乘用车车身柔性架构开发

张海华 王镝 张轶川

（泛亚汽车技术中心）

应市场需求，已经出现采用相同的整车架构，进行不同车型开发的概念[1]。车身架构是整车架构的重要组成部分，通常指的是下车体车身结构，包含前后纵梁、轮罩、防火墙及前后地板等零件[2]。这些结构对被动安全、刚度及NVH等车身性能起决定性的作用。在同一个架构上，可以通过更改上车体实现多个车型的快速开发。随着市场的发展，大型车企会面对全球多个地区不同市场或某个市场多个车型并存的车型开发需要。如果采用同一架构，就会造成在低要求的地区或者车型上的设计冗余。为了避免这种现象，尽可能地降低产品的成本，架构就需要有一定的可变性，即车身架构的柔性，以满足不同的市场需求及制造需求。文章提出一种通过带宽概念来实现车身架构柔性的思路。在设计阶段，涉及到的带宽共有性能带宽、尺寸带宽及工艺带宽3个方面。

1 性能带宽

开发一款新的产品，使其满足市场需求的性能要求是最基本的前提条件。因此性能带宽是架构带宽研究中的首要部分。目前对性能带宽的认知有2个方面：1）如果同一个架构可以满足不同质量及配置情况下的性能需求，就认为该架构具备这个范围内的性能带宽。在这种情况下，性能带宽在低要求的车型上表现为设计上的一种冗余，但其设计方案性能表现稳定，可以减少开发及验证费用。当前不少欧洲车企所采用的就是这种策略。2）在断面及主体结构等工程解决方案不变的情况下，仅通过调整零件的材料等级和料厚，或增减加强零件的方式，来使该架构满足不同质量及配置情况下的性能需求。在这种情况下，性能带宽体现为不涉及主体结构改动的板材调整手段，从而可使产品设计相对第1种策略实现方式更为经济，但需要投入更多开发资源。文章所论述的性能带宽即为这方面内容。

车身的整体性能有被动安全、刚度和NVH三大方面。其中被动安全又分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、低速碰撞及行人保护等多方面内容。由于正面高速碰撞结果对车重较为敏感，同时不同等级的车型之间被动安全性能的要求差别也较大，因此对于同一架构中系列车型的性能带宽设计，正面高速碰撞性能是研发的重点。

一般而言，影响正面高速碰撞性能的有整备质量、动力总成质量及整车质心位置3个因素。为了研究这3个因素在性能带宽中的作用，以某车型为例，假设其动力总成所占用空间不变。设定5组数据，每组数据分别表示3个因素的一个等级，用以观察研究对象车型在不同等级下性能的表现情况，如表1所示。图1和图2分别示出该车型在正面刚性墙碰撞（RGB）及正面偏置碰撞（ODB）中的分析结果。其中RGB中以B柱位置下方测量点的等效加速度（EA）为观察对象，ODB中以车身结构入侵量指标之和为观察对象。从图1可以看出，随着动力总成质量的增加，等效加速度上升速度比其他2个因素都要明显。从图2可以看到，随着整备质量的增加，结构入侵值总和增加最为明显。由于全球各地主要安全法规中，考察正面偏置碰撞的内容较多，因此认为整备质量对正面高速碰撞性能影响较大，其次则是动力总成质量。而在实际项目开发中，是否对于低要求车型进行进一步优化则取决于具体项目的策略以及车型的预期产量。通常，开发所选择的基础车型为预期销量较大的车型，以获得最大的收益。如果存在2个车型产量均较大，并且差异明显，那么由于每辆车分摊的设备投资较低，则可以考虑对2个车分别进行优化，甚至演化成2个架构。

表1 性能带宽探测变量

由于上述因素的变化，为了避免设计冗余或者性能不足，就需要通过一定的手段来实现性能带宽需求。比较直观的是在主要承力零件（如前纵梁）里面增加或删除加强板，这种做法可以保证主体零件的共用。进一步可以考虑的是调整零件的材料等级，这种做法虽然需要重新开发模具，但总成的焊接夹具依然可以保持相当大部分的共用。如果再进一步优化，使得零件的料厚发生改变，那么可能导致该车型的生产设备都要全新投资，背离了架构设计的初衷。因此这就要求纵梁设计过程中做好统筹规划，在结构或性能上为架构性能的上探或下探保留余地。

