客车车身结构的模块化设计

客车车身结构的模块化设计
摘要
和轿车行业相比，客车行业属于小批量、多品种、定制化程度高的一个行业。

当前摆在中国客车企业面前的首要问题是，如何更加快捷、准确地生产出质高、价廉的产品以满足世界各地不同市场的需求。

“模块化设计”这一新的设计理论和方法是解决产品品种、规格多样化与设计周期、成本之间矛盾的有效手段，为多品种、小批量产品设计和制造，提供了有效途径，目前己被越来越多的企业重视和采用，具有很好的意义和应用前景。

本文从模块与模块化的概念着手，探讨了模块化设计的技术经济价值，模块化设计的方法，以及产品模块化设计的分类以及模块化与CAD的关系等。

从客户对客车产品需求开始探讨车身模块化设计过程，运用现有成熟车型的车身概念性模块对客户所需求的客车进行宏观的方案设计。

结合具体的车身骨架按模块级别进行模块划分，对划分结果提出了一种直观的评价方法:以顶盖为例介绍了通用模块和专用模块的划分方法，并引入模块的专用构件和通用构件的概念，对近郊城市客车、长途客车、旅游客车的顶盖模块进行了具体的研究。

关键词客车车身结构;模块化设计;顶盖模块;通用模块
- I -
Bus Body structure of the modular design
Abstract
Bus small quantities, multi-species, a high degree of customization of the industry. Currently facing enterprises in China bus in front of the most important issue is how to faster and more accurately produce high-quality, low cost products to meet worldwide market demand.
"Modular design" This new design theory and methods to solve product varieties, diversification of specifications and design cycle, the conflict between cost effective means more variety, low-volume product design and manufacturing, provides an effective way, Has been more and more enterprises attach importance to and use, has a good meaning and application.
This article from the concept of modules and modular start of the modular design of the technical and economic value of the modular design methods, and product classification and the modular design of modular and the relationship between the CAD.
On the bus from the customer demand for our products began to
explore body modular design process, the use of the existing mature conceptual models of the body modules to customers by bus to the needs of the macro design. The body skeleton light of the specific module by module division levels, the division made a direct result of the evaluation methods: as an example to introduce a common roof modules and modules for the delineation of methods and the introduction of modules and components for GM components The concept of the suburban city bus, coach, the tourist bus roof module of the specific research.
Keywords Bus body; modular design; roof module; generic modules
- II -
目录
摘
要 ..................................................................... (I)
Abstract ........................................................... (II)
第1章绪
论 ..................................................................... ............................... 1 1.1 引
言 ..................................................................... .................................. 1 1.2 选题背
景 ..................................................................... .......................... 1 1.3 国内外研究现
状 ..................................................................... .............. 2 1.4 本文研究内
容 ..................................................................... .................. 3 1.5 本章小
结 ..................................................................... .......................... 4 第2章模块化设计理
论 ..................................................................... ........... 5 2.1 模块及模块化的概
念 ..................................................................... . (5)
2.1.1 模块的定义及其特
征 .....................................................................
5
2.1.2 模块化的定义及过程特
点 (6)
[11-15]2.2 模块化设计的技术经济价
值 ......................................................... 6 2.3 模块化产品设计方
法 ..................................................................... . (9)
2.3.1 产品方案设
计 ..................................................................... .. (9)
2.3.2 基型模块的改
型 ..................................................................... .. (9)
2.3.3 专用模块的设
计 ..................................................................... (10)
2.3.4 接口设
计 ..................................................................... ................. 10 2.4 模块化产品设计分
类 ..................................................................... .. (10)
2.4.1 全新产品的模块化设
计 (11)
2.4.2 变型产品的模块化设
计 (12)
2.4.3 已有产品的模块化改造设
计 ....................................................... 12 2.5 模块化设计与
CAD .................................................................... ........ 12 2.6本章小
结 ..................................................................... ......................... 12 第3章客车模块化方案设
计 ..................................................................... .. 13 3.1 基于成熟车型的客车模块化方案设计 ............ 错误～未定义书签。

