模块化设计在客车产品开发中的应用研究

王善科

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026）

模块化设计在客车产品开发中的应用研究

王善科

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026）

介绍客车产品模块化设计及应用的现状及前景；重点分析客车模块化设计思路、模块化设计方法、

客车产品；模块化设计；开发应用；模块管理

随着市场竞争日益激烈，定制化产品的需求不断增加。模块化方法是降低产品开发成本、缩短开发周期、解决客户个性需求的一种较为有效的途径，正在成为工程学界及管理学界的研究热点。对于复杂产品系统的研发尤其如此，而且能够为其创新打下良好的基础。模块化结构设计的产品，由于模块易于从产品中拆卸和组装，从而有利于产品生命周期的循环和可持续发展[1]。2015年国家正式发布GB/T31982-2015《机械产品模块化设计规范》[2]，以引导机械行业模块化设计应用。目前国内汽车行业大多没有系统启动模块化设计，仅有少部分企业开始摸索。鉴于企业信息化和网络化平台应用已逐渐成熟，模块化资源共享共管已具备硬件条件，模块化设计方法正是导入的最佳时机。

1 模块化设计思路

模块是组成系统的、具备确定功能和标准接口的典型的通用独立单元。从以下三方面引导模块化设计过程[3]：模块间关联度尽可能小；以尽可能少的模块组合满足尽可能多个性化需求；模块提炼归并整合，提高通用性和降低数量。客车新产品开发和扩展产品开发实施模块化设计可以实现快速设计、正确设计、简化设计（尤其跨系统协同设计）等，对于缩短开发周期、降低物料品种、方便采购备料、规范新模块的产生和验证以提高可靠性、模块重用，减少重复试装等方面均有较大益处。

模块化设计的总体思路是，通过统计分析，把设计参数划分成相对固定因子、有序变化因子、无序变化因子，剥离出无序变化因子，把相对固定因子和有序变化因子进行归纳总结形成模块。整车平台化、分系统及功能系统模块化、零部件通用化等设计均属于模块化设计范畴，把模块化设计理念贯穿到产品开发的每个环节才能更好地发挥作用[4-7]。模块化设计总体思路如图1所示。

1）整车平台化。基于整车平台参数进行新产品规划和总体设计，基于产品平台进行扩展产品开发。

2）分系统模块化。基于整车开发需求进行功能模块组合、配置选型，完成分系统设计。

3）功能系统模块化。基于功能相似性、边界标准化、结构通用化等建立独立功能系统。

4）零部件通用化。基于结构模块化、接口标准化、尺寸通用化，进行零部件设计。

图1 模块化设计总体思路

2 模块化设计方法

客车产品设计的特点是以现有产品模块化平台构建为主线，以新产品模块化平台构建为辅。根据客车产品设计现有特点，产品模块化平台构建包括：模块范围定义、零部件分析（尤其功能主件）、模块提炼归并整合、模块收纳。

模块化设计有两条途径，一个是自顶而下的模块顶层规划设计；另外一个是自下而上的底层子模块积累设计。在模块化导入初期，一般选择自下而上方式进行摸索试点；在模块化发展期，开始推进顶层规划，实现自顶而下与自下而上相结合。

2.1 模块顶层规划设计

模块顶层设计由项目组充分调研论证后完成并发布；模块顶层规划设计是根据独立性、组合性、关联性、相似性、包容性等自顶而下进行模块逐级归类划分。我们规划成四级：A0级（产品平台）、A级（系统模块）、B级（功能模块）、C级（功能子模块或结构模块），其中A级模块包括动力及传动模块、前后行驶模块、侧围模块、车顶模块、前后围模块、地板模块、底骨架模块、驾驶区模块、电器系统模块、以及新能源系统模块。以此类推，把A级、B级、C级也进行逐层分解。模块顶层规划如表1。模块规划实例如图2所示。

表1 模块顶层规划

图2 模块规划实例A0-A级

2.2 底层子模块设计方法

底层子模块功能要相对独立，内部联系尽量紧密，模块间要相对简单；底层子模块的具体设计流程按方案设计、模块提炼、在用模块比对归并、模块属性完善与发布、模块子库搭建及模块入库等过程实施，最后转入模块的选用和模块的新增/变更。如图3所示。

图3 底层子模块设计方法图

2.3 底层子模块化设计举例

1）CNG气瓶组件模块，如图4所示。

图4 CNG气瓶组件模块化设计

2）城市客车驾驶员包围模块，如图5所示。

图5 城市客车驾驶员包围模块设计

3 模块的管理及应用

为了发挥模块化在产品开发设计中的作用，不仅要掌握模块化设计方法，而且要实现模块资源的共享和正确应用。模块的管理包括模块属性管理、模块收纳管理。

1）模块属性管理。包括模块编号/名称规范化，模块特征参数化，模块二维图纸/三维模型，模块文档等四个方面的管理。编号/名称规范化和特征参数化，是为了提高模块选用效率而做的。模块编号/名称根据模块功能特征进行规范编辑，模块编号和名称采用固定字符与变化字符的组合，如11BJN-01100CNG气瓶及固定（1× 80 L钢瓶）、11EJ9-01100CNG气瓶及固定（3×120 L缠绕气瓶）；模块特征参数化是复杂模块的一种识别方法，以提高筛选效率，如“CNG气瓶及固定”模块的三个特征参数值“气瓶规格和个数”、“气瓶仓形式”、“布置位置”。图纸和模型是模块基本属性，图纸可准确详细传递模块基本信息，模型可直观体现其形状和布置空间；模块文档对该模块立项审批、模块方案设计、模块使用方法等进行详细文字记载，方便查阅。

