汽车研发：整车架构的开发与研究！
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说到架构
今天漫谈君就和大家聊一聊
整车架构的开发与研究
为了能最大限度地把握高效率、高质量和低成本的开发与产品个性化间的平衡，确保在市场竞争中形成多个产品，全球各大车企经过长期的研发与实践，提出了整车架构的概念。目前，整车架构的工程开发技术已成为国内外汽车公司重点研究的技术。
整车架构零件，是指一系列代表整车关键性能的零部件和总成。将这些零件按照系统进行分类是一种通过汽车物理构件的合理组合搭配实现整车功能要求的方法，并且基于这种固定的工程解决方法开发系列产品。架构的概念强调的是工程解决方法的共用，是平台概念中物理“同零件”的抽象化与升华，是更深层次的协同。架构策略提供了一种更加灵活的平衡企业开发制造成本与顾客个性化需求之间矛盾的方法。
将这些架构零件组装在一起，就形成了如下图所示的整车架构：
共用的零件和系统是指在多个产品中最大化共用物料清单。在保证工程方案相同的前提下尽最大可能地实现关键零件共用。在某个架构下的产品，共用了一套架构件，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。
该特征表达了架构下的产品所具备的功能和性能，建立起工程解决方案之“最优性”。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。
用以保证关键架构零件的共用性；为确保架构零件和系统共用，相关夹具共用，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）。
统一架构车型相同的制造体系确保企业整体制造规划的灵活性。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。
用共同的工程方案解决关键尺寸在一定范围内的浮动，进一步满足用户个性化的需求。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。
而其中最为积极的驱动因素如下图所示：
1）轮胎规格主要体现在轮胎外径大小，体现了整车的离地高度；
2）前后排的H点，反映乘客在乘客舱中的坐姿和人机工程布置；
3）是前风挡下支点位置，反映了乘客舱前部边界条件和前风挡的倾角和驾驶员的前视野；
4）是整车高度，反映了乘客舱的内部空间和整车的整体姿态；
5）是整车的轴距，反映了乘客舱内部的大小，也体现了整车的驾驶灵活性。
如果2个产品沿用了相同的关键系统、子系统或零部件，则可称为同平台产品,或者说这2个产品出自同一平台。如果2个平台的关键部分采用的是相同的工程解决方案，则称为同一架构上的2个平台。架构实际上是平台概念基础上的扩展和往上延伸。
下图为某一架构衍生的产品系列图，它包含4个平台，其中短轴距平台负责中级的三厢、两厢轿车及其换代产品的开发；长轴距平台负责中高级别三厢、两厢轿车及其换代产品；第3、4个平台分别为MPV、SUV平台，承载MPV、SUV系列产品。4个平台分工明确，但在一些原理上共享相同的工程方案，从而大大降低了开发周期及风险。
如果按照平台战略，由于产品的外形、布置有较大差异，SUV、MPV和轿车等车型很难共平台开发，架构思路的出现避免了一系列新平台各自为政的情况，使公司资源得到最合理的整合。由于架构战略有共同的功能及其性能的前瞻性，使得规划部门更早地着手前期规划，让人员、经费及硬件尽早到位。
在同一架构的指导下，不同平台所衍生出的不同性能的车型给顾客提供了更多的选择，以较小的代价解决了共平台策略车型缺少变化的问题。
3、大大节省了开发费用
从下图的统计数据中可以看到，在无法做到同平台的情况下，平台之间共架构的设计理念还能够大幅缩减工程开发和制造投资费用。
得到验证的工程方案可以应用于该架构中任意一款车型，产品质量的提升以及售后的反馈都将从中获益。
由于同架构车型在开发时就考虑了采取一致的制造体系，对于企业的生产、物流和采购体系也提供了更大的灵活性。下图是某品牌长轴距和短轴距汽车产品利用架构技术开发的下车体，而下车体是白车身或整车在车身车间、涂装车间、总装车间传送时作为滑橇、吊具的重量支撑载体。共用下车体支点后，可以进行柔性生产，共用生产线。大大节约企业的投资，从而为企业的生产、物流和采购体系提供最大的灵活性。