15 3.2 本章小
结 .......................................................... 错误～未定义书签。

18 第4章客车车身模块划
分 ........................................ 错误～未定义书签。

19 4.1 模块划分理论 .................................................. 错误～未定义书签。

19
4.1.1 模块化分方法 ........................................... 错误～未定义书签。

19 4.2 客车车身的模块划
分 ....................................... 错误～未定义书签。

19
4.2.1 高层次模块 ............................................... 错误～未定义书签。

19
4.2.2 其他次级模块 ........................................... 错误～未定义书签。

21
- III -
4.3 通用模块与专用模块划分 ............................... 错误～未定义书签。

25
4.3.1 通用模块的确定 ........................................ 错误～未定义书签。

25
4.3.2 专用模块划分 ........................................... 错误～未定义书签。

26
4.3.3 接口方式 ................................................... 错误～未定义书签。

27 4.4 模块之间的相似性........................................... 错误～未定义书签。

27 4.5 客车顶盖模块的研究 ....................................... 错误～未定义书签。

28 4.6本章小
结 ........................................................... 错误～未定义书签。

29 结
论 ..................................................................... ....... 错误～未定义书签。

30 致
谢 ..................................................................... ....... 错误～未定义书签。

31 参考文
献 .................................................................... 错误～未定义书签。

32 附
录 ..................................................................... ....... 错误～未定义书签。

34
- IV -
第1章绪论
1.1 引言
纵观当今世界汽车产业，兼并重组不再是一个新鲜的话题，各大汽车企业在市场大舞台上都充分展现自己的特色。

在中国，日渐成熟的大客车研发技术，以及年产量超过9万辆的规模，使得中国正在逐步成为世界大客车生产中心。

中国客车设计技术经过多年的磨练与发展已完全具备与世界客车同台竞技的实力。

而当前摆在中国客车企业面前的首要问题是，如何更加快捷、准确地生产出质高、价美的产品以满足世界各地不同市场的需求。

客车是现代社会中的主要交通工具之一，客车对发展国民经济和促进人民生活水平提高发挥着重要作用。

世界各主要客车生产厂无不应用最新科技成果潜心致力于客车新产品的研制和开发，不断地向市场提供有竞争力的新型客车。

各大汽车公司无不利用现代手段和方法缩短其换型开发周期，以求尽快、尽早地推出新产品抢占市场，各客车公司都是将关系其品牌、款式的车型等的开发设计牢牢地掌握在自己手中，采用平台战略与车型多样化。

我国客车工业的发展，走过了引进技术、合资生产及国产化工作之路，目前国家的产业政策已调整为积极鼓励各企业尽快形成自主研发能力，企业也深感为适应国内外两个市场激烈竞争的需要，必须不断更新车型，开发自己的品牌，方能设计制造出适应顾客个性需求的各种客车产品。

这就需要企业掌握客车现代设计方法，有效地建立自己产品的特性资料库，迅速积累研发经验，从而提高竞争力。

因此，有必要在客车的生产和设计阶段，采有一些新的方法和措施，缩短客车的设计生产周期，确保客车的质量。

将模块化设计方法应用于客车的设计生产中，具有很好的意义和应用前景。

1.2 选题背景
众所周知，大客车行业属于小批量、多品种、定制化程度高的一个行业。

如何平衡产品价格、产品质量和产品研发速度三者之间的关系，是解决这个问题的关
键，甚至是关系到一个企业，乃至一个行业的发展命运。

90年代瑞典沃尔沃公司的LCP2000及意大利菲亚特VSS等车型，使用了一种全新的生产系统----模块化(又称积木式)汽车生产方式。

采用模块结构汽车生产方式能够很好的控制成本和质量，可降低成本约20%，而且可以
[1]大大提高组装工程的自动化程度。

模块化结构的制造经验应在大范围内
- 1 -
进一步发展。

我们力求扩大采用该项技术的范围,并建议车辆制造企业仿效这种构想。

正如目前交通部订单制定的远景设计分析所表明的那样,利用客运机车车辆组合方案的模块化构思,使得在新经济条件下制造远景机车车辆时,不需要投入大量资金而又有可能制造出符合用户愿望的车辆结构型式。

