汽车平台模块化概述

2019-10-17石殿福

汽车工程师 2019年9期

石殿福

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

随着汽车工业和信息化时代的飞速发展，汽车市场竞争变得越来越激烈，汽车产品更新换代越来越快，各大汽车厂商无不为适应市场而加大投入，提高产品的更迭速度。在这样的背景下，汽车研发和生产中的平台模块化应运而生。平台模块化开发与生产已经成为各个车企发展的重大战略。汽车模块化的研究需要从整车结构和功能入手，对各零部件系统进行结构和功能定义，从而完成设计和开发任务。平台模块化的应用加速了新车型的研发，并且降低了研发制造成本，有利于汽车企业适应市场、节约成本、管控质量和提升效率。可以说平台化、模块化造车已经成为当下的主流趋势，并且全新的新能源汽车平台也进入了快速发展阶段。文章从模块化的发展、构建模块化的意义及模块化的核心要素等方面进行分析，说明了平台模块化在汽车研发中的重要性。

1 平台及模块的定义

平台广义上是指去除和造型相关的车辆上部，构成车辆基本特征的部分（平台+车辆上部=整车）。模块是指具备一定功能的单件、总成或系统，是构成平台的基本单元。

模块化源自社会生产，企业为了提高生产效率、降低生产和研发成本提出了模块化口号，主要强调实现零部件的连接和互换。模块化设计是将产品分成几个部分，每个部分具有独立的功能，称为模块架构。模块具有一致的几何接口和一致的输入、输出接口单元，相同种类的模块可以重复使用和互换。架构的定义则为整车平台模块的开发确定了划分原则、开发框架和约束条件。

2 模块化的发展

2.1 模块化的发展进程

汽车最初的生产方式是单件纯手工打造，后来有了批量生产的流水线，再后来出现了能生产不同车型的汽车平台。随着汽车平台技术的发展和模块化概念的出现，汽车厂商能在同一个平台上生产出不同级别、不同类型的汽车产品。从20 世纪90 年代的在相同平台上衍生出不同车型，到2000 年将具有相同功能和结构的模块应用到不同车型作为补充，再到2007 年开始大规模地将模块组合应用到跨级别、跨类型的车型之间，模块化的发展提高了汽车厂商的造车能力，大大缩短了开发周期，降低了开发成本，如图1 所示。

图1 汽车平台模块化的发展进程图

2.2 国际主流车企的模块化现状

最早被人们所了解的车型平台应该是大众的PQ系列平台，而目前最具代表性的也是大众集团的MQB平台，它几乎涵盖了大众集团横置平台的所有紧凑型和中型车。大众的紧凑型车、中型车、豪华型车分别来自不同的平台，相同平台下的车型共享一样的动力总成、相同或相似的底盘架构。

目前，除了大众集团的MQB，MLB，MMB 和MSB 4个模块化平台，全球主要车企都根据自身情况，开展了具有各自特色的模块化产品规划与开发。外资企业模块化平台的开发能力相对突出，但国内车企也都具备了一定的开发能力，例如吉利的PMA、比亚迪的E平台等，如表1 所示。随着新能源汽车的发展，新能源平台化发展也已经成为各个车企的共识。

表1 车企平台模块化状态汇总表

3 平台模块化战略的目标与优势

平台模块化的发展是企业面对内外部机遇与挑战的必然选择。从20 世纪90 年代到今天，汽车品牌与细分市场的车型数量呈几何级趋势增长，市场竞争加剧。在车型迅猛增加的压力下，企业需要增加大量有竞争力的产品。消费者对于汽车个性化的要求也更加活跃，产品更迭速度加快，这就要求企业缩短向用户提供新产品的周期。同时，信息化与电动化的发展要求促使汽车电动网联的功能越来越多，各个系统模块之间的电气系统更加复杂，新技术更新更快，这就要求各系统之间形成统一的架构。面对全球化，各个车企在不同的销售市场，需要提供符合当地客户需求的产品，开发和升级更多的产品导致成本增加，企业需要考虑成本平衡[1]，平台模块化开发成为了不二之选。

模块化在汽车研发和生产制造中的应用，将极大地提升效率、降低成本。从长远来看，平台模块化开发应用到多款不同产品甚至不同品牌上，可以直接降低一次性投资，如开发、采购和生产费用；平台先于车型开发有利于缩短产品开发周期；大量模块的通用化将减少零部件数量，使生产企业扩大生产规模，体现规模化生产的经济性，同时有利于工程师在降低开发风险方面投入更多精力；模块化的应用可以降低车型变形的复杂程度，在改变造型的基础上拓展产品类型，为用户提供不同的车型；同平台生产便于生产设备和流程的标准化，可以缩短生产时间，并且广泛的标准化生产过程有利于提高产品质量。

4 平台模块化要素

平台模块化开发的核心是定义一辆车的特征元素，根据特征元素的不同，将各个零部件系统概念化，并协同周边边界数据，设计出可通用的零部件模块。文章以大众的MQB 平台模块化为例，对平台模块化的核心要素进行说明。