整车架构由前端模块、前风窗下支点位置（前后和上下）、地板模块、后行李箱模块组成，如下图所示。
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，前纵梁宽度为搭配不同的动力总成提供了容纳空间，而在给定轮距的条件下，又受到轮胎运动包络的限制；其次是前纵梁的长度，它决定了发动机舱的长度也就是前悬长度和动力总成布置位置，为不同的动力总成配置提供了必须的空间，同时其前端吸能区域和能量传递路径也决定了不同的前撞安全性能，也需要满足各种不同安全性能的前撞要求。
这一模块是人机交互的核心区域。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。前围板的上边沿也决定了引擎盖后沿高度和前方下视野，同时，前围板承接着踏板、空调箱、仪表板及其横梁等重要的操纵总成，直接影响其位置和结构。
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。 门槛梁及横梁的框架结构也是前碰和侧碰的能量传递路径，影响整车的安全性能。
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。而对于车身的上车体结构，可以分为两厢轿车（Hatchback/Fastback）、三厢轿车（Notchback或Sedan）、旅行车（Station Wagon）、多用途车MPV（Multi-Purpose Vehicle）几种主要型式。以这几种型式为基础，衍生出三门、五门、双人跑车（Coupe）、活动顶跑车（Convertible）等几种针对特定市场和用户群体的型式。
对这些模块进行组合，可以搭建不同的模型，满足某架构下不同产品的需要下图所示为组合后的5门溜背式车身型式。
通常车身的型式有三门和屋五门的两厢轿车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，如下图所示。除此之外，还有这些车身型式的杂交型式Crossover等，但是可以按照架构搭建的元素分为三类车型，小轮胎短轴距低风挡下支点的（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），大轮胎高前风挡下支点的四轮驱动SUV，这样便于组合进行架构的变化，尽可能提高架构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。
在架构概念得到确认后，把共用工程解决方案和模块化理念所确定的零件及平台中的沿用件统称为架构件。前期工程的任务就是在市场提出需求时，首先确定这一产品的技术路线及工程工作范畴；确认在现有架构规划中是否需要重新开发或优化，也就是确定哪些是架构件，哪些是非架构件，并完成架构件的开发。根据每一个项目的不同情况，确定每一个架构件的技术参数或概念设计，需要时直至尺寸数据的发布。
下图为一种基于架构概念的产品开发过程。在流程上还定义了架构开发的时间节点和提交物，明确架构开发和产品工程的任务，从而保证整个产品的进程，最大限度地做好高效、高质量和低成本的开发和产品个性化之间的平衡。
1）动力总成架构
动力总成是汽车的动力源泉和传动路径，包括发动机、变速箱、分动箱、传动轴等零部件。优秀的动力总成是整车动力性、燃油经济性和排放性能的保证。目前大部分厂家已经将现有动力总成资源和未来开发计划纳入产品型谱规划。常规动力总成的布置型式有前置、中置、后置3种形式。前置发动机具有散热环境好、易于均衡配重等优点，是最为常见的形式，在以前轮驱动为主流的中低档车型得到广泛应用。而对于性能优越的高档后驱车和跑车家族，发动机中置或后置常常是作为首选形式。
2）底盘架构
轴距和轮距是决定平台特征的关键参数。一般而言，高级别的轿车通常会采用较大的轴距和轮距，以获得较大的乘客舱容纳空间和搭载大排量的动力总成。底盘架构主要包含车架/副车架、悬架系统、转向系统这些直接影响驾控特性的总成。驱动型式也是比较重要的架构特征，前轮驱动型式具有传动系统较为简单、易于实现不足转向等特点，在大部分乘用车上采用，对于追求驾控乐趣的高端车型比较倾向于采用后轮驱动型式。SUV通常采用两驱/四驱的组合配置，以满足城市/乡村不同道路的使用需求。