同时解决了不同类型机车车辆备件的供应保障问题,而运营企业则可以实施机车车辆维护保养和修理所通用的管理施工方法(考虑到构件的广泛通用
[22]化)。

戴姆勒-克莱斯勒曾提出一种分块的方法将整车分成4个模块:前端模块、乘客单元模块、车顶模块和后端模块。

每个模块分别单独制造，包括所有的附加于模块上的零部件，仅仅在生产的最后阶段，才将这些模块按设定的接口快速地组合在一起。

这种-全新的制造方式，最大的好处是在一个车型范围内可以有很多的变型车，极大地降低成本。

据戴一克公司粗
[2]略估算，将会降低多达30%的研发、制造、物流等综合成本。

各大模块可以在整车厂生产，也可以由供应商提供，但最终将在整车厂装配在一
[3]起。

“模块”尚无整个工业范围内标准之定义。

一个典型模块，涉及不同工程学科，它有别于早期意义的“总成”。

如汽车前端模块需减振工程师、照明工程师、冷却工程师、车身工程师共同设计。

采用模块化思想设计的汽车，当同一个模块中选用不同的零件或总成时，就可以得到这一模块的变形，选用不同的模块变形装配在一起就会得到不同变型车。

所以按照这种设计思想开发出来的汽车不仅能
够满足消费者对于个性化的需求，而且能够大大提高生产效率和降低生产与设计成本，从而提高企业国内甚至国际市场上的综合竞争力。

针对中国客车企业的设计与生产现状，进行模块化设计理论研究和大力推行模块化设计思想必定会给客车行业生产带来一场革命。

1.3 国内外研究现状
模块化设计的研究最先应用于欧洲20世纪40年代的车床设计中，如
[2]今，在西方国家，模块化设计己经应用到很多领域。

80年代中期，菲亚特制造的由14个模块集成的1LTopo发动机是第一台模块式内燃机。

1991年福特的Coutour概念车为第一辆模块化轿车，大供应商西门子、TRW、Eaton、ITT分别为其提供管道冷却、前悬架及转向、后悬架和制动模块。

90年代后期，随着新材料新工艺、机电一体化与计算机技术在汽车中运用，全球掀起了零部件模块化热潮。

零部件的模块化技术也改变了各大汽车制造商的战略计划。

通用1998年制定的“黄石工程”:在北美和巴西投资新建5个总装厂，新厂总布置思路就是来自模块化集成，把冲压分厂就近安置，主供应商在附近生产，总装厂平面图呈T字形，以利模块化供货和敏捷生产。

戴姆勒与克莱斯勒合作后产品技术共享战略也受零部件模块化进程影响。

它们首先共享发动机控制、喷射系统、驱动系统技术模块，5-7 - 2 -
[4]年内实现整个发动机和变速器共享，然后过渡到共享平台。

目前，国外的一些汽车公司，面对竞争趋激烈的市场以及变型车生产成本极其昂贵的现实，己经开始考虑整体化的模块设计，以满足消费者对有独特风格时尚车型要求的增长，使他们可以按照“菜单” ，选择自己喜欢的模块配置，然后按他们的需求生产出各式各样的车型。

90年代初，模块化已在我国机电产品设计、计算机产品开发、船舶建造等许多领域得到广泛的应用，积累了相当的经验。

模块化产品的构成模式可用一个简单的
公式表达:新产品(系统)=通用模块(不变部分)+专用模块(变动部分)。

由于模块化的产品是以现有模块为基础构成的，可大缩短新产品设计、研制周期，增强企业对市场变化和用户需求的快速应变能力;产品虽是多品种、小批量，但模块是通用部件，仍可取得批量生产的效率和效益;模块的设计制造已成定型，其性能和质量己经过大量的试验和实践的考验，从而可提高整机的可靠性。

