汽车车身构架开发研究

汽车车身构架开发研究

目前，汽车产品的市场竞争越来越激烈，不仅仅表现在产品投放市场的速度上，而且表现在产品价格上。前者反映了企业的产品研发方法和能力，后者则更多表示了企业控制产品开发和生产成本的水平。20年前一般全新产品(不包含构架)开发需要5~6年的时间，而目前轿车的开发周期只有2~3年左右，今后新产品的寿命周期还将进一步缩短为一年半~两年左右的时间。

驱动主机厂开发周期显著缩短的原因主要有三个，其一采用了严格的质量法对产品过程进行了严格的监控，其二是采用了大量的虚拟仿真手段代替物理试验，其三是采用了构架(平台)策略，新产品的改型工作较小，开发验证工作少。在此基础上，现在许多汽车厂每年都能推出新的产品(局部改型)，不断满足市场的需求，想采用一款产品长时间占据市场的时代已经一去不复返了。

构架策略的意义

为降低成本，很多汽车巨头均在减少汽车的平台数，大众由原来的32个减为目前的5个；雷诺由25个减为10个；丰田也由15个减为5个；通用计划由原来的16个减为7个。但是，各汽车巨头每年推出的车型并没有少。福特汽车公司早在1990年就已开发了V8、V6等系列的模块式发动机。通用汽车公司采用模块化技术将汽油发动机数量由27种减为13种，柴油发动机由7种减为4种，变速器从19种减为6种。

实际上，汽车构架在很大程度上已经决定了产品的性能，如操纵稳定性、加速性能、燃油经济性、碰撞安全性、结构耐久性和发动机的动力性和经济性等。因此构架的开发和设计工作占用了整个产品开发的大部分时间，如果能充分利用汽车已有的构架或者开发出满足多种车身型式的构架将大大降低开发风险和产品开发成本。

而对于国际化运作的汽车集团，汽车构架的策略和开发显得尤为重要。这些集团为了抢占全球不同汽车市场，不可能在某个细分产品为每个市场都开发一款全新的产品，而只需要选定某个构架，在此基础上开发一款主导车型，然后在此基础上进行造型差异化、性能差异化和品牌差异化就能达到构架最大化利用，多快好省地开发出系列产品。

此外，构架的共用，实际上在某种程度上是整车构架零件的共用，也就是说零件在不同程度上实现了共享。除构架件外，还有很多小到如内饰灯、转向灯、门拉手、门铰链、门锁、点烟器、加油小门，大到后视镜、天窗、蓄电池等。在多个车型，乃至多个构架之间实现零部件的共用也是降低开发成本的重要方法。如果能从广义的范围内实现产品部分共享或者设计概念的共享，也能减少因为产品验证方面所带来的费用，共享所降低的成本更为可观。

构架特点

构架是由一系列的零部件和总成构成的，代表了整车的关键性能。如果将这些零件按照系统进行分类，如表1所示。

如果将这些构架零件装配在一起，就得到图1所示的整车构架。

汽车构架(architecture)，也指我们经常所说的平台(platform)，它是汽车产品开发的基础，它在最大程度上体现了基于该构架开发的系列产品的主要性能。它具有以下特点：

1.共用的零件和系统(在多个产品中最大化共用物料清单)

在某个构架下的产品，共用了一套构架件，或者可替代件。共用的策略通过可视化物料清单表示。共用的零件包括如发动机、变速器、悬架、轮胎最大外径和宽度、前后副车架、转向系统(型式)和动力总成悬置(型式)等。

2.相似的功能和性能表现(确保功能要求)

该特征表达了构架下的产品所具备的功能和性能。这些性能通常包括安全性能如NCAP星级、车身一阶结构模态、安全系统的配置如安全带、底盘悬架跳动范围、前后轴最大载荷、整车扭转刚度、承载能力、牵引能力、最大侧向加速度和质心高度等等。

3.共同的制造系统(最大化共用制造工艺)

制造策略能支持工艺驱动的设计，工厂链接，制造工艺，特殊的工厂条件以及达到制造基地迁徙的公司目标。制造工艺包括车身钣金件的冲压成型工艺，总装零件的装配工艺如转向机构在发动机舱和乘客舱的连接方式，主线的工序(如油漆线、总装线、焊接线)，轮罩的翻边工艺，料架和物流(模块化还是层叠化)，是否采用激光焊接工艺，定位孔和传输孔，门铰链工艺(焊接还是螺接)、制动系统装配工艺(开环还是闭环)、是否采用硅铜焊接，焊接翻边的长短等等。