2 尺寸带宽

尺寸带宽是指该架构在满足不同车型空间尺寸需求时的调整适应能力。在车宽方向，当轮距、轴距及车宽发生变化的时候，通过分解到车身上的尺寸的合理变化，来满足不同的需求。图3示出车身架构尺寸带宽的实现策略。对于轮距的变化，前轮距变化对车身的影响主要反映在弹簧安装点。如图3a所示，当规划车型因前轮距变化需求，需要弹簧安装点外移一定距离（d）时，结构设计时就要为弹簧安装点的移动预留足够的空间；如图3b所示，当规划车型因后轮距变化需求，需要弹簧支座外移一定距离（d）时，如果后悬架弹簧支座设计在纵梁上，则需要将后纵梁设计得较宽，以使弹簧支座可以有足够的变化范围。上述情况中，弹簧安装点允许变化的范围被认为是车宽方向的尺寸带宽。

而如果轮距的变化影响到后纵梁的间距，那么在后排H点同时外移相同尺寸的前提下，可以实现后地板钣金结构简单的Y向平移。这同样被认为属于尺寸带宽范畴。

在前后方向，轴距变化最常见的设计要求是调整乘员空间或行李箱空间。由于涉及的范围广、零件多，需要制定特定的策略来实现该变化，如图4所示。目前对于轴距（L1/mm）的识别，可以将其分解为若干尺寸的和：

式中：L5——前轮心到踵点距离，mm；

L6——后排H点到后轮心距离，mm；

L8——前排H点到后排H点距离，mm；

L9——踵点到前排H点距离，mm。

图4中，L2为总车长，L5为固定尺寸，L3和L4为造型强相关可变尺寸，L6及L8为后排人机强相关可变尺寸。为了便于设计，在研究后排乘员布置位置时，一般会以前后地板分界线到后排H点的距离来替代L8作为结构设计参考，定义为L7。

对应不同车型的轴距调整，如果采用不同的变化策略会产生不同的结果，如表2所示。

表2 轴距变化策略及影响

总体而言，尺寸的变化对内服务于H点的变化需求，对外服务于底盘的变化需求。如果仅通过可变尺寸的调整无法满足这两方面的需求，而需要调整原本定义为不变的尺寸，那么就认为该变化超出了该架构的尺寸带宽。在这种情况下，往往会将目标车型区分为2个架构进行设计。

3 工艺带宽

当前对于工艺带宽的认知有2个方面：1）在工厂制造主线采用的定位策略对所有车型通用；2）冲压钣金零件的部分工序模具或者焊装夹具共用。

生产线投资费用非常高昂，而且还会存在场地限制问题。因此制造设计希望尽量可以在一条生产线上实现多车型的生产，这就对车身在生产线上的主定位孔提出了要求。当前主流汽车厂家都有自己的车身定位策略，在同架构的系列车型间，甚至于不同架构的车型之间，都通过零件调整实现这些车辆具有相同的定位孔，以达到同一条生产线生产的目的。这种做法被认为是工艺带宽策略之一。

而由于秉承架构概念的设计，会导致同一架构不同车型之间存在大量相似的零件，那么这些零件就存在了共用部分工序模具或者共用部分焊装夹具的可能性，进而降低生产设备投资。模具共用的前提是零件至少形貌相同，材料等级和料厚不变；而夹具共用的前提是，总成形貌相似，零件料厚变化在限定范围内。由于现代汽车制造工艺对夹具要求越发严格，因此该料厚理论变化范围非常小，通常在0.5 mm以内。文章认为这种概念也属于工艺带宽策略范畴。显然的，该工艺带宽策略和性能带宽策略是强相关的。在实际项目中，需要协同考虑这两方面的需求以求得最佳方案。

4 结论

文章所论述的车身柔性架构开发方法，是服务于整车柔性架构开发策略的重要手段，通过性能、尺寸和工艺3个方面的带宽识别和调整，可以按照柔性架构开发策略，直观地实现车身柔性架构开发，满足不同地区、不同层级及不同性能要求的各种车型开发需求。此外在实际项目中，柔性架构开发策略还会受到车型产量安排、产地分布规划、物流策略、生产设备投资及采购分包定点策略等多方面因素的影响。需要平衡各方需求，方能实现控制成本、快速响应市场变化及提升企业竞争力的目的。