由于模块化设计能实现多样化与效益的有机统一，是企业欲求得质量、品种、效益全面发展的有效途径，也是现化军用装备发展的必由之路。

国防科工委曾为缩短武器装备研制周期，提高其质量、可靠性和综合保障能力，把开展模块化作为发展国防科技和武器装备的一项基本政策，在90年化投入巨资，全面开展军事装备模块化的研究、设计、试制工作。

模块化生产和设计模式在我国的汽车工业领域还处在一个探索和起步的阶段。

国内各大客车企业，宇通、金龙等公司在零部件标准化、模块化、系列化等方面做过很多工作。

国内学者张玉津等曾对客车车身的模块
[5]化概念设计方面做了研究;学者张利等以客户需求分析为基础对客车底
[6]盘的模块化设计作过探讨;学者赵海燕把产品模块化设计方法在重型汽
[7]车设计上应用作过研究;其意义非常重大，其中的一些经验是值得学习和借鉴的。

但总的来说由于不能基于共享的集成平台进行产品分析设计，整个车身模块化设计的理念还未能真正落到实际设计和生产中。

1.4 本文研究内容本文将模块化设计应用于客车的设计生产，通过对相似原理的分析研究，寻找客车车身模块之间的相似关系，并对客车车身模块进行基于相似性的不同层次分类，制定开发新型客车车身模块的相似参考模块的选择方法，便于客车企业的新车设计开发，提高设计工作效率。

在研究几款客车车身结构特点的基础上，对客车车身结构进行合理的模块化设计，将客车车身化整为零。

以某客车作为样车，根据车身结构的不同功能和特征，
将其进行全面的模块划分，使得每个模块都具有特性或者通用性，提取其模块的基本构件的特征，对客车车身模块以及构成零部
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件进行模块化研究，应用于客车的系列化、多样化、个性化、轻量化的车身设计中。

1.5 本章小结
本章系统地分析了模块化设计提出的背景和意义，讨论了模块化设计的在汽车上应用和理论研究状况，并分析了其中的难题和研究方法。

- 4 -
第2章模块化设计理论
2.1 模块及模块化的概念
国外诸如Modu1e(模块)或Modular(模块的、模数的)之类的词，在工业产品中已得到广泛的应用，并作为产品的特征标志之一而加以强调。

在我国诸如(模件)、模块化之类的词也已得到普遍运用，但在正式出版物中却未见模块的确切和统一的定义。

甚至在一些英汉字典和词典里的定义也是差异很大。

关于模块化
( Modularity 或 Modularization ) ，有的文献理解为:有标准化的模块组成的一个系统，模块可以是硬件或者是软件[9][10]。

有的文献认为:采用彼此易于连接和组装的分立部件装配成计算机
[11]系统因而具有功能灵活的特点。

也有文献提出:所谓模块化就是将基准部件和功能部件(模块)通过各种形式的拼合，或通过增加、减少来实现多
[3]样化。

上述这些文献资料，从不同角度、在不同程度上对模块与模块化进行探讨，这无疑对我们全面理解这两个概念有很大的帮助。

2.1.1 模块的定义及其特征
通常所说的模块，就是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。

从这个定义中可以看出模块的如下几个特征: 1(它是系统组成部分。

它是系统分解的产物。

用模块可以组成新系统，也易于从系统中分离、拆卸和更换。

这里的系统，可以是大的工程系统，也可是某具体的一种产品。

2(它是具有确定功能的单元。

模块虽是系统的组成部分，但它不是对系统的任意分割，它具有明确的特定功能，这一功能不依附于其他功能而相对独立存在，并不受其他功能的干扰。

因而它可以作为一个单独的设计单元(部件)，而分头并行设计，可以单独制造等。

3(它是一种标准单元。

模块是通过对同类产品的功能和结构的分析，而分解出来的，是运用标准化中简化和统一化方法而得出的具有典型性的部件，这个典型性正是模块具有广泛通用性的基础。

4(它是具有能构成系统的接口。

模块应具有能传递功能、能组成系统的接口(输入、输出)结构。

各个模块既要有相对独立的功能，又相互相联系，模块间的联系就是通过接口
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来传递功能。