4.1 基于平台的车辆家族图谱

平台模块化往往是根据企业产品规划的要求进行初步定义。比如大众集团现有的MQB，MLB，MSB，MEB平台，用于覆盖紧凑型车、中型车、豪华型车市场。明确的汽车家族图谱有利于模块化的定义与差异化设计，在汽车前期设计中，将更多地考虑模块在不同车型之间的扩展性。平台模块化的定义与产品规划的结合，将明确平台车的拓展原则。

4.2 模块化设计核心特征和可控尺寸

模块化设计的核心特征是前轮心和油门的间距是不变的[2]。MQB 平台可以看成是一个大的架子，作为MQB 模块化平台的核心要素，动力总成模块位置是统一不变的，即油门踏板和轮心的前后距离是相同的，发动机安装倾角、发动机悬置是固定的。

可控尺寸主要由轴距、前悬、后悬、前后轮距几部分构成，另外还包括转向盘倾角、前后排座椅高度等，如图2 所示。以上尺寸的确定使得汽车结构形成一个标准的车体系统成为可能。

图2 汽车平台模块化可控尺寸示意图

前悬可调：发动机的选型、倾角设置、固定位置确定以后，结合前端框架、前保险杠与发动机之间的相互关系，可以确定前悬尺寸，间距可调。

轴距可调：驾驶员和后排乘员空间基本确定轴距尺寸，间距可调。

后悬可调：后地板、离去角和后保险杠之间相互关系确定后悬尺寸，间距可调。

前后轮距：轮毂、车身、动力总成、油箱等零部件之间的相互关系确定轮距尺寸，间距可调。

轴距、轮距的尺寸在产品初期策划阶段已经确定，可以根据需求选择平台进行扩展设计。MQB 车型之间的差异主要集中在轴距、悬挂方式、动力总成以及内外饰等方面。

4.3 模块的划分

平台模块化的基本单位是模块架构。整车开发主要涉及4 个模块专业方向，即底盘、车身、动力总成和电子电器。在模块架构的划分上，根据各专业系统的划分原则，分为35 个模块架构，例如前后轴、转向系统、发动机、变速箱、座椅系统、信息娱乐系统等，如图3 所示。

图3 汽车平台模块化架构划分系统图

模块架构的基本单位是模块与模块家族，具有相同属性的模块集合称为模块家族。根据零部件系统的细化设计，可以将模块架构继续细化到模块与模块家族，具体可以分为约240 个模块家族，例如基础发动机、消声器、制动器、雨刮器、ECU 等模块家族。在开发过程中，要控制每个模块家族成员的数量，实现尽可能少的衍生模块。模块是模块架构的最小单元，它是可以组成系统的、具有特定功能和接口的典型通用独立单元，能够使其本身独立于总系统的开发、制造和检验。模块的开发具有独立性、互换性和通用性三大特征。

4.4 底盘模块化的构建

为实现底盘模块化架构能满足不同级别车型之间的通用性，需要在模块开发中统一前后轴方案，并可根据汽车的宽度进行调整，如图4 所示。

图4 汽车平台底盘模块化结构图

通过规范底盘模块种类和数量实现性能稳定、行驶系统和驾驶辅助系统优化以及底盘轻量化。底盘系统模块化的特点有：

1）标准的前后桥接口设计要保证其与地板安装结构的匹配性，从而使多种悬架的互换具备兼容性；

2）后轴后移可实现轴距加长，在后地板、顶棚部分做适应性修改，即可实现针对中国等亚洲市场对于轴距加长的要求；

3）前后轴根据不同尺寸和轴荷的要求进行设计，既能实现技术方案的统一，又能赋予每台车不同的专属“DNA”；

4）易于实现技术配置的通用，如大众在高尔夫7和A3 上通用的前桥电控横向差速锁、多次碰撞自动制动、渐进式转向系统等；

5）底盘模块如副车架、转向节、减振器等可通过相同的材料选择和结构优化实现减重，达到底盘系统质量的最优化设计。

通过某平台车型的扩展，验证了底盘模块化构建的可行性，并在实际开发与生产中极大地缩短了开发周期，降低了开发成本[3]。

4.5 电动汽车的模块化

为适应电动汽车市场发展，各大车企也都针对电动汽车启动了平台模块化设计，其中大众集团的MEB平台是最为人熟知的基于电动汽车的模块化平台，如图5 所示。电动汽车区别于传统汽车的主要是电驱动、动力电池、高压电气以及控制系统，所以电动汽车的模块化开发也主要基于这些因素开展。电驱动、动力电池、高压电气的模块化开发的要素是确定系统布置边界、接口定义和性能覆盖带宽。根据不同的车型规划进行各系统选型。动力电池的模块化开发除了考虑车身边界以外，还需要考虑电池包本身的可扩展性。电动汽车由于高低压电气系统的复杂程度和控制精度要求越来越高，电子电器架构的模块化开发成为电动汽车模块化开发的重点。新能源独立平台的应用可以进一步降低成本，提升性能。在这方面除合资品牌以外，上汽、广汽、吉利、北汽、江淮等自主品牌也将在2020 年前后推出其全新的新能源独立平台。