工程机械司机室模块化设计方法

许铁巧 陈雷彬 郑洪权

摘 要：个性化、多样化需求是市场发展所趋，多品种、小批量的产品模式是各个行业需要面临的课题，工程机械行业更是如此，产品系列/群之间的差异性更大，司机室设计与其他相关系统关联性比较大，存在变量比较多，且司机室为模具制造，通过模块化设计减少（部件）种类，实现标准化设计，通过模块化组合实现产品的快速设计，因此模块化设计对工程机械行业司机室设计有着至关重要的意义。本文重点介绍工程机械产品司机室模块化设计原理与方法，有助于提升工程机械行业司机室的模块化设计水平、品质感以及市场竞争力。

关键词：工程机械;模块化设计;司机室

面对日益激烈的市场竞争，越来越快的新品上市速度，越来越低的开发成本，对于产品研发提出新的挑战，要求开发过程经济、快速、高效，才能应对甚至引领瞬息万变的市场。模块化设计正是通过系列化、通用化、标准化等设计来实现不同模块的组合和互换，从而衍生出更多的變型产品的目的。

工程机械产品基于全球市场客户诉求差异、全系产品布置差异、多配置等实际情况，因此存在小批量、多品种的特点，且产品更新速度快。司机室主要包括车身焊接总成、内饰件、外饰件等，大部分为专项设计开发，即不能直接利用社会资源，同时工程机械的整体市场体量不能与汽车、卡车等相比，整体体量相对较小。因此司机室的模具化设计带来很大的挑战，如何用最小的投入覆盖更多的产品，以提高经济性，同时保证产品的品质感。本文详述了如何利用模块化设计方法开展工程机械产品司机室设计的相关内容。

1 基本原理

模块化设计：对一定范围内不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品在功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能和结构模块，使这些模块系列化和通用化，并具有标准的模块接口：通过模块的选择、组合构成不同产品，以满足市场的不同需求的设计方法。

开展模块化设计必须做好平台化、系列化、标准化。

平台化：模块的设计与组合要基于平台定位去考虑，包括覆盖的平台技术、技术配置的差异性等，以保证模块化设计结果的有效性。系列化：模块的设计与组合要能达到系列化应用效果，前期要考虑覆盖的产业类别（不同门类）、不同定位的产品（中、高端）等，以保证模块化组合的系列化拓展。标准性：模块即是成熟的、具有统一接口可互换的模块，同一功能/结构模块可以在基本型、拓展型甚至跨不同系列/类别的产品上使用。由于这一特性，产品模块化设计可缩短设计周期、降低成本、保证产品的质量可靠性。

2 工程机械司机室模块化设计

2.1 模块化设计原理

模块化设计总体思想或原理是首先对产品进行功能分析以划分模块，然后构建具有参数化结构尺寸/不同功能配置的模块，然后根据不同产品的参数要求，通过模块组合衍生产品族。

产品族/系列：产品总功能及各主要分功能相同或相似的所有产品构成的产品集合。

产品平台：用于组成一系列衍生产品的一组通用模块，在特定产品族中为所有族内产品所共享，是由多个功能模块构成的集合。

专用模块：产品族中区别于其他产品的功能和结构，以满足不同的市场需求。

2.2 模块化设计过程

对一类/多系列产品进行规划，以功能分析为基础对其进性功能模块的划分，并把功能模块转换为相应的结构模块，在该结构模块的基础上进性产品平台的模块组合规划，在基于产品平台规划进行该类/多系列产品即产品族的应用规划，已保证模块规划的完整性、适应性以及覆盖度。