2.1.2 模块化的定义及过程特点
所谓模块化，就是为了取得最佳效益，从系统观点出发，研究产品(或系统)的构成形式，用分解和组合的方法，建立起模块体系，并运用模块组合成产品(或系统)的全过程。

模块化不是研究和解决某一个孤立的产品(或系统)的设计或构成问题，而是解决某类(产品)系统的最佳构成形式问题。

它的主要方法是系统的分解和组合。

系统
的分解和组合的技巧和运用水平，是模块化的核心问题。

模块化过程的特点有以下几点:
1(具有目的性。

没有明确的目标，模块化就失去了方向，就无从组织和管理模块化全过程。

2(综合性。

模块化的目标是建立一个模块系统和模块化产品系统，这是一个综合性的复杂的系统工程，需要多个学科人员通力合作才一能很好的完成。

3(动态性。

模块化过程是一个动态过程，一个模块化的产品系统不仅有其形成、完善和成熟的过程，而且还有其老化和更新的过程，所以必须及时淘汰老化的模块，不断补充新的模块，才能使这个模块化系统保持生机，取得尽可能大的效益。

4(超前性。

模块化过程应及时预测和追踪技术发展动向，及时采用新技术，以确保模块化系统技术上的先进性。

[11-15]2.2 模块化设计的技术经济价值
随着时代的发展，市场对机电产品的品种、规格、性能、质量及交货周期等方面提出了越来越高的要求，传统的设计方法已难以满足这些要求，由此出现了一系列现代设计方法，从不同角度来解决这一矛盾。

“模块化设计”这一新的设计理论和方法之所以迅速在各个领域得到广泛应用，是因为模块化设计是解决产品品种、规格多样化与设计制造周期、成本之间矛盾的有效手段。

“模块化设计”是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求，这种设计方法就称之为模块化设计。

从模块化设计定义可看到，它也不例外地包含了两个过程:一是如何根据设计要求进行功能抽象合理创建模块的过程，即设计分析过程;另一是如何根据设计要求合理地选择一组模块并
组成产品方案的过程，即设计综合过程。

前者是后者的前提和条件，后者是前者的目的。

1(简化设计过程，实现资源和技术共享
模块化产品与传统产品的主要区别在于，模块化产品主要由通用的模
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块组合而成。

传统的、整体式产品的设计，是从一个一个零件、部件开始的，设计工作量大、周期长。

而在模块化设计中，因为已有了一个现成的模块体系，产品设计的主要任务是选用模块，并进行接口和组装设计。

只有当现有模块的简单组合不能完全满足新产品需要时，才需对某些模块进行改型或设计一些新模块。

日本松下公司下属的一个松下自行车公司，生产18个型号、一千多种不同款式的PANASONIC牌自行车，从赛车、公路车到山地车，备有110种颜色和图案。

当顾客需定制自行车时，只要把尺寸和需要的款式输送到工厂，3分钟就可以设计出符合需要的自行车。

这种高效率的前提是，该厂已有了一个完整的模块化产品系统，3分钟时间的设计周期是利用计算机对现有模块进行新的组合。

否则，仅设计一个新零件，从构思到绘出图纸、注明零件的技术要求，就远远超过3分钟，更不必说绘制出一辆新自行车的蓝图。

模块的定型和商品化，可大大减少设计人员的非创造性的、甚至是低水平的重复劳动，实现技术和资源的共享。

2(加快新产品开发速度，取得市场竞争的主动权
多样化、高级化是时代的趋势，产品的多样化常导致整体结构的全面变动，不仅设计周期长，而且影响产品的可靠性、交货期和价格。

模块化产品是组合式结构，以模块作为其构成单元，其品种发展方式为:通过现有通用模块的不同组合、模块改型或增减专用模块形成新品种。

由这种品种发展方式可看出，可形成多种新品种，因而可大大加快新产品开发速度，增强企业对市场变化的快速应变能力。

模块化结构有利于在产品中及时引入新技术，以新技术来改造相应模块，取代那些在
技术上或结构上已陈旧的模块，在不变更其他模块的基础上，形成新产品，使产品不断保持先进性，取得市场竞争的主导权。