2）模块收纳管理。其为依托PLM数据平台的模块库管理方法[8]，如图6所示。首先，模块库是基于网络平台的PLM数据库，实现了共管共享；其次，基于PLM数据平台模块库采用“四层级十大系统”管理架构，四层级分别为模块化资源库（00MDL-00000）、分系统模块库（MDL-00、MDL-01、……、MDL-09等十个系统）、底层子模块库（模块分类收纳层，如CNG气瓶及固定模块库11MDL-01000等）、模块节点（模块层，如1150Q-01100（7×120 L缠绕气瓶）），实现了模块分类分层管理；最后，模块新建及变更是通过模块节点维护的，模块的文档关联到子模块库上，模块的模型图纸BOM导入到模块节点下，实现了模块全生命周期管理。

图6 模块库管理架构示意图

模块应用是把模块资源库中的模块准确导入到产品开发结构树[9]（制造BOM）中。下面介绍四种基本导入方法和一个应用实例。

1）复制法，是在模块资源库中选择一个独立模块直接导入到车型结构树。如图7所示。

图7 复制法

2）组合法，是在模块资源库中选择若干个独立模块组合后导入到车型结构树。如图8所示。

图8 组合法

3）结构法，是在模块资源库中选择一个模块结构，分系统或部件按选定模块结构设计，模块作为分系统或部件的下级件导入到车型结构树。如图9所示。

图9 结构法

4）分解法，是在模块资源库中选择一个模块，该模块包含两个或以上零件组合，将模块分解成部件组合分别导入到车型结构树中系统结构中。如图10所示。

图10 分解法

以“CNG气瓶及固定模块”在“KLQ6122DAC5-EVF发动机YC6MK375N-50 CNG车型，1 400 L气瓶容积”车型开发中引用为例来介绍模块的导入及应用：

第一步，选定子模块库，“CNG气瓶及固定模块”子库编码11MDL-01000。

第二步，模块选型设计。根据气瓶总容积1 400 L、车型结构、气瓶舱空间等要求，从表2模块清单中选择适用的CNG气瓶及固定模块，方案为1×（7×120 L气瓶支架-层半）+2×（2×140 L气瓶支架-单层）。

表2 CNG气瓶及固定模块清单

第三步，将模块导入车型结构树。按前述的组合法，把1个“气瓶支架组件1150Q-01000（7×120 L缠绕气瓶）”和2个“11QBC-01000（2×140L缠绕气瓶）”组合装配后导入到燃气供给系统结构中。通过该模块的二维装配图纸和三维模型组合装配后形成了新车型的燃气气瓶布置装配图和三维模型，从而完成了新车型的燃气系统气瓶布置。

4 结束语

国内客车产品是定制化模式的先行者，但可靠性、舒适性、稳定性也因定制配置繁多而减弱，影响客车产品的竞争力。在定制过程中提高产品性能，模块化设计是必不可少的手段。把模块化设计和模块应用充分结合起来，客车产品品质将会不断提升。

参考文件：

[1]徐震，徐燕中.机械产品模块化设计[J].制造业设计技术，2000（5）：21-23.

[2]中国标准化研究院.机械产品模块化设计规范：GB/T 31982-2015[S].北京：中国标准出版社，2015：9.

[3]童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京：中国标准出版社，2000.

[4]陈皓云，董福龙.汽车模块化设计的应用与研究[J].科技信息，2011（3）：36-37.

[5]李伟伟，刘小兵，王德明，等.浅谈模块化设计在汽车生产中的应用[J].汽车零部件，2013（3）：98-100.

[6]张利，张建国，李传斌，等.汽车底盘模块化设计中客户需求层次分析模型研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2005，28（9）：994-997.

[7]滕晓艳.复杂产品系统的模块划分方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[8]王玥，王晨曦.浅析企业标准化在基于模块化PDM实施中的作用[J].机械工业标准化与质量，2012（9）：48-51.

[9]郏维强，刘振宇，刘达新，等.基于模糊关联的复杂产品模块化设计方法及其应用[J].机械工程学报，2015（5）：130-142.

修改稿日期：2016-07-23

Research on Application of Modular Design to Bus/Coach Products Development

WangShanke
（Higer Bus CompanyLimited,Suzhou 215026,China）

The author introduces the status and prospects of the modular design and application for the bus/coach products,focuses on the analysis ofthe bus/coach modular design thinking,modular design method,module application and management,in order to provide the reference in modular design and application for the bus/coach products development.

bus/coach product;modular design;development application;module management

U469.1

A

1006-3331（2016）06-0014-04

王善科（1981-），男，工程师；主要从事车辆动力总成匹配和模块化设计的研究工作。

模块应用及管理，为客车产品开发的模块化设计及应用提供参考。