4.一定的尺寸变幅

通常构架必须具备一定的尺寸变幅范围，以满足该构架下不同产品的尺寸变动的要求，包括长宽高、轴距、前后轮距、转向半径、踵点到前轴的距离、R点到踵点的距离、R点到地面距离、行李箱容积、前后H点距离、乘客中心到整车中心距离、前风窗下支点、前悬、后悬、白车身名义中心、白车身最大宽度和高度，油箱容积和上车台阶高度等尺寸。

5.共同的系统边界条件

为确保上述构架零件和系统共用，车身夹具共用，尺寸变幅和制造工艺共享策略，必须有一套关键的物理界面(如紧固件类型)和功能界面(如承载能力)。

这些边界条件包括车身侧围和门槛梁，与前门铰链内板的搭接关系、前地板和前围板、中地板到前地板、中地板和后地板、地板纵梁到地板的搭接关系、铰链内板和门槛梁和前地板、前后防撞梁和纵梁、前围上横梁和前门铰链内板、前排座椅支架到地板连接关系、车身下体前部布置、车身下体后部布置、车身和前后车架的安装点、后座椅安装点和行李箱容积。

构架几何搭建方法

整车构架的构造如同积木一样，是可以通过一些最基本的元素搭建起来的。他们是前端模块、前风窗下支点位置(前后和上下)、地板模块、后行李箱模块。

前端模块中最为关键的是轮胎的规格，因为轮胎在给定整车宽度的条件下决定了前纵梁的宽度和整车的离地高度；其次是前纵梁的长度，它决定了发动机舱的长度，为不同的动力总成配置提供了必须的空间，同时还需要满足各种不同安全性能的前撞要求。

前风窗下支点有前后上下四种组合，前后位置决定了前围板的位置，从而决定了乘客舱前端边界条件和发动机舱的后部边界；前风窗下支点上下位置在给定整车高度的情况下将决定风窗玻璃的倾角，以及发动机舱的后端高度。

地板的状态也有长短两种，如果结合轮胎规格的大小就有四种，分别为短轴距低地板，短轴距高地板，长轴距低地板，长轴距高地板。这样就决定了乘客舱的内部空间的长度，离地间隙和乘客上下台阶高度。

而行李箱模块主要的参数是行李箱的长度，它决定于后悬长度，决定了行李箱的大小以及给定轮胎情况下的离去角。

如果我们对上述模块进行不同组合，就可以搭建不同的模型，满足某构架下不同产品的需要。

通常车身的型式有三门和五门的两厢轿车3/5HB(Hatch Back)，NB三厢轿车(Notch Back)，多用途轿车MPV (Multi-Purpose Vehicle)，旅行车SW (Station Wagon)，双人跑车Couple，运动型汽车SUV (Sports Utility Vehicle)，厢式货车VAN，客货两用车Pickup等多种。除此之外，还有这些车身型式的杂交型式Crossover等，但是可以按照构架搭建的元素分为三类车型，小轮胎短轴距低风档下支点的(包含HB，NB，Couple)，大轮胎长轴距高前风挡下支点的(包含SW、VAN和MPV)，大轮胎高前风档下支点的四轮驱动SUV，这样便于组合进行构架的变化，尽可能提高构架零件和系统之间的共用率。但是不管这些车身型式如何变化，均能通过上述几何元素的变化和组合方法得以实现。

通常，小轮胎适合三厢和两厢的轿车，大轮胎适合MPV和SUV等需要满足离地间隙较高的车身型式；风窗下支点下前和下后位置适合三厢和两厢轿车，而风窗下支点上前上后满足乘客姿态布置较高的车身型式如MPV和SUV。

车身构架开发

假设我们在构架开发过程中，已经选定了发动机动力总成、车轮和其它构架件，我们要开发满足多种车身型式的车身构架，那么车身构架的开发主要体现如表2所示的几个重要的方面：

●车身型式：如3/5门的两厢、三厢、敞篷车、旅行车、货车、SUV和客货两用车等；

●车身骨架类型：承载式车身和非承载式车身；

●地板高度：低地板、中地板和高地板三种；

●驾驶员位置：左驾和右驾；

●乘客的人数：从2个~8个不等。

选择何种车身骨架作为车身构架决定于整车性能要求，如整车的安全性能，操纵稳定性和NVH等性能，其中最为关键的还是安全性能。通常不同市场有不同的安全性能要求，大体上可以将这些众多的NCAP归纳为ENCAP，USNCAP 和两者的混合体。因此如果要针对全球市场，必然要考虑这些NCAP的要求，因此需要采用模块化的方法满足不同市场的安全性能要求。越来越多的研究表明，承载式车身在轿车上无论是高档轿车还是中低端轿车，都是主流和发展趋势，即使在SUV运动性轿车上也是如此。日本汽车公司本田和丰田最新推出的CR-V和RAV4 等SUV车型都是基于轿车平台开发出来的，它既具备了传统非承载式车身的