3(提高生产效率，缩短供货周期
模块化产品是按模块组织生产的，模块有一定的批量，有确定的工艺流程和工艺装备，生产率高，制造周期短。

对于长周期、高难度的模块，如有适当储备，更可大大缩短供货周期。

构成产品的各子系统之间，构成子系统的各部件及零件之间存在着机、电、液或其它形式的藕合关系。

通过产品构成体系中最下层的零件组成部件、子系统直至产品，而模块化设计能够在部件级甚至是子系统级做出模块的选择与设计，大大提高了生产效率。

模块化实质上是部件级、甚至子系统级的标准化，它在满足产品多样化需求的同时，有效地统一、简化和限制了零件的品种、规格。

模块化的产品结构，有利于组织专业化生产和社会化协作。

许多模块交由专业厂生产，在专业厂中，模块成为系列化的商品，实现了批量生产，大大降低了成本。

整机厂加大了外购、外协模块的量，减少了自行设计、制造的工作量，从而缩短了产品制造周期。

从管理角度着眼，可极大地提高管理效率，它减少了各个生产管理环节的工作量，缩短了生产准备周期。

这些管
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理工作内容的简化和效率的提高是缩短产品交货期的重要环节。

4(有利于提高产品质量和可靠性
模块是一种技术比较先进、结构比较合理的通用部件。

在作为通用模块之前，一般均经过试用和实践验证，并反复修改优化:做各种测试和实验;经过若专家的会审和鉴定，是集体智慧的结晶;成熟的模块还经过小批量甚至大批量生产的考验，虽然产品的质量不是模块质量的简单总和，但优质的部件无疑是优质产品的基础。

从可靠性出发，导致产品失效主要有四大因素:设计缺陷，制造缺陷，组装差错，环境影响。

前三者是设备出故障的内因，后者是外因。

产品在储存、运输及使
用中出现的环境条件的影响，在设计及制造时就应考虑，并在产品制成后通过例行实验进行验证。

对非模块化的新产品，各分机及整机都是重新设计、制造、组装，并需进行包括例行实验在内的全面性能考核。

另外，制造及组装工艺的稳定性也是一个重要的问题。

因而新产品需经过试制、设计定型、生产定型等几个阶段，以提高其可靠性。

由于前述导致失效的四大因素在新产品研制过程中均需全面进行验证，对一个复杂的产品将是费钱耗时的过程。

然而，在模块化结构中，以现有模块为主加新研制模块，组合而构成新产品。

其中，现有模块的设计、制造、组装均己定型，并且已经过例行试验的考核，其可靠性已得到全面验证，只需验证新模块的可靠性。

由于整机可以看成是各个模块串联而成的系统，而系统的可靠度是各单元可靠度的乘积，因而可以认为，模块化结构大大提高了整机的可靠性。

5(具有良好的可维修性
对于大型产品或复杂产品，发生故障的机会将随着其零件数的增多而成比例增多，但因其费用昂贵，通常不会发生故障后就抛弃，而是修复后再使用。

所以由不发生故障的狭义可靠度与维修度共同构成为生命周期内的广义可靠。

在整体式产品结构中，失效的零部件或元器件是分立而离散分布的，判明故障点比较困难，在维修中往往需大拆大装，并且受工具、测试设备、操作空间等维修条件的限制，不仅修复和更换速度慢，而且易影响维修后的质量，对维修人员的技术和技能要求也较高。

从维修着眼，模块是能从整机上拆下来的设计部件。

在模块化结构的产品中，由于模块间有明确的功能分割，且常有故障指示，发生故障后易于判断，并迅速找到有故障的模块，缩短了故障诊断时间;由于模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以模块为单位拆卸下来进行，从而大大改善了维修条件，简化了维修工作，可加快维修速度，并提高了修理后的质量;由于简化了故障诊断及拆装作业，改善了维。