3）车身架构
一般乘用车的车身可分为承载车身（Body Frame Integrated）和非承载车身（Body On Frame）两种型式。非承载车身一般为高地板结构，它具有独立的车架结构连接底盘和车身，从而使整车的强度、刚度等得到较大的提高，主要应用于越野性能较强的运动型轿车SUV（Sports Utility Vehicle）、客货两用车（Pickup）。承载车身没有独立的车架，采用优化的车身底部结构以承载整车重量，具有成本低重量轻等优点，目前在普通轿车及交叉车型（Crossover）上得到非常广泛的应用。整车车身架构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。
下图是基于某公司同一架构衍生出的多个分支平台车型：三厢轿车、双门跑车和旅行车。
在整车项目开发时，如果决定使用架构沿用策略后，底盘、动力总成的主要零件均为架构件，不会更改，车身、内外饰的开发成为重要工作。而车身的开发对主机厂来说是重中之重，这主要是因为车身自制件中侧围模具的开发，一般从开模数据的发布到正常的投产需要16到18个月时间，是项目的关键路径。在总布置给出的约束条件下，一般采用从下向上，从内到外的车身设计开发方法，如下图所示。
1）首先，确认沿用的车身架构零件范围，一般为下车体，在此基础上，设计后轮罩、门槛加强板、A柱下加强板、B柱下内板、前围上横梁；
2）其次，设计A、B、C、D柱内板、车顶加强横梁；
3）最后，随着外饰造型面的发布，设计发布车身外板数据，主要是：四门两盖外板、翼子板、侧围外板、顶盖外板，从而完成车身数据的发布。
在车身架构开发过程中，通常是先选定动力总成、车轮和其他架构件，在此基础上开发满足多种车身型式的车身架构，车身架构的开发主要体现在如下几个重要方面：
1) 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
2) 车身骨架类型：集成式车身和车架式车身；
3) 地板高度：低地板、中地板和高地板三种；
4) 驾驶员位置：左驾和右驾；
5) 乘客的个数：从2个到8个不等。
车身骨架的选择取决于整车性能要求，如整车安全性能，操纵稳定性和NVH等性能，最关键的主要是安全性能。通常不同市场有不同安全性能要求，研究表明，承载式车身在高、中、低端轿车中，都是主流和发展趋势，在SUV运动性轿车上也是如此，因此在开发车身架构时，优先考虑承载式车身，便于在各种车型之间实现最大化的零件共享。
对于轿车和跑车，为了保证整车的良好的空气动力学、低油耗（风阻面积小）和操纵稳定性（低质心），通常采用低地板方式； 对于敞篷车、旅行车以及MPV和城市SUV，通常采用中地板确保大部分城市工况和小部分郊区的通过性要求，而经济性和操稳性也不会有太大的变化；对于SUV和皮卡车和厢式货车，需要非常好的越野性能，因此通常采用高地板。
在车身架构设计时，地板高度的变化是通过轮胎规格的变化来实现的，地板（或车身）本身的变化是较小的。以下从发动机舱、乘客舱和行李箱三个部分来说明车身架构如何搭建的。通常，确定其中某一个车身型式作为研究对象，比如5门的两厢车，其他车型都是在该车型上衍生出来的。
为了实现各种车型之间的车身零件共用最大化，或为了达到架构共用的目的，两厢和三厢之间应采用相同的轴距和轮距，整车的高度应尽量相同，而整车的长度尽量差别应控制在500mm内。
下图所示为四种车型的前舱和行李箱的架构设计要点。两厢和三厢通常都属于低H点的车型，除左右驾造成的不同前围板以外，其他前舱结构设计都是相同的。而对于H点不同的车型，前围板分成上下两块板，下板相同，而上板则根据前风窗下支点进行分别设计。此处的MPV和Van是高H点的车型，通常比低H点的车型具有较大的整车重量。