（1）产品系列规划实际是定义模块设计开发的输入，也是构成模块的变型需求。司机室设计主要考虑的以下几方面：① 用户需求/其它系统需求变化：性能、参数变化，包括规格参数、关键尺寸等;环境适应性变化，包括适用温度范围、湿度、防尘性等;功能配置的需求，如功能的高低配置，特殊地区的配置需求等。② 法律法规标准：目标市场的法律法规变化或行业的相关标准的更新;市场竞争需求;③ 经济性/成本需求：控制材料用料，不能单纯为模块化而增加原有材料;金属制品减少所用材料规格，以及相关标准件;考虑装配及调试效率;部件的工艺定义，保证产品品质。

（2）模块划分

模块应具有功能/结构相对独立性，因此要划分模块首先得建立部件的功能模型。根据产品总设计或其它相关关联系统的设计输入转换为功能目标。

第一步：明确各相关系统要求。把系统相关要求转化为设计输入，包括安装形式及尺寸、配置要求、元件布置、重量要求、成本要求等;第二步：确定系统总功能。对司机室进行功能分析建立完善且完整的功能模型;第三步：总功能分解。主要基于功能相关性、结构关联性进行从系统到架构设计，再基于架构设计进行下一步的子模块分解;第四步：功能模块定义。司机室一般分为车身焊接模块、车门系统模块、外饰系统模块、内饰系统模块、座椅系统模块、空调系统模块安装机构模块等。各子系统模块应有完整的元件构成、参数、指标定义域要求;第五步：结构模块转化。子模块再通过模块集中进行各方面测试验证，包括司机室的各项一级指标验证，完成后即可进入司机室模块库，从而完成司机室模块化系统的建立。

（3）模块系列规划

完善的模块系列规划是实现产品模块化设计的基础条件。模块系列规划要把前期的各种输入转变为影响因子或变量。基于第一个元素/因子构成的部件成为基本型，随着规格或某一因子变化而产生的部件为变型或组合型部件。司机室的子系统模块的差异性即为结构尺寸、功能配置、电气系统匹配等关联系统的差异的映射。

（4）模块应用规划

完整的模块应用规划是实现产品模块化设计落实实施的关键一步，也是同步验证模块设计以及模块系列规划的准确性，以及是否需要调整完善模块规划定义等内容，把基于产品规划转化为模块在产品族的应用定义，以实现模块化设计的闭环管理。

3 其它

产品模块化设计是一项系统工程，设计产品开发的全周期与全流程，本文只概述在设计环节相关内容，在产品模块化设计过程中还有以下几点非常重要：

模块接口设计：模块接口是系统各组成部分之间可传递功能的共享界面，模块接口分为机械接口（安装尺寸）、电气接口、软件接口等。模块接口是把分立的各模块连接成系统并协调工作，因此模块接口的设计非常重要，必须进行正确、合理的接口设计。模块接口设计遵循系列化和标准化设计原则，系列化原则即模块接口集合形状的统一性原则和模块接口尺寸的优选性原则，且形成标准化的设计，以保证产品变型可快速进行模块互换和组合。

模块编码设计：模块通过编码管理来实现产品各系统各层级以及产品族模块应用管理。模块编码即用命名规则实现模块的管理和关键信息的传递。编码基本原则是唯一性、良好的可扩展性、尽量简短易识别等。模块编码采用0～9数字编码技术的较多，可根据各企业实际进行规则设计。

5 结论

工程机械产品模块化设计是基于目前工程机械市场发展的必然方向，也是工程机械行业转型升级的关键环节。本文基于模块化设计原理，概述了工程机械司机室模块化设计方法，如何从产品系列规划形成部件级模块系列规划，从而支撑产品族的模块化设计。

参考文献：

[1]王昌、吕亮国、汪建新，模具模块化及创新设计[M].北京：化学工业出版社

[2]邱国华.汽车模块化设计的应用与发展[J].设计研究，2002（7）

[3]王洪伟.基于模块化的产品族分类与规划方法研究[D].广州：华南理工大学，2008

[4]熊伟军. 基于新材料新结构的车身模块化设计研究.湖南大学硕士学位论文，2017

（徐州重型机械有限公司，江苏 徐州  221004）