。在該區域，實際向設計受車寬、油箱及后懸架硬點的限制，向受H點向、向位置，后懸架硬點及乘員舒適性的影響；因此，系統工藝帶寬是車身后端模塊設計的核心之一。在設計時，主要通過調整接口a解決矛盾，也可在接口d添加輔助定位孔。

零件級工藝帶寬，一般在自由度和的實現過程中體現。

2.4 接口帶寬

接口帶寬是實現尺寸、性能和工藝帶寬的方法。車身后端模塊接口主要包括后懸架、座椅、油箱、油管、車身前地板和后防撞梁等。

（1）若后懸架硬點相對位置固定，對車身接口帶寬影響較小。通過整體平移模塊A，懸架也相應移動，配合架構尺寸及硬點位置；若架構中存在高低配懸架，則需要提前規劃接口a、b、c的形式，或者需要為某些懸架單獨增加接口。

（2）座椅的不同定義，模塊B需要適配座椅整體位置，對于接口f、g、j影響較大。

（3）燃油車油箱一般位于后地板立面和中橫梁之間，原則上要求油箱外殼體在不同油量下一致，這會對接口h、j產生影響。

（4）油管主要涉及從后輪心前、后繞過的問題，一般從后輪心前繞過，對后碰比較有利。若車系中同時存在兩種路徑，會對全系增加冗余，需要在后輪罩上預留空間，通過接口c、g來適配。

（5）前地板和后防撞梁的接口，一般要求在除了向之外的方向保持不變，向變化通過接口d適配。

綜上可知，=4時，模塊A的、向平移，模塊B的向平移，模塊C的向平移；=6時，模塊A接口a的向相對平移，接口b平移，接口e平移，模塊B接口g相對于上橫梁平移，上橫梁的有無，模塊C中高車頂車型增加了座椅安裝結構；=11，即有11個可變接口。在理論上，最大系統自由度=264。

3 產品實現

以某架構為例，包含短軸三廂車、短軸兩廂車、SUV、CUV、長軸三廂車和MPV 6款主要車型。主要架構尺寸規劃和該架構的后端向主要尺寸見表1和圖13。

表1 相對于基礎車的X向尺寸變化

續表1

注：BASE為基礎車型；Short NB為短軸三廂車；Short HB為短軸兩廂車；SUV為運動型多用途車；CUV為跨界車；Long NB為長軸三廂車；MPV為多用途車；本例中短軸三廂車為基礎車型。[542] [hx43]

圖13 車身模塊變化X向尺寸譜

向輪距可以合并為2種車型及主要接口差異，形成每個車型對應的不同模塊系列，表2即顯示了不同模塊及對應可變接口。最后形成針對該架構的車身后端模塊部件族譜，見表3。

表2 模塊系列（對應車型）[546]

表3 部件族譜（模塊展開）

續表3

將圖6所劃分的子系統/子總成作為部件，在整個架構中，其經濟性計算根據式（2），表3中接口總類型數為41，各接口在整個架構中的總使用量為96（16í6=96，即接口格數），但接口m只使用在兩款三廂車上，即只對應2格（接口m在整個架構中的總使用量為2），所以總接口格數為92，則其經濟性=（1–41/92）í100%=55.4%。

特別考慮到接口j，后輪罩、后地板前橫梁和后縱梁主體段等價值較高零件的重用性較好，該設計方法有效地提升了整體設計的經濟性。

4 結 論

（1）闡述并分析了車身后端系統尺寸帶寬核心策略；

（2）制定了車身后端系統模塊化開發方法，通過尺寸、性能、工藝和接口4個方面的帶寬分析和設計，闡述了車身后端模塊化開發方法在車身架構柔性化開發中的應用實現；

（3）提出了評價車身后端模塊化開發柔性和經濟性的指標；

（4）通過車身后端模塊化開發方法，形成模塊部件族譜，利于架構開發范圍可視化。

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U463.82

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.01.013

1002-4581（2021）01-0056-07

2020-09-15