MPV为多种用途车，但主要载客，关注整车的操纵稳定性和乘员安全性，而后者客货两用，更多的时候载货，安全性能要求偏低。因此对于MPV需要设计更强的安全吸能结构，如增设门槛加强板和中地板加强板，以及加强前碰撞吸能块的材料。由于乘客坐姿通常比普通轿车高，因此通常将座椅安装支架增高，风挡下支点支撑板抬高。而Van车型则没有实施安全碰撞加强措施，也没有采用增高的座椅支架，但是前风窗下支点支撑板抬高了。
同样，上图所示为车身架构行李箱的设计要点。对于低H点的两厢和三厢，车身地板主体是一样，但是因为三厢和两厢长度不一样，后地板和后纵梁需要根据后悬长度进行调整。同时根据不同市场的对安全性能的要求如北美的US NCAP和欧洲的ENCAP，因此也需要在后地板和纵梁上增加一些加强板。而对于MPV，这些加强板的形状和大小又有所区别，对于Van，它和MPV一样在普通轿车车型的基础上适当回增加轴距，同时因为其客货两用的要求，第三排座椅提供7个人的载客能力和灵活的座椅组合方式提供良好的载货能力。
车身架构在很大程度上代表了基于该架构衍生的汽车产品的性能，也表明了该架构对各种产品的包容性，因此有必要对车身架构进行评价，确保后续产品开发的灵活性和良好的基础。
一般地，车身架构可以采用如下指标进行衡量：
在预期开发的几种车型中，如果车身架构共用零件的比例越高，表明了后续开发的工作越少。整车车身因为共享比例较高，模具分摊的成本越低。
判断车身架构是否具有很好的灵活性，只需确认该架构是否良好地保护了不同市场的要求和各种车型不同特点，比如左右驾，两驱和四驱，是否能在不同的国家和地区进行制造。
目前，汽车产品的竞争越来越激烈，各主机厂也采用了很多不同的手段进行竞争，其中成本是至为关键和直接的方法。对于车身架构来说，成本意味着更多的零件共用，更好的材料规格组合，最简单的制造工艺等。
主要体现在安全性能和NVH性能等。前者直接表现在NCAP星级上，五星的整车和三星的整车之间的车身是具有很大的区别的。而后者主要体现在车身的刚度（弯曲刚度和扭转刚度）。
这和整车总布置相关的指标，但是却和车身密切相关的，如前排乘客踵点到后排H点之间的水平距离和整车长度的比值--长度效率。踵点到车点垂直高度和整车高度的比值—高度效率。车身结构上就是前围板的布置和前座椅支架。
整车架构零件，是指一系列代表整车关键性能的零部件和总成。将这些零件按照系统进行分类是一种通过汽车物理构件的合理组合搭配实现整车功能要求的方法，并且基于这种固定的工程解决方法开发系列产品。架构的概念强调的是工程解决方法的共用，是平台概念中物理“同零件”的抽象化与升华，是更深层次的协同。架构策略提供了一种更加灵活的平衡企业开发制造成本与顾客个性化需求之间矛盾的方法。
下图是某公司在同一架构上开发的三厢、两厢轿车、MPV和SUV的总布置图。图中明确了产品系列型谱的尺寸带宽，从宏观上较为清楚地比较和说明了各款车型的关键特征变化。
以现有成熟产品两厢轿车拓展衍生为三厢轿车为例，简要说明基于架构沿用的整车开发流程和各阶段主要需关注的工作。
1）产品需求定义
这是产品的细分市场分析阶段。需要通过调研掌握目前竞争对手的产品特性，并预测未来市场变化和新技术的应用，确定自身产品的定位和目标用户群。同时，通过大样本的潜在用户分析，充分了解用户的基本需求，从而明确配置需求。
2）项目内容明确
这是对市场需求的解读和理解阶段。对于架构沿用的开发而言，需要研发部门在满足市场需求的前提下，达到整车架构沿用的最大化，从而节省开发成本和时间。通过这阶段的工作，可以对新产品的更改范围做出框架式条款约束。
3）面向产品的造型设计
这是工程与造型的互动和平衡阶段。工程部门需要根据新产品更改范围的框架式条款，研究并提出明确的造型限制条件；造型部门需要依据工程提出的要求和条件，在可接受范围内，完成造型开发工作。
4）产品详细设计
在该阶段进行各车型的详细设计，并进行多轮的虚拟评审，以确保高质量的进行3D和2D数据的发布。
5）试验与验证
这个阶段主要是新产品的试制与试验阶段，与全新架构开发基本类似。在试制和试验过程中，发现和解决在此过程中出现的设计问题，并在上市前将问题解决掉。
基于整车架构的汽车开发已经成为越来越多汽车企业考虑的技术路线，通过对整车架构和基于整车架构开发汽车的研究分析，能对正在考虑实施架构策略的研发和规划部门有一定的参考意义。
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